电控发动机进气系统

进气控制系统可变进排气系统为了提高充量系数，除采用多气门外，各种可变参数进排气系统也开始应用。1.可变进气系统气体介质中局部压力的变化会以压力波形式传播，压力波受扰动时会反射扰动波。选择合适长度的进气管使反射波在进气门关闭前到达进气门可进气惯性增压，提高进气量，称之为波动充气。图4-30给出进气管长L对充量系数Φc（实际进气质量与理论进气质量之比）的影响，由图知，长度一定的进气管只能在某一转速区域得到最佳Φc。图4-30进气管长度对充量系数的影响图4-31可变进气管长度示例1-节气门2-喷油器3-转换阀4-副进气管5-主进气管6-总管图4-32奥迪V6发动机的可变长度进气管

随着汽车电控技术的发展,可变长度的进气管成为可能（如图4-31、32），它由长短不同的主进、副进气管组成。中低速运转,转换阀关闭,由较长的副进气管进气；而高速运转,转换阀开启,由主副两个进气管同时进气，这样发动机在高、中、低速都能得到高充量系数。以上例子可看作是分级（2段）可变进气系统,也可设计成多级或无级可变进气系统（如图4-33），以使进气系统在各种转速下都处于最佳管长，但结构和控制将变得复杂。图4-33进气道长度可无级变化的进气系统示意图1-可变长度气道2-固定外圈3-可活动内圈4、5-进气口6-固定气道7-进气门8-密封

2.可变气门定时气门定时对发动机性能影响较大，固定的气门定时很难在较大转速和负荷范围内适应发动机各项性能的要求，因此，应可变气门定时。改变进气门的定时对发动机性能的影响相对要比改变排气门的定时明显。图4-34、353为可变气门定时几种可能的方案，可以通过改变气门相位角、气门升程、气门开启持续角等参数实现可变气门定时。4气门技术2个进气门，2个排气门。4气门的应用优化了气体交换。油耗低，表现高，力矩大更好的气缸填充和使空气、燃料的混合燃烧更加优化。火花塞居于中心位置更有效的燃烧室设计可变气门正时系统(DoubleVANOS)可变气门正时控制系统(VANOS:Variablecamshaftcontrol)这项技术通过调整进气、排气凸轮轴相对于曲轴的位置，来实现进气、排气阀门开启时间的改变。这种改变是持续进行的，并且是基于油门踏板位置和当前发动机转速来自动调节的。起初，这项技术仅可以调节进气凸轮轴。双可变气门正时控制系统(DoubleVANOS)允许更精细的调整，这是由于他同时还控制排气凸轮轴。同时，这种持续的调整会贯穿发动机的全部速度区间。电子气门系统(Valvetronic)全变量气门升程控制(VVT)电子气门系统可以无级调节进气门升程，在发动机转速较低时，进气门开启量较小；发动机转速高时，进气门开启量大。这样，发动机可以通过气门升程的调节来改变转速，相比较采用节气门的发动机转速调节方式，电子气门系统更准确、更直接，同时也更节省燃油。在BMW的N系列发动机中，此项技术被全面采用。电子气门系统(Valvetronic)弹簧偏心轴中间杠杆凸轮轴摇臂电子气门系统(Valvetronic)●低速运转时,主摇臂和辅摇臂分别由大升程和小升程凸轮驱动,产生涡流,使油气更好地混合,实现快速燃烧,获得极佳的燃油经济性.●高速运转时,同步活塞在油压的作用使两摇臂连成一体,同时由大升程凸轮驱动,充气量得到大幅度的提高,输出大功率和大扭矩.②①TDC排气进气低转速时Valvelift进气门①微小开度(涡流形成)②①TDC中高转速时排气进气Valvelift②①主摇臂辅摇臂同步活塞②①低转速时中高转速时实例：本田i-VTEC简介

VariableValveTimingAndLiftElectronicControl可变气门正时及气门升程系统

VTEC可变气门升程系统排气凸轮轴进气凸轮轴凸轮轴调节阀N205液压缸排气凸轮轴进气凸轮轴凸轮轴调整器（与链条张紧器一体）高转速调整功率时，链条下部短，上部长，进气门延迟关闭。进气管内气流速高，气缸充气量足。因此高转速时，功率大。排气凸轮轴进气凸轮轴凸轮轴调整器在中、低转速凸轮轴调整器向下拉长，于是链条上部变短，下部变长。因为排气凸轮轴被齿形带固定了，此时排气凸轮轴不能被转动，进气凸轮轴被转一个角度，进气门提前关闭。可变气门正时系统(DoubleVANOS)可变气门正时控制系统(VANOS:Variablecamshaftcontrol)这项技术通过调整进气、排气凸轮轴相对于曲轴的位置，来实现进气、排气阀门开启时间的改变。这种改变是持续进行的，并且是基于油门踏板位置和当前发动机转速来自动调节的。起初，这项技术仅可以调节进气凸轮轴。双可变气门正时控制系统(DoubleVANOS)允许更精细的调整，这是由于他同时还控制排气凸轮轴。同时，这种持续的调整会贯穿发动机的全部速度区间。本田发动机注重的是低负荷时的经济型和高负荷时的动力输出“正好可以实现这样的要求,在低速时虽然经济性很好但是会显得动力不足;高转速时动力较强,但油耗增大”为了实现这两个极端,在改变气门行程时,势必会使它的行程的跨度很大,加上又是分段调节导致发动机的功率输出很不线性,很不平顺“这是不可回避的问题"对于丰田的-来说情况要好得多,丰田-的主要要求就是要实现平顺的动力输出,实现经济性和动力性的完美接合"从丰田-发动机的特性可以看出,它的扭矩输出很线性,而且能一直持续下来"VVT－I控制器的结构包括由正时带驱动的外齿轮和与进气凸轮轴刚性连接的内齿轮,以及一个内齿轮!外齿轮之间的可动活塞"活塞的内!外表面上有螺旋形花键"活塞沿轴向的移动,会改变内!外齿轮的相对位置,从而产生配气相位的连续改变。4.1.2.7分层充气燃烧系统1.分层充气燃烧在均质燃烧的汽油机中，由于受燃烧极限的限制，要实现稀燃很困难。若依靠进气涡流作用或采用机械方法，使进入气缸的混合气由浓到稀逐步过渡，有组织地分成各层次。在火花塞周围形成浓混合气，而在其他区域形成稀混合气。发动机工作时先点燃部分浓混合气，然后依靠它在燃烧后产生的温度、压力和燃气的涡流运动，使火焰迅速扩散到稀混合气区域中去，以确保稳定燃烧。可实现非均质稀燃。此为分层充气燃烧。2.分层充气燃烧的实现要实现分层充气燃烧：一是采用与柴油机一样的分隔燃烧室，缺点燃烧室表面积过大，未燃HC排放浓度增加；二是采用缸内直接喷射，缺点成本高；三是采用充气和旋流运动，缺点随发动机工况变化，充气和旋流运动也随着变化，难以控制。几种典型分层充气燃烧系统如图4-38～图4-45所示。图4-38本田CVCC发动机结构

以本田公司CVCC（CompoundVertexControlledCombustion）型为代表的分隔室式复合涡流控制燃烧系统是一种典型的非直喷式稀燃系统。图4-39CVCC发动机工作示意图

CVCC发动机主室类似传统点燃式发动机的燃烧室，设有一个进气门和一个排气门。除主室外还有一个副室，副室有别于压燃式发动机的预燃室和其他一些混合式发动机的副室，副室本身安置了进气门，与主室过量空气系数不同的混合气通过这个相对较小的进气门进入副室。主副室之间通过一个很窄的通道相连接。因这种发动机有两个化油器或两套进气管喷射装置，所以可分别提供不同过量空气系数的混合气给主、副室的进气系统。图4-40分隔燃烧室层状充气系统结构简图1-主燃室2-进气管3-进气门4-副燃室5-喷油器6-火花塞7-主通道8-副通道9-活塞

双室分层充气系统，由主、副室组成，副室装有喷油器和火花塞。压缩冲程，进气冲程吸入的新鲜空气，上一循环的残余废气被压入副室。因为连接两室的通道有大小之分，在副室内形成反时针涡流，喷入的燃油大部分在副室中与空气涡流混合，少部分由副通道进入主燃烧室，这时不但副室与主室由浓稀之分，副室内与主室内也是分层的。火花塞点燃周围的浓混合气，火焰先在副室中传播，然后向外传播并最终引燃主室中的稀混合气。图4-41波尔舍分层充气系统(SKS)

主、副燃烧室都装有喷油器以形成分层，并在副室内另设点燃室。燃烧时，先在点燃室内形成火核，之后在副燃室浓混合气中燃烧，最后在主燃室稀混合气中燃烧，故波尔舍分层充气系统（SKS）称为三级燃烧系统。图4-42福特PROCO缸内直喷燃烧系统a）用短火花塞b)用长火花塞

喷油器布置在气缸中心，火花塞装在喷油嘴附近处于喷雾锥角之内，压缩行程时，喷油器供应低压、低贯穿力、大喷雾角的油雾，燃烧室上部形成浓混合气，并从中心向四周扩散变稀，实现分层。图4-43德士古--TCP燃烧系统1-喷雾2-可燃混和气3-火焰面4-燃烧气体5-带导气屏的进气阀6-空气流7-排气阀8-喷油器9-火花塞

火花塞布置在相对于喷油嘴的气流运动的下游，燃油顺气流喷入燃烧室，由气流带动首先吹向火花塞，在火花塞附近形成浓混合气，并立即被点燃，后续喷入的燃料，一面形成混合气，一面连续不断地向火焰供应，而燃烧产物则被旋流带走。图4-44轴向分层稀燃系统工作原理

首先，由进气管造成强烈的进气涡流；进气门开启到接近最大升程时，通过安装在进气道上的喷油器将燃料喷入缸内；燃料在涡流作用下，沿气缸轴向产生上浓下稀的分层。这种分层一直维持到压缩行程后期，以保证在火花塞附近是较浓的混合气。新鲜空气被吸入或喷入排气门后面，促使高温废气进一步氧化，以降低废气中的CO和HC。为区别发动机进气，此法又称二次空气喷射或吸入。1.二次空气喷射（AI）将新鲜空气喷射到排气门附近，使高温废气和空气混合，促使未燃HC和CO进一步氧化燃烧。2.二次空气吸入（AS）二次空气吸入装置是利用排气压力脉冲吸取新鲜空气进入排气歧管或催化器，因此又称脉冲式空气喷射装置，其结构简单，吸入的空气量小，只适用于小排量发动机。

空气喷射及吸入系统二次空气喷射装置1-空气滤清器2-空气泵3-防止回火管4-单向阀5-空气分配管6-化油器7-空气喷管8-排气门9-进气管10-回火防止阀二次空气供给装置中，二次空气由发动机驱动叶片式空气喷射泵2，通过两根软管输送，一路从化油器6下侧经回火防止阀10进入进气管；另一路通过防止废气倒流的单向阀4，经空气分配管5，送到各缸的排气门座附近（排气歧管）或送入催化器。二次空气吸入装置1-吸气阀2-管路3-排气歧管或催化器4-空气滤清器二次空气吸入装置，由单向吸气阀及管路组成。吸气阀1是单向阀，只允许经空气滤清器4的清洁空气进入排气歧管3，阻止废气倒流入空气滤清器4。当排气门每闭合一次，排气歧管内就有一段时间压力低于大气压，产生真空。此时吸气阀1打开，经滤清器的新鲜空气流入排气管或催化器，当排气管内气体压力高于大气压力时，吸气阀1关闭，空气不能被吸入排气歧管3或催化器。热反应器一般和二次空气喷射同时使用，以保证有足够的空气、温度和时间，使CO和HC在排气中继续氧化。这种系统对NOx无效。为保持高温，一般要加浓空燃比及推迟点火（油耗升高），或采取绝热和紧靠排气管布置。为延长滞留时间可增大反应器容积或让废气在反应器中流经多重弯道。20世纪70～80年代，热反应器在国外汽油车上采用较多，随着净化效率更高的三效催化器的普及，现在汽车上已很少采用。由于摩托车排气处理装置要求结构简单和成本低，且主要排放污染物是CO和HC，因而热反应器在摩托车上有应用价值和广泛应用。热反应器图4-49排气热反应器在排气总管出口处装有热反应器，它有较大的容积和绝热保温部分。同时在排气门处喷入空气（即二次空气），使CO和HC继续氧化。

催化剂可提高化学反应速度及降低反应起始温度，而本身在反应中不消耗。催化转化器是目前各类排气后处理技术中应用最广泛的技术。

1.催化转化器的结构1）壳体

催化器壳体由不锈钢板材制成，以防因氧化产生脱皮造成催化剂堵塞。为保证催化器反应温度及减小对外热辐射，许多催化器的壳体作成双层结构。为减少催化器对车底板的高温辐射或防止进入加油站时催化器炽热表面引起火灾，以及避免路面积水飞溅对催化器的激冷损坏和路面飞石造成的撞击损坏，壳体外还装有半周或全周隔热罩。4.2.1.3

催化转化器图4-50催化转化器的基本结构催化转化器简称催化器，它由壳体、减振层、载体及催化剂涂层四部分组成。而所谓催化剂是指涂层部分或载体和涂层的合称。催化剂是整个催化转化器的核心，它决定了催化转化器的主要性能指标。因此，在许多文献上并不严格区分催化剂和催化转化器的定义。

2）减振层

一般有膨胀垫和钢丝网垫两种，起减振、缓解热应力、固定载体、保温和密封作用。膨胀垫由膨胀云母(45~60％)、硅酸铝纤锥(30~45％)及粘接剂(6~13％)组成。膨胀垫在第一次受热时体积明显膨胀，而冷却时仅部分收缩，这就使金属壳体与陶瓷载体间缝隙完全涨死并密封。

3）载体

早期用氧化铝（Al2O3）制成直径2～4mm球状载体，其气体流动阻力大、载体磨损快，目前已不采用。20世纪70年代初美国康宁（Coming）公司发明了蜂窝状陶瓷载体，陶瓷载体用堇青石（铝镁硅酸盐2MgO·2Al2O3·5SiO2）多为挤压成型烧结而成，目前90％催化器用陶瓷载体，其余用金属载体。金属载体用不锈钢波纹板卷制而成。图4-51催化转化器载体a）球型颗粒载体催化转化器b）陶瓷蜂窝整体式催化反应器c）金属载体催化转化器表4-1载体的主要性能指标形状特性孔道形状单位面积的单体个数62孔/cm2(400孔/in2)62孔/cm2(400孔/in2)几何表面积38.8(cm2/cm3)26.8(cm2/cm3)开口率90.3％75.0(％)材料特性材料不锈钢堇青石导热系数16.7×10-2[J/(S·cm·K)]12.5×10-3[J/(S·cm·K)]热膨胀系数11.0×10-6(1/K)0.6×10-6(1/K)比热容0.50[J/(g·K)]0.84[J/(g·K)]由表4-1，陶瓷载体热膨胀系数低、温升迅速、背压低、振动磨损小、体积小，设计灵活性大。金属载体几何表面积大、流通阻力小、加热快和机械强度高，但成本高，目前主要用在控制冷起动排放的紧凑耦合催化器和摩托车用催化器。加大载体孔密度可提高反应表面积，孔密度一般为200～600cpi（孔/in2）。目前最常用的陶瓷载体是400cpi，而900甚至1200cpi及壁厚0.05mm的陶瓷载体最近已开发成功。

4）涂层

如图4-48，在载体孔道壁面涂有一层疏松的活性层（Washcoat），即催化剂涂层。它以γ-Al2O3为主，其粗糙多孔的表面使实际催化反应表面积极大的增加。在涂层表面散布着作为活性材料的贵金属，一般为铂（Pt）、铑（Rh）和钯（Pd）及助催化剂成分铈（Ce）、钡（Ba）和镧（La）等稀土或某些贱金属材料。助催化剂主要用于提高催化剂活性和高温稳定性。催化剂的活性及耐久性与涂层成分有关，还与涂层制备工艺密切相关。

图4-52载体及涂层的细微结构

2.催化剂的分类及工作原理按工作原理不同，催化剂可分为氧化型催化剂、还原型催化剂、三效催化剂和稀燃催化剂。目前单纯的还原型的催化剂已很少，最常用的氧化型催化剂和三效催化剂的工作原理如下。

氧化型催化器OC（OxidationCatalyst）

三效催化器TWC(ThreeWayCatalyst)

在氧化型催化剂中，CO和HC与氧气进行氧化反应，生成无害的CO2和H2O，但对NOx基本无效。在三效催化剂中，CO和HC与NOx互为还原剂与氧化剂，生成无害的CO2、H2O及N2。剩余的CO和HC则进行氧化型反应式的反应。

3.催化剂用贵金属材料Pt（铂）和Pd(钯）主要用于催化CO和HC的氧化反应，Rh（铑）是什么化学金属（用于催化NOx的还原反应。为满足催化剂综合性能指标，三种贵金属往往搭配使用。对氧化催化剂，可单用Pt和Pd，但多数用Pt/Pd组合配方，其配Pt:Pd=5:2。对于三效催化剂，Pt/Rh系、Pt/Pd/Rh系及Pd/Rh系都有应用，但以前者最多。国际市场价格Pd:Pt:Rh=1:3:5，在矿石中的比率Pt:Pd:Rh=100:40:8。为综合利用资源及降低催化剂成本，用Pd替代Pt和Rh甚至全Pd催化剂一直是研究的热点。Pd新鲜状态活性很好，但其晶格结构易容纳杂质，因而易被化学毒化，特别易被Pb（铅）毒化，同时易产生高温劣化，可用改进催化剂组分和制造工艺弥补，但对NOx转化率低目前难改善。

图4-53不同贵金属的催化特性（新催化剂）不同贵金属对排气污染物催化净化效果不同，对CO和HC，三种贵金属在化学计量比（Φα=1）附近都转化率高，在Φα＞l的稀空燃比区域，Rh对HC的转化率低于Pt和Pd。对于NOx的还原，Rh则表现出明显的优势。4.催化转化器性能指标1）转化效率催化器的转化效率定义为

式中ηi—排气污染物i在催化器中的转化效率；C(i)1—排气污染物i在催化器入口处的浓度；C(i)2—排气污染物i在催化器出口处的浓度。2）起燃温度特性催化剂转化效率与温度密切相关，催化剂只有达到一定温度以上才能开始工作（即起燃）。催化剂转化效率随温度变化的曲线称起燃温度特性。

图4-54起燃温度特性在起燃温度特性曲线中，而达到50％转化效率时的温度称为起燃温度T50。显然T50越低则冷起动时催化剂起作用的时间越早，即催化剂起燃温度特性越好。因此，降低T50一直是追求的目标。

3）空燃比特性催化剂转化效率与空燃比A/F有关，其随空燃比的变化称催化器空燃比特性（图4-55）。由图，三效催化器在化学计量比（Φα=1）附近对CO、HC和NOx的转化效率同时达到最高，这个区间称为“窗口”（Window）。实际中为使催化剂能保持在高效窗口内工作，需图4-56的闭环电控燃油供给系统和氧传感器。窗口越宽，表示催化剂实用性能越好，同时也对电控系统控制精度要求越低。

图4-55空燃比特性图4-56闭环电控系统与三效催化器

开环电子控制燃油供给系统无法保证空燃比的精确控制。如图4-57，其净化效率平均为60％左右，而使用同样催化剂的闭环电控系统的平均净化率可达95％。图4-57开环电控与闭环电控的净化效果对比

4）催化器流动特性催化器流动阻力增大了发动机排气背压，使排气推出功增加，同样燃耗输出的有用功减少，还使残余废气量增大，充气效率降低，同样气缸容积所能利用的燃料化学能减少。残余废气量的增加，又引起燃烧热效率下降，这些都使发动机经济性和动力性降低。引起催化器压力损失的主要原因：气流与催化器壳体壁面的流动摩擦；入口和出口处局部旋流引起的气流剪切和变向；载体小孔中的流动摩擦。图4-59影响催化器流动阻力的主要因素从引起催化器压力损失的原因出发分析，影响催化器流动阻力的因素有以下几个方面。（1）催化器入口扩张管和出口收缩管的形状，影响流速分布和局部旋流形成。（2）载体孔密度和壁厚，影响总流通面积和通道中气流形态。（3）涂层的厚度，增加了壁厚。（4）载体的截面积和长度，载体体积相同，截面积小主力大。（5）催化器入口管和出口管的长度及直径，制约排气系统。（6）流速分布，不均匀引起转化率下降、催化剂劣化加速，及沿径向热应力分布不均匀度加大。5）催化剂的耐久性催化剂经长期使用后，其性能将发生劣化，亦称失活。国外要求新车用催化剂的