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1、车用汽油机机内净化概述所谓机内净化就是从有害排放物的生成机理及影响因素出发，以改进发动机燃烧过程为核心，达到减少和抑制污染物生成的各种技术。简单说就是降低污染物生成量的技术，如改进发动机的燃烧室结构、改进点火系统、改进进气系统、采用电控汽油喷射、采用废气再循环技术等。机内净化被公认为是治理车用汽油机排气污染的治本措施。1 汽油机的燃烧过程图4-1 汽油机的燃烧过程-着火延迟期 -明显燃烧期 -补燃期1-火花塞跳火；2-形成火焰中心；3-最高压力点/()按燃烧过程的物理化学状态，将燃烧过程分为三个阶段：着火延迟期、明显燃烧期和补燃期。汽油机燃烧过程的展开示功图如图4-1所示。汽油和空气按一定的比
2、例组成的混合气，进入气缸后被压缩受热。火花塞跳火放电时，两极电压在15000V以上，电火花能量4080mJ，局部温度达2000，致使电极周围的预混合气热反应加速，当反应生成的热积累使反应区温度急剧升高而使火花塞电极附近的混合气着火时，即形成火焰中心。从电火花跳火到形成火焰中心阶段称为着火延迟期，如图4-1中的12点。这是燃烧的第I阶段。燃烧第阶段是指火焰由火焰中心传播至整个燃烧室，约90%的燃料被烧掉。如图4-1中的23点，被称为明显燃烧期。在均质预混合气中，火焰核心形成后，即以此为中心，由极薄的火焰层（即火焰前锋）开始向四周未燃混合气传播，直到火焰前锋扫过整个燃烧室。这一期间的燃烧是急剧的，
3、燃烧室的温度和压力急剧上升，通常将缸内压力达到最大值时作为急燃期的终点。在此阶段中压力升高率和最高燃烧压力到达时刻是两个重要指标，会对发动机动力性、经济性和排放产生重大影响。从到达最高燃烧压力点3至燃料基本完全烧完为止称为补燃期，即燃烧的第阶段。此时混合气燃烧速度已开始降低，加上活塞向下止点运动，缸内压力开始下降。由于90%左右的燃烧放热已完成，因而继续燃烧的是火焰前锋面扫过后未完全燃烧的燃料以及壁面及其附近的未燃混合气。2 汽油机的主要排放物汽油发动机的理想燃烧是指混合气完全燃烧，汽车的排放物应为二氧化碳（CO2）、氮（N2）和水（H2O）。但汽油发动机在实际工作过程中，混合气燃烧往往是不完
4、全的，燃烧生成物除了以上三种之外，还有炭氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOX）、铅化物以及二氧化硫等，这几种排放物会对大气环境造成污染、对人体造成危害。3 汽油机机内净化的主要措施（1）大力推广汽油喷射电控系统。电控汽油喷射是取代传统化油器供油方式的新技术。我国目前生产的轿车用汽油机都采用汽油喷射电控系统。它利用各种传感器检测发动机的信息反馈，经微机的判断、计算，使发动机在不同工况下均能获得合适空然比的混合气，从而有效地改善燃油经济性和排气净化性能。（2）改善点火系统。采用新的电控点火系统和无触点点火系统，提高点火能量和点火可靠性，对点火正时实行最佳调节，以改善燃烧过程，降低
5、有害排放物的含量。（3）积极开发分层充气及均质稀燃的新型燃烧系统。目前，美、日、德等国已开发出了不少新型燃烧系统，其净化性能及中、小负荷时的经济性均较好。（4）选用结构紧凑和面容比较小的燃烧室，缩短燃烧室狭缝长度，适当提高燃烧室壁温，以削弱缝隙和壁面对火焰传播的阻挡与淬熄作用，可以降低HC、CO的排放量。采用4气门或5气门结构，组织进气涡流、滚流或挤流，并兼用电控配气定时、可变进气流通截面等可变技术，可以有效地改善发动机的动力性、经济性和排气净化性能。（5）采用废气再循环控制。废气再循环是目前控制车用发动机NOX排放的常用和有效措施。内燃机的使用工况与排放性能密切相关。作为车用发动机，应选择有
6、害排放物较低，而动力、经济性又较好的工况为常用工况。因此，在汽车中就需要使用电子控制系统，它可根据驾驶员对车速的要求及路面状况的变化，对发动机转速和负荷进行优化控制。汽油喷射电控系统一、汽油喷射系统的发展20世纪30年代用于军用飞机上，1954年德国奔驰公司在奔驰300SL上装了机械式汽油喷射系统（K型）。20世纪60年代在K型的基础上发展了机电组合式汽油喷射系统（KE型）。20世纪60年代后期，随着电子技术的发展，德国BOSCH公司研制出电控燃油喷射系统（EFI）。电控燃油喷射技术经历了晶体管、集成电路、和微机处理三大发展进程。二喷油控制喷油控制是发动机ECU的主要控制功能，它包括喷油时刻控
7、制和喷油量控制。1. 喷油时刻的控制对于多点喷射发动机，ECU以曲轴转角传感器的信号为依据进行喷油时刻的控制，使各缸喷油器能在设定的时刻喷油。喷油时刻控制方式有三种，即同时喷射、分组喷射和顺序喷射。同时喷射将各气缸的喷油器并联，所有喷油器由电脑的同一个指令控制，同时喷油，同时断油。分组喷射将各气缸的喷油器分成几组，同一组喷油器同时喷油或断油。顺序喷射各喷油器由电脑分别控制，按发动机各气缸的工作顺序喷油。a）同时喷射 b）分组喷射 c）顺序喷射2.喷油量控制目的：使发动机在各种运行工况下，都能获得最佳的喷油量，以提高发动机的经济性和降低排放污染。当喷油器的结构和喷油压差一定时，喷油量的多少取决于
8、喷油时间。1起动时的同步喷油量控制在发动机转速低于规定值或点火开关接通位于STA（起动）档时，喷油时间的确定见图，ECU根据冷却液传感器信号（THW信号）和冷却液温度喷油时间确定基本喷油时间，根据进气温度传感器（THA信号）对喷油时间作修正（延长或缩短）。然后在根据蓄电池电压适当延长喷油时间，以实现喷油量的进一步的修正，即电压修正。 起动时的基本喷油时间 喷油时间的确定2起动后的同步喷油量控制喷油持续时间 = 基本喷油持续时间喷油修正系数 + 电压修正值D型根据发动机转速信号和进气管绝对压力信号确定基本喷油时间。L型根据发动机转速信号和空气流量计信号确定基本喷油时间。喷油修正系数有：（1）起动
9、后加浓修正 根据冷却液温度确定喷油时间的初始修正值；（2）暖机加浓修正 在达到正常温度之前，根据冷却液温度信号进行喷油时间修正；（3）进气温度修正 根据进气温度传感器提供的进气温度信号（THA信号），对喷油时间进行修正；低于20是空气密度大，ECU适当的增加喷油时间，高于20的适当的减少喷油时间。（4）大负荷工况喷油量修正 根据PIM信号和Vs信号以及节气门位置传感器输送的全负荷信号（PSW信号）或VTA信号判断发动机负荷状况，大负荷时适当增加喷油时间。（5）过渡工况喷油量修正 主要根据PIM信号或Vs信号、Ne信号、SPD信号、VTA信号、NSW信号判断过渡工况，对喷油时间进行修正。（6）怠
10、速稳定性修正 ECU根据PIM信号和Ne信号对喷油量进行修正，随着进气管绝对压力增大或怠速降低，适当增加喷油时间；反之，减少喷油时间。微机控制点火系的组成与控制策略1）组成微机控制点火系主要由下列元件组成：监测发动机运行状况的传感器，处理信号、发出执行指令的微处理机（ECU），响应微机发出指令的点火器、点火线圈等组成，如图4-6所示。图4-6 微机控制点火系的组成简图微机控制点火系由于废除了真空、离心点火提前装置，点火提前角由微机控制，从而使发动机在各种工况下都能调整至最佳点火时刻，使发动机在动力性、经济性、加速性和排放等方面达到最优。通过爆震传感器，可以将点火提前角调整到发动机刚好不至于产生
11、爆震的范围。2）控制策略（1）起动时点火提前角的控制，在起动期间或发动机转速在规定转速（通常为500r/min左右）以下时，由于进气歧管压力或进气流量信号不稳定，因此点火提前角设为固定值，通常将此值定为初始点火提前角。（2）怠速时点火提前角的控制，此时，微机根据发动机转速、冷却水温来控制点火提前角的大小。为了保证怠速稳定性，防止由于空燃比闭环控制造成转速波动，可在减速时增加点火提前角。（3）正常行驶时点火提前角的控制，当微机接收到节气门位置传感器的怠速触点打开的信号时，即进入正常行驶时点火提前角的控制模式。其值是微机根据发动机转速和负荷信号（歧管绝对压力信号和空气流量计的进气流量信号）在存储器
12、中查到这一工况下运行时基本点火提前角。部分负荷时，要根据冷却液温、进气温度和节气门位置等信号进行修正；满负荷时，要特别小心控制点火提前角，以免产生爆震。点火系统对排放的影响点火系统通过火花质量和点火正时（点火提前角）对排放产生影响。1）火花质量决定点燃混合气的能力。当点燃稀薄混合气时，火花的持续时间对有害排放物的影响是非常大的。火花越弱，出现失火的机会就越多，而失火将会生成大量的未燃HC。火花质量主要取决于点火能量，此外还要求火花塞工作可靠。现代发动机上普遍采用高能点火系统，其二次电压已高达3040kV，火花塞间隙已达11.5mm，能保证可靠点火，增大火花强度，延长火花持续时间，从而改善了混合
13、气燃烧过程，降低了HC的排放。2）点火正时会影响发动机输出功率、燃油消耗量、汽车驱动性能和燃烧生成的有害排放物。因此点火正时需对多种因素进行优化。图4-7表示点火提前角对燃油消耗率和有害排放物的影响。 图4-7 点火提前角对燃油消耗率和有害排放物影响 图4-8 NOX与点火提前角的关系推迟点火即减小点火提前角，一方面降低了燃烧气体的最高燃烧温度和缸内最高燃烧压力，另一方面缩短了焰后燃烧产物的反应时间。NOX是高温下的产物，因而可使NOX排放物降低。此外，推迟点火还使未燃HC排放下降，这是因在作功行程后期，燃气温度升高，未燃的HC会继续燃烧所致。另外，推迟点火提高排温也是加速催化剂起燃的有效手段
14、，尤其在冷起动和暖机阶段。但推迟点火对汽油机的动力性和经济性会产生不利影响，因此必须采取折衷的办法，兼顾热效率和排气净化两方面的要求。如图4-8所示，点火提前角对NOX的影响还和混合气空燃比有关，在化学计量比附近，点火提前角的影响最大。因为NOX是在富氧高温条件下产生的，当混合气过浓时，由于缺氧，NOX不易生成；当混合气过稀时，燃烧速度慢，燃烧最高温度低，NOX也不易生成。只有当混合气空燃比略大于化学计量比时，NOX生成量最大。因此当采用电控汽油喷射加三效催化转化器进行闭环控制时，为了满足更严格的排放法规的要求，可通过推迟点火来降低NOX排放物。当负荷一定时，CO排放物只与空燃比有关，点火提前
15、角对其影响不大。但是，过分推迟点火时刻会使CO排放因没有充分时间氧化而显著增加。怠速转速控制所谓怠速，通常是指发动机在无负荷（对外无动力输出）情况下的最低稳定转速。发动机怠速运转要有满意的燃油经济性、良好的驱动舒适性和排放性能。为使怠速省油，传统上把怠速转速调到尽可能低。但考虑到减少有害物的排放，怠速转速又不能过低。另外，还应考虑所有怠速使用条件，如冷车运转与电器负荷、空调装置、动力转向伺服机构的接入等情况，它们都会引起怠速转速的变化，使发动机运转不稳定甚至出现熄火现象。因此，车用发动机对怠速控制系统提出了很高的要求。1. 怠速自动控制系统怠速转速控制的实质是对怠速时充气量的控制。怠速时喷油量的控制，一般仍按前面介绍过的与充气量相匹配的原则进行增减，以达到适宜的空燃比混合气。发动机怠速运转时，节气门全闭，节气门位置传感器内的怠速开关触点闭合，ECU根据这一信号，开始进行怠速自动控制，如图4-9所示为怠速自动控制系统结构示意图。怠速时的进气是通过两条绕过节气门的旁通气道进入发动机的。一条旁通气道的流通截面由怠速调节螺钉调整，在使用中保持不变；另一条旁通气道的流通截面由怠速控制阀控制。 图4-9 怠速自动控制系统
