第四章 点燃式内燃机低排放设计

南昌大学机电学院第四章点燃式内燃机低排放设计曲轴箱排放物的控制蒸发排放物的控制冷起动、暖机和怠速排放控制低排放供给系统低排放点火系统低排放燃烧系统排气再循环其他低排放技术南昌大学机电学院§4.1曲轴箱排放物的控制窜气的定义：点燃式内燃机运转时，气缸内的高压可燃混合气和已燃气体，在压缩和膨胀过程会或多或少通过活塞组与气缸之间的间隙漏入曲轴箱空间内，称为窜气（blow-bygas）。若曲轴箱与大气相通，则窜气中的大量未燃碳氢化合物及其不完全燃烧产物会排入大气形成污染。车用汽油机采用曲轴箱强制通风装置（PCV,PositiveCrankcaseVentilation）新鲜空气经空气滤清器后引入曲轴箱，和箱内的窜气混合，经气缸盖罩、计量阀吸入进气管，实现窜气的再燃烧。一、曲轴箱强制通风装置南昌大学机电学院当进气管真空度大（如怠速或小负荷运转）时，阀芯被真空度吸引克服回位弹簧的弹力向右移动（a图），斜槽的有效流通断面积变小，避免通风量过大，以保护供油系统的小负荷加浓功能不受过大干扰。系统保证曲轴箱中的压力永远不超过大气压力。二、计量曲轴箱强制通风量的PCV阀PCV阀实质是流通断面积随阀两端压差变化而变化的单向阀。根据弹簧力和进气管真空度的平衡情况开闭气体通路。当进气管真空度小（大负荷）时阀芯所受真空吸力减小，在回位弹簧作用下向左移动（b图），右端斜槽流通断面积变大。当阀芯退到接近阀座时，流通断面积又要减小若发生进气管回火，压力突然升高会使PCV阀芯压紧阀座，防止波及曲轴箱引起爆炸事故。而右侧的缓冲弹簧能防止阀芯过分右移使斜槽完全关闭，同时避免阀芯卡死南昌大学机电学院§4.1曲轴箱排放物的控制三、发动机的窜气特性和PCV阀的流量特性发动机的窜气流量一般随发动机负荷的加大而加大，因此进气管真空度越小，窜气量越大。PCV阀理想的流量特性应该与发动机的窜气量成正比且有一定余量，以保证发动机老化、窜气量增大后PCV系统仍能很好地工作。实际的PCV阀流量特性是对理想特性的近似。压燃式内燃机曲轴箱窜气中由于未燃HC很少，污染物浓度远低于汽油机。用不带PCV阀控制（柴油机对空燃比变化不如汽油机敏感）的闭式曲轴箱通风系统。南昌大学机电学院§4.2蒸发排放物的控制一、燃油蒸发损失车用汽油机燃油系统产生的蒸发排放物占总HC排放量的20％左右。蒸发排放的4个来源：1）运转损失：指汽车行驶时从发动机燃油系统逃逸出的燃油蒸气。一般正常情况下这种损失可忽略不计。2）热烤损失：指汽车停止行驶时，由于发动机周围失去风扇和迎面风的冷却，发动机的残余热量使燃油温度升高而造成的蒸发损失。它主要发生在汽车停车后1h或更短的时间内。化油器的热烤损失非常大。3）昼夜损失：指昼夜温度变化造成的燃油系统的燃油蒸发损失。燃油箱内的汽油蒸气因温度变化流出箱外现象，是构成昼夜损失的主要部分。4）加油损失：指汽车在加油过程所造成的汽油蒸发损失。包括加油时油箱中汽油蒸气的溢出，加油时燃油液滴飞溅和燃油的泄漏。这部分损失数量很大。需要对汽油营销分配系统的管理和技术设施进行改造。南昌大学机电学院§4.2蒸发排放物的控制一、燃油蒸发损失不同来源对HC排放量的贡献汽油雷德蒸气压RVP：汽油挥发度表示方法的一种,指汽油在摄氏三十七点八度(华氏一百度),蒸气燃油体积比为四比一时之蒸气压。图中显示，HC排放与RVP的关系较小，但是加油损失、热烤损失、昼夜损失都随RVP的增大而明显增加；两图比较得出，汽油喷射发动机的热烤损失大大低于化油器式发动机。南昌大学机电学院§4.2蒸发排放物的控制二、蒸发排放控制系统燃油蒸发控制的方法：曲轴箱存储式活性炭罐吸附式曲轴箱存储式蒸发控制系统结构简单，应用曲轴箱空间存储燃油蒸气，通过PCV系统清除，但是效果较差。活性炭罐吸附式蒸发控制系统较复杂，但是控制效果好，已经得到广泛应用为了防止汽油机排放的燃油蒸气扩散到空气中，常用活性炭罐作为汽油蒸气的暂存空间，实现对汽油蒸发排放物的控制。工作原理：当发动机不运转时，来自化油器、燃油箱的汽油蒸气进入活性炭罐中被吸附在活性炭上；当发动机运转时，利用进气管真空度将吸附在活性炭上的汽油蒸气与进入炭罐的新鲜空气一起吸入发动机燃烧室烧掉。活性炭罐式汽油机蒸发排放控制系统南昌大学机电学院化油器式发动机用的活性炭罐式汽油蒸发排放物控制系统§4.2蒸发排放物的控制二、蒸发排放控制系统系统中化油器控制阀（4或b图）的作用：控制化油器浮子室3和平衡孔2的通道在适当的时候开闭，既保证化油器在运转时能正常工作，又保证浮子室内汽油蒸气不进入大气。停机时化油器控制阀使浮子室不通平衡孔，不会使浮子室中的汽油蒸气经平衡孔和空气滤清器1逸入大气，蒸气经开启的膜片阀（5或c图）进入活性炭罐9。膜片阀的作用：防止发动机运转时浮子室与大气相通，损害化油器工作性能汽油喷射发动机喷油装置的运转蒸发损失和热烤蒸发损失比化油器式发动机少得多，其蒸发排放控制主要针对燃油箱的昼夜损失，控制系统较简单。南昌大学机电学院§4.2蒸发排放物的控制三、活性炭罐活性炭罐是整个控制系统的核心。炭罐设计的要点是避免吸附气流和清除气流短路，以保证活性炭填充量的充分利用。图中实线箭头表示清除空气的流动路线，虚线箭头表示含燃油蒸气的气体流动路线。所以活性炭能够得到充分利用。炭罐的结构使冷凝的燃油储存在下壳体4的底部，不致逸入大气。活性炭既要有很强的吸附HC能力，又要容易解吸进行清除或再生。一般用木材或坚果壳热解炭，并通过在500℃用磷酸化学处理活性化。事实证明，化油器式轻型车用发动机安装活性炭罐式控制系统前、后测得的蒸发排放量分别为11.1g/test和0.31g/test南昌大学机电学院§4.3冷起动、暖机和怠速排放控制一、冷起动排放控制汽油机冷起动时CO和HC排放明显高于正常运转，要改善冷起动排放问题，应该增大起动机的功率，提高起动转速，增大点火能量，以尽量缩短起动时间。化油器式发动机冷起动排放性能最差；进气管喷射汽油机由于燃油雾化较好，排放有较大改善；缸内直喷汽油机几乎不存在冷起动排放问题。冷起动试验结果表明，前50个循环中主要是部分燃烧工况，所以需要对发动机预热以促进缸内燃烧完全。化油器式发动机的化油器下面混合室底部安装冷起动电加热器，能够明显加速起动过程，减少冷起动排放。圆柱状散热刺可提高加热器对混合气的加热速率。加热元件采用正温度系数材料，其电阻随温度升高而增大，逐渐减少电能消耗。南昌大学机电学院§4.3冷起动、暖机和怠速排放控制二、暖机期排放控制点燃式内燃机冷起动后很长时间内冷却液和润滑油温度较低，导致进气系统和燃烧系统表面温度不高，混合气形成不均匀，燃烧不完全，造成HC和CO排放很高。要缩短暖机期间，关键是使可燃混合气尽快达到正常温度。如图所示采用进气自动加热系统，有助改善暖机期的混合气形成。当空气滤清器1的净气室温度低于某一预定值（如5－10℃）时，温度控制阀2堵住真空管路通气口，进气转换阀3的真空膜片室内受进气管真空度的作用，把转换阀提起。于是，经排气管周围空气加热罩4加热的空气被吸入空气滤清器1中。南昌大学机电学院暖机期间采用进气自动加热系统使冷却水和机油热起来后，还要保证发动机起动后尽快达到正常的运转温度，以减少发动机在暖机和冷天小负荷运转时污染物的排放。机油冷却器应有自动控制温度的装置，在大负荷下使机油得到足够的冷却，又保证暖机时机油很快热起来；用节温器控制冷却液的循环；用温控硅油离合器风扇或温控电动风扇改善冷却系统对温度的适应性。§4.3冷起动、暖机和怠速排放控制二、暖机期排放控制当温控阀2的温度高于40℃时，它就打开真空管路通气口，转换阀3膜片室中无真空度，转换阀在回位弹簧作用下下降，让未经加热的新鲜空气进入空气滤清器1。（节流量孔5使化油器6的配剂不大受温控阀2开闭的影响）。南昌大学机电学院§4.3冷起动、暖机和怠速排放控制三、怠速排放控制怠速工况定义：在发动机无动力输出情况下以最低转速稳定运转的工况。这时冷却液和润滑油的温度已经达到正常的工作温度。点燃式内燃机怠速工况的排放：节气门关小，气缸内残余废气量很大；而很低的转速导致气流运动缓慢，使混合气形成不均匀；两个原因使混合气不得不加浓，最终导致CO和HC排放很高。但是NOx的排放很少（燃烧温度很低）。降低怠速工况排放采取的措施：右图表示定转速（500r/min）怠速，排气中CO和HC的体积分数随空燃比的变化。图中显示：降低怠速时的排放，要精确调整怠速混合比。当混合气很浓时，CO排放高，HC相对较低；反之调稀时，CO大幅度下降，但HC先下降后上升。南昌大学机电学院§4.3冷起动、暖机和怠速排放控制三、怠速排放控制怠速时转速对怠速排放的影响：右图表示CO和HC排放随怠速转速变化关系的实测结果。CO和HC排放随怠速转速的提高而下降。原因是空燃比增大（转速提高必须对应较大的节气门开度和较小的残余废气系数）。传统的观点是怠速转速应尽可能低，以节约燃油消耗，怠运转速多在400~500r/min之间。在这样的转速下，降低排放很困难。现代高速车用汽油机怠速转速多在800~1000r/min之间，使怠速排放大大下降。同时较高怠速对驱动性（要求良好的瞬态响应）和附件驱动（车辆空调和动力转向系统等）也有利。南昌大学机电学院§4.3冷起动、暖机和怠速排放控制三、怠速排放控制发动机的点火定时对怠速排放的影响：右图表示怠速定转速（450r/min）CO和HC排放与点火定时的关系。▲CO排放：点火提前，CO排放下降。原因是燃烧过程时间延长，不完全燃烧的程度下降导致。▲HC排放：点火提前角过大时，HC排放急剧上升。主要是点火时可燃混合气温度较低，可能出现熄火现象。在点火提前角较小时，随点火迟后略有下降，原因是排气温度提高使HC的后期氧化加强。怠速HC排放与发动机配气相位的关系：试验结果表明，进排气门重叠开启角增大时，HC排放增加。主要是因为进排气门同时开启时，怠速状态进气管内存在较大真空度，排气管内的废气被吸入气缸与新鲜混合气混合，使燃烧温度降低，易造成失火现象，HC排放恶化。南昌大学机电学院§4.3冷起动、暖机和怠速排放控制三、怠速排放控制电控汽油喷射式发动机的怠速排放：进气道多点喷射的汽油机可以在热怠速时使用过量空气系数接近1(空燃比闭环控制)的混合气，而化油器式发动机，一般怠速时过量空气系数0.7-0.8。电控汽油喷射式发动机的怠速排放比化油器式发动机少，原因如下：1）汽油雾化、汽化的质量大大改善；2）各缸的空燃比均匀性好；3）空燃比的控制程度高且稳定；4）点火时刻的精确控制与点火能量的提高。南昌大学机电学院§4.4低排放供给系统决定均匀燃烧点燃式内燃机性能和排放的关键因素：点燃式内燃机供给系统的功用：供给数量足够、品质优良、各缸间分配均质的可燃混合气。混合气形成的空燃比特性。保证较好的燃料经济性工况（汽车通常行驶的发动机中、小功率工况）：用较化学计量比略稀的可燃混合气(空燃比约为16，过量空气系数约为1.1)。保证较好的动力性工况（在汽车加速、上坡或迎风高速行驶等发动机大功率以至全负荷工况）：用略浓的可燃混合气（空燃比为12-13，过量空气系数为0.8-0.9）。理想的空燃比特性：在实施排放控制以前，决定空燃比的主要判据是发动机的动力性和燃料经济性。南昌大学机电学院一、化油器的问题及其改进§4.4低排放供给系统化油器依靠空气流过文杜里管时喉口中流速增加所产生的低压来抽取汽油与空气混合，空气的快速流动改善了汽油的雾化，空燃比决定于汽油与空气的流道截面和流动压差。传统化油器式汽油机用机械式化油器控制空燃比的原理：机械式化油器控制空燃比的缺陷：受流体力学流动规律的限制，空燃比的控制不可能很理想、很精确，对多缸机来说．各缸的空燃比也不可能很均匀。机械式化油器控制空燃比遇到的问题：过去：对早期汽油机的正常远行和工况比较固定的非车用少缸数汽油机，化油器仍将长期应用下去。现在：随着排放法规的逐步严格，需要用三效催化转化器来降低车用汽油机的排放，而三效催化