egr條件下過量空氣系數對直噴汽油機性能和排放的影響畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 油機力，也是最接近于柴油機的工作模式，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計結構上較近，但會造成機械強度下降熱負荷會增大。噴霧導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燃。但是這個方式并不是完美的，熱負荷增大和強度下降使得目前應用受限。氣流運動的不穩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展空間。 直噴汽油機的噴射系統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，擠氣運動形成渦流運動等都是影響參數。設計的時候也要避免繁復過多的驅動件，以免造成功率的損耗。正是這些種種限制，使得研究設計上時很復雜的。但是不管怎么說，一個直噴汽油機的性能好壞最終取決于這個噴射系統的霧化程度。業界內有常用的兩種方式實現直噴技術，分別是低壓空氣輔助技術和高壓共軌技術。在九十年代初，Orbital 公司在低壓空氣輔助噴射系統中取得較大的開發進步，研發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，當時的技術落后還沒有高壓的噴射系統。【13】到上世紀九十年代中期，在柴油機上高壓共軌技術才逐漸嶄露頭角，這項技術同樣也可以被直噴汽油機借鑒。 先來說說低壓空氣輔助噴射系統，從硬件方面它組成有預混合室，噴油器。，又壓縮機維持，燃油一般先進入混合室內部分與空氣混合，之后再噴入燃燒室。這個原理來源于流體力學中液滴在高速得氣流運動中，液滴會被破碎成更小的顆粒然后利于蒸發掉。同樣在該系統里，燃油在預混使里和其中的空氣發生上述的原理，油滴被快速氣流分的細碎蒸發與空氣混合，直到再次噴入燃燒室又會進一步的發生蒸發混合。有擠氣運動的效應使得油氣擴散均勻，火花塞跳火點燃。這種技術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。這種技術美中不足就是在較低壓力下噴射，發動機的工況不斷地變動，氣流變化規律也是無序的這將導致點燃的混合氣的穩定性降低。想維持壓縮機的動力是必要消耗發動機的功，反而會使發動機功率下降。但是該技術易于實現，大多數汽車廠商都在使用。然而對于高壓共軌技術來說，顯然這個問題就要復雜許多，最初的設想是用于解決柴油機上的問題【14】。但由于之后個個廠商的技術買入和聯合開發使得這個技術不斷發展和創新，它的核心就是高雅供油軌道，之后用于汽油機中。該技術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，還有減少噴供油產生壓力沖擊。他的優點在于發動機的工況在變動油壓也可以跟著變動，保持著穩變。硬件構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。通過這些系統以保證噴油嘴的供油。噴油嘴采用電控控制避免以往機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，通過調節個個參數，便可以簡單方便的對燃油噴射進行電控，這些措施最終目的能保證發動機運行時有好的霧化混合氣供給，使得發動機無論在個個工況下都可以達到最佳的運行狀態。如下圖高壓共軌系統簡圖： 圖 高壓共軌簡圖 小結 EGR技術很早就已經提出，同其他的技術結合集成于一體，目的在于提高汽油機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合，以改變燃燒的特點，既節省油耗又減少排放，由于他的優點突出，現在已廣泛的進行了應用。本研究內容工作如下:1. 建立發動機監控系統。油路途徑，冷卻水，電控設計組裝。 2. 設計 EGR 試驗系統。應用低壓回路，裝載 EGR 冷卻器EGR 閥門，用調節EGR率和廢棄的引入。3. 研究 EGR 條件下過量空氣系數對發動機性能的影響。在不同轉速、負荷、空燃比條件下調節 EGR 率，根據測試發動機扭矩、比油耗及主要排物的變化規律，并分析原因。 49第二 發動機臺架試驗第二章 發動機臺架試驗 試驗臺架電控簡介要想研究在EGR條件下過量空氣系數對發動機性能的影響我們必須組建一個試驗平臺去測試。，并擁有渦輪增壓功能。是直列四缸機，并且具備良好的穩定性和抗疲勞性質。采用缸內直噴，每缸包含四個氣門，擁有VVT技術。為了保證實驗數據的準確對發動機的機械部件不能修改。由于本實驗引入的參數較多，在發動機不同工況的變化下，會對實驗數據會有變動的影響，因此用電控設計單元控制實驗整個的參數數據會有利于試驗準確性【15】。通過向電控單元發出指令反饋作用與試驗調節。由測功機對發動機實驗數據進行采集。控制的參數也是多因素的，有噴油正時，噴油脈寬，節氣門開度等。廢氣排出物有相應的監測設備。原理圖簡介如下： 主要試驗儀器有測功機、測功機控制系統、廢氣分析儀、寬帶氧傳感器和油耗儀。簡單說說測功機及其控制系，本電磁渦流測功機有應變傳感裝置，轉速用電磁脈沖測試，特點是精確髙。其控制系統也是該公司一體設計，通過該公司不斷努力的改進和研究，使得整個操作采集數據由繁化簡，使得平臺在測試實驗中性能變得出色。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、未燃碳氫、殘留氧氣和氮氧化物進行精確的測量。由于系統的響應速度很快，我們可以對尾氣中的個個氣體的數據進行實時監測和掌控。尾氣通常會被分層兩個部分去檢測，一部分利用化學法監測氮氧化物，另一部分采用紅外分析儀監測二氧化碳，一氧化碳和碳氫氣體含量。我們引入寬帶氧傳感儀目的適用于監測混合氣的λ值，該儀器是由美國 ETAS 公司生產的，要想得到精確的數據，我們通常將該檢測設備放在發動機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的油耗儀（見圖），因為他體積輕巧，測量精準，安裝簡便，可以進行不同類別的監測。它對應于不同燃料會自動讀取相應燃料密度，通過自身傳感器進氣實際修正。可測平均流量和定時流量，測量精度可以達到 。 油耗檢測儀簡單的來說，這個控制系統硬件上也是有三部分組成的。包括信號處理模塊，單片機系統模塊和執行器驅動模塊。信號處理模塊負責接送發動機發送來的運轉參數，既有數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字信號，其余均為模擬信號。ECU的核心是單片系統模塊，他接收信號運算處理過后，然后對外發出相應指令以保證試驗運行。單片機利用 RS232 串口協議與上位機實現通訊，執行器驅動模塊收到單片機系統模塊的指令后，按照一定的優先級執行各項指令。執行器驅動模塊里又有燃料供給系統的驅動電路，點火系統的驅動電路和節氣門位置驅動電路等，點火驅動，和噴油驅動都是利用相應的電路回饋實現。此外該系統還具有電源管理功能，反接保護功能，過載保護功能，這些功能保證整個系統的安全和穩定性。上位機與 ECU 的通訊通過串口實現，發動機的控制程序通過 Code Warrior IDE 軟件編寫，在經過線下調試完成后，利用 BDM 將控制程序導入單片機中。控制程序由底層、上層和應用層三部分組成，底層軟件是通訊及數據轉換驅動程序，上層軟件是對底層軟件采集的數據集中處理，應用層軟件主要針對執行機構。控制參數主要包括點火正時、噴油正時、噴射脈寬和節氣門開度等，由串口通訊軟件以十六進制數的形式發送給 ECU，實現發動機的實時控制。（） EGR試驗中工作模式 內燃機排放的氮氧化物來源于其內部高溫富氧狀態 ，空氣中氮氣和氧氣在缸內發生復雜的化學反應，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步反應為二氧化氮。這個過程可以參考澤爾多維奇的鏈式反應理論，環境的高溫使得氧分解為氧原子，隨著濃度溫度的持續增加，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。在發動機之后運行狀態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驗證得以明確，在EGR中，CO2水蒸氣兩會是工質比熱容增加，廢氣的進入使得氧氣濃度下降，從而使得整個燃燒的進程得以減慢，這樣反饋會是總的燃燒溫度也會減低，從而在環境條件上抑制氮氧化物生成。由于汽油機通常采取量調節，引入EGR會使進氣量增大，會減少低負荷的節流損失。廢氣重新進入燃燒會使得整個缸內環境改變，影響因素也是諸多的。但益處也是多多，減少發動機泵氣損失功，減少傳熱損失，提高燃油經濟特性【16】。 但同時EGR率過高會延緩燃燒的時間，燃燒重心后移，混合氣濃度的降低，會是燃燒變得不良無法進行，產生大量的碳氫積碳顆粒，使得油耗反而上升，使得發動機整體性能反而下降。 系統的搭建與細節選擇 EGR系統布置也是至關重要的，其布置結構見圖，由于增壓發動機的原因，低壓回路的壓降差性能會變得更好，從而實現容易控制EGR率。 圖 EGR的布置 因為渦輪機前的排氣系統布置緊密，由于試驗要求又加裝了大量傳感器，已經沒有可操作空間，所以廢氣由渦輪機后端引出，經過 EGR 冷卻裝置，然后通過 EGR 閥控制其流量，在壓氣機前端與進氣混合，因為 EGR 閥是自制的，為避免其工作在較高溫度下，將 EGR 閥安裝在了冷卻器后，同時為了保證廢氣與進氣的充分混合，在壓氣機前端還增加了穩壓箱。 EGR流量控制閥門的選擇也是至關重要的，應為發動機內部不同參數的變動使得燃燒性能反而一度下降，要想探索EGR條件下過空系數，對整體發動機性能影響，必須使得不同工況下的EGR率要變得精準，這個EGR閥門控制可以達到這點，一般使用的閥門類型有機械和電磁的兩種【17】。一般機械式EGR流量控制閥有兩部分組成，并且這種真空閥的構造并不簡單，由真空轉換和閥體裝置構成 。其原理利用真空壓差形成動力，由于發動機工況不同，控制孔開啟讓真空度進入真空閥室里，以便開啟閥體。真空度會影響閥門開啟，存在著延時效應，再有膜片的疲勞耐久時間長也不好，都會造成EGR控制精度下降，影響整個實驗結果。然而對于電磁式的流量控制閥，則會好的在許多，在性能上更是優越于機械式的那種，究其是利用了先進的電控技術，通過脈譜的反饋和調節使得我發動機在不同工況下，EGR率得到快速的變換響應和精確的控制【18】。當然這其中不同類型的電控閥也有許多種類，但目的不盡相同。 （1）比例電磁鐵式 EGR 流量控制閥,通常中小型發動機采用這種配置，由于電磁的應用，使得這個閥門采用的是電磁式那種作為驅動件，通過將驅動電壓的有效值轉換為調節驅動磁力的調節，通過利用磁力吸引桿件的位置的的變動來改變EGR的開度的大小，這個開度又可以控制EGR率不斷地在改變。這種調節閥結構簡單操作方便，同時它的響應速度也是非常靈敏的，百毫秒內的變動不會出現延遲。通常防止外界對閥體磁場產生干擾加裝感應器形成閉合系統。由于其自身的優越性，普遍使用范圍是很廣的。（2） 步進電機EGR流量控制閥這種流量控制閥利用的是步進電機，這可以將監測的參數變量轉化為電機的啟動和停止從而控制相位的變化和直線位移，從而來去控制，由于其不受外界的輕易影響，即使在沒有閉合反饋調節系統的修正下，也可以對其EGR率進行精確的調節，并且它的穩定性強，不管在哪種工況下，由于它的體積小耐久性就比較強。但在這些調節閥中它的工作效率并不高，可調節的范圍也通常是有限的。（3） 直流電機EGR流量控制閥 與步進電機相似的是，前者用步進電機作為驅動，而直流電機在這里是這個閥門的驅動力，外界參數的相信變化引起脈沖信號的變化，直流電機接受信號的變動發生相應的工作變化。但是這種流量的控制閥通常靈敏度非常好的原因得益于它的即時在轉速的方向上進行快速的變化。但是這種控制閥門在結構和設計上更加的不簡單，內部的控制和傳感控制系統對實時監測的需求是很高的。所以該調節閥門的反饋響應是這幾個中反應很快的，這樣的優點使得他能夠越來越多進行應用。 同樣實驗里用的EGR控制閥對于閥門管徑的要求也是需要通過計算的，EGR管徑對整個實驗驗證的數據都是有影響的，因為這決定了控制EGR率準確性，從而得到可靠的實驗數據【19】。這里我們可以利用流體力學的知識推出： ............................（） Qve 回流體積 單位 立方米每秒SEGR 廢氣循環管路面積 單位 平方米DP 兩端壓力差 單位 帕斯卡廢氣密度 單位每千克立方米從而我們計算出有效面積： .................................（） 考慮到實驗中個個存在的因素，循環管路的有效循環面積同壓力差與廢氣的密度的關系，通過公式解釋出廢氣密度越低，壓差越小對于理論上的有效面積都是擴展的，通過各種綜合分析原因，管徑試取取30毫米，參與完成實驗。在實驗中，同樣考慮進氣溫度這個問題，EGR使得廢氣得以回流進氣缸中，使得氣缸中的溫度變高，使得總的充氣量下降【20】。同時高溫還會使得EGR工作負擔加重，影響EGR率使得實驗數據變得不會給更加準確。回氣溫度要控制的合理，過低也會使得高溫蒸汽冷凝，這樣廢氣中的氮氧化物及一些酸性化合物都會溶解在其中，像腐蝕劑的效果一樣，對EGR那部分的裝置造成腐蝕，從而使得實驗數據不準確。通常采用的冷卻方式一般有兩種，風冷卻和水冷卻，他們各有優點和缺點。EGR率的計算方法及測量：它定義為進入廢氣同總進氣量的比值，計算公式：....（）這種定義的