开云 开云体育官网开云 开云体育官网式中:Ｆ——作用力，N; Ｂ——磁通密度，Wb/M2; A——吸力面区，M2; μ0——自由空间的磁导率，4π ×107Wb/A·M。 如果假定在软钢中产生的饱和磁场为1.7 Wb/M2 ，那么为了得到大小一定的作用力，利用上式可以算出所需的电磁线圈的面区A 值。 为了产生一定的饱和磁场，可用下式算出大概的安培—圈数Ni: 式中:Ｎ——每极的线圈圈数; ｉ——电流，A; ｌ——空气间隙的长度，M。 如何选择N 及i是存在矛盾的。理想的情况是使线圈匝数N 少，电流i大，这样在小的时间常数下，可获得所需要的力。然而高电流需要较粗的电线及昂贵的元件，同时还要考虑绕线的方便。在上述天然气喷射器的电磁线AWg 的电线。 该天然气喷射器电磁线. 喷射器的控制 过去对气体燃料喷射器的控制方法是利用原有柴油机上的高压油泵的液压进行控制，如果将柴油机改装为用少量柴油引燃混合气的双燃料发动机或者在汽油机上使用气体燃料，则需加装一个液压油泵，燃气喷射量是根据从控制油泵输出控制油的时间长短加以控制的。这种办法不仅使供油系统及喷射器结构复杂，而且也难以适应现代电控的要求，因此现在着重研究的是电控喷射器。 在柴油机上还未能大量推广应用电控喷射器的主要原因是快速动作。将定量的油喷入缸内，针阀要能及时地打开和关闭，而不能有提早或滞后的现象。在气体燃料发动机上，设计将燃料直接喷入缸内的喷射器的难度更大，因为还需要满足在外形尺寸及质量方面的严格要求。 按常规设计电控喷射器，可能会出现如图7-19所示的延迟现象。这种针阀开启和关闭的延迟现象破坏了严格的供气规律要求。解决问题的办法之一是采用强力的大线圈。但是这样既难以满足外形尺寸小的要求，又会使针阀的质量、惯性及加速度增加，对工作不利。 另一种解决方案是设计尺寸小的强力线圈，以便安装在原来喷油器的位置上，采用特殊的开关电路，以及喷射器主要参数和材料的优化设计。在控制喷射器的电路中，采用高电压及短的通电时间，线V。在大电流及小的工作负载循环下进行试验，结果表明线V电压下短时间使用时未过热。 三、减压调节器 液化天然气及压缩天然气都需要先转变成接近大气压的气态后，才能应用于汽车发动机上。因此需要减压调节器(简称为减压器)让气体燃料从高压降到大气压左右，另外液态石油气需要外界热量才能变成气态，压缩天然气的温度在降压时也要下降，为了保持一定温度也要加热。 减压器可分为不同类型: (１)按压力大小可分为高压和低压减压器。 (２)按减压级数分为一级、二级和三级，级数多则更容易使出口压力保持稳定不变，但结构复杂，尺寸较大，一般压力高的天然气采用三级减压器，而液化石油气采用两级减压器。 (３)按传力方式分膜片式和膜片杠杆式。 减压器应起下列作用: (１)将燃气的压力由气瓶中的压力降到大气压力。 (２)根据发动机不同的工况向发动机供给必要数量的燃气。 (３)发动机停止工作时，关闭输出燃气的通路。 蒸发—减压器的典型结构如图7-20所示，为日本本田汽车公司集成两级减压器的结构。 图7-21为其工作示意图。为了结构紧凑，体积小、质量轻，将两级减压器、电磁截止阀及燃气压力传感器组合为一体，这样还可以减少连接部分，提高可靠性。 为了抑制压力脉动，保持压力恒定，将经各减压器减压后的压力引至减压阀的背后，其结果可获得恒定的压力，如图7-22所示，并可使最后减压的压力变化控制在22.0KPA 以内。 为了防止因焦耳—汤姆逊效应而产生的温度过度下降，可利用发动机冷却液对一级减压器进行加热。该加热系统中设有热动开关，当燃气温度超过70℃时，热水会停止流动。 四、气瓶 １. 高压气瓶 汽车上必须将高压储存或液化的燃料，储存在特制的油箱中，气瓶常用充气压力高达20 ~25MPA。深冷液化的气体燃料还必须储存在双层壁能隔热的油箱中。 气瓶设计、制造及使用必须考虑质量轻、强度高、安全密封性好以及适合车载的需要。气瓶过去一般使用钢或合金钢制造，为了减轻质量，现代气瓶大多采用铝制造，外部再缠绕纤维复合材料，或者全部用纤维复合材料制造，自身质量及容积比可达到0.5Kg/L，而一般钢制的气瓶为1Kg/L。 气瓶是离心浇铸的铝合金筒，壁厚为1.27cM，外部用加强塑料纤维(FRP)缠绕，厚度为2.22cM。每个气瓶安装有使用低熔点金属膜片的两个热释气阀，当气瓶接近火源，温度高达100℃时，气阀即打开进行减压。另外还安装有安全膜片式释气阀，在气瓶中当压力达到38.6MPA时即开始放气。在供气系统中有截止阀，可将每个气瓶与整个系统断开，并有电磁开关阀，供起动及停车时开始或停止供气。 ２. 双层绝热气瓶 当天然气及石油气以液态储存时，因其温度较低需要存储于双层绝热气瓶中，图7-23所示为其结构示意图。 该种气瓶要求隔热性能很好，因此需加工成具有真空夹层，其中线MPA。为了能长期保持真空度，有的还采用化学吸气剂，并用发射性能良好的材料如铝薄膜覆盖在壁上。 为了保证气瓶的安全性能，气瓶在生产时要进行100％的静液压试验，进行破坏性试验的压力不小于常用压力的2.5倍。将气瓶浸在火中，以检查高温、高压释气阀的工作可靠性，此外还要进行气瓶的疲劳试验以及装在汽车上进行碰撞试验等。 第三节结束 为了摆脱车用内燃机所面临的“生存危机”，内燃机工程界正努力开发新型超低排放节能型的车用内燃机。由于传统内燃机很难同时达到汽车法规的低排放、低能耗要求，近年来对传统内燃机的改良技术纷纷涌现，其中最具代表性的有两种技术:汽油机直喷技术(GDI)和柴油机均质压燃技术(HCCI)。 一、柴油机均质压燃技术(HCCI) 近年来，随着电控技术的发展和柴油机自身的设计改进，机内机外净化措施已经极大地改善了柴油机的排放水平，但是柴油机不均匀油气混合气的压缩自燃方式很难从根本上显著减少碳氢燃油脱氢碳化而生成的炭烟微粒，而降低其NOx排放的措施往往与降低微粒排放和燃油消耗相矛盾，在工程实践中不得不局限于寻求最佳折中值。在现有的燃烧方式和使用燃料的情况下，这种折中也是有一定限度的。 均质充量压燃(HCCI)作为一种新型燃烧方式，近年来引起广泛的重视和研究。它以其均质、压燃、低温燃烧等特点，用预混合燃烧代替传统柴油机的扩散燃烧，能同时解决NOx和微粒排放的问题，满足日益严格的排放法规。 1989 年Thring 用一台楔形燃烧室、压缩比8∶1、预混、汽油混合物温度640K、EGR 为13％ ~33％的lAbeCOCOoperAtiveLubricAntReseARch (CFR)发动机测出了允许的运行参数，并提出了HCCI 这一描述此种燃烧过程的名词。 美国西南研究院(SWRI)最先在柴油机上开展“预混稀燃”研究。由于意识到HCCI 在解决NOx和微粒排放方面的巨大潜力，国内外都做了大量的相关研究，2001年我国决定把“新一代内燃机燃烧理论及石油燃料替代途径的基础研究”列为国家重点基础研究计划(973)项目之一。 １. HCCI 原理简介 一般来说，HCCI 燃烧采用稀薄均匀混合气多点同时着火及分布燃烧的方式，燃烧持续时间短。由于它在多处同时开始燃烧，没有明显的火焰前锋，避免了局部高温区域。在HC-CI燃烧中，燃料和空气的混合物在着火前已经在缸内充分混合，它的燃烧速率依赖于化学反应速率。 图7-24所示为传统柴油机喷雾扩散燃烧与HCCI燃烧的对比，从图中可以看出，HCCI燃烧并没有传统扩散燃烧的明显火焰传播，其燃烧是多点同时进行，火焰颜色较暗。 ３)涡旋混合器 在进气道内有8块叶片(图7-9)，强行使径向气流变成环形运动气流。在涡旋中心部分，高的环向流速产生一个压力降，这样能促使气体燃料的流动，使沿同一轴线作环向流动的空气及气体燃料在流向混合器出口的过程中，能够很好地混合。 在节气门的上游安装一个固定的涡旋缓冲器，使环流的径向分速度转变成轴向速度，以避免过多的压力损失。这种混合器控制混合气空燃比的原则也是在考虑过滤器流阻损失的前提下，将天然气压力控制在所需用的数值上。同时可以通过改变入口处叶片的角度以及变动燃气入口处调节芯轴舌头的位置，改变混合气的空燃比。 ４)环形流道式混合器 图7-10所示为这种混合器的原理结构图。空气流与燃气流互相垂直，燃气与空气在空气流扩压管的末端处混合，空气及燃气各自通过截面可调的通道流入混合腔。 空气流通截面的改变是手动的，能根据发动机的需要改变空气流量。可用伺服电动机改变燃气的流通截面，以适应自动控制空燃比的需要。还可以在气体流道中加入金属丝网，提高混合气的紊流程度。 ２. 混合器的流量特性 混合器的流量应能满足发动机各种工况的要求，并根据不同需要实现混合器空燃比的调节。 对于在混合气理论空燃比下工作的发动机而言，在整个流量范围内，空燃比应能保持不变。而对于稀燃发动机，通常空燃比应能随负荷变化而变化，为了使发动机性能良好，混合器应能实现比较准确的空燃比调节过程，而且重复性良好。 大多数固定式稀燃发动机为了使NOx排放不超过允许值，在节气门全开、全负荷运行时需使用最稀的混合气体。当负荷减少时，过量空气系数应适当减少，否则，发动机难以维持稳定的燃烧。起动时混合气流量低于额定值的25％，混合气的空燃比应该接近于理论空燃比。 １)文杜里管式混合器的空燃比特性 根据图7-6所示，应该希望混合器流阻尽可能小，以便能适应稀燃发动机的要求。因此试验研究时，应使全负荷时的空燃比为1.5。根据混合器工作原理分析，在低流量时连接到零压调节器的出口压力调节到大气压，而在100％流量时，改变主调节螺钉的位置使空燃比为1.5。 图7-11所示为空燃比λ 与流量的关系曲线。这并不是所希望的特性曲线，因为减少流量的过程与增加流量的调节过程相比，λ 值偏小，混合气浓度偏高。此外，增加流量与减少流量调节过程中，λ 值之间的差值过大。 上述λ 值差值过大的现象是由零压调节器的滞后现象引起的。随着流量的增加混合气变浓的特性并不能满足特定的要求，主要是由可燃气及空气的可压缩性及调节螺钉处的流阻现象引起的。通俗的描述，就是在喉口处燃气将空气推向一边，减少了空气的流量。 图7-12所示为稍许改善了的特性曲线，将零压调节器出口压力提高了70PA，稍许减少主调节螺钉的开度，以减少高负荷范围内的燃气流量。然而，这种流量特性对于负荷小于25％全负荷的工况混合气又偏浓。 要使文杜里管式混合器的流量特性满足变工况气体燃料发动机的要求，需要使用弹力较强的调节弹簧，使零压调节器与混合器设计为一个整体，并用伺服电动机自动控制主调节螺钉的开度。此外，这种混合器的燃气流量明显地受喉管处燃气流入的流通截面及流阻的影响。 ２)可变节流混合器的空燃比特性 图7-13为可变节流式混合器的流量与空燃比λ 变化的特性曲线。这是在主调节螺钉开度大的情况下获得的特性，当流量小于15％额定流量时，控制燃气阀处于全关闭的边缘，所以λ 曲线陡直上升，混合气过稀。在15％ ~60％的流量范围内，混合气逐步变得更稀，而在60％ ~100％的额定流量范围内，λ 值基本上变化较少，这种流量特性受燃气控制阀的形状的影响较大，同时适用于转速及流量变化较少且采用催化器需要λ 值基本不变的发动机。 ３)涡旋式混合器的空燃比特性 图7-14为涡旋式混合器流量与λ 的关系曲线，在进气道中叶片角度(图7-9)为51°时获得该曲线。 在试验中调整叶片的角度，使流量特性与文杜里管式的比较接近。在流量为30％ ~100％额定流量范围内，λ 是相当平坦的。改变燃气入口处舌形阀的位置(图7-9)，可以改变空气与燃气流量的比例。即使将混合气流量扩大到额定值的140％，也不会出现大的λ 值的偏差。 ４)环形流道式混合器的空燃比特性 环形流道式混合器流量与空燃比的关系曲线所示。 将零压调节器与环形流道式混合器一起进行实验，则如同文杜里管式混合器一样，较难获得λ 变化平坦的特性曲线％额定流量开始，流量增加时λ 变小，混合气逐渐变浓。同样在流量增加与减少的过程中，λ 值出现较大的偏差，当流量大于75％ 额定值以上时，则λ 值的差异变得稍小一点。 通过伺服电动机及芯轴电动机可以改变燃气流通截面，这样较能适应闭环自动控制λ的要求。由于空气流通截面也可以调节，所以λ 值调节的范围是很宽的，这与单独用一个调节螺钉调节燃气流量相比，适应发动机对不同λ 值的要求更为有利。 ３. 混合器中混合气的均匀性及流阻损失 通过混合器向汽车发动机供给气体燃料与空气的混合气，其混合均匀性对发动机的燃油经济性、排放及工作稳定性都有重要的影响。为了使三元催化转化器转化效率高，需要控制混合气空燃比在一个狭窄的范围内工作。稀燃过程也要求控制λ 值。 循环与循环及汽缸与汽缸之间混合气不均匀和λ 值的变动，都会使发动机工作不稳定，甚至导致失火与爆震现象产生。混合器中混合气的均匀性受结构形式、加工精度及调节控制空燃比方法的影响。通过试验可评价混合器中的混合气均匀度，规定一个名义的平均λ 值，测定不同流量下λ 值波动情况，以衡量其混合均匀性。 气体燃料汽车的动力性受进入发动机汽缸中的混合气充量影响较大，混合器流阻损失的大小就会影响气体燃料充入汽缸的容积效率。自然吸气发动机如果混合气在混合器中压力损失达1000PA，那么功率大约会降低1％。对于增压发动机这一关系较复杂。另一方面，流阻能量的损失会强化气流的紊流程度，有利于提高混合气的均匀性。上述几种混合器的压力及流阻等参数列于表7-2中。 现代汽车发动机对混合气质量及空燃比控制精度要求较高，上面介绍的几种简单的混合器并不能满足要求，需要进一步研究改进。例如要改善燃气在进入空气流时的均匀分布特征，延长燃气与空气混合腔的长度，增加紊流等。在控制空燃比方面，采用传感器要考虑燃气的压力、温度及组成变化的影响，如采用电控是更为理想的方式。 二、气体燃料喷射器及其控制 １. 气体燃料喷射器 设计气体燃料喷射器的一般要求如下: (1)能动态地调节喷射时间，根据发动机工况要求调节气体燃料流量。 (2)在所控制的同样喷射时间内各次流量一样，随喷射器使用时间的延长，流量变化不大。 (3)能适应车用发动机转速及喷射频率较高、喷射时间短的要求。 (４)能承受汽缸内及喷射器内部最高压力，针阀不会自动开启。 (５)能在缸盖高温及燃气腐蚀条件下工作。 (６)能随同汽车电控系统一起工作。 (７)密封性良好，不会泄漏燃气。 (８)在外形尺寸及寿命上满足汽车发动机的要求。 图7-16所示为加拿大多伦多大学在20世纪80年代后期研制的天然气喷射器，外形尺寸是根据发动机要求制定的。喷射器由喷射头部、喷射器本体，带电枢盘的针阀及嵌入线个主要部分组成。 喷射器本体及针阀座用不锈钢制造。本体与头部用螺栓连接，并用锁紧环固定，可调节本体相对头部的位置及电枢盘相对线圈的行程，改变调整垫圈的厚度可改变弹簧的预紧力。针阀头部与阀座的配合角度为60°。轴承套用浸了油的青铜制造，四周有6个?2.4MM的天然气流道。针阀在满足抗拉强度的要求下，应和电枢盘一起制得细小，以减轻运动零件的质量。 图7-17为日本本田汽车公司设计的天然气喷射器，用于排量为1.6L4缸发动机上。为了降低噪声并使柱塞有较长的寿命，在其上、下设有橡胶挡块及橡胶垫。为喷射器配置驱动器，其作用是提高喷射器动作的灵敏度，维持并控制流量。 该天然气喷射器与汽油喷射器的比较见表7-3。 ２. 喷射器电磁线圈 加拿大多伦多大学开发的天然气喷射器采用了如图7-18所示的三极电磁线圈。在不线圈图同长度的凸缘上，绕成3个线圈。设计成不同长度是为了在受控制的直径范围内，能获得最大的面区。 线圈的芯子及电枢是用退火的软钢制造的。使用别的材料可以获得更高的磁通密度，然而当线圈电流消除后，常会存在较高的剩余磁力，这容易导致电枢缓慢的或错误的响应。 为了获得所希望的电磁线圈的净作用力，假设高能线，可用下式计算线圈理论上的最大作用力: 其蒸气压力特性与LPG相近，可采用与LPG相同的方式运输和储存。使用二甲醚时，还可使用更大的废气再循环(EGR)，降低NOx的排放。其物性参数及燃烧、排放性能特点如下: (1)二甲醚的十六烷值为55 ~60，一般柴油只有40 ~55，比柴油高，远高于其他代用燃料。二甲醚的着火温度为235℃，低于柴油的250℃，着火性能优于柴油。在柴油机上燃用二甲醚不需采用助燃措施。 (2)二甲醚不发生光化学反应，对人体无毒，当体积分数超过10％ 时，才会产生轻微的麻醉作用，因此对环境和人体无害。 (3)二甲醚是一种可再生燃料，不仅可以从石油及天然气中提取合成，而且可从煤、植物、生活垃圾中提取合成。 (4)二甲醚的低热值只有柴油的64.7％，质量密度也小于柴油，为达到柴油机的动力性，必须增大二甲醚的循环供应量，相同能量时所喷射的体积是柴油的1.8倍。 (5)二甲醚在常温、常压下的饱和蒸气压力为0.5MPA。随温度的升高，其饱和蒸气压增大，为防止气阻现象发生，燃料供给系统的压力远高于柴油机燃料供给系统的压力。 (6)发动机燃用二甲醚时，在中低负荷下的效率高于柴油机，而在高负荷时则稍低于柴油机。 (7)二甲醚的排放特性与燃烧特性有关，其放热规律与柴油机燃烧时有明显区别。二甲醚的着火延迟期明显短于柴油，初始燃烧速率及放热峰值低于柴油。 扩散燃烧部分大于预混和燃烧部分，整个燃烧持续期和柴油相当。二甲醚燃烧时缸内温度比柴油低，NOx排放明显降低，约为柴油的一半。二甲醚含氧，快速扩散燃烧抑制了炭烟的生成。在任何工况下，二甲醚发动机都可实现无烟排放。二甲醚发动机无CH4排放，其CO和HC的排放量比柴油机低，这与二甲醚含氧、低沸点、易蒸发混合等特性相关。CO2排放也比柴油机低。 (8)由于二甲醚的沸点是-25℃，在常温下呈气态，润滑性差，且二甲醚的黏度很低(其动力黏度系数仅为柴油的1/10)，需要解决诸如油箱密封、供油系统成本高，为防止油泵柱塞和喷油器针阀等精密偶件磨损、卡死，应改善运动件的材料或加入添加剂，以及燃料的泄漏量很大等问题。 第一节结束 可以燃烧产生热量的气体燃料的品种很多，但产量多、能作为发动机燃料的主要是天然气、液化石油气、沼气及氢气。本节主要介绍压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)及液化石油气(LPG)燃料汽车。为简化起见，本节将上述几种汽车统称为气体燃料汽车，将NG、CNG、LNG 及LPG 统称为气体燃料。 一、天然气汽车的技术方案 研究、开发的天然气汽车的类型很多，按系统及工作方式的不同可概括为表7-1中所列的多种类型。 二、气体燃料汽车的布置 １. 天然气汽车 气体燃料汽车在总体布置及结构上，与液态燃料汽车有所不同。图7-1为日本本田天然气小客车布置示意图，图7-2为日野自动车客车及货车上使用的天然气发动机系统。 天然气汽车燃料供给系统包括高压气瓶或液化气瓶、充气口、输出燃料阀及截止阀、调压阀、气体燃料喷射器或混合器、监控燃料压力、温度及流量的仪表、安全阀等。在小客车上，将一个包括主要阀门、仪表在内的整体型气瓶布置在车后的行李舱内。轻型客、货车使用三个气瓶，而在大客车或货车上则将6个以上的气瓶布置在底盘的车架上。 现代气体燃料汽车采用喷射器单点或多点喷射，或者在总的进气管上采用混合器，如图7-2所示。ECU通过各种传感器控制燃料的供给及点火时刻等。为了达到很低的排放标准，需采用三元催化转化器或者其他后处理技术。低排放多点电控天然气喷射发动机系统组成如图7-3所示。这是荷兰TNO道路及车辆研究所与大众汽车公司联合开发的天然气专用车辆，采用Koltec/NecAMMEGAd 多点顺序可燃气喷射系统。该系统原先是为使用液化石油气(LPG)开发的。 为了使该系统适合使用天然气，采用了IMpCO 高压减压阀及改进后的压力调节器。此外，还加大了燃气分配器中计量狭缝的流通截面，以适应CNG 流量较大的需要。通过高压压力调节器将CNG 气瓶中的压力由20MPA 降低到0.85MPA ，然后经过低压调节器，将压力进一步降低到195KPA 。 图7-４为燃气分配器。步进电动机控制活塞的运动，使Ｖ 型计量狭缝按顺序接到每个汽缸进气道中的喷射器。天然气喷射器可以安装在原LPG 喷射器的孔中。燃气喷射器管路中的压力保持恒定，约一个大气压力。在燃气分配器中还设计有由微处理器控制的燃气截断阀。 为了提高燃气计量的精度，IMPCO高压减压阀及MEGA压力调节器采用冷却系统中的热水加热，使精度由±5％提高到±2％，但是这样的加热使燃气密度下降，从而使功率下降约0.7％。 ２. 液化石油气汽车的供油系统 汽车改用天然气后，燃料通常存储于高压气瓶中，汽车的燃料容积耗量很大，续航里程受到影响，对于发动机排量较大的重型汽车，这一问题更加突出。如果使用液化天然气，将燃料以液态储存于油箱中，则比较有利。 图7-5所示为液化天然气汽车供油系统。液态天然气由油箱经过蒸发—调节器后，再进入膜片阀及混合器。 将汽车改用液化石油气的方法和天然气汽车基本一样，该汽车的供油系统也可如图7-５所示，大多数小客车和轻型车是在原汽油机基础上改用液化石油气，将混合器与空滤器设计为一体，或将混合器安装在化油器的上面。 第二节结束 气体燃料汽车与液体燃料汽车在总体布置及结构上的主要区别是燃料供给系统。除了双燃料发动机以外，燃料供给系统可分为三大类: (１)采用燃气与空汽缸外混合的混合器供气系统。 (２)在进气总管或进气歧管上采用单点或多点喷射的燃料供给系统。 (３)向缸内直接喷射可燃气体的燃料供给系统。 电控燃料喷射器是气体燃料汽车供气系统的重要部件，系统中还需要高压气瓶及减压调节器等部件。使用液化天然气和石油气时，在系统中还需要夹层绝热的气瓶和减压调节器等部件。 一、混合器 为了使气体燃料与空气混合均匀后进入发动机汽缸内燃烧，比较简单的办法是采用类似汽油机化油器的混合器，但其结构比化油器简单得多。 对车用混合器的主要要求是: (１)气体燃料与空气均匀混合。 (２)混合器空燃比的控制精度尽可能高。 (３)流阻小，对进入缸内混合气的充量影响不大。 (４)体积较小，便于在发动机上布置。 (５)加工精度高，当Ｖ 形发动机的两排汽缸分别各用一只混合器时，应保证两排汽缸的气体燃料充量在同一工况下，尽可能均匀一致。 (６)进入混合器的燃气及空气的压力要能互相适应。 (７)要能满足汽车发动机怠速及负荷工况下对混合气流量的要求。 １. 混合器的结构形式 混合器的结构形式很多，下面介绍几种商品化、且较适用的形式。 １)文杜里管式混合器 这是一种结构比较简单的混合器，如图7-6所示。 在收缩喉管的四周有输入燃气的孔，形成的环形气流促进燃气与空气的混合。为了进一步改善混合均匀性，将环形的收缩喉管设计成机翼形，当燃气从喉管周围的腔室流入机翼形通道时，流阻增加很小，强化了混合过程。在燃气管道中有主调节螺钉，用来调节流入混合器的燃气流量，为了使混合器结构紧凑，混合气节气门通常是和文杜里喉管设计成一体。 假定混合器中的气流是不可压缩的，按白努利方程，混合器入口处的压力p1、气流速度u1与喉口处的压力p2及速度u2可建立如下关系式: 喉管处压力p2低于p1 ，而速度u2则高于u1 ，并可用下式表示: 气流经过节流后的压力降Δp经简化处理后，可以下式表示: 式中:Kv——流阻系数， ρ——气体密度， u——气流速度， p——气流压力。 在燃气供应管道中，经过主调节螺钉(图7-7)的压力降等于p1＋1/ 2ρ1u21－p2，而在空气速度u2与燃气速度u3之间需存在线性关系，这就需要一个所谓零压控制器，让p3=p1＋1/ 2ρ1u12。 实际上空气及燃气的密度是随其压力及温度的变化而变化的，在上面的分析中，为了简化起见，假定它们是不变的，使用文杜里管式混合器，在给定条件下，可以大致实现发动机所需的空燃比。 ２)可变节流混合器 这是一种空气及燃气流量都可调节的混合器，如图7-8所示。通过改变空气及燃气的节流程度，使混合气的空燃比发生变化。图中所示的燃气调节阀形状的改变可以改变燃气与空气节流程度的比例。 为了使燃气与混合气的流量等于零，通过机械作用，弹簧力迫使燃气调节阀及调节空气流量的膜片落座。当发动机起动时，燃气调节阀处于开启状态，在混合气出口处产生压力降，通过连接管输入真空室的压力降，使膜片及燃气调节阀向上移动，从而加大了空气及燃气的流通截面与流量。 此外在混合器的燃气输入管道中有一燃气流量调节阀，用来调节较大混合气流量范围内的空燃比，此时节流通道是开得最大的。改变燃气输入压力也可以在较小的程度上改变混合气的空燃比。在实现混合气空燃比自动调节的系统中可以加上燃气或空气的旁通装置，但这种方案会产生混合气均匀性及调节稳定性的问题。另一种设计方案是采用伺服电动机控制燃气调节阀的位置，针对空气节流情况控制燃气调节阀，以改变混合气的空燃比。 第七章 汽车新型燃料及 新型燃烧方式 * * 第七章 汽车新型燃料及新型燃烧方式 第一节 发动机新型燃料 汽车发动机原理 汽车新型燃料及新型燃烧方式 * * 第七章 汽车新型燃料及新型燃烧方式 第二节 气体燃料汽车 汽车发动机原理 汽车新型燃料及新型燃烧方式 * * 第七章 汽车新型燃料及新型燃烧方式 第三节 燃料供给系统 汽车发动机原理 汽车新型燃料及新型燃烧方式 * * 第七章 汽车新型燃料及新型燃烧方式 第四节 发动机新型燃烧方式 汽车发动机原理 汽车新型燃料及新型燃烧方式 * * 第七章 汽车新型燃料及新型燃烧方式 汽车发动机原理 汽车新型燃料及新型燃烧方式 第七章 汽车新型燃料及 新型燃烧方式 目前在发动机上比较常用的清洁代用燃料包括压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)、甲醇、乙醇、二甲醚(DME)、氢气等。 一、天然气 天然气是一种高效、清洁、廉价的工业和民用燃料及重要的化工原料。其主要成分为甲烷(CH4)，含量为85％ ~99％。天然气分为气田气和石油伴生气。我国有丰富的天然气资源，总资源储量为38万亿M3，探明储量为1.53万亿M3，仅为总资源储量的4.02％。 天然气作为发动机燃料，具有低排放、低价格、储量丰富、无须加工等优点，应用时分为液化天然气(LNG)和压缩天然气(CNG)。与汽油燃料相比，有如下一些主要特点: (１)天然气的体积低热值和质量低热值略高于汽油，但理论混合气热值比汽油低，甲烷含量越高，相差越大，纯甲烷的理论混合气热值比汽油低10％左右。 (2)抗暴性能高。天然气的主要成分是甲烷，甲烷的研究辛烷值为130，具有高抗暴性能。燃用天然气的专用发动机应采用的合理压缩比为12，允许压缩比可达15。采用高压缩比可大幅度提高发动机的动力性和燃料经济性。如:采用高压缩比，天然气发动机的燃料效率相当于柴油机，有利于减小CO2的排放。装有电子控制燃料供给系统和三元催化转化器的轻型天然气汽车的尾气排放比最严格的加州超低排放车(ULEV)标准还低75％。 (3)混合气发火界限宽。天然气与空气混合后的工作混合气体有很宽的发火界限，其过量空气系数的变化范围为0.6~1.8，可在大范围内改变混合比，提供不同成分的混合气。通过采用稀薄燃烧技术可进一步提高发动机的经济性和改善排放。 (4)天然气的着火温度比汽油要高，火焰传播速度慢，因此需要较高的点火能量。 天然气比汽油和柴油更“清洁”。由于天然气的燃烧温度低，NOx的生成量少，与空气同为气相，混合均匀，燃烧较完全，CO和微粒物质的排放很低。采用柴油—天然气双燃料工作的发动机，尾气的烟度值很低，为采用纯柴油的1/10左右，几乎显无烟状态运行。未燃烧的甲烷等成分性质稳定，在大气中不会形成有害的光化学烟雾，但对大气温室效应的影响比CO2严重，应在发动机缸外烧掉或选用新的催化剂进行机外处理。 二、液化石油气(LPG) 液化石油气简称LPG，其主要成分是丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、丙烯(C3H6)、丁烯(C4H8)等化合物的异构体。它在常温、常压下是一种无毒、无色、无味的气体，其来源有两种途径:一是在原油炼制过程中分离、生产出来的副产品，二是从天然气的气体精制过程中分离、生产出来。我国生产出来的LPG，其主要含量为丙烷和丁烷，车用LPG中，丙烷的含量(体积)占95％以上。 与柴油相比，LPG的质量热值比柴油高10％左右，但液态密度比柴油要低，故采用LPG与柴油的液态混合燃料向柴油机缸内直喷燃烧时，柴油机的功率将变化很小。LPG的沸点比柴油低得多，常压下为气体，但汽化潜热比柴油大，在柴油机上采用LPG与柴油液态混合燃料进行缸内直喷燃烧时，一方面可以使缸内混合气形成更加迅速和彻底，减少炭烟的形成，另一方面，通过汽化吸收大量的热量，使缸内燃烧的温度下降，控制NOx的生成。同时，为了保证LPG在供油系统中不发生汽化，形成气阻，必须加大LPG供给的压力。 LPG氢碳比(H/ C)大，极易汽化，易燃烧，这决定了LPG是一种清洁燃料。各种实验研究表明，与汽油相比，在各种温度下，LPG的NOx和HC＋CO的排放都有大幅度的减少，总之，与汽油相比，LPG的特点可以概括如下: (1)LPG的临界温度较高，在常温下为气态。以气态进入发动机，燃料与空气同相，混合均匀，燃烧较完全，可以显著降低CO和HC的排量，同时使微粒排放物得到彻底改善。另外，LPG的火焰温度明显偏低，可使NOx的排放明显减少。因此，汽车采用液化石油气作燃料，可以极大地降低汽车对大气的污染。 (2)LPG的着火温度比汽油高，火焰传播速度比汽油低，所以燃用LPG时，应保证供应足够的点火能量，并适当加大点火提前角，以求可靠点火，提高发动机的动力性和经济性。 (3)LPG的着火极限范围比汽油宽，空燃比容易调整，能保持稳定良好的燃烧，从而能保证发动机运转性能比较稳定。 (4)LPG的辛烷值较高，有较好的抗暴性，不需要添加剂或加铅抗暴剂，可适当提高发动机的压缩比，从而提高发动机的动力性、热效率和燃料经济性。 (5)LPG的燃点比汽油高，着火界限比汽油宽，不易产生火灾，比汽油安全。 三、醇类燃料 醇类燃料主要指甲醇(CH3OH)和乙醇(C2H5OH)。醇分子结构中含有氧，易于燃烧，理化特性与汽油接近，但其热值比汽油低得多，其化学当量比所需的空气比汽油燃烧所需的空气少得多，醇类燃料的汽化潜热高，汽化时所需的热量也比汽油多。醇类燃料的饱和蒸气压比汽油低。 低的蒸气压力和高的汽化潜热使其蒸发更困难，因而对混合气形成系统提出了更高的要求。醇类燃料的辛烷值高，允许发动机的压缩比高，这对点燃式发动机的燃烧特别有利。甲醇是一种轻质、无色、略有臭味、低污染的燃料，与水能无限互溶，但甲醇本身有毒。凡是能得到CO和H2的原料都能合成甲醇，其原料丰富、工艺成熟，但设备大。目前主要是用天然气和煤生产甲醇。甲醇只有一个C 原子，无C—C键，含有50％ 的氧，热值低。与汽油、柴油相比，甲醇的着火温度高、辛烷值较高，抗爆性较好，且十六烷值很低，适用于点燃式发动机。 甲醇燃烧时不易看到火焰，具有较宽的着火界限，闪点较高。从能源多元化和能源安全的角度出发，发展甲醇有重大的战略意义。另外，使用汽油—甲醇比使用汽油—天然气更为方便。 乙醇的来源很广泛，多由单糖类(如甘蔗、甜菜等)或淀粉类(薯类、各种谷物)植物制成，或由化学原料(如乙烯)合成，或由木质纤维素(如木屑、树枝、秸秆等)发酵生产。乙醇同样是含氧燃料，具有高的辛烷值，热值比甲醇高，汽化潜热则较低，乙醇比甲醇更易和汽油及柴油相溶和乳化。 醇类燃料的热值低，所需的循环供应量要大大增加，高的汽化潜热可提高充气效率，降低缸内温度，因而压缩比可以提高，燃烧速度加快可使热效率提高，醇类燃料的C/ H值比汽油和柴油的小，完全燃烧时产生的CO2较少，H2O较多。对于相同的燃烧热值，燃烧产物的比热相对较高，这有利于热效率的提高。此外，醇类燃料的着火界限较宽，燃烧速度快，在稀混合气中的火焰传播速度仍能保持较高，这使燃烧的定容部分增加，也有利于热效率的提高。循环压力的波动比汽油机小。 发动机燃用醇类燃料后，排气中的NOx、HC、CO、CO2及颗粒的排放量均会变化，总体来说是有改善。未燃烧的醇类燃料和醛类有所增加。因醇类燃料的汽化潜热大，混合气受到激冷时，燃烧可能不完全，会导致未燃烧的醇类燃料的排放增加。在高负荷、高温时，废气中未燃烧的醇较少。醛类排放物包括甲醛、乙醛、丙醛和丙烯醛等，是使用醇类燃料内燃机的主要排放物。 四、氢气 氢气是一种无色无味的气体，其分子式为H2，在常温、常压下为气态，沸点为-253℃。 氢气作为发动机的燃料主要有以下一些特点: (1)氢是唯一不含碳的燃料，燃烧后生成H20，不产生CO、HC及硫化物。由于没有CO2的生成，可以减少全球温室气体的排放。在氢与空气的混合气体中，氧原子浓度大且氢燃烧时循环温度较高，燃烧产物中虽无CO和HC，但NO 的浓度较高。 (２)氢气的质量燃料热值高，为120MJ/Kg，是汽油的2.7倍，但理论空燃比为汽油的2.5倍，折算到理论体积混合气体发热量要小于汽油，为3200KJ/M3(汽油为3700KJ/M3)，所要求的燃烧系统与汽油机有较大差别。 (３)氢气极易点燃，所需的最小点火能量只有汽油的1/3，火焰传播特性很好，易实现稀薄燃烧，但自着火温度(大气压下)为850K，高于柴油(625K)和汽油(770K)。 (4)氢气的沸点为-253℃，常温、常压下为气体，携带性和安全性差。氢气在大气中的扩散系数为汽油的8倍(0.63cM2/s)，能很快形成可燃混合气体，由火花塞点燃后，其燃烧速度和燃烧温度都很高。 基于氢气燃料的以上一些特点，在发动机上使用氢气作燃料时具有明显的优点。由于氢气所需点火能量小，易实现稀薄燃烧，故可在更宽广的工况内得到较好的燃油经济性能。燃烧的主要产物是H20和NOx，不产生CO和HC及硫化物，只需采取降低NOx排放的措施，是很好的洁净能源。 氢气在作为发动机的燃料在使用过程中也存在一些问题。氢气的沸点为-253℃，储运性能差是其最大缺点。氢气应用的另外一个难点是制取困难。理论上可以从水、煤、天然气等原料中制氢，但到目前为止，制取氢的成本及消耗的能量还很高，不能大量满足作为发动机的燃料需求。由此只有解决氢的储存及生产成本问题，才能使氢燃料走向实用。 五、生物质燃料 生物质燃料主要是指由植物中获取的燃料。植物油的主要化学成分是甘油三酸酯及少量游离脂肪和非油脂物质，其性质主要取决于所含脂肪酸的种类、性质和数量。若非饱和脂肪酸多，在常温下呈液态，容易被氧化，若饱和脂肪酸多，在常温下则呈固态。因为含氧，植物油的化学当量比石油燃料低。常见的植物油有:菜籽油、棉籽油、大豆油、花生油、棕榈油、向日葵油、米糠油、桐油、茶油等。植物油的高黏度、低挥发性能、低十六烷值、高不饱和酸含量使植物油在长期使用过程中存在以下缺陷: (１)流动性差、闪点较低、着火性能不好，容易形成爆震。 (２)植物油低温起动性能差，雾化效果不好，容易堵塞喷油口、过滤器。 (３)植物油中的不饱和脂肪酸在高温燃烧时容易聚合从而使润滑油变厚、凝结。 (４)长期使用会使活塞、发动机头部积炭。 (５)植物油长期储存时易氧化。 为了提高植物油的燃烧特性，需要对植物油进行酯化或酯交换反应，得到脂肪酸单酯，即生物柴油。该产物燃烧性能接近轻柴油，开口闪点高，以植物油作为原料，具有可再生性能，燃烧后排放性能大大优于轻柴油，对大气、土壤和水源不会造成任何毒害和污染。 生物柴油的主要成分是脂肪酸甲酯或脂肪酸乙酯，具有以下的燃烧排放特性: (1)方法简单，不仅可以单独使用，也可与石油柴油以任何比例掺混使用。生物柴油不仅可作为燃料，也可作为润滑剂或柴油添加剂来使用。 (2)可生物降解，3周内可降解98％，而石油柴油只能降解70％。 (3)分子量、黏度、密度与轻柴油基本接近，十六烷值含量接近甚至超过轻柴油，着火性能比植物油大为改善，可与轻柴油相媲美。 (4)残炭和灰分已降至很低，分别在10-5和10-6级。 (5)与石油柴油相比，生物柴油燃烧后可减少78％的CO2的排放，可减少90％的颗粒排放物、碳氢化合物，含有11％的氧，燃烧更充分，噪声更小，排放的气体无异味，基本不含硫，可减少99％的硫化物、70％的铅等有毒物质的排放，从而可以大大改善环境质量。 (6)热值比石油柴油低约7％，氮氧化物排放物会微量增加，低温起动性能略低于石油柴油，只能使用到－8℃。 六、二甲醚(DME) 二甲醚是最简单的醚类化合物，分子式为CH3-O-CH3，只有C-H和C-O键，没有C-C键，又是含氧燃料(含氧量为34.8％)，容易燃烧完全，在燃烧时不会像柴油那样产生炭烟，即有利于减少燃烧生成的烟度和微粒，微粒排放物几乎为零。二甲醚无毒，常温、常压下是无色气体，比空气重，加压至0.5MPA 时，由气体变为无色透明的液体。 第七章 汽车新型燃料及 新型燃烧方式 * * 第七章 汽车新型燃料及新型燃烧方式 第一节 发动机新型燃料 汽车发动机原理 汽车新型燃料及新型燃烧方式 * * 第七章 汽车新型燃料及新型燃烧方式 第二节 气体燃料汽车 汽车发动机原理 汽车新型燃料及新型燃烧方式 * * 第七章 汽车新型燃料及新型燃烧方式 第三节 燃料供给系统 汽车发动机原理 汽车新型燃料及新型燃烧方式 * * 第七章 汽车新型燃料及新型燃烧方式 第四节 发动机新型燃烧方式 汽车发动机原理 汽车新型燃料及新型燃烧方式 * * 第七章 汽车新型燃料及新型燃烧方式 汽车发动机原理 汽车新型燃料及新型燃烧方式 第七章 汽车新型燃料及 新型燃烧方式
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