畢業(yè)設(shè)計(jì)----汽油機(jī)HC排放的生成機(jī)理及凈化措施

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)汽油機(jī)HC排放的生成機(jī)理及凈化措施摘要 汽車作為現(xiàn)代化交通工具，給人們的生產(chǎn)與生活帶來了極大方便?？墒撬奈矚馀欧盼飬s給大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。通過對汽車尾氣中的固體懸浮微粒、一氧化碳、氮氧化物、碳?xì)浠衔铩U和黑煙等有害成份及其危害機(jī)理進(jìn)行分析。探討了治理汽車尾氣污染的主要原因，提出了汽車尾氣污染防治的若干對策。本文主要論述了車用汽油機(jī)HC排放物控制的必要性，探討了HC的生成機(jī)理及其影響因素，介紹了各種車用汽油機(jī)HC排放的控制技術(shù)，分析了各種凈化技術(shù)的特點(diǎn)和存在的問題

2、。關(guān)鍵詞：汽油機(jī)；碳?xì)浠衔?；生成機(jī)理；凈化措施Generation Mechanism of HC from Vehicle Gasoline Engine and Its Emission Control TechniqueAbstractAs the modern means of transportation, automobiles bring great convenience to peopleps life and production. However, the exhaust emissions cause terrible pollution to atmospheric

3、 environment. Analyzing harmful components: solid suspended particles, Carbonmonoxide, Nitrogen oxides, Hydrocarbons, Lead and smoke and its hazards analyses of the mechanism, the author discusses the main reasons of managing vehicle exhaust pollution and puts forward a number of countermeasures of

4、controlling and prevention of automobile exhaust pollution.The article discusses the necessity of HC emissions control from vehicle gasoline engine, as well as the generation mechanism of HC and its influence factors. HC emission control techniques of all kinds of vehicle gasoline engines are introd

5、uced along with the features and problems of respective purification technique.Key word: gasoline engine; HC; generation mechanism; purification measures目 錄 TOC o 1-3 h z u 1 緒 論1.1 本文研究的意義和內(nèi)容1.1.1 本文研究的意義 環(huán)境和發(fā)展是當(dāng)今世界普遍關(guān)注的重大問題，這是因?yàn)榄h(huán)境是人類賴以生存的發(fā)展和基礎(chǔ)，如果人類的生存環(huán)境遭到破壞，將嚴(yán)重阻礙社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和威脅人群的健康與生存。人類在進(jìn)入二十一世紀(jì)以后，生產(chǎn)力

6、得到了高速發(fā)展，創(chuàng)造了高度的物質(zhì)文明，但也帶來了一系列社會和環(huán)境問題。特別是人類從環(huán)境中獲取物質(zhì)和能量，創(chuàng)造了人類需要的物質(zhì)文明和財(cái)富，同時也將污染帶給環(huán)境，造成對環(huán)境的污染和生態(tài)系統(tǒng)的破壞。汽車排放是目前增長最快的大氣污染源，在發(fā)達(dá)國家城市區(qū)域，汽車是CO、HC、NOx和O3等空氣污染的主要來源。碳?xì)浠衔铮℉C）主要是未燃和未完全燃燒的燃油、潤滑油及其裂解產(chǎn)物。凡是對HC來源起作用的因素 ,均在一定程度上影響HC的排放量 。在發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和燃燒室形狀不變的情況下，HC排放量主要與空燃比、燃燒條件、負(fù)荷情況以及燃料性質(zhì)等有關(guān)。環(huán)境污染控制與解決能源危機(jī)是當(dāng)今社會急需解決的兩大問題。如果人類

7、的生存環(huán)境遭到破壞，將嚴(yán)重阻礙社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和威脅人群的健康與生存。由于汽油機(jī)對環(huán)境的污染一般要比柴油機(jī)嚴(yán)重，所以控制汽油機(jī)污染物的排放是解決汽車排放控制的重點(diǎn)。汽油機(jī)排放污染物可歸納如下：排氣（尾氣）污染物主要有CO、HC、NOX、SO2和微粒；曲軸箱竄氣和燃油蒸發(fā)成分HC。1.1.2 本文研究的內(nèi)容本課題就是探討汽油機(jī)HC的生成機(jī)理、影響因素以及凈化措施。1.2 國內(nèi)外研究情況本世紀(jì)六十年代以來，全球范圍內(nèi)由于汽車尾氣引起的空氣污染日趨嚴(yán)重，在工業(yè)發(fā)達(dá)、交通稠密的國家更是如此，許多國家紛紛通過制定機(jī)動車排放法規(guī)來克服這一問題而作出努力。逐步嚴(yán)格的排放法規(guī)，給汽車和發(fā)動機(jī)制造商提出了巨大的挑

8、戰(zhàn)和新的發(fā)展機(jī)遇，一些實(shí)力強(qiáng)大的汽車制造商和開發(fā)機(jī)構(gòu)也不斷推出滿足新排放法規(guī)的產(chǎn)品?；仡檱馄嚺欧诺臍v程可以看出，這是一個技術(shù)和法規(guī)相互促進(jìn)、不斷進(jìn)步的過程。80年代初，美國制定了相當(dāng)嚴(yán)格的的排放法規(guī)，使汽車制造商感到不管如何改進(jìn)化油器也不可能達(dá)標(biāo)，必須另辟新路時，新的電子控制燃油噴射系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。90年代初，隨著汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高，汽車制造商開發(fā)出第二代多點(diǎn)燃油噴射技術(shù)，并配備新型催化轉(zhuǎn)化器。最近，缸內(nèi)直噴稀燃汽油發(fā)動機(jī)汽車也在日本開發(fā)成功，在不斷改善汽車排放的同時，使燃油經(jīng)濟(jì)性也不斷改進(jìn)，從而滿足不斷嚴(yán)格的汽車環(huán)保節(jié)能的要求。20世紀(jì)90年代以來，國外對冷起動工況下的HC排放，

9、開展了較深入的研究。我國近些年這方面的工作也相繼展開，其中黃佐華1等較早地研究了冷起動HC排放及其影響因素；程勇2等結(jié)合三效催化反應(yīng)器的起燃特性，研究了冷起動和暖機(jī)過程缸內(nèi)氣體排放及影響因素；紀(jì)常偉3等研究了進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)對汽油機(jī)起動排放的影響；李理光4等基于循環(huán)控制方法分析了汽油機(jī)冷啟動首次循環(huán)噴射脈寬對冷起動著火穩(wěn)定性的影響，并發(fā)現(xiàn)了確保LPG發(fā)動機(jī)冷起動首循環(huán)起動成功的空燃比窗口區(qū)域。1.3 研究方法 通過查閱資料及教師指導(dǎo)探索分析汽油機(jī)HC生成機(jī)理及排放措施，研究每一凈化措施的利與弊，針對一凈化措施進(jìn)行詳細(xì)論述，經(jīng)過對比尋求高效率的凈化措施。2 汽油機(jī)HC生成機(jī)理汽油機(jī)排放污染物的排放途徑

10、可分為曲軸箱竄氣、燃料蒸發(fā)泄露和燃燒排氣3部分。曲軸箱竄氣主要指在壓縮或燃燒過程中汽缸中的混合氣或燃?xì)鈴幕钊h(huán)間隙泄漏到曲軸箱，并由曲軸箱通風(fēng)口排入大氣的氣體，其主要成分是未燃碳?xì)浠衔颒C。泄漏量隨著發(fā)動機(jī)的磨損而增加。在沒有控制曲軸箱排放時，這部分排放量占汽油機(jī)HC總排放量的25%左右。發(fā)達(dá)國家的汽車對泄漏氣體已全部進(jìn)行了控制，使泄漏氣體由曲軸箱循環(huán)進(jìn)入發(fā)動機(jī)中燒掉。汽油是一種容易蒸發(fā)的高揮發(fā)性液體，燃油供給系統(tǒng)的蒸發(fā)排放主要產(chǎn)生于燃油箱和化油器等通大氣口。燃油蒸發(fā)一般有以下幾種形式：一是當(dāng)然油箱內(nèi)壓力高于環(huán)境壓力時，汽油蒸發(fā)器從汽油蓋內(nèi)的通風(fēng)口泄漏出來。如果油箱太滿時，燃油膨脹將會從通風(fēng)

11、口溢出，滴漏到地面迅速蒸發(fā)進(jìn)而造成HC污染。另外，采用傳統(tǒng)的化油器式發(fā)動機(jī)，化油器浮子室的外部及內(nèi)部通風(fēng)口也是燃油蒸發(fā)的一個泄漏途徑。當(dāng)發(fā)動機(jī)長時間運(yùn)轉(zhuǎn)后停下來時，發(fā)動機(jī)機(jī)體的溫度高于環(huán)境溫度，浮子室內(nèi)的燃油會蒸發(fā)形成汽油蒸發(fā)，這些汽油蒸發(fā)便由內(nèi)部通風(fēng)口進(jìn)入空氣濾清器內(nèi)，其中一部分泄露進(jìn)入大氣形成HC污染。在不加控制的情況下，這部分排放量占汽油機(jī)HC總排放量的20%左右。發(fā)達(dá)國家的汽車都安裝了蒸發(fā)污染的控制裝置，即把由燃油系統(tǒng)的各個通風(fēng)口泄漏的燃油蒸汽用炭罐先吸收起來，到發(fā)動機(jī)工作時再釋放出來使其進(jìn)入氣缸內(nèi)燃燒。汽油機(jī)排放的HC，其成分及其復(fù)雜，估計(jì)有100200種成分，包括芳香烴、烯烴、烷烴

12、和醛類。出牌其中的未燃燒烴外，還包括燃油供給系統(tǒng)的蒸發(fā)排放以及燃燒室等泄漏排放出的HC。由進(jìn)氣管排入大氣的污染物是在缸內(nèi)形成的。缸內(nèi)HC的成因主要有以下幾種：第一是多種原因造成的不完全燃燒，第二是燃燒室壁面的粹熄作用，第三是熱力過程中的狹縫效應(yīng)，第四是壁面油膜和積炭的吸附作用。2.1 不完全燃燒(氧化) 在以預(yù)均勻混合氣進(jìn)行燃燒的汽油機(jī)中，HC和CO一樣，也是一種不完全燃燒（氧化的產(chǎn)物）。大量實(shí)驗(yàn)表明，碳?xì)淙剂系难趸鶕?jù)其溫度、壓力、混合比、燃料種類及分子結(jié)構(gòu)的不同有著不同的特點(diǎn)。各種烴燃料的燃燒實(shí)質(zhì)是烴的一系列氧化反應(yīng)，這一系列的氧化反應(yīng)有隨著溫度而拓寬的一個濃限和稀限。混合氣過濃或過稀都可

13、能燃燒不完全或失火，因而HC的排放與空燃比A/F有密切關(guān)系，如圖2-1所示。怠速及高負(fù)荷工況時，可燃混合氣濃度處于過濃狀態(tài)，加之怠速時殘余廢氣系數(shù)大，造成不完全燃燒或失火；另外，汽車在加速或減速時，會造成暫時的混合氣過濃或過稀現(xiàn)象，也會產(chǎn)生不完全燃燒或失火。即使在A/F14.8時，由于油氣混合不均勻，造成局部過稀或過濃現(xiàn)象，也會因不完全燃燒產(chǎn)生HC排放。 圖2-1 排氣中CO、HC、NOX與A/F的關(guān)系2.2 壁面淬熄效應(yīng)燃燒過程中，燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)2000以上，而汽缸壁面溫度在300以下，因而靠近壁面的氣體受低溫壁面的影響，溫度遠(yuǎn)低于燃?xì)鉁囟?，并且氣體的流動也較弱。所謂壁面淬熄效應(yīng)是指溫度較低的

14、燃燒室壁面對火焰的迅速冷卻(也稱激冷)，使活化分子的能力被吸收，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中斷，在壁面形成0.10.2mm的不燃燒或不完全燃燒的火焰淬熄層，產(chǎn)生大量未燃的HC。淬熄層厚度隨發(fā)動機(jī)工況、混合氣湍流程度和壁溫的不同而不同，小負(fù)荷時較厚，特別是冷起動和怠速時，燃燒室壁溫較低，形成很厚的淬熄層。另外，燃燒室中各種狹窄的縫隙，例如活塞頭部與氣缸壁之間的狹縫，火花塞中心電極周圍，進(jìn)氣門和排氣門頭部周圍處，由于面容比很大，淬熄層效應(yīng)十分劇烈，火焰無法進(jìn)入其中繼續(xù)燃燒；而在膨脹和排氣過程中，缸內(nèi)壓力下降，縫隙中的未燃混合氣返回氣缸，并隨排氣一起排出。雖然縫隙容積較小，但其中氣體壓力高，溫度低，因而密度大，HC的

15、濃度極高。一些研究表明，由壁面淬熄效應(yīng)產(chǎn)生的HC可占排氣管排放HC的3050。2.3 狹縫效應(yīng) 燃燒室縫隙效應(yīng),又稱雙壁激冷。按照這個觀點(diǎn)，汽油機(jī)工作時總有一些液態(tài)油滴或燃油蒸汽隱藏在縫隙中，因火焰無法傳入其中而不能燃燒，于是成為碳?xì)浠衔锏囊粋€來源。一般來說，縫隙效應(yīng)對HC排放影響不大，但在低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下，當(dāng)活塞上行、活塞環(huán)掃過缸壁時，在冷壁區(qū)凝結(jié)的燃油更易堆積在活塞頂岸和第一道環(huán)后的間隙中，使HC排放升高。2.4 壁面油膜和積炭吸附在進(jìn)氣和壓縮過程中，氣缸壁面上的潤滑油膜，以及沉積在活塞頂部、燃燒室壁面和進(jìn)氣門、排氣門上的多孔性積炭，會吸附未燃混合氣和燃料蒸氣，在膨脹和排氣過程中這些吸附的燃

16、料蒸氣柱隨之進(jìn)入氣態(tài)的燃燒產(chǎn)物中。像上述淬熄層一樣，這些HC的少部分被氧化，大部分則隨已燃?xì)怏w排出汽缸。據(jù)研究，這種油膜和積炭吸附產(chǎn)生的HC排放占總量的3550。實(shí)驗(yàn)表明，發(fā)動機(jī)使用含鉛汽油時燃燒室積炭可使HC排放增加720，消除積炭后，HC排放明顯降低。汽缸中HC排放過程可由透明燃燒室的高速攝影結(jié)果（圖2-2）予以說明。圖a表示在燃燒過程中，汽缸蓋底面1、汽缸壁面2、活塞頂部3以及第1道活塞以上的狹縫4等處，存在不燃燒的淬熄層。圖b表示在膨脹過程中，由于活塞下行，后期汽缸壓力下降，故上止點(diǎn)和活塞頂之間HC氣體膨脹并沿著汽缸壁鋪開；在排氣行程時，由于活塞上行，汽缸壁附近的HC被刮離汽缸壁卷成圖

17、c所示的漩渦。在排氣出口處用快速采樣法測試的結(jié)果表明，未燃HC排放氣缸是有如圖2-3所示的兩個明顯的峰值。圖2-3中縱坐標(biāo)有兩個，一是未燃碳?xì)涞呐欧藕?，另一是碳?xì)涞馁|(zhì)量流率。圖2-3上兩個峰值，第一個峰值出現(xiàn)在排氣門剛打開時的先期排放階段，這被認(rèn)為是氣體離開汽缸時夾帶了汽缸頂部間隙內(nèi)的混合氣以及淬熄層等的氣體所形成；第二個峰值出現(xiàn)在排氣行程后期，圖2-2所示的活塞運(yùn)動產(chǎn)生的漩渦使汽缸壁面的HC和溶于潤滑油薄膜層中的HC排出被認(rèn)為是這個峰值形成的原因，此時排氣中的HC濃度極高，而排氣的質(zhì)量流率相對降低。 a b c1-汽缸蓋底面；2-汽缸壁面；3-活塞頂部；4-活塞以上狹縫圖2-2 HC排放過

18、程（汽油機(jī)n=1200r/min，=1.2節(jié)氣門全開）圖2-3 排氣中HC隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化3 影響HC生成的因素 汽油機(jī)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行參數(shù)、燃料的制備、分配及成分等因素都與排氣中污染物的排出量有很大關(guān)系，為了減低汽油機(jī)排氣中的有害排放物，必須了解這些因素對有害排放物生成的影響。下面介紹一下HC排放物生成的因素。其中包括空燃比的影響、點(diǎn)火提前角的影響、轉(zhuǎn)速的影響、負(fù)荷的影響、冷卻水及燃燒室壁面溫度的影響、排氣背壓的影響、燃燒室壁面沉淀物的影響以及相關(guān)因素的影響和燃燒性質(zhì)的影響。 3.1 空燃比的影響空燃比A/F是影響汽油機(jī)中污染物產(chǎn)生的重要影響因素之一。它對排氣中CO、HC和NOX的影響如圖2-1

19、。從圖中可以看出，隨空燃比的增加，CO排放濃度逐漸下降，HC排放濃度兩頭高、中間低，而NOX排放濃度卻是兩頭低、中間高。NOX的濃度峰值出現(xiàn)在理論空燃比附近并且靠近稀混合氣的一側(cè)。而HC排放濃度的谷值則出現(xiàn)在較理論空燃比較稀的地方。空燃比對HC排放濃度的影響甚大。通常HC排放濃度和數(shù)量有隨混合氣變稀而下降的趨勢，但是，當(dāng)混合氣空燃比大于17:1時，混合氣過分稀薄，易發(fā)生火焰不完全傳播以至斷火，使HC排放量迅速增加。混合氣過濃時，空氣量不足，不能完全燃燒，燃油消耗率和HC排放率都增加?；旌蠚膺^稀時，火焰燃燒不充分或斷火，也使燃油消耗率和HC排放率增加。因此，凡影響空燃比和排氣后反應(yīng)的因素，如大氣

20、壓力、進(jìn)氣溫度、排氣溫度、排氣中的含氧量等，也必然影響HC的排放。3.2 點(diǎn)火提前角的影響點(diǎn)火提前角推遲，后燃嚴(yán)重。一方面，降低了混合氣燃燒時的燃燒室面積，激冷壁面面積減?。涣硪环矫?，導(dǎo)致排氣溫度上升，促進(jìn)HC在排氣系統(tǒng)中的氧化。這些都使最終排出的HC減少。點(diǎn)火提前角對汽油機(jī)HC排放的影響如圖3-1所示?？杖急纫欢〞r，隨點(diǎn)火提前交的推遲，HC減少，燃油消耗卻明顯惡化。這是由于隨點(diǎn)火時可相對于最佳點(diǎn)火提前角（MBT）的推遲，后燃加重，熱效率變差。但點(diǎn)火提前角推遲會導(dǎo)致排氣溫度上升，使得在排氣行程以及排氣管中HC氧化反應(yīng)加速，使最終排除HC 減少。圖3-1 點(diǎn)火提前角對HC排放的影響3.4 負(fù)荷的

21、影響發(fā)動機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，如果維持空燃比和轉(zhuǎn)速保持不變，并按最大功率調(diào)節(jié)點(diǎn)火時間時，改變負(fù)荷對HC排放濃度幾乎沒有影響，但在負(fù)荷增加時，HC排放量會因廢氣流量變大而幾乎呈線性增長。3.5 冷卻水及燃燒室壁面溫度的影響提高汽油機(jī)冷卻水及燃燒室壁面溫度，可降低狹縫容積中儲存的HC含量，減少淬熄層的厚度，改善狹縫容積逸出的HC及淬熄層擴(kuò)散出來的燃油的氧化條件，而且可改善燃油的蒸發(fā)、分配，提高排氣溫度，使HC排放物減少。HC排放隨冷卻水溫增加而減少的情況如圖3-2所示。不過冷卻水及燃燒室壁面溫度的提高也使燃燒最高溫度增加，從而NO排放也增加。圖3-2 冷卻水溫對HC排放的影響3.6 排氣背壓的影響當(dāng)排氣

22、管上裝上催化轉(zhuǎn)化器或消聲器后，排氣背壓增加，留在缸內(nèi)的廢氣增多，未燃的烴會在下一循環(huán)中被燒掉，排氣中的HC含量將降低，然而，如果背壓過大，則留在缸內(nèi)的廢氣過多，稀釋了混合氣，燃燒惡化，排出的HC會增加。3.7 燃燒室壁面沉積物的影響沉積在活塞頂部、燃燒室壁面和進(jìn)氣門、排氣門上的多孔性積炭，會吸附未燃混合氣和燃料蒸氣，在排氣過程中再釋放出來。因此，燃燒室壁面沉積物的增加，使HC的排放量增加。沉淀物對排氣的多環(huán)節(jié)芳香烴的含量有明顯影響。在汽油機(jī)小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時，芳香烴儲存與沉淀物中，而在重負(fù)和運(yùn)載時釋放出來。燃油的芳香烴含量高。但是，如果沒有足夠的時間形成沉淀物，那么即使使用芳香烴含量高的燃油，排氣的

23、芳香烴含量也較低。圖3-3表明，隨著汽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間的增加，沉積物加厚，排氣的未燃烴含量增加。圖曲線1表示節(jié)氣門全開、過量空氣系數(shù)=1200r/min時，排氣中HC的變化；曲線2表示節(jié)氣門部分開啟、過量空氣系數(shù)=1.01、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n=2000r/min時排氣的HC的變化。由圖3-3可知，汽油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時間及沉淀物的厚度對HC排放影響大，點(diǎn)3表示清除沉淀物后HC的變化。圖3-3 汽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間對HC排放的影響3.8 相關(guān)結(jié)構(gòu)因素的影響對汽油機(jī)影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)有汽缸工作容積、行程缸徑比（S/D）、燃燒室形狀、壓縮比、活塞頂結(jié)構(gòu)尺寸、配氣定時以及排氣系統(tǒng)等。這些參數(shù)的影響遵循下列兩點(diǎn)：第一點(diǎn)是在上止

24、點(diǎn)時燃燒室的容積比F/V越大，進(jìn)入活塞的間隙的混合氣越多，排氣氧化不多時HC的排出量增大；第二點(diǎn)是若使由燃燒室壁面散失的熱量減少、殘留氣體減少，則NO的排放量增大。3.8.1 汽缸工作容積與行程缸徑比的影響汽油機(jī)的汽缸工作容積與行程缸徑比對排氣污染物的排放和油耗有很大的影響。圖3-4為汽油機(jī)的工作容積與行程缸徑比對HC排放的影響。圖上的HC排放量是相對值。圖3-4 行程缸徑比及工作容積對HC排放的影響汽油機(jī)的氣缸工作容積越大，則汽缸面容比F/V越小，汽缸相對散熱面積越小，因此HC排放和油耗越低，汽油機(jī)行程缸徑比的影響更大，汽油機(jī)的行程越長，HC排放和油耗越低。根據(jù)散熱規(guī)律的對比分析，長行程汽油

25、機(jī)的燃燒速度快，點(diǎn)火定時可以相對后移。長行程汽油機(jī)的最高放熱率大、燃燒溫度高。這些因素都有利于降低汽油機(jī)的HC排放和燃油消耗。3.8.2 壓縮比的影響壓縮比增大后，F(xiàn)/V增大，進(jìn)入活塞頂環(huán)隙的混合氣增多，HC的排出量也增加。壓縮比對HC排放的影響如圖3-5所示。圖3-5 壓縮比對HC排放的影響3.8.3 燃燒室形狀的影響當(dāng)工作容積和壓縮比保持一定，變化燃燒室形狀時，HC的排放量與F/V成正比，即F/V增大，HC排出量也增加。3.8.4 氣門定時的影響氣門定時對發(fā)動機(jī)HC排放的影響如圖3-6所示。排氣門早開導(dǎo)致正在燃燒的HC排出，從而使HC排放增多。圖3-6 氣門定時對發(fā)動機(jī)HC排放的影響 3.

26、8.5 活塞頂環(huán)隙容積的影響進(jìn)入活塞和缸壁構(gòu)成的小間隙（活塞頂環(huán)隙）的混合氣，由于壁面淬熄效應(yīng)和狹縫效應(yīng)的影響，很難燃燒掉，從而影響HC的排放量。圖3-7表示其影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖中d表示活塞頂環(huán)隙容積的增大，進(jìn)入環(huán)隙的混合氣增多，HC的排放量增加。圖3-7 活塞頂環(huán)隙容積對HC排放的影響3.8.6 排氣系統(tǒng)的影響排氣系統(tǒng)對HC的排放有影響。因?yàn)镠C在排氣系統(tǒng)中可以進(jìn)一步被氧化，溫度越高，HC被氧化的越多；排氣在近期系統(tǒng)高溫段停留的時間越長，HC被氧化的也就越多。3.8.7 火花塞位置的影響火花塞在燃燒室的位置不同時，發(fā)動機(jī)的燃燒放熱速率不同，故火花塞的位置對排放有重要影響?；鸹ㄈ牟贾脩?yīng)是火焰

27、傳播距離短，若火花塞距燃燒室的縫隙較遠(yuǎn)，則汽油機(jī)排放的HC增加，反之亦然。火花塞的位置對HC排放的影響還與燃燒室的結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)，一般來說，對非緊湊型燃燒室的影響比對緊湊型燃燒室的影響大。如在圓盤形燃燒室上，由于火花塞位置不同可使發(fā)動機(jī)HC排放的差別高達(dá)81；而半球形燃燒室上，火花塞位置的改變僅能使發(fā)動機(jī)HC的排放產(chǎn)生35的差別。3.9 燃料性質(zhì)的影響汽油的辛烷值、揮發(fā)性也會影響HC的排放量。辛烷值太低或揮發(fā)性太差都會使HC的排放量增加。汽油機(jī)辛烷值的大小影響汽油機(jī)的油耗，較低的辛烷值導(dǎo)致油耗增加，因此排放量也隨之增大。汽油機(jī)的揮發(fā)性太低，則混合氣的生成不良，啟動困難，暖機(jī)性能不好，影響燃燒和排

28、放；揮發(fā)性太高，則蒸發(fā)排放增加，炭罐容易過載，并且油路中氣泡增加，影響噴油器的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響排放。4 汽油機(jī)控制HC排放的主要凈化措施汽車是人類文明的最重要的交通工具，其增長率超過人口增長率，而且還在不斷增加。在整整一個世紀(jì)中，全球汽車保有量已達(dá)到近8億輛。因此，環(huán)境保護(hù)問題已經(jīng)成為世界性重要問題。削減汽車排放污染物的最根本途徑，是依靠汽車排放控制技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，而推動這些先進(jìn)的排放控制技術(shù)發(fā)展的動力，主要是實(shí)施嚴(yán)格的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)。汽車排放污染物的控制技術(shù)可分為三類：以改進(jìn)發(fā)動機(jī)燃燒過程為核心的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，在排氣系統(tǒng)中采用化學(xué)或物理的方法對已生成的有害排放物進(jìn)行凈化的排放后處理技術(shù)，以及

29、來自曲軸箱和供油系統(tǒng)的有害物進(jìn)行凈化的非排氣污染控制技術(shù)。后兩類也稱為機(jī)外凈化技術(shù)。4.1 機(jī)內(nèi)凈化4.1.1 燃燒系統(tǒng)的改進(jìn) 緊湊的燃燒室形狀燃燒室面容比越小，結(jié)構(gòu)越緊湊，傳熱損失就越小，混合氣越均勻，燃燒過程完成得就越穩(wěn)定且快，HC排放就越低。因此，圓盤形、浴盆形、楔形燃燒室越來越多地被半球形、帳篷形、屋頂形等緊湊型燃燒室所代替?，F(xiàn)代汽油機(jī)大多采用火花塞布置在燃燒室中央，以縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，加速燃燒過程。提高發(fā)動機(jī)的壓縮比，從而提高缸內(nèi)混合氣溫度，可以促進(jìn)混合氣的形成和燃燒，達(dá)到減少HC排放的目的。燃燒室設(shè)計(jì)的重要原則之一是面容比S/V要小，即盡可能緊湊；火花塞盡可能布置在燃燒室中央，以縮

30、短火焰燃燒距離。優(yōu)化設(shè)計(jì)的燃燒系統(tǒng)可使其有機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放特性方面得到以下改善：緊湊的燃燒室可使燃燒時間縮短，實(shí)現(xiàn)快速燃燒，提高熱力循環(huán)的等容度，使熱效率提高。快速燃燒與推遲點(diǎn)火提前角或EGR的排放控制措施聯(lián)用并匹配得當(dāng)，可在降低排放的同時保證動力性和經(jīng)濟(jì)性不至于惡化?？焖俪浞值娜紵山档虲O和HC的排放。緊湊的燃燒室可有效地防止爆震，或者說提高了機(jī)械辛烷值。因?yàn)槿紵龝r間越長，越容易發(fā)生爆震。這就使得汽油極有可能進(jìn)一步提高壓縮比以改善熱效率。面容比S/V小，可減輕燃燒室壁面對混合氣的淬熄效應(yīng)，減少HC排放。面容比S/V小，可減少燃燒過程中的散熱損失，有效提高熱效率。 總之，緊湊的燃燒室可直接使

31、汽油機(jī)的熱效率提高，HC和CO排放降低。 減少不參與燃燒的縫隙容積如在上章HC生成機(jī)理介紹的那樣，在活塞頭部、火花塞和進(jìn)氣門外處存在著S/V很大的縫隙，由于壁面淬熄效應(yīng)而產(chǎn)生大量HC。因而在燃燒室和活塞組設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少這些縫隙容積。如圖4-1給出的例子，由原設(shè)計(jì)改為高位活塞組設(shè)計(jì)后，HC排放降低了20。圖4-1 采用高位活塞環(huán)降低HC的效果4.1.2 推遲點(diǎn)火提前角點(diǎn)火提前角對發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放特性和噪聲有重要影響，推遲點(diǎn)火提前角一直是最簡單易行也是最普遍應(yīng)用的排放控制技術(shù)。圖4-1示出了點(diǎn)火提前角對平均有效壓力Pme、燃油消耗率ge、最高燃燒壓力Pmax、和排氣溫度te的影響。點(diǎn)

32、火提前角為上止點(diǎn)前3540（CA）時，Pme和ge最佳，這是以動力性經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)時最常用的點(diǎn)火提前角。適當(dāng)推遲點(diǎn)火提前角會降低HC的排放量，是由于排氣溫度上升，促進(jìn)了進(jìn)氣過程中HC在汽缸內(nèi)和排氣管內(nèi)的氧化。但會引起有效壓力的下降和燃油消耗率的上升。因此，靠這種方法降低HC的排放有一定限度，實(shí)際中應(yīng)綜合考慮排放特性、動力性及經(jīng)濟(jì)性確定最佳點(diǎn)火提前角。圖 4-1 點(diǎn)火提前角對動力經(jīng)濟(jì)性的影響4.1.3 汽油缸內(nèi)直接噴射（GDI）進(jìn)氣管低壓電控燃油噴射系統(tǒng)發(fā)動機(jī)在冷啟動時，進(jìn)氣管內(nèi)的氣流速度低，燃油蒸發(fā)不良會導(dǎo)致形成油膜，進(jìn)入缸內(nèi)會直接附著在進(jìn)氣門底面、缸套壁面等處，再加上混合氣過濃，燃燒不完全，形

33、成大量的未燃HC排出機(jī)外。采用GDI的發(fā)動機(jī)改善了油氣的混合機(jī)理，冷啟動時不再需要過量供油，HC的排量大為降低。GDI發(fā)動機(jī)完全避免了在進(jìn)氣門等表面形成油膜，燃油計(jì)量準(zhǔn)確，屬于稀燃。4.1.4 高能點(diǎn)火與兩次、多次點(diǎn)火技術(shù)高能點(diǎn)火對HC排放的作用有兩方面，一是增大了初始火核半徑，有助于提高燃燒速度和減少循環(huán)變動；二是降低混合氣較稀時的熄火概率，使發(fā)動機(jī)可用稍稀的混合氣，從而減少HC的排放。采用兩次、多次點(diǎn)火技術(shù)可以改善啟動、怠速工況下HC的排放。4.2 機(jī)外凈化4.2.1 熱反應(yīng)凈化器與兩次空氣供給裝置熱反應(yīng)凈化器盡量安裝在靠近排氣總管出口處的排氣管路中，兩次空氣和排氣中的未燃混合氣混合后，利

34、用排氣本身的余熱保持高溫，并給予一定的反應(yīng)時間，使HC和CO再燃燒。影響熱反應(yīng)凈化的一個重要因素是排氣中O2的濃度，當(dāng)熱反應(yīng)器內(nèi)有足夠的O2時，HC和CO的凈化效果較好。要提高O2的濃度，可以通過兩次空氣供給裝置向排氣中噴人適量的兩次空氣，噴射量由排氣管中的HC和CO含量決定。4.2.2 HC吸附器與三效催化轉(zhuǎn)化器在發(fā)動機(jī)排氣尾管中安裝HC吸附器。通過吸附器中的活性碳或氟石以吸附冷啟動和怠速時排出的HC。三效催化轉(zhuǎn)化器是利用催化劑促進(jìn)發(fā)動機(jī)排氣中HC、CO和NOx發(fā)生反應(yīng)生成無害的物質(zhì)。國內(nèi)廣泛使用的是價(jià)格低廉的稀土催化劑。發(fā)動機(jī)暖機(jī)工作一段時間后，吸附介質(zhì)溫度升高，如果達(dá)到HC的脫附溫度，吸

35、附器將釋放吸附的HC。與此同時，三效催化轉(zhuǎn)化器的溫度也會上升，如果在吸附器釋放HC之前，使三效催化轉(zhuǎn)化器達(dá)到起燃溫度，則可以使冷啟動階段的HC排放大幅降低。此外還可以將吸附器解吸出來的HC引入進(jìn)氣系統(tǒng)，兩次進(jìn)入燃燒室燃燒，同樣也可達(dá)到降低冷啟動時排放的目的。采用吸附方法降低HC排放是一種被動方法，它只能將HC短暫存留，HC的轉(zhuǎn)化還必須依靠三效催化轉(zhuǎn)化器來實(shí)現(xiàn)，而且在催化轉(zhuǎn)化器未達(dá)到起燃溫度之前，HC就有可能被釋放。 氧化性催化器OC (4-1) (4-2) 三元催化器TWC (4-3) (4-4) 在氧化性催化劑中CO、HC與氧氣進(jìn)行氧化反應(yīng)，生成無害的CO2和H2O。而三元催化劑中，CO和H

36、C與NOX互為氧化劑和還原劑，生成無害的CO2、H2O及N2。剩余的CO和HC則進(jìn)行EGR率式和4-1式反應(yīng)。4.2.3 曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)曲軸箱竄氣是指在壓縮過程和燃燒過程中由活塞與氣缸之間的間隙竄入曲軸箱的油氣混合氣和已燃?xì)怏w，并與曲軸箱內(nèi)的潤滑油蒸汽混合后，由通風(fēng)口排入大氣的污染氣體。汽油機(jī)工作時產(chǎn)生的HC排放，約25%來自曲軸箱竄氣。曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)的作用原理是新鮮空氣從單獨(dú)的小濾清器吸人曲軸箱，在曲軸箱內(nèi)與竄氣混合后回流至進(jìn)氣歧管，再與混合氣一起進(jìn)入氣缸，使竄氣中的HC得以燃燒。目前幾乎所有的汽車發(fā)動機(jī)都已裝了該系統(tǒng)。4.2.4 燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)燃油蒸發(fā)是指由化油器浮子室、油箱和燃

37、油系統(tǒng)管接頭處蒸發(fā)并排向大氣的燃油蒸氣。其中HC排放的20%來自燃油系統(tǒng)。燃油蒸發(fā)控制裝置是把燃油蒸氣中的HC用活性碳收集起來，然后再用回流空氣使其脫附并將其送回發(fā)動機(jī)燃燒處理。它可以在不影響發(fā)動機(jī)功率的情況下，減少HC的排放，并相應(yīng)提高燃油經(jīng)濟(jì)性。其工作原理如圖4-2所示。1-空氣濾清器；2-控制器；3-儲氣罐；4-油箱；5-炭罐；6-進(jìn)氣管圖4-2 燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)工作原理4.3 清潔燃料近十幾年來，國外在努力降低作為汽車主流動力的汽油機(jī)和柴油機(jī)的排放污染的同時，也在不懈的探索和研究開發(fā)更理想的動力系統(tǒng)和排放污染更低的代用燃料。這些研究的目的，不僅是為了降低汽車排放污染物，也是為了節(jié)省能源

38、和開發(fā)新的汽車能源，以緩解汽車對石油燃料的單純依賴。對于甲醇、乙醇、天然氣和液化石油氣，在汽車上已有很多實(shí)際應(yīng)用。與不安裝排氣后處理裝置的汽油車和柴油車相比，它們的排氣污染降低，被稱為清潔燃料。醇類可用作內(nèi)燃機(jī)的燃料，在汽油機(jī)上的應(yīng)用已日益成熟，并獲得推廣。在汽油機(jī)混溶10%15%的甲醇（M10M15）作為混合燃料在汽油機(jī)上使用基本不成問題，目前國內(nèi)外大多應(yīng)用和推廣的也是這種混合燃料。純甲醇發(fā)動機(jī)的研究工作也已經(jīng)取得突破性進(jìn)展，正在向商品化發(fā)展。汽油機(jī)使用甲醇與汽油機(jī)混合的燃料（如M15）時，發(fā)動機(jī)和燃油系統(tǒng)都需要改造，混合燃油中甲醇成分會侵蝕燃油系統(tǒng)的橡膠件和塑料件，必須改用抗侵蝕的材料。甲

39、醇和汽油混合燃油往往有較大的揮發(fā)性，為避免熱起動和由于汽阻引起加速性下降等問題，必須采取加大燃油循環(huán)流量等措施對燃油循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行改造。由于混合燃油有較高的蒸發(fā)潛熱，阻風(fēng)門和暖機(jī)裝置必須使之適應(yīng)。表4-1列出了美國對使用M15燃油的15種不同車型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。與使用純汽油相比，CO、HC、NOX均有所降低，容積燃油消耗率增加，而按能量計(jì)算的燃油消耗率卻有所降低。表4-1 15種使用M15燃料的車型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果“1/3”混合工況燃油消耗率容積+5.6能量-2.6空氣污染HC-6.7CO-15.5NOX-5.3目前汽油機(jī)使用壓縮天然氣是以雙燃料為主要方式，它是在汽油機(jī)的基礎(chǔ)上保留汽油機(jī)的燃料供給系統(tǒng)并附

40、加了一套壓縮天然氣瓶、壓縮閥及計(jì)算機(jī)流量控制裝置等。在汽車行駛過程中，駕駛員可根據(jù)需要隨時進(jìn)行切換。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是汽油機(jī)改造成本相對較低。為了更有效地利用天然氣和減少汽車排放污染，人們正設(shè)計(jì)開發(fā)天然氣專用發(fā)動機(jī)。由于這種發(fā)動機(jī)只使用天然氣，所以可以采用高壓縮比，使用專門的燃料供給系統(tǒng)控制空燃比，結(jié)合對燃燒系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)高效率和低排放的目標(biāo)。液化石油氣（LGP）是原油煉制汽油、柴油過程的副品，其主要成分是丁烷和丙烷。這些碳?xì)浠衔锏囊恍┲饕匦允窃诔丶跋鄬^低的壓力（1.6MP）下即可轉(zhuǎn)化為液體。液化石油氣都以液態(tài)儲存和運(yùn)輸，有較高的能量密度；但通常以氣態(tài)使用，因此比

41、較容易使用在汽油機(jī)上。與汽油相比，液化石油氣的單位熱值較低，只有高級汽油的3/2左右，其辛烷值比汽油高，其他方面也有較大差異。這些差異決定了液化石油氣發(fā)動機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)。5 汽油缸內(nèi)直接噴射(GDI)5.1 概述汽油機(jī)的缸內(nèi)直噴式燃燒方式（GDI，Gasoline Direct Injection），很早以前就在航空發(fā)動機(jī)上使用。從40年代開始，以美國TCCS燃燒系統(tǒng)為開端，歐美日等國的一些汽車公司不斷地進(jìn)行研究開發(fā)并推出了一些方案。但直到1995年以后，在人們長期對缸內(nèi)流動、混合器形成和燃燒過程深入研究的基礎(chǔ)上，加之現(xiàn)代汽油機(jī)電控技術(shù)和稀燃催化器的應(yīng)用，終于是GDI稀燃系統(tǒng)實(shí)用化4。四沖程汽油機(jī)

42、發(fā)展的方向是在滿足了排放法規(guī)和耐久性的同時大幅度的減低了油耗，在這一點(diǎn)上，缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)提供了一個很好的發(fā)展方向，它結(jié)合了柴油機(jī)與汽油機(jī)兩方面的優(yōu)點(diǎn)：(1)工作在部分負(fù)荷時通過實(shí)現(xiàn)分層稀燃(= 23)及采用質(zhì)調(diào)節(jié)方式以避免節(jié)氣門的節(jié)流損失，達(dá)到與柴油機(jī)相當(dāng)?shù)娜加徒?jīng)濟(jì)性；(2)在全負(fù)荷時通過實(shí)現(xiàn)均質(zhì)預(yù)混合燃燒，來保持汽油機(jī)升功率高的特點(diǎn)。同時由于噴入缸內(nèi)燃油蒸發(fā)時的冷卻作用，增加了整機(jī)的抗爆性，有望實(shí)現(xiàn)較高的壓縮比，從而有助于提高循環(huán)的理論效率，使缸內(nèi)直噴汽油機(jī)在保持動力性指標(biāo)時，具有很好的燃油經(jīng)濟(jì)性。5.2 車用汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)5.2.1 缸內(nèi)直噴式與進(jìn)氣道噴射式汽油機(jī)的比較電噴式汽油機(jī)按

43、噴射位置分為兩種形式：進(jìn)氣道噴射式(PDI)和缸內(nèi)直噴(GDI)。其主要差別在于混合氣的準(zhǔn)備過程不一樣。進(jìn)氣道噴射發(fā)動機(jī)當(dāng)進(jìn)氣門關(guān)閉時將燃油噴在各缸進(jìn)氣閥的背面，進(jìn)氣沖程中油氣混合物進(jìn)入汽缸。在冷起動過程中，由于蒸發(fā)不完全，燃油會在進(jìn)氣管、進(jìn)氣閥背部表面形成油膜和油坑，實(shí)際噴入的燃油量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了按化學(xué)當(dāng)量比計(jì)算得到的噴油量，文獻(xiàn)5和6都提到了各自的補(bǔ)償公式，但現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品還是會在發(fā)動機(jī)開始起動的410個循環(huán)中出現(xiàn)失火或部分燃燒的現(xiàn)象，HC排放顯著增加，因此對進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)而言，在美國FTP排放測試中最初的90s內(nèi)產(chǎn)生HC總量90%的情況是常見的事。相反，直噴式汽油機(jī)避免了進(jìn)氣道濕壁現(xiàn)象的問題，為

44、燃油的精確計(jì)量提供了方便相應(yīng)地降低了冷起動過程中HC的排放量，提高了發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)速度，發(fā)動機(jī)基本上在第2個工作循環(huán)就能正常運(yùn)轉(zhuǎn)起來。進(jìn)氣道噴射發(fā)動機(jī)的另一個局限性在于負(fù)荷的變化依靠節(jié)氣門的調(diào)節(jié)。盡管節(jié)氣門控制對PFI發(fā)動機(jī)來說已是成熟的技術(shù)，但它帶來的熱動力損失是相當(dāng)大的。任何利用節(jié)氣門來調(diào)節(jié)負(fù)荷的系統(tǒng)都會面對這種寄生泵吸損失，并且會使發(fā)動機(jī)在低負(fù)荷時熱效率降低。相反，直噴式汽油機(jī)可以不再使用節(jié)氣門來調(diào)節(jié)負(fù)荷，而是利用缸內(nèi)空燃比的變化來達(dá)到發(fā)動機(jī)的工況要求，這一工作原理提高了GDI發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷時的容積效率，燃油經(jīng)濟(jì)性隨之得以改善。進(jìn)氣道噴射發(fā)動機(jī)在不采用輔助的助燃方法組織稀燃時，其空燃

45、比存在上限 (= 27)，超過這一界限，發(fā)動機(jī)工作會不穩(wěn)定，HC排放增加 。要超過這一極限，必須使用缸內(nèi)直噴的方法，通過充量分層 ，使發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷時達(dá)到 4050，即利用缸內(nèi)空氣運(yùn)動 (渦流或滾流)與噴油時刻相配合，讓火花塞點(diǎn)火時附近有濃的可燃混合氣 ，而缸內(nèi)其它部分則為稀混合氣或純空氣。圖5-1a是一臺三菱直噴式汽油機(jī)在轉(zhuǎn)速為2000r/min時的測試結(jié)果。由于應(yīng)用分層燃燒，空燃比可達(dá) 40，燃油經(jīng)濟(jì)性改善 30；圖5-1b列出幾項(xiàng)主要影響因素 。據(jù)稱裝配此發(fā)動機(jī)的三菱“格蘭特”在日本1015工況循環(huán)中燃油耗比傳統(tǒng)專用PFI發(fā)動機(jī)的汽車下降低了35%，怠速工況因燃燒穩(wěn)定下降了40，從而允

46、許較低的怠速轉(zhuǎn)速。 （a）GDI和PFI發(fā)動機(jī)的對比 （b）主要影響因素圖 5-1 三菱GDI發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性改善與進(jìn)氣道噴射發(fā)動機(jī)相比，直噴式汽油機(jī)需要克服缸內(nèi)壓力，因此一般供油系統(tǒng)的壓力較高(510MPa)，這樣使得進(jìn)入氣缸的燃油可以得到較好的霧化，典型的霧化尺寸大約為16mSMD，而進(jìn)氣道噴射發(fā)動機(jī)的大約為 120mSMD。此外，由于直噴式發(fā)動機(jī)直接將燃油噴至氣缸，消除了燃油供給的滯后效應(yīng)，故當(dāng)發(fā)動機(jī)在減速時可以停止噴油，從而提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。眾所周知，燃油的潛熱可以用來降低混合氣的溫度和容積，從而影響著發(fā)動機(jī)的充氣效率和爆震趨勢。對進(jìn)氣道噴射發(fā)動機(jī)而言，由于燃油是噴在進(jìn)氣歧管內(nèi)的，燃油

47、的蒸發(fā)主要依賴于進(jìn)氣道和進(jìn)氣閥等熱源對油膜的熱傳遞，因而不能顯著地冷卻充質(zhì)。對缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)而言，燃油以較細(xì)的霧化顆粒形式進(jìn)入氣缸，從周圍的空氣中獲得熱能，因而可以有效地起到冷卻充質(zhì)的目的。 不同的噴射定時影響著燃燒室表面到充質(zhì)的熱傳率。在進(jìn)氣沖程中噴油，增加了缸壁對充質(zhì)的熱傳遞，這樣燃油蒸發(fā)對最終充質(zhì)溫度的冷卻效果就變差了；在壓縮沖程中噴油，噴油之前，由于空氣溫度較高，缸壁對空氣的傳熱率降低，這樣當(dāng)燃油噴入時，燃油蒸發(fā)對充質(zhì)的冷卻效果得到了較好的保持，因而在點(diǎn)火時刻燃?xì)鉁囟容^低，最終降低了爆震趨勢。5.2.2 現(xiàn)代直噴式汽油機(jī)的開發(fā) 燃油供給系統(tǒng)GDI發(fā)動機(jī)如PROCO(Ford Prog

48、rammed Combustion System）（如圖5-2所示）以及TCCS(Texaco Controlled Combustion System）有一個共同的特征，那就是利用與柴油機(jī)一樣的泵嘴管供油系統(tǒng)來達(dá)到遲噴的目的（即將燃油在壓縮沖程后期噴入氣缸，依靠進(jìn)氣渦流或滾流實(shí)現(xiàn)混合氣分層），在大部分負(fù)荷范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)無節(jié)流操作，燃油經(jīng)濟(jì)性可與非直噴式柴油機(jī)相媲美，但這類系統(tǒng)使用機(jī)械式供油系統(tǒng)，導(dǎo)致它們在全負(fù)荷工況時還是遲噴，從而影響了功率輸出，為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)而采用的增壓系統(tǒng)使之在成本和性能上變得與柴油機(jī)相類似，但部分負(fù)荷時HC排放急劇增加?，F(xiàn)代直噴式汽油機(jī)需要至少兩個甚至三個或更多的不同操

49、作模式去完成為發(fā)動機(jī)在整個運(yùn)行工況范圍內(nèi)提供霧化良好的可燃混合氣。全負(fù)荷工況時，期望燃油擴(kuò)散充分以保證在最大油量時形成油、氣的均勻預(yù)混合，一般通過在進(jìn)氣沖程內(nèi)進(jìn)行燃油噴射來實(shí)現(xiàn)；部分負(fù)荷時，期望在壓縮行程后期，即活塞接近上止點(diǎn)時進(jìn)行快速噴射，并形成緊湊的、霧化良好的混合氣分層，由于要克服此時缸內(nèi)高達(dá)1.0MPa的環(huán)境壓力，噴射壓力必須比進(jìn)氣道噴射方式高得多?；钊麍D5-2 PROCO燃油系統(tǒng)燃油的噴射壓力對油束的霧化和貫穿度有重要影響。提高噴射壓力能夠減小油霧顆粒的平均直徑，而較低的噴射壓力可以減少油泵負(fù)荷、系統(tǒng)準(zhǔn)備時間和噴油器噪聲，從而延長燃油系統(tǒng)的工作壽命。目前大多數(shù)直噴式汽油機(jī)選用的供油壓

50、力為413MPa，使用過高的噴射壓力，如20MPa，固然有利于燃油的霧化，但同時也增加了油束的貫穿度，造成濕壁現(xiàn)象使排放惡化。為提高噴油壓力和噴油時間的控制自由度，增加燃油噴射策略變化的靈活性，共軌系統(tǒng)加上電磁控制噴油器是一種理想的選擇。共軌系統(tǒng)給噴油器提供一個恒定的壓力源，通過控制噴油器針閥的開啟和持續(xù)時間來決定噴油時刻和噴油量的大小，從而消除了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷波動的影響。 噴油器 噴油器是直噴式汽油機(jī)最關(guān)鍵的零部件，其工作特性直接影響著發(fā)動機(jī)的性能和排放。它必須能夠?qū)θ加瓦M(jìn)行精確計(jì)量，且響應(yīng)性和重復(fù)性都很好，因其工作特點(diǎn)，還要求它能提供SMD25m的高度霧化燃油，為達(dá)到這個指標(biāo)，據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

51、，燃油系統(tǒng)的工作壓力至少應(yīng)為4.0MPa，對遲噴和混合氣分層模式來說，壓力還要高至5.07.0MPa。如供油壓力低于4.0MPa，將會由于缸內(nèi)壓力引起的變化而造成顯著的計(jì)量誤差。從霧化的角度來看，完全蒸發(fā)的燃油可使燃燒過程更加迅速并能將HC排放控制在所要求的范圍內(nèi)。當(dāng)汽油液滴直徑為80m時，在壓縮狀態(tài)下蒸發(fā)需要10多毫秒的時間，對應(yīng)于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min時的100多度曲軸轉(zhuǎn)角；相比之下，當(dāng)液滴直徑為25m時，蒸發(fā)只需要幾毫秒，對應(yīng)于10多度曲軸轉(zhuǎn)角，從而使噴射策略更加靈活，這也是提高噴射壓力將油霧的SMD控制在25m以下的原因。當(dāng)然，SMD并不是唯一評價(jià)燃油霧化質(zhì)量的最好指標(biāo)。即使S

52、MD非常小，只要其中存在一部分大尺寸油滴，HC排放將增加。在一個SMD為25m的油霧中，每一個直徑為50m的油滴不僅質(zhì)量是平均值的8倍，而且蒸發(fā)的持續(xù)期很長，當(dāng)25m的油滴完全蒸發(fā)時，50m的油滴直徑仍將有47m7。因此在衡量直噴式燃燒系統(tǒng)的油霧特性時，特別是針對HC排放，DV10DV90或許是更好的評價(jià)參數(shù)。用于直噴式汽油機(jī)的噴嘴主要有三種：(1)孔式噴嘴；(2)內(nèi)開式旋流型噴嘴；(3)外開式噴嘴。盡管柴油機(jī)的多孔噴嘴經(jīng)歷了幾十年的持續(xù)發(fā)展，但若將其應(yīng)用于GDI 發(fā)動機(jī)還是不太理想。針閥啟閉式的多孔噴嘴將導(dǎo)致火花塞點(diǎn)火時火焰核不穩(wěn)定，濃混合氣區(qū)和稀混合氣區(qū)緊密相鄰，從而使火焰不能均勻一致地傳

53、播至整個燃燒室。目前GDI發(fā)動機(jī)廣泛使用單流體、軸針內(nèi)開式旋流型噴嘴，只有一個噴孔，工作油壓為5.010M Pa。這種結(jié)構(gòu)可以看成為無限個噴孔的多孔噴嘴，沿著噴霧錐面的周向燃油均勻分布。由于它在軸向動量的基礎(chǔ)上加上了很強(qiáng)的徑向旋轉(zhuǎn)動量，因而使得燃油進(jìn)入燃燒室時能夠形成一空心錐形的油束，燃油的霧化程度得以提高，油束也更加趨向軸向?qū)ΨQ。錐角的初始角度按實(shí)際應(yīng)用需要可以設(shè)計(jì)成從25180。選擇好噴油器的位置和噴霧錐角，可以極大地減少大油量時燃油和缸壁的碰撞，從而改善排放性能。 缸內(nèi)流場缸內(nèi)流場的形式主要有三種：(1)渦流，其旋轉(zhuǎn)軸軸線平行于氣缸中心線；(2)滾流，其旋轉(zhuǎn)軸線垂直于氣缸中心線；(3)擠

54、流，形成于壓縮沖程活塞接近上止點(diǎn)時與缸頭間隙處的徑向氣體流動，它有助于加強(qiáng)壓縮終點(diǎn)時的湍流強(qiáng)度。對GDI發(fā)動機(jī)來說，渦流和滾流都可用來產(chǎn)生混合氣分層。渦流比滾流有較少的粘性擴(kuò)散，因而保持的時間較長，可以充分利用它來維持壓縮沖程中的混合氣分層。活塞頂部特殊形狀的凹坑也可用來產(chǎn)生壓縮行程后期所期望的紊流，通常渦流還應(yīng)用擠流作為一個徑向分量以增加燃燒早期的紊流強(qiáng)度。由于渦流的旋轉(zhuǎn)動量與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，而油束的動量是獨(dú)立的，不受轉(zhuǎn)速影響，因此利用渦流來促進(jìn)油、氣混合有一個操作范圍限制。此外，高渦流比還將因離心力的作用使油滴甩向缸壁，造成濕壁現(xiàn)象的增加。 缸內(nèi)的滾流運(yùn)動只有在燃燒室?guī)缀涡螤钭銐虮馄綍r

55、才能在壓縮行程后期由于滾流變形和相對較大的速度梯度而全部轉(zhuǎn)化為紊流，否則，將出現(xiàn)滾流動能的不完全變換，導(dǎo)致火花塞處的氣流速度上升，與以渦流為主的流場結(jié)構(gòu)相比，以滾流為主的流場平均流的循環(huán)波動率較大，它將直接影響著點(diǎn)火后初始火焰核的形狀，但燃燒期和火焰速度無顯著變化。再者，滾流成分因缸壁作用易退化為大尺度的二次流結(jié)構(gòu)，這使得保持穩(wěn)定的混合氣分層更加困難，因此加大滾流強(qiáng)度以增加壓縮終了時的湍流強(qiáng)度，對彌補(bǔ)因稀薄燃燒而降低的火焰速度是有益的。滾流運(yùn)動迅速演變?yōu)榕c紊流長度尺寸同階的多個小渦旋的現(xiàn)象在以渦流為主的流場中一般觀察不到，這可能是因?yàn)闅飧椎膸缀涡螤钣欣诰哂行≌承詳U(kuò)散特性的渦流維持其旋轉(zhuǎn)動。對

56、四氣門發(fā)動機(jī)，當(dāng)進(jìn)氣閥角度大于40時宜采用滾流結(jié)構(gòu)；對三氣門或四氣門發(fā)動機(jī)，當(dāng)進(jìn)氣閥角度小于30時則應(yīng)采用渦流結(jié)構(gòu)；當(dāng)閥角在3040之間時，任何一種流場結(jié)構(gòu)都是可行的?，F(xiàn)在大部分GDI發(fā)動機(jī)都應(yīng)用渦流最為缸內(nèi)氣體流動的主要形式（圖5-2a、b）；圖5-2a中噴油器中置，火花塞偏置在油束的周向，這種設(shè)計(jì)一般要求電極凸進(jìn)燃燒室，因而常常導(dǎo)致高負(fù)荷時火花塞的耐久性問題；圖b中火花塞中置噴油嘴偏置，依靠活塞頂部特殊形狀的凹坑和坑內(nèi)渦流形成混合氣分層。近幾年來，日本三菱汽車公司對滾流在GDI發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用做了大量的試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示在壓縮行程的后期，滾流能夠有效地增加靠近缸壁處的氣體流動速度，從而可以促

57、進(jìn)粘附在缸壁上的油滴快速蒸發(fā)，也可利用滾流和活塞頂部凹坑相配合將分層混合氣導(dǎo)向火花塞，控制油束碰撞和火焰?zhèn)鞑?，從排氣?cè)到進(jìn)氣側(cè)的擠流還能提高燃燒速度。圖5-2c是三種以滾流為主的GDI燃燒系統(tǒng)，以擠流作為混合氣分層動力的燃燒系統(tǒng)如圖2d所示，其原理是利用擠流產(chǎn)生湍流來改善混合氣的準(zhǔn)備過程，同時促進(jìn)活塞頂部油膜的蒸發(fā)。試驗(yàn)表明擠流在混合氣準(zhǔn)備和燃燒中的作用非常有限，整個系統(tǒng)的性能與PFI發(fā)動機(jī)相似。 圖 5-2 GDI燃燒系統(tǒng)混合氣準(zhǔn)備策略 燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 大部分燃燒系統(tǒng)火花塞的安裝位置選擇在靠近缸頭中心處，這主要是為了火焰?zhèn)鞑サ膶ΨQ性，增加燃燒速率和標(biāo)定功率，減少熱損失和自動著火的趨勢。噴油器的

58、定位有兩種：一是中央布置，即噴油器緊靠火花塞；二是側(cè)向布置，即將噴油器安裝在進(jìn)氣道下側(cè)。由于易產(chǎn)生燃燒沉積物和降低耐久性，噴油器應(yīng)避免安裝在排氣側(cè)。圖5-3所示為三種可行的方案。前兩種常被稱為“狹窄空間”設(shè)計(jì)，第三種則被稱為“開闊空間”設(shè)計(jì)。圖 5-3 三種噴油器和火花塞的布置方案 “狹窄空間”的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：(1)具有較高的著火穩(wěn)定性；(2)能夠形成高度的混合氣分層；(3)燃油分布的一致性較好；(4)高負(fù)荷下有利于均質(zhì)混合；(5)混合氣形成對活塞頂形狀依賴性較??；(6)安裝困難，氣門尺寸需減??；(7)易造成火花塞污染；(8)噴油器頂端溫度高，沉積趨勢加大；(9)對油霧特性敏感；(10)油束易和活

59、塞頂產(chǎn)生碰撞；(11)火花塞電極的伸入距離需特殊設(shè)計(jì)?！伴_闊空間”的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：(1)延長了混合氣的準(zhǔn)備時間；(2)安裝較為靈活，氣門尺寸較大，因而充氣效率高；(3)不易受油霧特性變化的影響；(4)可利用進(jìn)氣降低噴油器頂端溫度；(5)油霧不會和火花塞電極碰撞，降低了失火可能性，可使用標(biāo)準(zhǔn)火花塞；(6)混合氣分層較為困難且波動性大；(7)燃油和缸壁碰撞的可能性加大，易造成潤滑油稀釋。有多種燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可以達(dá)到分層稀燃的目的。按噴油器位置分：一種是將噴油器安裝在缸頭的頂部中間；一種是將噴油器側(cè)置，即安裝在進(jìn)氣道下部。按缸內(nèi)氣流結(jié)構(gòu)分：一種基于進(jìn)氣渦流，一種基于進(jìn)氣滾流。以下是三種主要的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

60、 （1）噴油器頂置式燃燒系統(tǒng) 圖5-4是AVL公司一種商用機(jī)缸內(nèi)充氣分層示意圖，它使用平頂活塞，進(jìn)氣系統(tǒng)除節(jié)氣門外還包括一個控制閥和一個輔助空氣噴射氣道，使缸內(nèi)產(chǎn)生一定強(qiáng)度的渦流。燃油噴在旋流的中間并集中在那兒，油霧速度應(yīng)盡可能小，這樣才能保證可燃混合氣靠近氣缸上部火花塞附近，同時又可避免油霧和活塞相碰撞。這種燃燒系統(tǒng)的缸內(nèi)氣流結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量減少紊流的成分，因?yàn)槲闪骺蓪⒂挽F引向缸壁，使一部分燃油粘附在缸壁上，從而增加了排放。缸內(nèi)渦流不僅保持了稀空燃比時的充氣分層，又?jǐn)U大了火焰的燃燒范圍，提高了火焰的傳播速度。進(jìn)氣速度隨著控制閥的開啟角度而變化，這樣通過調(diào)整控制閥，使稀燃區(qū)域沿發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速向高、低兩個