第一学期工作总结.ppt

1、,第一学期工作总结,汇报提纲,一、废气涡轮增压 二、废气净化技术（汽油机） 三、燃料电池技术 四、均质压燃技术 五、可变压缩比技术 六、发动机小型化,内燃机增压方式的比较,发动机增压技术的优势,升功率有大幅度提高 燃油经济性显著提高 在发动机重量和体积增加很少的情况下，发动机不需作重大改变，即很容易提高功率20%-50% 涡轮增压发动机对海拔高度变化有较高的适应能力，常用来高原发动机恢复功率用 涡轮增压后排气噪声相对减少，排气烟度及排气中有害成分也减少，故对减少污染是有利的 涡轮增压器与发动机只有气体管路的连接而无机械传动，不消耗功率,发动机增压技术的代价,增压后缸内工作压力和温度明显提高，机

2、械负荷及热负荷加大，内燃机的可靠性和耐久性受到考验 低速时由于排气能量不足，可能会使发动机的低速转矩受到一定的影响 在涡轮增压器中，从排气能量的变化到新的进气压力的建立需要一定的时间，由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟钝，使发动机延迟增加 增压发动机性能的进一步优化，受到增压器及中冷器的限制,国内外相关研究,旁通放气,涡轮流通面积调节,相继增压,混和涡轮增压技术,涡轮增压技术的应用,涡轮增压技术广泛应用于柴油机，并在轿车上得到日益广泛的应用。在欧美发达国家，涡轮增压技术使用更为普遍，采用车用柴油机有70%以上采用涡轮增压技术。自80年代以来，车用汽油机增压技术发展迅速。这是因为涡轮增压技术

3、发动机不仅在升功率、动力性能方面比普通自然吸气发动机优越，而且在燃油经济性、排放及排气噪声等方面也优于非增压发动机。 对于大功率汽油机轿车，在不降低动力性能的前提下，通过增压来缩小排量，有着巨大的综合优势。,涡轮增压技术的发展前景,汽油机增压易发生爆燃；增压热负荷大；与增压器匹配困难。,此外，改善涡轮增压汽油机的扭矩特性，这可通过采用放气、压气机进口节流、可变喷嘴环截面积、具有共振系统的复合增压来实现。再次，改善涡轮增压汽油机的加速性，可通过减小进排气道的容积、缩小涡轮增压器的尺寸、缩小排气管的尺寸、选择适当的节气门位置，即节气门与压气机的位置来实现。,废气涡轮增压的原理,图1 废气涡轮增压原

4、理图,图2 涡轮增压器,压气机的喘振与堵塞,喘振：在一定的转速下，当压气机的气体流量减少到一定程度后，气体就会在叶轮或扩压器入口处出现边界层分离，导致气体回流。分离涡流迅速扩展到压气机通道的其他部分，气体出现强烈的振荡，引起工作轮叶片强烈的振动，并产生很大的噪声，这一现象称为喘振。 堵塞：在某一增压器转速下，当流量超过设计工况到一定数值后，压气机的增压比和效率均急速下降，而流量却不会再增加，这一现象称为压气机的堵塞。 堵塞原因：通道中某个截面上的气体流速达到了当地声速（临界状态），从而限制了流量的增加。,废气涡轮增压系统的两种基本形式,定压系统 在定压系统中各缸排气均排入一根大容积的排气管，故

5、涡轮前排气管的压力基本上是恒定的。排气总管内压力波动很小，可以认为涡轮前排气管内压力基本是恒定的。 脉冲系统 脉冲增压系统是两缸或者三缸共用一支管，依发火顺序将排气不发生干扰的两个或者三个气缸连接到一根排气支管，这样既可以避免排气干扰，又可以较好的利用排气脉冲能量，排气量大，低工况性能好。,两种形式的比较,图1 定压涡轮增压系统,图2 脉冲涡轮增压系统,优点：涡轮在定压的条件下全周进气，效率较高，气流引起的激震较小，不易引起叶片断裂；排气系统结构简单，成本较低，易于布置和维护。 缺点：脉冲能量的利用率较低，发动机低速扭矩特性和加速性能较差。,优点：该系统的优点是响应较快，加速性能好，低速扭矩特

6、性好，零件的热负荷小。 缺点：排气管结构复杂，成本较高，不便于布置和维护。,涡轮增压中冷技术,废气涡轮增压采用中冷技术的必要性：对于增压压力较高的中、高增压发动机，一般需装置中间冷却器，这是因为涡轮增压器吸进的空气经压缩温度会升高，空气在流动过程中与管壁摩擦还会进一步升温，这样不仅影响充气效率，还容易产生爆燃。 增压中冷技术的优势：一般高速柴油机采用增压后可提高功率30%，采用中冷技术可进一步提高50-60%。气体经过压缩后温度有很大的提高，即使是低增压度，一般也高出60-80%以上，升温将造成发动机功率降低，效率降低。为此需将吸入的空气在冷却器中再次冷却，使密度增加，从而使功率、扭矩相应增加

7、。,中冷器的冷却方式,1.中冷器 2.轮缘冷却风扇,涡轮风扇中冷系统,中冷器的冷却方式： （1）空对空中间冷却器 （2）水对空中间冷却器,二级涡轮增压系统,1.低压级压气机 2.第一级中冷器 3.高压级压气机 4.第二级中冷器 5.旁通阀 6.高压级涡轮 7.低压级涡轮,二级增压系统示意图,在低速时，利用第二级增压器较小的涡轮流通面积实现柴油机较快的响应； 高速时，利用第一级增压器较大的流通面积实现较多的供气量.,二级增压系统原理：,两级增压技术的特点,扩大了增压系统的流量范围 改善增压迟滞，提高瞬态响应性 功率最大化 增加了系统结构的复杂性 增压系统控制及可靠性问题,两级增压技术是未来增压技

8、术发展的重要方向,优点,缺点,汇报提纲,一、废气涡轮增压 二、废气净化技术（汽油机） 三、燃料电池技术 四、均质压燃技术 五、可变压缩比技术 六、发动机小型化,汽车污染物及其危害,轻型车排放法规,Light-duty vehicle Emission Standards of Europe （g/km）,发动机排放控制技术的三个方面,机前净化技术：前期净化就是提高燃油的质量，提高燃烧效率，使燃油充分燃烧，减少有害物质的排放。 机内净化技术：机内净化就是指从改善发动机的工作性能的角度来减少汽油机污染物的排放。 机外净化技术：对已经排出燃烧室而尚未排入大气中的废气，在排气系统中进行净化处理。,机前

9、净化技术,为了实现前期净化，必须实施燃油无铅化和大幅度地降低燃油中硫的含量，改进汽油中苯、芳烃、烯烃等组成性质以改善燃烧。大幅度降低烯烃含量，以降低排气的臭氧生成活性，并减少汽油机内的沉积物。对芳香烃来说是苯含量作了限制，以降低排气的毒性。 对汽油的挥发性作了更加合理而细致的规定，既保证发动机有良好的驱动性，又不会引起气阻、过量蒸发等运行可靠性和排放问题。低排放汽油允许用含氧掺和物，但对含氧量有一定的控制。,机内净化技术,汽油喷射电控系统 缸内直喷技术 废气再循环技术 涡轮增压中冷技术 多气门技术 均质压燃技术,汽油高效燃烧的途径,机外净化技术,（1）三元催化转化器：三元催化转化器是安装在汽油

10、机排气系统中最重要的净化装置，当高温的汽油机尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气体，从而降低汽油机污染物的排放。,存在的问题：催化转化器的设计本身是一个系统工程，它包含催化剂的设计、催化剂载体的选用、催化转化器的结构设计等方面。这些方面的因素最后决定了催化转化器系统的催化性能，而且由这些方面构成的催化转化器系统特性又会与车辆这个大系统的动力性、经济性、排气噪声等方面产生矛盾。,机外净

11、化技术,（2）热反应器：热反应器通常是一种大型容器，备有绝热良好的隔热套，取代了常规排气歧管，被安装在紧靠发动机排气道出口处。它是通过均质气体的非催化反应来氧化汽油机排气中烃和CO的装置。当排出的废气经过热反应器时，使CO和HC在其中保持高温（800- 900）并停留一段时间（平均为100ms），使之能得到充分的氧化，从而降低CO和HC的排放量。 存在的技术问题：热反应器系统在发动机冷启动时不能发挥作用，热反应器不能净化氮氧化物。尽管其有隔热装置，但扔给车盖下增加了大量的热负荷。热反应器的内部温度高达800-1100，且长期处于铅、磷和高温的工作条件，即使采用高级昂贵材料，也几乎无法解决零件的

12、寿命问题。,机外净化技术,（3）空气喷射系统：就是将新鲜的空气喷射到排气门后面使尾气中的CO和HC在排气管内与空气混合，继续进行氧化的方法，又称为二次空气喷射。当喷射的新鲜空气与尾气混合时，空气中的氧与CO和HC反应生成蒸汽状的水和二氧化碳，从而降低汽油机污染物的排放量。,降低冷启动排放的技术,汽油机车辆有80%左右的排放来自启动时的100-150s阶段。其主要原因是启动温度低, 不能达到催化剂的起燃温度, 催化剂不能进行催化反应，内燃机启动时需要浓混合气, 其燃烧处于缺氧状态。 降低冷启动排放的主要措施有： （1）提高冷启动怠速转速（ 800-1000r/min ）； （2）代用燃料（ 汽油

13、+乙醇），提高燃油挥发性和汽化潜热； （3）二次空气； （4）排气点燃器； （5）碳氢收集器； （6）起动后的稀燃控制； （7）快速暖机控制； （8）前级催化器；,汇报提纲,一、废气涡轮增压 二、废气净化技术（汽油机） 三、燃料电池技术（熔融碳酸盐燃料电池） 四、均质压燃技术 五、可变压缩比技术 六、发动机小型化,燃料电池分类,磷酸盐燃料电池( PAFC) 熔融碳酸盐燃料电池( MCFC) 固态氧化物电解质燃料电池( SOFC) 固体高分子燃料电池( PEMFC)。,熔融碳酸盐燃料电池简介,熔融碳酸盐燃料电池被称为继磷酸盐燃料电池之后的第二代燃料电池，其工作温度高达923K。由于工作温度较高，

14、可以实现热电连用，因此通常都是应用于分布式电站，实现区域供电。 与PAFC相比，MCFC具有更高的热效率, 而可实现电池内重整， 简化系统; 与SOFC相比，MCFC的部件材料、结构设计、密封方式来得简单,工程放大较为容易，为极有开发前途的发电技术。,熔融碳酸盐燃料电池的原理,阳极：H2 阴极：CO2 、空气,熔融碳酸盐燃料电池发电时, 由外部向阳极供给燃料气体( 如H2) , 向阴极供给空气和CO2 的混合气。在阴极, O2从外电路接受电子, 与CO2作用, 生成碳酸根离子, 碳酸根离子经过电解质板, 向阳极移动。在阳极,H2与碳酸根离子进行反应, 生成CO2和水蒸气,同时向外电路放出电子。

15、,熔融碳酸盐燃料电池原理,电池放电时电子通过外部电路导通所产生电流，电池内部通过处于熔融状态的碳酸盐电解质导通，从而构成一个稳定的内外回路。 熔融碳酸盐燃料电池与其他类型燃料电池的电极反应有所不同:在阴极，CO2为反应物，在阳极，CO2为产物，从而CO2在电池工作过程中构成了一个循环。 为确保电池稳定连续工作，必须将阳极产生的CO2返回到阴极，通常采用的办法是将阳极室所排出的尾气经燃烧消除其中的H2和CO后，进行分离除水，然后再将CO2送回至阴极。,MCFC的材料和结构,熔融碳酸盐燃料电池主要是由阳极、阴极、电解质基底和集流板或双极板构成。,阳极和阴极的材料,MCFC的电解质,MCFC最常用的

16、电解质为Li2CO3与K2CO3或Li2CO3与Na2CO3的碱性混合盐，它们的熔点分别是488和496。MCFC电解质隔膜内是靠传递碳酸根离子进行导电的，这是与其它燃料电池的一个不同之处。 对电解质基底的要求： 强度高 耐高温熔盐腐蚀 浸入熔盐电解质后能够阻挡气体通过 载体，也称为隔膜，它是陶瓷颗粒混合物，以形成毛细网络来容纳电解质。载体为基质电解质提供结构，但不参加电学或电化学过程。,MCFC的双极板和集流器,双极板的作用：分隔氧化气体和燃料气体、集电和导电，并构成气体流动的通道。因此要求具有抗氧化和还原以及抗电解质腐蚀的作用，并与其他组件之间有较好的热膨胀性能。它一般采用不锈钢(ss31

17、6,ss310)制成。 集流器用来收集电池堆产生的电流，有时还采用波纹和孔状结构，与相邻的电极组成反应气体通道。集流器的材料也采用不锈钢，阳极侧涂一层Ni保护膜，并呈波纹状，与阳极结构构成燃料气体通道。阴极侧一般呈波纹状或孔状结构，以形成氧化剂通道。,MCFC商业化需解决的关键技术问题, 阴极的溶解, 阳极的蠕变, 熔盐电解质对电池集流板材料的腐蚀, 电解质的流失,汇报提纲,一、废气涡轮增压 二、废气净化技术（汽油机） 三、燃料电池技术 四、均质压燃技术 五、可变压缩比技术 六、发动机小型化,均质压燃技术,HCCI简介,基本原理：通过压缩缸内均匀的燃油和空气的混合气，在上止点(TDC)附近实现

18、自燃。因此将这种燃烧方式统称为HCCI燃烧，即均质压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition）。,汽油机,柴油机,HCCI的特点,1 采用均质混合气。空气和燃油在HCCI发动机的进气系统中预混合，形成均质的空气/燃油混合气，然后吸入气缸进行压缩。也有燃油直接喷入气缸、在气缸内与空气进行预混合的。 2 采用压缩点燃。在压缩冲程中，混合气温度升高，达到自燃温度而自燃；也就是说，不需要任何点火系统。 3 采用比火花点燃式发动机高得多的压缩比，且允许压缩比在一个广阔的范围内变动。 4 为了使均质混合气能够通过压缩而点燃，必要时需对吸入空气进行加热。 5 由于压

19、缩点燃的缘故，可以采用相当稀薄的混合气，因此可以按照变质调节的方式，直接通过调节喷油量来调节扭矩，不需要节气门。 6 既然均质混合气是自燃的，所以燃烧大体上是整个气缸内同时开始的。可以采用过量空气或者残余废气达到高度稀释的混合气。,HCCI需要突破的关键技术,第一、着火时刻的控制问题。 在HCCI燃烧过程中，由于受到化学反应动力学的控制，着火时刻与燃料化学特性及混合气在压缩过程中所经历的温度、压力历程紧密相关，因而，HCCI发动机与传统的汽油机或柴油机相比缺乏直接控制着火时刻的手段，而且随着发动机负荷和转速的提高，混合气自燃化学反应速度及反应累计时间相对曲轴转角的变化，使这一问题更加突出。 第

20、二、运行工况范围的扩展问题。 在发动机高负荷时过快的燃烧反应速度容易导致爆燃，机械负荷和热负荷变大。在低负荷低转速工况下，因为燃烧反应速度过慢引起火焰温度过低，燃烧不完全，有害排放物增加，容易导致失火。,汽油机HCCI的实现方法,HCCI汽油机要利用汽油的自燃能力, 实现均质混合气压缩着火。要避免压缩压力和温度过高, 以及燃烧速度过快。汽油机实现HCCI 燃烧的方式有多种, 如: 直接进气加热、高的压缩比、采用易自燃燃料、内部废气再循环等。其中内部废气再循环策略被认为是在四冲程汽油发动机上实现HCCI燃烧最为可行的方法之一,可变气门技术为这一方法提供了技术手段。 采用内部EGR的汽油HCCI发

21、动机，在负阀重叠相位(NVO)期间，进排气门均关闭，此时缸内的混合气可视为一个闭口系统。由于排气门关闭后，部分高温废气被截留在缸内，而高压缩比HCCI采用稀燃策略，高温废气中留有部分氧气。这部分含氧的高温废气在活塞上行过程中被压缩，缸内温度可达1000K以上。此时在缸内喷人部分汽油，汽油会迅速蒸发，并在高温含氧环境中发生着火燃烧，缸内混合气压力和温度升高，并在活塞下行时推动活塞做功。,汇报提纲,一、废气涡轮增压 二、废气净化技术（汽油机） 三、燃料电池技术 四、均质压燃技术 五、可变压缩比技术 六、发动机小型化,可变压缩比技术的优势,提高了发动机的热效率，很大程度上改善了发动机的燃油经济性 有

22、利于降低排放 具有良好的燃料适应性 相同输出功率的情况下结构可以更紧凑，达到小排量大功率、大扭矩 兼顾部分负荷时的燃油经济性和大负荷时的动力性，改善发动机低速动力性能的同时还避免燃烧过程中的爆震风险,可变压缩比技术具有下列优势：,可变压缩比技术的必要性：随着对发动机动力性要求的提高，发动机在高速大负荷下动力性能好与中、低速中小负荷下动力性能及经济性能较差的矛盾却越来越突出。,存在的问题,VCR发动机一般都结构复杂，通常都需要对发动机进行大幅度改变，加工困难 新增的部件使发动机的摩擦、振动增加，也使发动机的质量增加，这些大质量体的移动会耗费很大一部分能量 适时准确的改变压缩比需要相应的高精度控制

23、设备，匹配困难 密封性问题 研发成本高,可变压缩比的实现方案,压缩比的定义：气缸总容积与燃烧室容积的比值，改变发动机压缩比可通过改变气缸的工作容积和燃烧室容积来实现 可变压缩比技术的实现方案： 通过改变气缸盖的结构来实现 通过改变缸体结构来实现 通过改变活塞及曲柄连杆机构来实现 本文研究的主要内容是通过一种多连杆机构（Muti-link）来改变压缩比,用多连杆可变压缩比机构提高发动机性能的研究,A Study of a Multiple-link Variable Compression Ratio System for Improving Engine Performance,本文的主要内容

24、,本文研究的主要内容是将可变压缩比技术应用到一台涡轮增压发动机中，并研究其对发动机性能的影响。此VCR系统使用一种新的活塞-曲轴系统并入一个多连杆机制来改变活塞在上止点的移动并因此获得了与工况相匹配的最佳的压缩比。这一多连杆可变压缩比机构可以在不提高发动机尺寸和重量的情况下安装。 结果发现：通过在发动机低负荷下应用废气再循环并提高压缩比、在高负荷下采用更高的增压压力并降低压缩比，这样都可以提高发动机的燃油经济性和输出功率。,多连杆VCR发动机的配置与原理,运动规律：活塞与曲轴通过上连杆与下连杆连在一起。下连杆也通过控制连杆连接到了控制轴偏心轴颈中心。曲轴的旋转导致了下连杆围绕着主轴颈的中心旋转

25、，同时围绕着曲柄销的中心转动。,根据发动机的转度与负荷来改变压缩比,在低速低负荷时采用高压缩比14：1以获得提高燃油经济性的最佳效果 随着负荷的增加，减小压缩比以防止爆震发生 为了在全负荷时采用高增压，将压缩比设为最低值8：1,活塞行程的特性,传统发动机的活塞运动速度在上止点时比下止点时要快，而VCR发动机的活塞在上止点时移动速度变慢而在下止点时的速度更快，因此比传统发动机更加接近简谐运动。 从图中可以看出VCR发动机的膨胀行程前半部分角度为92，比原发动机大14%，这一特点对发动机的性能（包括燃烧在内）产生了实质性的影响。,活塞行程特性对各项损失的影响,时间损失,时间损失：内燃机实际循环中一

26、个由燃烧速度的有限性所造成的损失。,图6 P-V图,图7 热释放率,漏气损失,在不考虑增压的情况下，VCR发动机的漏气量比原发动机的要高5L/min。,漏气损失增加的原因： VCR发动机的活塞在上止点的速度较低，与原发动机相比活塞在上止点有较长的停留时间，而这段时间内缸内压力比较高,图8 漏气比较,摩擦损失,当燃烧压力作用于活塞顶时，由于VCR发动机的上连杆处于垂直状态，活塞的侧向里大幅度降低。因此，活塞销所承受的负荷也降低，这可以在活塞与活塞销方面减少摩擦损失。因此，由于使用较多连杆导致的摩擦增加被抵消了，总的发动机摩擦也会降低。 在超过5000转的高速范围内摩擦往往要比原发动机的要高。这与

27、VCR发动机的主要循环部件的重量高于原发动机的相应部件有关，同时由于VCR发动机的多连杆机构而带有更多的滑动部件。,图9 摩擦损失比较,活塞拍击导致的缸体振动,实验工况： 发动机转速：1200r/min 点火时间：上止点前30 125um的安装间隙=标准水平下的实际间隙的160%,冷却损失与热平衡,冷却损失增加：活塞处于上止点附近时速度变慢，使燃烧气体较长时间处于高温高压下 “其他各类损失”：摩擦损失，泵气损失，未燃碳氢以及漏气造成的损失，其中漏气损失增加，但摩擦损失减少，所以导致总的“其他各类损失”减少。 结论：可变压缩比发动机可以获得与原发动机相同的热效率,图12 热平衡比较,容积效率比较

28、,原因：由于VCR发动机的活塞速度在下止点时更高，两台发动机在相同的进气门关闭时刻，可变压缩比活塞与原发动机相比应该提高到一个更高的位置。因此，在高速范围进气门关闭时刻减缓，VCR发动机的容积效率往往比原发动机的要低。,从图中可以看出：在中低速范围，可变压缩比发动机的容积效率略高，而在高速范围容积效率比原发动机要低,图13 容积效率比较,采用较高的压缩比以及EGR率对降低燃油消耗的影响,在压缩比为8.6:1的情况下，VCR发动机可以与原发动机获得相同的热效率。 提高压缩比可以提高冷却损失和未燃碳氢，但降低了排气损失，因此使VCR发动机的总热效率上升。此外，使用EGR降低其他各类损失中的泵气损失

29、与冷却损失，这对提高燃油经济性都有很大的影响。,图14 不同压缩比条件下的热平衡比较,高压缩比对扩大EGR极限的影响,此时发动机的工况为：转速2000转，有效制动扭矩60Nm，无涡流控制阀。 与原发动机相比，VCR发动机的活塞行程特点与更高的压缩比的共同作用下提高了燃烧稳定性并使喘振扭矩降低到了一个比较低的水平。结果，可以看出与原发动机相比，EGR的极限提高了大约10%。,图15 高压缩比对扩大EGR极限的影响,VCR发动机的扩大的EGR的极限对降低油耗的影响,从图中可以看出：仅仅把压缩比从8.6提高到14.3能降低油耗高达7%，再使用EGR并使用涡流控制阀提高EGR的极限，可以降低油耗最多为

30、13%,实验工况：转速为2000r/min和有效制动扭矩为60Nm（代表1000km/h的稳定运行工况）,各种措施对最大功率的影响,A/R值是压气机壳体及涡轮壳体的几何特性数字,结论,在一台VCR发动机上进行的实验表明在涡轮增压发动机上采用可变压缩比机构可以对发动机的性能产生下列影响。 （1）VCR发动机的活塞运动具有类似于简谐运动的特点，这可以减少摩擦损失和时间损失，尽管冷却损失和由漏气带来的损失增加。由此产生的抵消作用使得在同样的压缩比下，VCR发动机获得的热效率等于原发动机。 （2）涡轮增压发动机中，可变压缩比系统对发动机的性能有下列重要的影响，它要求针对燃油经济性与功率采用不同的最佳压缩比。 燃油经济性：VCR发动机的活塞运动特点与较高的压缩比相结合可以提高燃烧的稳定性，从而可以扩大EGR极限。结果，在日本的10-15测试模式下，降低了10%燃油消耗。 功率：对于降低压缩比而扩大的增压压力极限与为增加排气能量而用较大的涡轮增压器A/R比可以使最大功率提高10%。,可变压缩比技术的展望,随着发动机相关理论、微机技术、电子技术、结构优化设计等技术的飞速发展, 可变压缩比技术会越来越多地应用在发动机上, 它可使发动机的各项性能在各工况变化范围内得到优化。 VCR技术