进气预热降低汽油机冷起动排放及相关技术研究

摘要

冷起动排放控制是目前车用汽油机排放控制的关键环节之一。汽油机冷起动排放高的根本原因是燃油蒸发差，使混合气形成质量不良，进而导致燃烧质量下降，汽油机冷起动排放恶化。因此，减少冷起动排放可以从改善燃油蒸发入手。为减少汽油机冷起动排放，本文提出了采用快速加热进气空气来提高起动时进气温度的技术路线。在初期试验与理论论证的基础上，开发了快速空气加热器，并应用在发动机台架及整车上，进行了冷起动排放试验研究。 ⑴在初期试验中，在发动机台架上研究了在不同进气温度情况下汽油机的冷起动排放规律。试验结果表明，提高进气温度有利于减少汽油机HC和CO冷起动排放,并存在一个最佳进气温度(70℃)，当加热到这个温度时，排放最低。最初吸入发动机的新鲜空气的温度对HC排放有重要影响，对发动机进气歧管内的冷空气进行加热可以大幅度降低HC排放。这些研究结果为进一步研究冷起动排放提供了科学的依据。 ⑵为了更有效地减少发动机在冷起动时排放及改善对应工况的燃烧质量，在模拟仿真中，基于燃油蒸发理论，使用计算流体力学软件对汽油机冷起动燃油蒸发进行计算。模拟结果表明，进气温度、燃油温度和发动机转速对燃油蒸发均有重要影响，其中属进气温度影响最大，油滴初直径和喷射定时对燃油蒸发率影响不大，油滴初速度对燃油蒸发率影响很小。提高进气温度，不仅可以提高进气道内的燃油蒸发，而且还能提高缸内温度，促进缸内燃油的蒸发，为可燃混合气的制各创造有利的条件。 ⑶基于快速加热的策略，使用低压喷射高压点火的方案，采用空心圆锥并配以来自配风器的气流，开发了一种低成本的快速空气加热器用来提高低温环境下的进气温度，进而控制汽油机冷起动排放。加热器采用独立电子控制系统。使用计算流体力学软件对加热器燃烧及传热过程的数值模拟，对加热器进行结构优化，试验结果表明，加热器实现了快速加热和清洁燃烧，但排气温度升高。在台架试验中，通过对发动机进油管路进行简单改造以及暖风出口与发动机进气管的连接，空气加热器可燃烧来自于汽油泵的燃油并成为发动机进气系统的一部分。试验结果表明，加热器工作32 s，能达到较满意的进气初始温度，发动机起动后，在较几分钟内进气温度仍保持较高。燃用汽油和乙醇汽油均能使得HC和CO排放分别降低33％和11％以上。 ⑷整车低温冷起动排放测试表明，对只能达到欧Ⅱ排放指标的微型汽车，使用空气加热器后，THC和CO排放均低于欧Ⅲ、Ⅳ冷起动排放限值，可以满足未来对汽油机的严格排放法规要求。此外，使用加热器还可以很好地改善发动机低温冷起动性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2汽油机冷起动过程工况特征分析

1.3汽油机冷起动HC排放机理

1.4国内外汽油机冷起动研究情况

1.4.1国外研究情况

1.4.2国内研究情况

1.5冷起动排放控制主要措施及所面临的问题

1.6本课题的提出和研究的主要内容

第二章 进气预热降低汽油机冷起动排放的初步试验研究

2.1试验系统设计

2.1.1试验装置

2.1.2试验方案设计

2.1.3排放评价指标的引入

2.2试验结果与分析

2.2.1采用30 L蓄热箱试验结果分析

2.2.2采用10 L蓄热箱试验结果分析

2.2.3不同体积的蓄热箱试验结果比较

2.3本章小结

第三章 汽油机冷起动多参数燃油蒸发模拟计算

3.1引言

3.2计算模型建立

3.2.1几何模型的建立

3.2.2几何网格的生成

3.2.3物理模型假设

3.2.4 数学模型

3.2.5计算基本参数设置

3.3模拟结果与分析

3.3.1进气温度对燃油蒸发的影响

3.3.2燃油初始温度对燃油蒸发的影响

3.3.3油滴初直径对燃油蒸发率的影响

3.3.4喷射定时对燃油蒸发率的影响

3.3.5油滴初速度对燃油蒸发率的影响

3.3.6转速对燃油蒸发率的影响

3.4本章小节

第四章 快速空气加热器的研制与燃烧过程数值模拟

4.1概述

4.2设计要求

4.3总体方案确定

4.4加热器系统设计

4.4.1传热分析计算及功率估计

4.4.2喷嘴确定及流场测试研究

4.4.3配风器设计

4.4.4冷却风通道截面积的确定

4.4.5电子元器件选择

4.4.6控制单元设计

4.4.7加热器结构及工作原理

4.5加热器样机燃烧试验

4.5.1试验系统

4.5.2试验结果与分析

4.6加热器燃烧及传热特性模拟计算

4.6.1几何模型的建立

4.6.2数学模型和控制方程

4.6.3求解过程

4.6.4计算结果与分析

4.7加热器样机的改进

4.8改进后加热器的燃烧试验

4.9本章小结

第五章 快速空气加热器在发动机台架和整车上的试验研究

5.1引言

5.2发动机台架试验研究

5.2.1试验用发动机

5.2.2试验系统设计

5.2.3试验结果与分析

5.3整车低温冷起动排放试验研究

5.3.1低温冷起动排气试验简介

5.3.2试验系统

5.3.3试验结果与分析

5.4本章小结

第六章 全文总结及工作展望

6.1全文总结

6.2工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢