柴油机进排气系统

柴油机进排气系统•发动机进排气系统的功用及组成•排出气缸内燃烧产生的废气，并向气缸内尽可能多的充入新鲜气体，为实现热工转换提供物质基础•进排气过程是间歇进行的，因此进排气管中都存在气流脉动。•排气消声器•三元催化器•进排气系统的发展趋势•1、进排气系统协调控制技术•废气涡轮增压•废气再循环•2、可变技术•可变增压技术•可变进气技术•废气涡轮增压技术•废气涡轮增压就是通过排气能量驱动涡轮机，由此驱动与涡轮机同轴的压气机，达到提高进气密度的目的。•同时提高发动机的动力性、经济性和排放性。•如何匹配车用发动机涡轮增压器和发动机成为了重要的课题。一般发动机转速低时，排气流速较低，涡轮转速低，增压效果差，不利于提高低速转矩；发动机转速高时，排气流速高，涡轮转速高，增压效果好，有利于提高发动机高速转矩。但高速时很容易造成发动机过增压，使得机械负荷和热负荷过大•兼顾废气涡轮增压发动机高低速性能匹配的问题，广泛采用可变增压、复合增压以及双级增压等技术。•废气再循环技术•废气再循环是指将排气中已燃烧的部分废气，再次引入到进气管，随新鲜气体一起进入气缸参与燃烧的过程。•降低排气中的NOx、HC和CO，但是如果EGR量过多，则直接降低燃油经济性，同时碳烟排放增加。因此根据发动机的不同工况，需要精确的控制最佳再循环废气量。•内部EGR和外部EGR•实施内部EGR只需控制排气相位即可，不需要专门的系统，因此机构简单，再循环废气量可通过配气相位的精确控制来调节。缺点是再循环废气的温度较高，所以降低NOx排放效果不如外部EGR，而且可实施EGR的范围有限。•外部EGR，在再循环管路中，通过设置中冷器可以降低再循环废气的温度，从而提高EGR降低NOx排放的效果。缺点是系统结构复杂。•可变增压技术是针对涡轮增压器不能兼顾车用发动机高低速性能问题而开发的。主要特点是，在涡轮入口处设置可变翼片，由此根据发动机转速控制涡轮入口几何截面积，以调整涡轮的工作转速，达到发动机不同转速下增压比的可变控制。•可变进气技术是根据发动机不同转速，选择不同长度的进气管，由此兼顾高低发动机性能的技术。•进气系统•进气系统作用•将新鲜气体或纯净的空气尽可能多的供入气缸内，并尽可能使各缸进气量一致，为各缸热功转换提供物质基础。•空气滤清器：滤除空气中的杂质，保证向气缸供给清洁的新鲜气体和空气。•进气支管长度和形状尽可能保持一致：目的是保证向个汽缸均匀的供气。•进气系统组成：•现代汽油机的进气系统中除了空气滤清器以外，还专门设置了检测进气量的空气流量计，以及可精确控制进气量的电控节气门等。通过测量实际工况下进入汽缸的进气量，并根据目标空燃比控制喷油量。•柴油机进气系统主要由空气滤清器、进气总管、进气支管等组成，为了提高发动机的升功率，改善经济性和排放特性，在车用柴油机上广泛采用增压中冷技术，因此增压中冷柴油机的进气系统还设置压气机和中冷器。•空气滤清器•以普通轿车为例，每消耗1L汽油需要消耗5000~10000L空气。大量的空气进入汽缸，若不将其中的杂质或灰尘滤除掉，必然加速汽缸的磨损，缩短发动机的使用寿命。实践证明，发动机不安装空气滤清器，其寿命将缩短2/3.•车用发动机空气滤清器的结构形式•1、油浴式空气滤清器•2、纸滤芯空气滤清器•3、复合式空气滤清器油浴式空气滤清器当发动机工作时，环境空气经外壳与滤清器盖之间的狭缝进入滤清器，并沿着滤芯与外壳之间的环形通道向下流到滤芯底部，再向上通过滤芯后进入进气管。当气流转弯时，空气中粗大的杂质被甩入机油中被机油粘附，细小杂质被滤芯滤除。粘附在滤芯上的杂质被气流溅起的机油所冲洗，并随机油一起流回储油池。滤芯多用金属丝制成，空气中的杂质可被滤除95%~97%，油浴式空气滤清器的优点是滤芯清洗后可以重复使用。纸滤芯空气滤清器空气从空气滤清器进气短管1经滤网3进入到滤清器底部，再经纸滤芯和空气滤清器出气短管流出滤清器，进入进气支管。空气中粗大的杂质被滤网阻留，而细微杂质则被滤纸芯滤除。纸滤芯空气滤清器有质量轻、成本低以及滤清效果好等优点。纸滤芯由经过树脂处理的微孔滤纸制成，有干式和湿式两种。干式滤纸可反复使用，滤纸芯经过浸油处理后即为湿式纸滤芯，其优点是使用寿命长，吸附杂质能力强，滤清效果好，但不能反复使用，需要定期更换。离心式及复合式空气滤清器双级复合式空气滤清器的上体是纸滤芯空气滤清器，下体是离心式空气滤清器。空气从滤清器下体的进气口进入旋流管，并在旋流管内的螺旋导向面的引导下产生高速旋转运动。此时在离心力的作用下空气中的大部分灰尘被甩向旋流管壁并落入集灰盘中，过滤后的空气再从旋流管顶部进入纸滤芯空气滤清器，空气中残存的细微杂质进一步被纸滤芯滤除。空气滤清器进气导流管为了增强发动机的谐振进气效果，将空气滤清器进气导流管做成较大的容积。但是导流管不能太粗，以保证空气在导流管内有一定的流速，因此进气导流管只能做得很长。较长的进气导流管有利于实现从车外吸气。汽车行驶时由于车外空气温度一般比发动机舱内的温度低30℃左右，所以从车外吸入的空气密度可增大近10%，由此发动机的燃油消耗率可降低3%。电子节气门控制系统加速踏板加速踏板位置传感器ECU节气门节气门位置传感器电子节气门控制系统特点是加速踏板并非直接控制节气门，而是通过电缆线将驾驶人操纵加速踏板的信息传递给ECU，ECU对该信息进行运算处理计算出相应的控制信号后，向驱动节气门的伺服电机发出控制指令，由此控制节气门的开度。电子节气门的最大特点是可根据汽车行驶的实际条件，控制最佳的发动机输出转矩。因此电子节气门控制系统，可以设置各种功能来改善汽车驾驶的安全性和舒适性。其中最常见的就是牵引力控制系统（TCS）和巡航控制系统。•牵引力控制系统•TCS是在汽车行驶或起动、急加速时防止驱动轮打滑的牵引力控制系统，主要包括ECU、车轮转速传感器、节气门控制系统和车轮制动力控制系统。在汽车行驶过程中ECU根据从动轮传感器的信息设定目标车速，然后检测驱动轮的车速，如果由驱动轮转速计算的车速超过目标车速时，就判定驱动轮为滑动状态，此时ECU通过控制电控节气门的开度和制动器，抑制驱动轮滑动，以保证车辆行驶稳定。•当电子节气门控制系统接收到TCS系统的指令时，它对节气门的控制指令，只来自于TCS系统，这样就可以避免驾驶人的误操作。•巡航控制系统•ECU通过由车速传感器检测的因行驶阻力而变化的车速信息反馈控制节气门的开度，使行驶车速稳定在目标车速上。•进气系统•对电控多点喷射式汽油机，喷油器分别安装在各进气支管上，取消了化油器，因此进气支管的设计不收混合气形成条件的限制，可以按动力性要求设计，其作用只是将洁净的空气均匀分配到各缸进气道。为此将各缸进气支管长度和形状尽可能设计成相同。为了减少进气流动阻力，提高进气能力，进气支管内壁应光滑。•进气谐振•进气谐振是指在进气过程中有效利用进气管内压力波的往复震荡来多进气。•进气支管通过稳压箱与进气总管连接，因稳压箱具有一定的容积，对进气支管内的压力波构成一个开口边界，故利用一定长度和直径的进气支管与一定容积的稳压箱（谐振室）就可构成一个进气谐振系统。•并使其固有频率与进气门的进气周期调谐，那么在特定的转速下，就会在进气门关闭之前，在进气支管内产生大幅度的压力波，使进气支管靠近进气门处的压力峰值提高，从而增加进气量。这种效应称作进气波动效应。•进气谐振系统的优点是没有运动件，工作可靠，成本低。但只能增加特定转速下的进气量和发动机转矩•可变进气系统•为了充分利用不同转速下的进气波动效应，改善发动机高速和中低速时的经济性和动力性，要求发动机在高转速时装备粗短的进气支管；而在中、低速时配用细长的进气支管，以提高压力波动效应。可变进气支管就是为了适应这种要求而设计的。•可变进气支管•细长的进气支管提高了进气速度，增强了气流的惯性，使进气量增多，这种现象又称为惯性增压。当发动机高速运转时，转换阀开启，空气经空气滤清器和节气门直接进入粗短的进气支管。粗短的进气支管进气阻力小，也使进气量增多。可变长度进气支管不仅可以提高发动机的动力性，还由于它提高了发动机在中、低速运转时的进气速度而增强了汽缸内的气流速度，从而改善了燃烧过程，使发动机中低速的燃油经济性有所提高。空气滤清器节气门转换阀转换阀控制机构可变进气支管在整个使用转速范围，可以使发动机转矩平均提高8%•可变谐振管•压力波增压效果主要与发动机转速和进气管长度有关。即低速时为了获得压力波动增压效果要求进气管较长，而在高速区为了降低高速时的气流流动损失，要求较短的进气管。于是，根据发动机转速控制进气管长度的变化，使得在整个转速区域内都可以提高充气效率，改善发动机的性能。当高转速时，控制阀打开，此时由于第二谐振箱的作用，实际进气压力波起作用的管段为从进气门处到第二谐振箱之间的较短部分。当发动机转速降低到中低速时，控制阀关闭，第二谐振箱不起作用，所以实际进气压力波起作用的管段为从进气门处到第一谐振箱之间的较长部分。因此，同样起到了根据转速的变化调节谐振管长度的作用。•排气系统•随着节能减排要求的不断严格，车用发动机排气系统的功用不仅是将汽缸内的已燃废气及时地排除干净，以便保证充入更多的新鲜气体，同时还要保证尽可能降低有害污染物的排放和噪声，尽可能回收利用排气能量。•单排气系统及双排气系统单排气系统双排气系统双排气系统即每个排气支管各自都连接一个排气管、催化转换器、消声器和排气尾管采用双排气系统可以降低排气系统内的压力，使发动机排气更为顺畅，气缸中残余的废气较少，可以充入更多的空气和燃油混合气或洁净的空气，因而发动机的功率和转矩都相应的有所提高。•后处理器•汽油机常规排放污染物主要由CO、HC、Nox，可以通过在排气管上加装三元催化转换器降低尾气中CO、HC、Nox的含量。当混合气过量空气系数处于1±0.03的范围内时，三元催化转换器的催化转换效率最高，转换效率高达96%。•柴油机混合气的平均过量空气系数大于1，且混合气极不均匀，因此不能采用三元催化转换器净化CO、HC、Nox。而且一般降低Nox的技术措施和降低碳烟排放的技术措施相矛盾，成为现代柴油机排放控制的主要技术难点。•CO和HC采用氧化型催化转换装置使之氧化处理为CO2和H2O；Nox采用还原型催化转换装置来还原处理成N2；碳烟颗粒则采用捕集器来捕集以后烧掉。•消声器•排气管内平均排气压力一般为0.3~0.5MPa，而且排气压力在排气管内波动。这种压力波动不仅造成排气系统的振动，而且如果把发动机燃烧后的废气直接排到大气，就会产生强烈的、频谱比较复杂的排气噪声，直接影响社会环境的安宁和整车的舒适性，因此车用发动机都装有排气消声器。•排气消声器的作用：降低或衰减排气压力脉动，以降低排气噪声。•消声器的结构根据其消声机理不同有很大的区别，但其结构基本有吸收式、干涉式、扩张式和共振式等。实际消声器多为这些结构的不同组合形式。•增压系统•增压是在发动机进气过程中预先把空气压缩，然后再供入汽缸，以此提高进气密度，增加进气量的一项技术。进气量增加，可以相应地增加循环喷油量，从而增加发动机的升功率。同时，增压不仅可以改善燃油经济性，而且也是控制排放的有效技术之一。•增压系统分类：•根据提高进气密度方式的不同，或驱动压气机的方式不同，增压发动机可分类为机械增压、废气涡轮增压和气波增压。机械增压机械增压是一种通过发动机曲轴直接驱动压气机，以提高发动机进气压力的增压方式。机械增压的特点是能有效的提高发动机功率。与涡轮增压相比，其低速增压效果更好。另外，机械增压器与发动机容易匹配，结构也比较紧凑。但是驱动增压器需要消耗发动机功率，因此燃油消耗率略高。废气涡轮增压主要由涡轮机和压气机构成，利用废气能量推动涡轮机转动，由此驱动与涡轮同轴连接的压气机实现增压。废气涡轮增压器与发动机无机械连接。这种增压方式能有效地回收利用排气能量，所以经济性比机械增压和非增压发动机都好，并可大幅度的降低有害气体的排放和排气噪声水平。缺点是因涡轮机是流体机械，而发动机是动力机械，因此废气涡轮增压发动机低速增压效果差，而且在发动机过渡