摩托车排放控制技术分解Word下载.docx
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摩托车排放的HC化合物由上百种物种组成,所以也称总碳氢化合物THC,是一种HC混合物。
HC主要是由未燃的燃料,以及燃料因高温裂解而产生的各种短链HC,或因部分氧化而产生的醛、酮、醇、酸等各种含氧化合物等组成。
HC产生的原因与油气混合不均(如雾化不良)、燃烧组织不良、温度过低、壁面激冷效应及窜机油等因素有关。
NOx是在燃烧的高温、高压条件下,由空气中的氧气和氮气的反应形成的。
另外,燃料中含有的氮元素经气缸燃烧后也会产生NOx,但这部分的贡献很小。
缸内燃烧过程NOx的生成量主要取决于火焰温度和火焰前锋中是否富氧及高温持续时间的长短等因素有关。
高温富氧环境有利于NOx的生成,而反应时间越长生成量越大。
摩托车排放的NOx也是一种混合物,主要包括N2O、NO和NO2,从排气管排出的废气中主要是NO。
总的来说,摩托车HC、CO和NOx生成过程和排放量与发动机的空燃比、燃烧温度和燃烧时间等因素有关,而相关因素对三种主要污染物生成量的影响程度不尽相同,如图1所示。
摩托车排放机内控制就是通过分析这类因素的分析与研究,找到最佳的排放控制技术途径。
2.2
影响有害废气形成的主要因素
NOx的形成主要取决于反应物氧气和氮气的浓度、反应进行时的温度(主要由火焰高峰温度决定),以及反应进行的时间长短。
为减少NOx的生成量,应降低火焰高峰温度,缩短空气在高温停留的时间。
显然发动机的燃烧温度越高,热效率也就越高.但排气中的NO的含量也就越大。
可见,提高发动机的性能指标与降低发动机的排放指标(减少NO的含量)之间存在着一定的矛盾。
凡是能降低燃烧温度,减少火焰前峰中氧的浓度以及缩短高温持续时间的因素,均可减少发动机排气中NO的含量。
如:
降低压缩比、推迟点火提前角、降低进气温度、废气再循环和使用浓混合气等。
HC、CO是燃料不完全燃烧的产物。
因此,所有影响燃烧过程进行的因素都会对HC、CO的生成和排放产生影响。
点火提前角加大,燃烧预热时间较长、燃烧温度和压力增加,有利于降低CO的生成量。
而由于燃烧温度较高、压力较大,NOx的生成量明显增加。
另外由于后燃时间较短,在燃烧后期和膨胀过程中,从淬冷壁面和燃烧室缝隙中挥发出来的大量的HC得不到很好的燃烧而导致HC的排放量较大。
点火推迟,燃烧温度和压力较低,后燃时间较长。
由于燃烧温度较低,NOx生成量相对较小。
又因为后燃时间较长,HC的排量较少。
也即配气相位对排气污染物的生成也有较大的影响。
气门重叠角减小,HC排放量减少,但是,重叠角过小会使发动机的动力性下降。
影响排放的发动机结构因素主要包括压缩比、燃烧室面容比、燃烧室缝隙容积及火花塞位置。
压缩比增大,燃烧温度和压力上升,导致NOx的排放上升。
同时由于有更多的HC被压缩于壁面的油膜和燃烧室缝隙中,在膨胀过程中将有更多的HC被释放出来。
因此,在其他条件相同的条件下,提高压缩比将导致HC排放量上升。
随着燃烧室面容比增大,淬冷面积增加,压缩在油膜内的HC的总量增加,导致HC的排放上升。
另一方面,由于换热面积增加,有利降低燃烧室温度,从而有利于NOx的降低。
若燃烧室缝隙容积过大,则残留在缝隙内的HC量增加,也将导致HC排放量增加。
火花塞位置的改变,会对燃烧过程产生影响,进而影响HC、CO和NOx的排放。
发动机的运转条件,如转速、负荷等对污染物排放会产生较大影响。
随着发动机转速的增大,燃烧温度急骤上升,从而导致NOx排放量大大增加。
燃烧温度升高有利于降低CO的排放量;
但由于在高转速时喷油量增大,而换气效率降低,导致油气混合气变浓,从而导致CO排量增加。
因此转速对CO的排量的影响相对复杂,要视具体的发动机及其化油器状态而定。
如前所述,随着发动机负荷的增大,一般情况下CO的排放量会上升,从实际的测试结果来看,对于大部分摩托车来讲,高负荷时CO的排量较大。
很显然负荷越高,燃烧温度越高,NOx的排放量也越高。
而转速和负荷对HC排放的直接影响并不很明显,这与HC的产生机理有关。
HC的产生主要与油气混合均匀性及淬冷面积和燃烧室缝隙等因素有关:
喷嘴越细、喷油压力越高,越利于燃油雾化;
缸内气流滚流及横流强度越大,越有利于均匀混合气的形成,从而越有利于均匀、完全燃烧,也即有利于降低HC的排量。
进气温度升高,燃烧温度和燃烧压力也会升高,从而有利于HC和CO排放量的降低,但不利于NOx降低。
同样的道理,随着进气压力的升高,HC的排放量下降,NOx上升。
排气背压升高,有可能致燃烧过程变坏而导致油耗上升,HC排放量上升。
而随着冷却水温度的升高,缸内燃烧温度增大,对降低HC和CO的排放量有利,而对降低NOx的排量不利。
总之,缸内燃烧过程的均匀性、燃烧温度和压力是影响HC、CO和NOx排放量的直接因素。
一般来讲,在同样条件下,燃烧温度和压力越高,CO排放量越小而NOx的排放量越大;
而燃烧过程越不均匀,HC的排放越大。
所有影响燃烧均匀性,影响燃烧温度和压力的因素均会对摩托车污染物的排放量产生影响。
另外,HC的排放还与燃油在燃烧室内的残留量有关(如燃烧室缝隙和油膜量等):
残留量越大,HC的排放也越大。
摩托车排放机内控制技术就是针对这类因素进行优化,从源头上降低三种主要污染物的生成量及排放量。
3
摩托车排放机内控制技术
机内净化技术是指通过改变发动机现有的燃烧状况,从本质上控制和减少污染物的生成。
摩托车排放机内控制措施很多,总的来说主要是通过改进、优化进排气系统、燃油喷射系统及点火系统等,达到减轻排放的目的。
3.1改进发动机结构技术参数
通过对发动机结构参数的优化设计,可达到有效降低污染排放的目的。
在实际匹配过程中,可根据发动机原始排放情况采用相应的优化措施。
主要技术途径包括:
①通过降低发动机压缩比,以降低缸内燃烧温度和压力,从而减少NO的生成量;
②通过减小燃烧室的面容比(面积和容积比),可降低壁面激冷层的厚度,从而达到减少HC的生成量的目的;
③通过提高点火提前角的控制精度,使其接近各工况下的最佳值,可改善CO和HC的排放。
还可根据实际需要提前或延迟点火,以达到相应的减排目的;
④化油器的精度和离散度对摩托车排放至关重要。
提高化油器在怠速、中速和全负荷时过量空气系数的调整精度,使其接近最佳值,可改善CO和HC的排放。
⑤通过改变气门夹角或气门直径以减少对气体的阻力,提高进气效率,促进油气混合更均匀,使混合气燃烧充分,以达到降低CO和HC排放的目的等。
⑥改进强制风冷,降低燃烧温度,以减少NOx的排量。
3.2采用多气门技术
在摩托车发动机上采用多气门技术,是满足更严格的排放法规的有效途径。
具有4个或更多的气门称之为多气门发动机技术。
多气门发动机具有较大的进气门开启面积,在同样的发动机参数下,如果把一个进气门增加为两个进气门,进气门总开启面积增加约30%。
同理,排气门总开启面积也相应的增加。
由于进气面积增加,进气效率增加,燃料燃烧更完全,发动机的动力性和经济性都相应地提高。
同样由于排气面积增加,换气过程更为充分,排气更为彻底,干净。
对于多气门的发动机,可将火花塞布置在气缸中央,相应改善了火花塞的冷却条件,火焰传播距离也相应变短。
对于优化发动机的点火正时和改变点提前角更为有利,从而可以降低燃烧温度,减少氮氧化物的排放。
多气门技术已成为低排放、高输出功率和高响应摩托车发动机的主流技术。
图2所示为五气门与四气门的进气量的比较。
3.3电控燃油喷射技术
对于燃油摩托车而言,机内控制就是尽量让混合气在气缸内燃烧完全,减少CO、HC及NOx的形成,从源头上减少污染物的排放。
主要的基本途径有两条:
第一条,通过发动机的结构改进,完善发动机的工作过程,达到降低污染物排放的目的。
主要的技术措施包括:
优化燃烧室结构(如燃烧室形状优化和压缩比的提高);
优化进排气系统(含进排气道优化和配气凸轮优化、配气正时的优化);
改进冷却系统,采用液体冷却技术;
小排量发动机四冲程化;
采用多气门及可变技术等等。
第二条,改进燃油供给系统,通过对发动机燃料供给系统的合理匹配,改善混合气的形成条件,实现混合气空燃比的精确控制。
化油器的结构改进和优化匹配、化油器的电控调节、采用电控燃油喷射技术等。
电控燃油喷射技术能精确控制发动机缸内燃烧过程在理论空燃比附近振动,可使摩托车发动机的燃油经济性、动力性和排放特性达到最佳匹配。
采用电控燃油喷射技术逐步替代化油器是摩托车发动机技术发展的趋势。
3.3.1燃油喷射系统组成
发动机燃油喷射系统由空气供给系统(供气)、燃油供给系统(供油)和燃油喷射电子控制系统三个子系统组成。
空气供气给系统简称为供气系统。
燃油在发动机内燃烧时需要一定数量的空气,空气供给系统的功用是向发动机提供混合燃烧所需的空气并测量出进入气缸的空气量。
根据发动机怠速进气量的控制方式不同,供气系统分为旁通空气式和直接供气式两种。
旁通空气式供给系统主要由空气滤清器、空气流量传感器、进气软管、旁通空气道、怠速控制阀、进气歧管、动力腔、节气门位置传感器、进气温度传感器等组成。
在发动机的怠速或正常转的状态时,实现不同的供气效果。
怠速转速采用节气门直接控制的发动机控制系统主要由空气滤清器、空气流量传感器、进气软管、进气歧管、动力腔、节气门位置传感器、进气温度传感器等组成。
空气经滤清器滤清后,经节流阀体流入动力腔再分配给各缸进气歧管。
进入发动机气缸空气量的多少,由电控单元根据安装在进气道上的空气流量传感器检测的进气量信号求得。
燃油喷射供气系统的进气道较长且设有动力腔。
从而可充分利用进气管内的空气动力效应,增大各种工况下的进气量(即增大充气量),以提高发动机的动力性。
空气动力效应是一种十分复杂的物理现象,可视为气流惯性效应与气流压力波动效应共同作用的结果。
气流惯性效应是指在进气管内高速流动的气流在活塞到达进气冲程的下止点之后,仍可利用进气气流的惯性继续充气,从而增加充气量。
因为适当增加进气管的长度能够充分利用气流的惯性效应来增加充气量,所以燃油喷射式发动机都采用了较长的进气管,并将进气歧管设计成较大的弧度,以充分利用气流的惯性效应来提高充气量。
气流压力波动效应是指各个气缸周期性、间歇性的进气而导致进气管内产生一定幅度的气流压力波动。
气流压力波动会沿着进气管以声速传播并往复反射。
如果进气管的开头有利于压力波反射并产生一定的共振,就能利用共振后的压力波提高充气量。
为了利用气流压力波动效应,大多数燃油喷射式发动机在进气管中部设有一个动力腔或在进气管的旁边设一个动力腔,或在进气管的旁边设置一个与进气管相通的谐振腔,以利于进气管内压力波的共振来提高充气量。
燃油供给系统的功能是向发动机提供油气混合气燃烧所需的燃油量。
燃油系统主要由燃油箱、电动燃油泵、输油管、燃油滤清器、油压调节器、燃油分配管、喷油器和回油管等组成。
发动机工作时,电动燃油泵将燃油从油箱里泵出,经滤清、加压后,最后分配给各缸的喷油器。
当喷油器收到电控单元发出的喷油指令时,再将汽油喷射在进气门附件,并与供气系统提供的空气,混合形成雾化良好的可燃混合气,如图3所示。
发动机燃油喷射电子控制系统主要由各种传感器、开关信号和执行器等组成。
其中传感器包括:
空气流量传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器(或歧管压力传感器)、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、进气温度传感器、转速传感器等。
开关信号包括:
点火开关信号、启动开关信号、电源电压信号。
执行器主要包括:
电动燃油泵、电磁喷油器、油压调节器和怠速控制阀等。
电控系统通过各种传感器将空气流量、进气温度、气缸温度、节气门开度、发动机转速等发动机的各工作状态参数转换成开关信号后传送至电控单元。
电控单元对采集的发动机参数进行收集、分析与判断,再向执行器发出相应的控制指令,精确控制燃油泵压力、喷油量与空气进气量,保证发动机在接近理想的空燃比条件下运行,从而保证发动机获得佳的动力性、加速性、经济性和排放指标。
3.3.2发动机燃油喷射系统的分类及其原理
自20世纪60年代起,美国、德国和日本等国家相继开始进行燃油喷射系统研制和应用。
如图4所示,目前用于发动机的燃油喷射系统有多种多样。
总体来说可以按控制方式、喷射部位和喷油方式等对其进行分类。
按控制方式不同,燃油喷射系统可分为机械控制式、机电结合式和电子控制式三种。
机械控制式燃油喷射系统是指利用机械机构实现燃油连续喷射的机械控制系统。
1967年Bosch公司开发成功K-Jetronic型(简称K型)机械控制式燃油喷射系统,开辟了现代汽油机燃喷射技术先河,图5所示为K型喷射系统原理图。
机电结合式燃油喷射系统是指由机械机构与电子控制装置结合实现燃油喷射的系统,称为KE-Jetronic型(简称KE型,如图6所示)。
KE型与K型燃油喷射系统的主要区别在于KE增设了一个燃油压差调节器、电子控制器、冷却液温度传感器等。
电子控制式燃油喷射系统是指由电控单元直接控制燃喷射和系统。
如图7所示。
电控制单元ECU采集空气流量传感器、曲轴位置传感器等传输的信号,计算基本喷油量及修正系数,达到实际喷油。
ECU还要根据节气门位置传感器在发动机不同工况下按不同的模式来控制喷油量。
在节气门关闭的怠速工况下提供浓混合气,确保怠速稳定;
在节气门全开的大负荷工况时也提供浓混合气,确保发动机良好的动力性;
在节气门中小开度的部分负荷工况时提供稀混合气,以提高燃油经济性和降低排放。
根据控制方式不同,电控燃油喷射系统可分为开环控制系统、闭环控制系统、自适应控制系统和模糊控制系统等。
3.3.3发动机燃油喷射的控制
(1)喷油器控制
在发动机工作过程中,凸轮轴位置传感器提供ECU活塞上止点位置的信号,以便计算、确定喷油提前角。
曲轴位置传感器提供ECU曲轴转速和转角的信号,空气流量传感器提供ECU进气量的数值,ECU根据这两个信号计算喷油量。
节气门位置传感器提供ECU发动机负荷大小信号,ECU据此确定增减喷油量。
水温传感器提供ECU发动机冷却液温度信号,以便计算喷油量的修正值。
氧传感器提供ECU排气混合气浓度信号,ECU据此确定增减喷油的大小,实现空燃比反馈控制,降低废气排放量。
车速传感器提供ECU车速信号,以便判断发动机运行的状态,从而确定是否停止供油。
点火启动开关信号包括点火开关接通信号和启动开头接通信号,ECU据此判断发动机工作状态(启动或正常状态)并运行相应的控制程序。
各种型式的电控燃喷射系统的控制电路大同小异。
图8所示为燃油喷射系统喷油控制原理图。
(2)发动机喷油量控制
发动机工况不同,对混合气浓度的要求也不相同,特别是冷启动、怠速、急加/减速等特殊工况对混合气浓度都有特殊要求。
喷油量控制大致可分为发动机启动时喷油量的控制和启动后运行中的喷油量控制。
启动时是由启动机驱动发动机运转的,转速很低且波动较大,导致反映进气量的空气流量信号误差较大。
因此,ECU不是以空气流量传感器信号作为计算喷油的依据,而是按预先编制好的程序和预定的空燃比来喷油的。
也就是说在冷启动阶段喷油量控制方式是采用开环控制。
ECU首先根据点火开关、曲轴位置传感器等提供信号判定发动机是否处于启动状态,再根据冷却液传感器信号确定基本喷油量。
而当冷启动时,机温很低,为保证具有足够浓度的可燃混合气,ECU还要根据冷却液温度传感器信号反映的温度高低控制喷油量:
温度越低喷油量越大,温度较高时则相对可少喷油,以使发动机能够顺利启动。
在发动机启动后的运转过程中,喷油器实际的喷油总量是由基本喷油量、喷油修正量和喷油增量三部分决定的。
基本喷油量由进气量传感器、曲轴位置传感器和设定的目标空燃比来计算确定的;
喷油修正量是由进气温度和压力、氧传感器信号及蓄电池信号计算确定的;
喷油增量是根据点火开关信号、冷却液温度和节气门位置等传感器信号计算确定的。
(3)喷油提前角及喷油正时控制
喷油提前角和喷油持续时间对发动机燃烧温度、压力和稳定性影响较大,从而对发动机排放,尤其是对NOx的排放影响较大,是主要的控制对象之一。
ECU在进行喷油提前角和喷油持续时间控制时,需综合分析发动机工作循环、曲轴位置、凸轮轴位置及排放等各种因素。
其主要控制流程由主程序、自检程序、故障报警子程序、启动子程序和怠速子程序等组成。
主程序主要用于监测判定发动机工作状态,计算确定空燃比、喷油时间、喷油提前角、以及发出喷油指令,控制喷油器开启时间和结束时间等。
对于多点喷射来说,与燃油喷射有关的控制还包括喷油正时控制。
目前国内大多数摩托车发动机均是单缸的,燃油喷射采用单点喷射系统,一般安装在节气门体上。
发动机一旦工作就连续喷油。
而对于多缸发动机,目前一般采用多点喷射系统,每个气缸配一只喷油器,安装在燃油分配管上。
根据燃油喷射时序不同,又可分为多点同时喷射、分组喷射和顺序喷射三种喷射方式。
同时喷射就是发动机每个工作循环各喷油器同时喷射1-2次。
其优点是控制电路和控制程序简单,缺点是各缸喷油时刻不可能达到最佳。
多点分组喷射就是将喷油器喷油分组进行控制,一般将4缸发动机分成两组、6缸发动机分成三组、8缸发动机分成4组进行控制。
发动机每转一圈,只有一组喷油器喷油,每组喷油器喷油时连续喷射1-2次。
分组喷射的正时控制较之同时控制要好得多,混合气雾化质量较之同时喷射也大大改善,但仍不能对每一个实现最佳喷油。
多点顺序喷油就是各缸喷油按照一定的顺序喷油,发动机工作一个循环各缸喷油器轮流喷油一次,即像点火一样,按照特定的顺序依次进行燃油喷射。
顺序喷射的优点是各缸喷油时刻可设计在最佳时刻,燃油雾化质量好,有利于提高燃油经济性和降低排放,缺点是控制电路和控制软件比较复杂。
3.3.4发动机空燃比控制
(1)空燃比的确定
某款发动机在不同转速和负荷时的最佳空燃比数值是在发动机设计完毕后,预先通过台架试验测试获得的,并以三维脉谱图的形式存储在ECU中的。
发动机工作时,ECU根据曲轴、空气流量和节气门位置传感器输入的信号,以及发动机转速信号和负荷信号,从空燃比脉谱图中查询出最佳的空燃比数值进行控制。
在发动机正常运行时,ECU将采集氧传感器输入的信号,并据此实现闭环控制,控制发发动机在理论空燃比附近工作,从而确保三效催化剂达到最佳工作状态。
常说的空燃比控制技术大都指ECU采集氧传感器信号的闭环控制技术。
表1所列为某款发动机在不同工况时的空燃比范围。
为提高发动机动力性和经济性等,当发动机在部分负荷工况下工作时,其喷油量是按经济空燃比供给混合气的。
即电控系统按理论空燃比或大于理论空燃比控制喷油量。
当发动机在高速、大负荷或全负荷工况下运行时,为了获得良好的动力性,要求发动机输出最大功率,因此需要供给浓混合气;
当节气门开度大于70度(80%负荷)时,ECU即控制空燃比小于理论空燃比,以满足发动机输出最大功率要求。
(2)空燃比控制
如前所述,空燃比控制主要是指闭环控制,闭环控制系统如图8所示。
发动机空燃比控制的好环对发动机性能,尤其是对排放性能影响较大。
欲使三效催化剂达到最佳的排气净化效果,需要控制混合气的空燃比在理论空燃比14.7附近。
如果仅仅利用空气流量传感器和发动机转速传感器计算求得充气量,那么很难将空燃比控制在理论空燃比附近,必须采用如图9所示的反馈式控制系统进行控制。
借助于安装在排气管上的氧传感器反馈的空燃比信号,对喷油脉冲进行反馈控制。
发动机空燃比反馈控制过程如图10所示。
氧传感器输出电压的平均值称为限制电平。
如图10所示,当ECU接收的氧传感器的信号电压高于限制电平(0.5V)时,表明混合气偏浓,ECU即发出指令使空燃比反馈修正系数KAF聚降一个PR值,使喷油时间缩短,喷油量减少。
再逐渐减小修正系数,使混合气逐渐变稀,空燃比逐渐增大。
采用同样的原理对过稀的混合气进行调整。
在反馈控制过程中,从喷油器喷油开始到氧传感器检测出氧浓度为止,发动机要经过进气、压缩、做功和排气等过程。
由于发动机工作循环需要一定的时间,因此要使混合气的空燃比准确地保持理论空燃比值是不可能的。
实际反馈控制只能将空燃比控制在理论空燃比附近的一个狭窄范围内波动。
现行的空燃比控制系统,在氧传感器失效时,ECU将自动切断氧传感器信号,对空燃比控制进入开环控制模式。
由于此时不能将空燃比控制在理论空燃比附近,发动机油耗和有害气体排量都将增加。
(3)空燃比控制条件
如前所述,为了保证发动机具有良好的工作性能,混合气的空燃比并不是在所有工况下都进行反馈(闭环)控制。
对发动机空燃比进行闭环控制的条件下是:
a)
发动机冷却液温度达到正常工作温度(80℃)
b)
发动机运行在部分负荷工况或怠速工况
c)
氧传感器温度达到正常工作温度(氧化锆传感器为300℃,氧化钛氧传感器为600℃)
d)
氧传感器输入ECU的信号电压变化频率不低于0.8Hz,低于这一频率或不变,表明传感器失效
除上述控制策略外,燃油喷射系统控制还包括:
断油控制和怠速控制等。
断油控制是电控单元在某些特殊工况下,暂中断燃油喷射。
断油控制包括发动机超速断油控制、减速断油控制和清除溢流控制等。
发动机怠速控制就是怠速转速控制。
配置怠速控制系统后,能保证发动机的怠速转速,在发动机运转期间不会因发动机气缸积炭、火花塞间隙和温度等情况的变化而发生变化。
3.3.5燃油喷射技术发展
稀燃技术和缸内直喷技术近年来得到了快速发展,在汽车中已开始实际应用。
稀燃发动机在正常工作工况下,空燃比控制在14.7以上。
由于氧气(空气)供给过量,燃油燃烧效率更高,燃油经济性更好。
HC和CO的排放量明显下降(如图1所示),如能辅助以EGR技术和水冷技术,亦可使NOx的排放大大降低。
最主要的是采用稀燃发动机以后,燃油经济性提高,CO2排放量相对
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