egr条件下过量空气系数对直喷汽油机性能和排放的影响毕业论文(编辑修改稿)

egr条件下过量空气系数对直喷汽油机性能和排放的影响毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

以轻松的实现较高的 EGR 率，而且发动机的功率损失小，不怎么受影响，文丘里管技术成熟，使用简单，成本较低，目前该产品的应用比较广泛 【 10】。 直喷汽油机的混合气形成原理 第一章 绪论 11 在内燃机的气缸中，新鲜的工质与空气混合过程可有两种办法实现，分别是均质充气和分层充气。 通过供油正时，节气门开度和混合气的浓度这三个方面可以清楚的区分。 分层充气可以使发动机获得良好的燃油经 济性，就目前而言，这两种充气方法间相互转换关系尚不明确。 一般在高负荷的状态下汽油机通常采用的是均质充气，这在效果上与多点喷射技术是异曲同工的，通常情况下燃油的吸入是在发动机进气门打开的时候，这样获得的冲入效果是理想的。 然而发动机在运行到其他符合时候就需要分层充气方式，我们已知汽油的点火极限是 ，如果燃油混合气浓度变得过稀，在这种情况下还要继续点燃混合气，那么我们就要想办法让火花塞跳火点燃时它周围混合气变得浓度大一些，气流、喷油和点火这三点必须要良好配合，条件允许可以开发特殊燃烧室进行配合。 对于第一种 均质充气的方法，研发这种直喷均质充气汽油机为了实现两种目标，一是汽车获得优良的动力特性和减低汽油机容易爆震的特点，二是使用三元催化转化技术来处理排放的尾气以达到规定的标准，这样可以节省昂贵的尾气后处理设备，从而大大降低汽车的成本 【 11】。 均质充气工作的原理就是通过节气门调节进气量，来去控制喷油器的喷油量，从而控制发动机的功率输出，这一点在同化油器和多点喷射汽油机效果上是类似的，但他工作时充量系数恒定的。 燃油在活塞往下 至点运行时进入气缸，即使发动机运行速度特别快，也有足够的时间形成 混合气 ，与分层充气方法比较 这点还是较容易实现的，均质充气方法的工作原理如图。 吉林大学本科生毕业论文 12 图 均质充气图原理 由于分层充气的方法目前已在汽油机其他负荷下开始应用，但是碍于其原理和结构的复杂特点，如果想良好控制达到预期期望值还是难度很大，目前这种方法还需要大量试验和研究。 由于直喷汽油机的燃油喷入直接进入气缸，这样燃油的温度不会被加高冷却的效果理想，也是爆震发生概率最小的汽油机。 爆震倾向的降低就可以提高汽油机的压缩比，最终可以提高 ~2，在这样地模拟工作状态下，可以对汽油机的燃油经济性进 行适当的提高。 将均质充气方式同发动机增压技术结合共同开发，通过增压可以提高发动机的比功率，这样会减少发动机的重量，减小摩阻的面积，减少摩擦损失，通过运用这些方法，就可以使汽油机在同等功率下提高近 10%的热效率 【 12】。 需要强调的是要想在其他的负荷状况下提高发动机的燃油消耗率要采用分层充气方式，他的工作原理是燃油在活塞往上止点运行过程中被喷入，最极限的情况是当活塞运行到接近上止点时喷入，这样以确保 混合气 在火花塞附近的区域内的浓度几乎接近（ λ=1）能够被火花塞点燃，在距离火花塞末端较远距离处油气浓度不高但 却可以正常燃烧，距离火花塞更远的末端混合气中燃油的雾化微颗粒油滴几乎为零。 同普通汽油机比较，直喷汽油的分层充气工作方式大量提升了气缸里的等熵指数，使得其换热损失和传热损失到的下降，通过这样一些方法将汽油机热效率提高将近 20%【 15】。 不管发动机的转速和工况进行如何的变化，在分层充气方式里都要求在点火时刻火花塞附近的混合气浓度第一章 绪论 13 恰好是可以被点燃，从而发动机才可以正常的工作。 只有通过发动机的各项参数进行良好配合的条件下才可以达到预期期望，需要强调的是进气流场，燃烧室的结构，火花塞及喷油器等的布置，凡是与喷油机有关 的相关参数有关的都得仔细考虑。 通过开发到目前阶段为止可以用三种方法实现分层充气的方式，以促使 混合气 的形成，三种方式的不同点是将燃油导向火花塞周围的方式，他们分别为壁面导向型、气流导向型与喷雾导向型。 （ 见图 ） 图 几种类型充气燃烧室 a. 由于燃烧室结构上喷油嘴和火花塞之间相距较远，混合气在燃油束和燃烧室的壁面互相作用下，存在火花塞附近。 在燃油从喷油嘴到火花塞处利用了涡流汽和燃烧室的结构作用。 供油时刻和活塞之间运动关系也变得不一样，从而影响发动机转速。 但喷油嘴与火花塞距离很长，发动机在任何工况和转速下要保持气流运动，通过精确的一系列控制实现能够燃烧 混合气。 但是这种方式会导致残留燃油形成在壁面和活塞顶，从而使得这种方式并不能很好的发挥出直喷汽油机的工作效果。 b. 这种方式中用气流传送燃油至火花塞处，这种方式的活塞顶会促进气吉林大学本科生毕业论文 14 流运动。 既要避免燃油接触燃烧室还要充分混合气，需要好的挤气运动，保证进气性同时会影响充量系数。 这仅仅是一种这种的办法，并没有解决喷油嘴与火花塞相距远的问题，但是却不会在壁面和活塞顶产生残留燃油。 c. 这种方式可以最大限度展示出直喷汽 油机力，也是最接近于柴油机的工作模式，这是理想的工作模式，但是这种方式下火花塞与喷油嘴的设计结构上较近，但会造成机械强度下降热负荷会增大。 喷雾导向型燃烧方式形成混合气利用空气喷出燃油浓度中心很高周围很低的过渡带。 部分燃油 混合气 可正常点燃。 但是这个方式并不是完美的，热负荷增大和强度下降使得目前应用受限。 气流运动的不稳定同时使的燃油不均匀。 这种工作方式在未来还有很大的研究发展空间。 直喷汽油机的喷射系统技术简介 直喷汽油机的喷射系统受到影响的因素是诸多的，打比方像燃烧室外形，喷油嘴与火花塞位置布置 ，挤气运动形成涡流运动等都是影响参数。 设计的时候也要避免繁复过多的驱动件，以免造成功率的损耗。 正是这些种种限制，使得研究设计上时很复杂的。 但是不管怎么说，一个直喷汽油机的性能好坏最终取决于这个喷射系统的雾化程度。 业界内有常用的两种方式实现直喷技术，分别是低压空气辅助技术和高压共轨技术。 在九十年代初， Orbital 公司在低压空气辅助喷射系统中取得较大的开发进步，研发出利用小的喷射压力，将极浓的燃油 混合气 化作极微小的油粒滴喷入燃烧室，当时的技术落后还没有高压的喷射系统。 【 13】 到上世纪九十年代中期，在柴油机上 高压共轨技术才逐渐崭露头角，这项技术同样也可以被直喷汽油机借鉴。 先来说说低压空气辅助喷射系统，从硬件方面它组成有预混合室，喷油器。 预混合室里有背压一般有 兆帕，又压缩机维持，燃油一般第一章 绪论 15 先进入混合室内部分与空气混合，之后再喷入燃烧室。 这个原理来源于流体力学中液滴在高速得气流运动中，液滴会被破碎成更小的颗粒然后利于蒸发掉。 同样在该系统里，燃油在预混使里和其中的空气发生上述的原理，油滴被快速气流分的细碎蒸发与空气混合，直到再次喷入燃烧室又会进一步的发生蒸发混合。 有挤气运动的效应使得油气扩散均匀，火花塞跳 火点燃。 这种技术通常使用外张式喷嘴，喷油时刻即使很早也来得及形成良好的 混合气。 这种技术美中不足就是在较低压力下喷射，发动机的工况不断地变动，气流变化规律也是无序的这将导致点燃的 混合气 的稳定性降低。 想维持压缩机的动力是必要消耗发动机的功，反而会使发动机功率下降。 但是该技术易于实现，大多数汽车厂商都在使用。 然而对于高压共轨技术来说，显然这个问题就要复杂许多，最初的设想是用于解决柴油机上的问题 【 14】。 但由于之后个个厂商的技术买入和联合开发使得这个技术不断发展和创新，它的核心就是高雅供油轨道，之后用于汽油机中。 该技术中使用的是共同油轨，目的存储由高压油泵直接提供的燃油，还有减少喷供油产生压力冲击。 他的优点在于发动机的工况在变动油压也可以跟着变动，保持着稳变。 硬件构成有高压低压油路组成，在低压油路中一边链接油箱另边连油泵，高压轨始于油泵终于油嘴。 通过这些系统以保证喷油嘴的供油。 喷油嘴采用电控控制避免以往机械控制带来的各种延时，使得喷油嘴及时喷油。 由于电控措施的引入，通过调节个个参数，便可以简单方便的对燃油喷射进行电控，这些措施最终目的能保证发动机运行时有好的雾化 混合气 供给，使得发动机无论在个个工况下都可以达到最佳的 运行状态。 如下图高压共轨系统简图： 吉林大学本科生毕业论文 16 图 高压共轨简图 小结 EGR 技术很早就已经提出，同其他的技术结合集成于一体，目的在于提高汽油机的热效率同时减少污染排放的目的。 EGR 将废气同新鲜混合油气结合，以改变燃烧的特点，既节省油耗又减少排放，由于他的优点突出，现在已广泛的进行了应用。 本研究内容工作如下 : 1. 建立发动机监控系统。 油路途径，冷却水，电控设计组装。 2. 设计 EGR 试验系统。 应用低压回路，装载 EGR 冷却器 EGR 阀门，用调节 EGR 率和废弃的引入。 3. 研究 EGR 条件下过量空气系数对发动机性能的影响。 在不同转速、负荷、空燃比条件下调节 EGR 率，根据测试发动机扭矩、比油耗及主要排物的变化规律，并分析原因。 第二 发动机台架试验 17 第二章 发动机台架试验 试验台架电控简介 要想研究在 EGR 条件下过量空气系数对发动机性能的影响我们必须组建一个试验平台去测试。 我们实验做要用的最主要核心发动机是 排量，并拥有涡轮增压功能。 是直列四缸机，并且具备良好的稳定性和抗疲劳性质。 采用缸内直喷，每缸包含四个气门，拥有 VVT 技术。 为了保证实验数据 的准确对发动机的机械部件不能修改。 由于本实验引入的参数较多，在发动机不同工况的变化下，会对实验数据会有变动的影响，因此用电控设计单元控制实验整个的参数数据会有利于试验准确性 【 15】。 通过向电控单元发出指令反馈作用与试验调节。 由测功机对发动机实验数据进行采集。 控制的参数也是多因素的，有喷油正时，喷油脉宽，节气门开度等。 废气排出物有相应的监测设备。 原理图简介如下： 图 发动机的台架布置 主要试验仪器有测功机、测功机控制系统、废气分析仪、宽带氧传感器和吉林大学本科生毕业论文 18 油耗仪。 简单说说测功 机及其控制系，本电磁涡流测功机有应变传感装置，转速用电磁脉冲测试，特点是精确髙。 其控制系统也是该公司一体设计，通过该公司不断努力的改进和研究，使得整个操作采集数据由繁化简，使得平台在测试实验中性能变得出色。 尾气分析装置采用国外的五气分析装置，可以对一氧化碳、二氧化碳、未燃碳氢、残留氧气和氮氧化物进行精确的测量。 由于系统的响应速度很快，我们可以对尾气中的个个气体的数据进行实时监测和掌控。 尾气通常会被分层两个部分去检测，一部分利用化学法监测氮氧化物，另一部分采用红外分析仪监测二氧化碳，一氧化碳和碳氢气体含量。 我们引入宽带氧传感仪目的适用于监测混合气的 λ 值，该仪器是由美国 ETAS 公司生产的，要想得到精确的数据，我们通常将该检测设备放在发动机的排气管道的总口处，已使得能够检测每缸的平均氧含量浓度。 采用日本小野公司生产的油耗仪（见图），因为他体积轻巧，测量精准，安装简便，可以进行不同类别的监测。 它对应于不同燃料会自动读取相应燃料密度，通过自身传感器进气实际修正。 可测平均流量和定时流量，测量精度可以达到。 图 油耗检测仪 简单的来说，这个控制系统硬件上也是有 三部分组成的。 包括信号处理模块，单片机系统模块和执行器驱动模块。 信号处理模块负责接送发动机发送来的运转参数，既有数字信号又有模拟信号，将其分配给两部分处理。 曲轴相位和凸轮相位是数字信号，其余均为模拟信号。 ECU 的核心是单片系统模块，他接收信号运算处理过后，然后对外发出相应指令以保证试验运行。 单片机利第二 发动机台架试验 19 用 RS232 串口协议与上位机实现通讯，执行器驱动模块收到单片机系统模块的指令后，按照一定的优先级执行各项指令。 执行器驱动模块里又有燃料供给系统的驱动电路，点火系统的驱动电路和节气门位置驱动电路等，点火驱动，和 喷油驱动都是利用相应的电路回馈实现。 此外该系统还具有电源管理功能，反接保护功能，过载保护功能，这些功能保证整个系统的安全和稳定性。 上位机与 ECU 的通讯通过串口实现，发动机的控制程序通过 Code Warrior IDE 软件编写，在经过线下调试完成后，利用 BDM 将控制程序导入单片机中。 控制程序由底层、上层和应用层三部分组成，底层软件是通讯及数据转换驱动程序，上层软件是对底层软件采集的数据集中处理，应用层软件主要针对执行机构。 控制参数主要包括点火正时、喷油正时、喷射脉宽和节气门开度等，由串口通讯软件 以十六进制数的形式发送给 ECU，实现发动机的实时控制。 （控制流程简图 ） 图 试验控制流程图 EGR 试验中工作模式 内燃机排放的氮氧化物来源于其内部高温富氧状态 ，空气中氮气和氧气在缸内发生复杂的化学反应，主要存在的是一氧化氮，但这之后大部分一氧化氮与氧气进步反应为二氧化氮。 这个过程可以参考泽尔多维奇的链式反应理论，吉林大学本科生毕业论文 20 环境的高温使得氧分解为氧原子，随着浓度温度的持续增加，一氧化氮的含量。