【文章內(nèi)容簡介】 下燃油的吸入是在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門打開的時候，這樣獲得的沖入效果是理想的。然而發(fā)動機(jī)在運(yùn)行到其他符合時候就需要分層充氣方式，我們已知汽油的點(diǎn)火極限是 ，如果燃油混合氣濃度變得過稀，在這種情況下還要繼續(xù)點(diǎn)燃混合氣，那么我們就要想辦法讓火花塞跳火點(diǎn)燃時它周圍混合氣變得濃度大一些，氣流、噴油和點(diǎn)火這三點(diǎn)必須要良好配合，條件允許可以開發(fā)特殊燃燒室進(jìn)行配合。 對于第 一種均質(zhì)充氣的方法，研發(fā)這種直噴均質(zhì)充氣汽油機(jī)為了實(shí)現(xiàn)兩種目標(biāo)，一是汽車獲得優(yōu)良的動力特性和減低汽油機(jī)容易爆震的特點(diǎn)，二是使用三元催化轉(zhuǎn)化技術(shù)來處理排放的尾氣以達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以節(jié)省昂貴的尾氣后處理設(shè)備，從而大大降低汽車的成本 【 11】 。均質(zhì)充氣工作的原理就是通過節(jié)氣門調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，來去控制噴油器的噴油量，從而控制發(fā)動機(jī)的功率輸出，這一點(diǎn)在同化油器和多點(diǎn)噴射汽油機(jī)效果上是類似的，但他工作時充量系數(shù)恒定的。燃油在活塞往下 至點(diǎn)運(yùn)行時進(jìn)入氣缸，即使發(fā)動機(jī)運(yùn)行速度特別快，也有足夠的時間形成 混合氣 ，與分層充氣方法 比較這點(diǎn)還是較容易實(shí)現(xiàn)的，均質(zhì)充氣方法的工作原理如圖。 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 12 圖 均質(zhì)充氣圖原理 由于分層充氣的方法目前已在汽油機(jī)其他負(fù)荷下開始應(yīng)用，但是礙于其原理和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜特點(diǎn)，如果想良好控制達(dá)到預(yù)期期望值還是難度很大，目前這種方法還需要大量試驗(yàn)和研究。由于直噴汽油機(jī)的燃油噴入直接進(jìn)入氣缸，這樣燃油的溫度不會被加高冷卻的效果理想，也是爆震發(fā)生概率最小的汽油機(jī)。爆震傾向的降低就可以提高汽油機(jī)的壓縮比，最終可以提高 ~2，在這樣地模擬工作狀態(tài)下，可以對汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì) 性進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶岣?。將均質(zhì)充氣方式同發(fā)動機(jī)增壓技術(shù)結(jié)合共同開發(fā)，通過增壓可以提高發(fā)動機(jī)的比功率，這樣會減少發(fā)動機(jī)的重量，減小摩阻的面積，減少摩擦損失，通過運(yùn)用這些方法，就可以使汽油機(jī)在同等功率下提高近 10%的熱效率 【 12】 。 需要強(qiáng)調(diào)的是要想在其他的負(fù)荷狀況下提高發(fā)動機(jī)的燃油消耗率要采用分層充氣方式，他的工作原理是燃油在活塞往上止點(diǎn)運(yùn)行過程中被噴入，最極限的情況是當(dāng)活塞運(yùn)行到接近上止點(diǎn)時噴入，這樣以確保 混合氣 在火花塞附近的區(qū)域內(nèi)的濃度幾乎接近（ λ=1）能夠被火花塞點(diǎn)燃，在距離火花塞末端較遠(yuǎn)距離處油氣濃度不 高但卻可以正常燃燒，距離火花塞更遠(yuǎn)的末端混合氣中燃油的霧化微顆粒油滴幾乎為零。同普通汽油機(jī)比較，直噴汽油的分層充氣工作方式大量提升了氣缸里的等熵指數(shù)，使得其換熱損失和傳熱損失到的下降，通過這樣一些方法將汽油機(jī)熱效率提高將近 20%【 15】 。不管發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和工況進(jìn)行如何的變化，在分層充氣方式里都要求在點(diǎn)火時刻火花塞附近的混合氣濃度第一章 緒論 13 恰好是可以被點(diǎn)燃，從而發(fā)動機(jī)才可以正常的工作。只有通過發(fā)動機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行良好配合的條件下才可以達(dá)到預(yù)期期望，需要強(qiáng)調(diào)的是進(jìn)氣流場，燃燒室的結(jié)構(gòu)，火花塞及噴油器等的布置，凡是與噴油機(jī) 有關(guān)的相關(guān)參數(shù)有關(guān)的都得仔細(xì)考慮。通過開發(fā)到目前階段為止可以用三種方法實(shí)現(xiàn)分層充氣的方式，以促使 混合氣 的形成，三種方式的不同點(diǎn)是將燃油導(dǎo)向火花塞周圍的方式，他們分別為壁面導(dǎo)向型、氣流導(dǎo)向型與噴霧導(dǎo)向型。 （ 見圖 ） 圖 幾種類型充氣燃燒室 a. 由于燃燒室結(jié)構(gòu)上噴油嘴和火花塞之間相距較遠(yuǎn)，混合氣在燃油束和燃燒室的壁面互相作用下，存在火花塞附近。在燃油從噴油嘴到火花塞處利用了渦流汽和燃燒室的結(jié)構(gòu)作用。供油時刻和活塞之間運(yùn)動關(guān)系也變得不一樣，從而影響發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn) 速。但噴油嘴與火花塞距離很長，發(fā)動機(jī)在任何工況和轉(zhuǎn)速下要保持氣流運(yùn)動，通過精確的一系列控制實(shí)現(xiàn)能夠燃燒 混合氣 。但是這種方式會導(dǎo)致殘留燃油形成在壁面和活塞頂，從而使得這種方式并不能很好的發(fā)揮出直噴汽油機(jī)的工作效果。 b. 這種方式中用氣流傳送燃油至火花塞處，這種方式的活塞頂會促進(jìn)氣吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 14 流運(yùn)動。既要避免燃油接觸燃燒室還要充分混合氣，需要好的擠氣運(yùn)動，保證進(jìn)氣性同時會影響充量系數(shù)。這僅僅是一種這種的辦法，并沒有解決噴油嘴與火花塞相距遠(yuǎn)的問題，但是卻不會在壁面和活塞頂產(chǎn)生殘留燃油。 c. 這種方式可以最大限度展示出直 噴汽油機(jī)力，也是最接近于柴油機(jī)的工作模式，這是理想的工作模式，但是這種方式下火花塞與噴油嘴的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上較近，但會造成機(jī)械強(qiáng)度下降熱負(fù)荷會增大。噴霧導(dǎo)向型燃燒方式形成混合氣利用空氣噴出燃油濃度中心很高周圍很低的過渡帶。部分燃油 混合氣 可正常點(diǎn)燃。但是這個方式并不是完美的，熱負(fù)荷增大和強(qiáng)度下降使得目前應(yīng)用受限。氣流運(yùn)動的不穩(wěn)定同時使的燃油不均勻。這種工作方式在未來還有很大的研究發(fā)展空間。 直噴汽油機(jī)的噴射系統(tǒng)技術(shù)簡介 直噴汽油機(jī)的噴射系統(tǒng)受到影響的因素是諸多的，打比方像燃燒室外形，噴油嘴與火花塞位置 布置，擠氣運(yùn)動形成渦流運(yùn)動等都是影響參數(shù)。設(shè)計(jì)的時候也要避免繁復(fù)過多的驅(qū)動件，以免造成功率的損耗。正是這些種種限制，使得研究設(shè)計(jì)上時很復(fù)雜的。但是不管怎么說，一個直噴汽油機(jī)的性能好壞最終取決于這個噴射系統(tǒng)的霧化程度。業(yè)界內(nèi)有常用的兩種方式實(shí)現(xiàn)直噴技術(shù)，分別是低壓空氣輔助技術(shù)和高壓共軌技術(shù)。在九十年代初， Orbital 公司在低壓空氣輔助噴射系統(tǒng)中取得較大的開發(fā)進(jìn)步，研發(fā)出利用小的噴射壓力，將極濃的燃油 混合氣 化作極微小的油粒滴噴入燃燒室，當(dāng)時的技術(shù)落后還沒有高壓的噴射系統(tǒng)。 【 13】 到上世紀(jì)九十年代中期，在柴油 機(jī)上高壓共軌技術(shù)才逐漸嶄露頭角，這項(xiàng)技術(shù)同樣也可以被直噴汽油機(jī)借鑒。 先來說說低壓空氣輔助噴射系統(tǒng)，從硬件方面它組成有預(yù)混合室，噴油器。預(yù)混合室里有背壓一般有 兆帕，又壓縮機(jī)維持，燃油一般第一章 緒論 15 先進(jìn)入混合室內(nèi)部分與空氣混合，之后再噴入燃燒室。這個原理來源于流體力學(xué)中液滴在高速得氣流運(yùn)動中，液滴會被破碎成更小的顆粒然后利于蒸發(fā)掉。同樣在該系統(tǒng)里，燃油在預(yù)混使里和其中的空氣發(fā)生上述的原理，油滴被快速氣流分的細(xì)碎蒸發(fā)與空氣混合，直到再次噴入燃燒室又會進(jìn)一步的發(fā)生蒸發(fā)混合。有擠氣運(yùn)動的效應(yīng)使得油氣擴(kuò)散均勻，火花 塞跳火點(diǎn)燃。這種技術(shù)通常使用外張式噴嘴，噴油時刻即使很早也來得及形成良好的 混合氣 。這種技術(shù)美中不足就是在較低壓力下噴射，發(fā)動機(jī)的工況不斷地變動，氣流變化規(guī)律也是無序的這將導(dǎo)致點(diǎn)燃的 混合氣 的穩(wěn)定性降低。想維持壓縮機(jī)的動力是必要消耗發(fā)動機(jī)的功，反而會使發(fā)動機(jī)功率下降。但是該技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)，大多數(shù)汽車廠商都在使用。 然而對于高壓共軌技術(shù)來說，顯然這個問題就要復(fù)雜許多，最初的設(shè)想是用于解決柴油機(jī)上的問題 【 14】 。但由于之后個個廠商的技術(shù)買入和聯(lián)合開發(fā)使得這個技術(shù)不斷發(fā)展和創(chuàng)新，它的核心就是高雅供油軌道，之后用于汽油機(jī) 中。該技術(shù)中使用的是共同油軌，目的存儲由高壓油泵直接提供的燃油，還有減少噴供油產(chǎn)生壓力沖擊。他的優(yōu)點(diǎn)在于發(fā)動機(jī)的工況在變動油壓也可以跟著變動，保持著穩(wěn)變。硬件構(gòu)成有高壓低壓油路組成，在低壓油路中一邊鏈接油箱另邊連油泵，高壓軌始于油泵終于油嘴。通過這些系統(tǒng)以保證噴油嘴的供油。噴油嘴采用電控控制避免以往機(jī)械控制帶來的各種延時，使得噴油嘴及時噴油。由于電控措施的引入，通過調(diào)節(jié)個個參數(shù)，便可以簡單方便的對燃油噴射進(jìn)行電控，這些措施最終目的能保證發(fā)動機(jī)運(yùn)行時有好的霧化 混合氣 供給，使得發(fā)動機(jī)無論在個個工況下都可以達(dá)到最 佳的運(yùn)行狀態(tài)。如下圖高壓共軌系統(tǒng)簡圖： 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 16 圖 高壓共軌簡圖 小結(jié) EGR 技術(shù)很早就已經(jīng)提出，同其他的技術(shù)結(jié)合集成于一體，目的在于提高汽油機(jī)的熱效率同時減少污染排放的目的。 EGR 將廢氣同新鮮混合油氣結(jié)合，以改變?nèi)紵奶攸c(diǎn)，既節(jié)省油耗又減少排放，由于他的優(yōu)點(diǎn)突出，現(xiàn)在已廣泛的進(jìn)行了應(yīng)用。 本研究內(nèi)容工作如下 : 1. 建立發(fā)動機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。油路途徑，冷卻水，電控設(shè)計(jì)組裝。 2. 設(shè)計(jì) EGR 試驗(yàn)系統(tǒng)。應(yīng)用低壓回路，裝載 EGR 冷卻器 EGR 閥門，用調(diào)節(jié) EGR 率和廢棄的引入。 3. 研究 EGR 條件下過量空氣系數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響。在不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、空燃比條件下調(diào)節(jié) EGR 率，根據(jù)測試發(fā)動機(jī)扭矩、比油耗及主要排物的變化規(guī)律，并分析原因。 第二 發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn) 17 第二章 發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn) 試驗(yàn)臺架電控簡介 要想研究在 EGR 條件下過量空氣系數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響我們必須組建一個試驗(yàn)平臺去測試。我們實(shí)驗(yàn)做要用的最主要核心發(fā)動機(jī)是 排量，并擁有渦輪增壓功能。是直列四缸機(jī)，并且具備良好的穩(wěn)定性和抗疲勞性質(zhì)。采用缸內(nèi)直噴，每缸包含四個氣門，擁有 VVT 技術(shù)。為了保證實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確對發(fā)動機(jī)的機(jī)械部件不能修改。 由于本實(shí)驗(yàn)引入的參數(shù)較多，在發(fā)動機(jī)不同工況的變化下，會對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會有變動的影響，因此用電控設(shè)計(jì)單元控制實(shí)驗(yàn)整個的參數(shù)數(shù)據(jù)會有利于試驗(yàn)準(zhǔn)確性 【 15】 。通過向電控單元發(fā)出指令反饋?zhàn)饔门c試驗(yàn)調(diào)節(jié)。由測功機(jī)對發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。控制的參數(shù)也是多因素的，有噴油正時，噴油脈寬，節(jié)氣門開度等。廢氣排出物有相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備。原理圖簡介如下： 圖 發(fā)動機(jī)的臺架布置 主要試驗(yàn)儀器有測功機(jī)、測功機(jī)控制系統(tǒng)、廢氣分析儀、寬帶氧傳感器和吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 18 油耗儀。簡單說說 測功機(jī)及其控制系，本電磁渦流測功機(jī)有應(yīng)變傳感裝置，轉(zhuǎn)速用電磁脈沖測試，特點(diǎn)是精確髙。其控制系統(tǒng)也是該公司一體設(shè)計(jì)，通過該公司不斷努力的改進(jìn)和研究，使得整個操作采集數(shù)據(jù)由繁化簡，使得平臺在測試實(shí)驗(yàn)中性能變得出色。 尾氣分析裝置采用國外的五氣分析裝置，可以對一氧化碳、二氧化碳、未燃碳?xì)?、殘留氧氣和氮氧化物進(jìn)行精確的測量。由于系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快，我們可以對尾氣中的個個氣體的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和掌控。尾氣通常會被分層兩個部分去檢測，一部分利用化學(xué)法監(jiān)測氮氧化物，另一部分采用紅外分析儀監(jiān)測二氧化碳，一氧化碳和碳?xì)錃怏w含 量。 我們引入寬帶氧傳感儀目的適用于監(jiān)測混合氣的 λ 值，該儀器是由美國 ETAS 公司生產(chǎn)的，要想得到精確的數(shù)據(jù)，我們通常將該檢測設(shè)備放在發(fā)動機(jī)的排氣管道的總口處，已使得能夠檢測每缸的平均氧含量濃度。 采用日本小野公司生產(chǎn)的油耗儀（見圖），因?yàn)樗w積輕巧，測量精準(zhǔn)，安裝簡便，可以進(jìn)行不同類別的監(jiān)測。它對應(yīng)于不同燃料會自動讀取相應(yīng)燃料密度，通過自身傳感器進(jìn)氣實(shí)際修正?？蓽y平均流量和定時流量，測量精度可以達(dá)到 。 圖 油耗檢測儀 簡單的來說，這個控制系統(tǒng)硬件上也 是有三部分組成的。包括信號處理模塊，單片機(jī)系統(tǒng)模塊和執(zhí)行器驅(qū)動模塊。信號處理模塊負(fù)責(zé)接送發(fā)動機(jī)發(fā)送來的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，既有數(shù)字信號又有模擬信號，將其分配給兩部分處理。曲軸相位和凸輪相位是數(shù)字信號，其余均為模擬信號。 ECU 的核心是單片系統(tǒng)模塊，他接收信號運(yùn)算處理過后，然后對外發(fā)出相應(yīng)指令以保證試驗(yàn)運(yùn)行。單片機(jī)利第二 發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn) 19 用 RS232 串口協(xié)議與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，執(zhí)行器驅(qū)動模塊收到單片機(jī)系統(tǒng)模塊的指令后，按照一定的優(yōu)先級執(zhí)行各項(xiàng)指令。執(zhí)行器驅(qū)動模塊里又有燃料供給系統(tǒng)的驅(qū)動電路，點(diǎn)火系統(tǒng)的驅(qū)動電路和節(jié)氣門位置驅(qū)動電路等，點(diǎn)火驅(qū)動 ，和噴油驅(qū)動都是利用相應(yīng)的電路回饋實(shí)現(xiàn)。此外該系統(tǒng)還具有電源管理功能，反接保護(hù)功能，過載保護(hù)功能，這些功能保證整個系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性。 上位機(jī)與 ECU 的通訊通過串口實(shí)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)的控制程序通過 Code Warrior IDE 軟件編寫，在經(jīng)過線下調(diào)試完成后，利用 BDM 將控制程序?qū)雴纹瑱C(jī)中。控制程序由底層、上層和應(yīng)用層三部分組成，底層軟件是通訊及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動程序，上層軟件是對底層軟件采集的數(shù)據(jù)集中處理，應(yīng)用層軟件主要針對執(zhí)行機(jī)構(gòu)。控制參數(shù)主要包括點(diǎn)火正時、噴油正時、噴射脈寬和節(jié)氣門開度等，由串口通訊 軟件以十六進(jìn)制數(shù)的形式發(fā)送給 ECU，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的實(shí)時控制。（控制流程簡圖 ） 圖 試驗(yàn)控制流程圖 EGR 試驗(yàn)中工作模式 內(nèi)燃機(jī)排放的氮氧化物來源于其內(nèi)部高溫富氧狀態(tài) ，空氣中氮?dú)夂脱鯕庠诟變?nèi)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，主要存在的是一氧化氮，但這之后大部分一氧化氮與氧氣進(jìn)步反應(yīng)為二氧化氮。這個過程可以參考澤爾多維奇的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論，吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 20 環(huán)境的高溫使得氧分解為氧原子，隨著濃度溫度的持續(xù)增加，一氧化氮的含量會逐步上升，這個過程中高溫富氧起了決定性做用。在發(fā) 動機(jī)之后運(yùn)行狀態(tài)里一氧化氮的分解速率并不快，隨著溫度的降低逐漸在停止，之后的二氧化氮也會同氧氣生成二氧化氮。這樣一氧化氮與二氧化氮混合構(gòu)成排除的氮氧化物。 都說 EGR 可以減低氮氧化物的濃度，那么這個過程通過不停試驗(yàn)驗(yàn)證得以明確，在 EGR 中， CO2 水蒸氣兩會是工質(zhì)比熱容增加，廢氣的進(jìn)入使得氧氣濃度下降，從而使得整個燃燒的進(jìn)程得以減慢，這樣反饋會是總的燃燒溫度也會減低，從而在環(huán)境條件上抑制氮氧化物生成。由于汽油機(jī)通常采取量調(diào)節(jié)，引入 EGR 會使進(jìn)氣量增大，會減少低負(fù)荷的節(jié)流損失。廢氣重新進(jìn)入燃燒會使得整個