SAE论文 - 关于冷启动和预热的电喷汽油机的研究 - 图文

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20076570(JSAE) 2007-32-0070(SAE)

关于冷启动和预热的电喷汽油机的研究

Chunming Hu, Xijuan Song, Na Liu, Wei Li

天津大学天津内燃机研究所

关于冷启动和预热的电喷汽油机的研究

天津内燃机研究所，天津大学

冷起动及冷态运行周期（即发动机升温）的汽油发动机是现代

发动机的废气排放形成的关键点之一，也是日益严格的排放法规中非常重要的目标，。汽油发动机在冷启动和升温的燃烧稳定性将影响其废气排放量的形成。本文介绍了在冷启动和升温的摩托车汽油发动机的高能量燃烧过程的改善,双火花塞快速燃烧系统。测试结果表明，高能量，快速燃烧系统的双火花塞发动机冷起动条件下是非常有帮助的快速点火。同时，由于发动机的混合物的燃烧速度增加，这种解决方案可以实现更大的点火延迟和发动机的暖机状态下的稳定的燃烧过程。其结果是，它是非常有帮助的，以增加排气温度和缩短TWC的光的通断时间，实现改善 EFI汽油发动机的废气排放性能。

【关键词】冷启动，暖机，双火花塞，快速燃烧系统，汽油发动机，电喷 1.引言

随着排放法规越来越严，在发动机冷起动过程和冷态运行周期（即发

动机升温）过程中优化燃烧和排放控制是尤其重要的。SI发动机在冷启动过程及冷态运行过程中对碳氢化合物和碳氧化合物的排放限值的贡献是非常突出的，特别是在欧Ⅲ欧Ⅳ试验周期和FTP-75发动机的启动时刻开始采样。据了解，大约50% ~ 80% HC和CO排放量能产生的冷起动阶段之前“点火”实现了催化剂和催化剂转换效率增加。与此同时氧传感器不达到有效的温度使电喷系统能够进入闭环修正。所有这些在冷启动和预热的过程形成的物质以CH的形式直接排放到大气中，并且形成大气污染。因此，发动机的排放控制水平被确定的冷起动燃烧和排放控制。

2. 电喷式发动机的快速燃烧系统及其测试系统

对一个157FMI型单缸，风冷，四冲程电控汽油发动机进行了研究。它的缸径和冲程分别56.5毫米和49.5毫米，压缩比ε= 9.3。汽油的混合物使用与形成在进气口通过注入汽油精确的空燃比的混合物的浓度，以满足要求。这项研究所用引擎的快速燃烧系统主要由ECU、高能量的点火系统、点火线圈和基于半球形燃烧室的双火花塞点火模式组成。两个独立的点火系统的对称布置，和单火花点火模式，同步双火花点火模式，异步双火花点火模式下由ECU根据发动机的条件来实现。

1引擎2汽油罐3电子燃油泵4燃油过滤器

5TBA 6喷射器7火花塞Ⅰ 8火花塞Ⅱ和在气缸压力传感器 9 ECU 10计算机11排气任务分析仪12TWC 13氧传感器 14曲轴角度传感器15编码器

图1系统与EFI发动机台架试验

台架测试系统的研究结果显示在图1。过量空气系数Φ一个获取的ETAS LA-4。自主研发的校准系统，用于调整和校准参数的EFI系统。自主研发的多通道燃烧分析仪是用于在发动机燃烧过程中的测试数据的采集和分析。一个五组分的废气分析仪，用于测量发动机的有害排放。

3.不同的火花模式的定义

图2示出了两个独立的点火系统的草图。双火花塞是关于发动机燃烧室的轴线成对称的。正如前面所描述的，该系统具有两个实质性的点火系统，包括3种点火模式：单火花点火模式下，同步的双火花点火模式和异步双火花点火模式。如今，常见的点火方式只使用一个火花塞，所以我们把它称为单火花点火模式在本文。同步双火花点火，两个独立的点火系统点燃的同时性，而在异步双火花点火模式，两个插头引发了在不同的点火正时。

4.试验结果分析

该测试主要是针对在4℃的环境温度，0.1MPa的环境调查的影响，不同的点火方式及相关因素的快速燃烧系统上的表现为发动机的冷起动及冷态运行周期（即准备活动）压力和电池电压12.25V。常见的单火花点火能量为6.38mJ，高能量点火能量为8.23mJ。

4.1点火正时对发动机的冷起动性能的变化的影响

图3显示，在单火花塞点火模式，一个固定的注射3.7ms的脉冲，节流阀为3.3％，冷启动燃烧特性。从图3我们可以看到，对应的峰值在气缸内的压力贝齿在上止点前18°CA点火正时，不仅远高于在其他火花定时，但流通的贝齿也提前，因此，它的启动速度高于其他点火正时。

图3在发动机起动的点火提前角和瞬态缸压力的变化关系。随着火花定时阻燃，由于到该混合物中的点火和燃烧延迟，最大功率降低，循环最大功率向后移动。同时，发动机的起动速度有所降低，其燃烧后的现象成为更多和更明显。

随着点火继续阻燃，例如TDC0°CA，更多的可燃混合气燃烧膨胀冲程中较低的最大功率和工作能力（即扩大）外部下降，造成启动速度继续减少发动机启动后。在这一刻，虽然可能点燃发动机，它不能独

立运行稳定，不仅可以由底盘测功机进行联动。图4中所示的发动机起动速度和它的波动，上述点火正时。图5显示了在冷起动过程中的HC排放量的变化，根据不同的火花定时注入脉冲3.7ms和4.3ms分别的，节流阀是在3.3％。在点火正时的范围内能够启动发动机（上止点前10°?18°CA），HC排放量几乎保持不变。在结合的发动机起动速度和气缸内的压力与分析，藻方舟定时滞后燃烧延迟，这是有益的HC进一步氧化，但它也让燃烧恶化，在这一刻。起始速度和发动机起动后气缸内压力的峰值下降迅速。由于在第一和第二次燃烧循环的排气管温度低，冷启动后，未燃烧的燃料不能进一步氧化完全，然后HC直接排放到空气中。在继续缓点火提前角为0°CA时，发动机测功机联动的，因此其HC排放量是最高的。

4.2 AT发动机冷起动点火方式对燃烧性能的影响

图6显示了发动机冷起动点火之间的同步双火花塞和普通的单火花点火方式点火正时BTDC5°CA，注入脉冲固定为3.7ms，3.3％，节流阀，在比较。可以看出，前模式起动过程比较，与后者有一个更大的便利。

在使用双火花点火模式下，火花跃出在第三周期中，在气缸内的压力迅速上升，并显着高于常见的单火花点火，在相同的火花定时之一，是后者的1.8倍。在这种方式中，发动机转速迅速倾斜，可以可靠地稳定2s内空转速度，提前3?4秒对比后者;和怠速转速的波动明显比后者轻轻所示，图7。这样做的原因是，双火花插头点火模式下，该插头被对称地布置在冷起动过程中，缩短了火焰传播距离，有效地提高燃烧率，特别是在燃烧火焰传播期间率和促进火焰发展迅速，在燃烧过程，从而在发动机冷星寿混合燃烧持续时间明显缩短。同时，双火花塞点火模式提供了更多的机会为混合点燃，在冷启动的湿壁现象的影响较小。作为一个结果，在使用双火花点火模式的HC排放是551ppm，只有1/3的HC排放在普通的单火花点火模式下，高达1300ppm。

因此，在发动机最初的启动周期，失火和点火不稳定导致了大量的未燃HC排放。高能量，双火花塞点火模式下提供更高的点火能量，即使精简的混合条件下，确保可靠的点火和变窄的喷射脉冲可降低湿壁效应的影响后周期，从而降低HC排放。

4.3快速燃烧系统的排放量控制对发动机冷态运行周期的影响

发动机与EFI逐渐进入闭环控制，在冷态的运行周期和空气燃料比的方法的理论1。由于排气管本身的热惯性，需要一个明确的时间达到有效温度的排气气体的加热的条件下，由TWC。 HC的三元催化器的起燃温度在250?300℃，HC的转换效率只有10％?20％的在TWC预热阶段，因此HC排放量仍然很高，在此阶段[4]。 TWC的光性能包括轻客的温度T50and光关断时间τ50，从发动机冷起动催化转换器的转换效率50％分别表示对应的温度和时间。作为光关断时间，极大程度上依赖于催化转换器的热惯性，绝热水平和流动性的过程除了与催化剂配方，测试整体的催化转换器的性能，甚至在排气系统中，其测试结果的相关性，相关多直接真正的发动机冷起动性能。在考虑实际应用中，轻客的性能TWC发动机冷起动过程和冷态运行周期本文。发动机怠速转速为1500转/分。由于很少NOx排放的条件下，发动机暖机从开始到空闲，催化转换器是几乎不可检测后的NOx，因此我们测试和调查是HC系光关断时间性能TWC。

4.3.1单火花点火模式对排放在发动机怠速，冷态运行周期的影响

图8显示在催化转换器的入口的废气温度的实时变化的共同的，单一

HC排放。

（2）在发动机冷态运行周期变暖过程HC排放高的重要原因是，总是在不稳定的条件下，燃烧不完全，甚至未燃，在此期间发生的燃烧。高能量，双火花塞火花塞点火模式，对称布置的插头，缩短火焰传播距离，有利于在气候变暖过程中，混合燃烧持续时间明显缩短火焰发展，在三元催化器可以缩短时间τ50，那么最终的HC排放量则下跌迅速。

（3）高能量，双火花点火模式下供应点火的能量比一个更常见的一种，缩短了火焰传播，同时也可以使另一个机会点燃的混合物，所有这些因素都有效地提高了燃烧的稳定性。

6．致谢

对天津市科学技术委员会科技计划的财政支持表示赞赏。

参考文献：

（1） Brian J. Birch and Manfred Amann.风冷式摩托车的电控燃油

系统的开发。 SAE 2004-32-0059

（2） Demin Jiang. 内燃机基础[M]。北京：工程工业出版社，1998。（3）Chunming Hu, Na liu, Wei Li等。快速稀薄燃烧的火花点火LPG发动机。 SAE论文2006579。

（4）Manuel Presti, Lorenzo Pace.优化汽车应用的先进的废气后处理系统的发展。SAE论文2005-01-2157

（5）Zhensuo Wang, Baoqing Deng, Zongcheng Xiao等。燃用液化石油气和汽油在小型点燃式发动机的微粒排放特性。SAE论文2004-01-2901

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