CBR燃烧速度控制

basa

CBR汽油燃烧技术
        CBR技术是奥地利AVL公司发明的一种“等λ控制下的贫油燃烧”技术。它的特点是低成本、很低的节气门损失、节油、使用普通后处理装置即可达到超低排放要求。混合动力汽车的发明为这种技术在微型汽车上的应用提供了更大的舞台。
        1.1.应用实例：
        CBR可控燃烧速率是奥地利AVL公司提出的一种汽油贫油燃烧方案。该技术在欧宝公司的OPEL Ecotec 2.0
        L汽车上得到了应用。仅靠采用CBR技术该车就降低了7%的燃油消耗量；在高EGR率的情况下，NOx减少了50%之多，因此不需要DeNOx反应器；加速性的改善降低了HC的排放，采用CBR技术＋预处理器＋普通三元催化反应器的组合就能达到了欧Ⅲ和欧Ⅳ超低排放要求，该车在油耗和排放方面都收到了良好的效果。
        1.2. CBR技术的原理：
        在汽油点火式发动机里，一般采用流量型无涡流运动的进气方式。随着降低油耗、排放的要求，进气充量运动出现了水平涡流（气流绕气缸中心转动）和垂直滚流（气流对着气缸轴线转动）两种形式。
        CBR技术的水平涡流方案：
            AVL —CBR的进气道系统原理

        CBR技术在欧宝公司OPEL Ecotec 2.0
        L汽车上得到了应用，它是由两个不相同的进气道再加上一个控制装置构成。进气流经过两个不同的气道后分别生成一股切向涡流和一股无涡流的中性气流进入气缸。
        上图描述了CBR进气系统简要原理。该系统由切向的和中性的气道、双束喷油器和控制滑板组成。
        l 全负荷
        全负荷状态是指滑板全开，发动机转速在1000～4500rpm转速之间，输出扭矩为70%以上。
        滑板打开时，大量的混合气从中性气道进入燃烧室，与切向气道涡流参混，在燃烧室里变成比较平稳的弱涡流状态（中等涡流），混合气处于匀质状态。由于有切向气道的涡流作用，燃烧速度稍比普通发动机高（快），改善了高转速下的功率输出。
        汽车使用此种状态主要是需要增加功率，这时λ要等于1或小于1（富油）。此时中性进气口滑板全部打开，大量的新鲜空气进入中性气道，双束喷嘴喷入中性气道的一束燃油和新鲜的空气相混，在气缸中心、火花塞的下方形成了富油混合气。
        在切向气道里，喷进气道的另一束燃油与进来的新鲜空气相混合，在气缸中心的外围区域里生成了中等涡流的富油混合气绕气缸中心旋转。为了获得最高转速下的最大功率输出，该点不使用EGR废气外，其余状态都有EGR废气参与，以便降低NOx的排放量。
        l 部分负荷
        部分负荷是指滑板关闭，转速在1000～4500rpm之间，输出扭矩在70%以下。汽车使用此种状态主要是考虑改善燃油经济性和良好的排放性能，因此需要等λ闭环控制和高EGR率控制。
        虽然滑板关闭将中性进气道堵死，少量的空气仍能从滑板预留的小孔进入中性气道。这时，双束喷嘴的一束燃油与进入该气道的少量空气混合，形成了富油混合气并进入缸筒中心区。在吸气和压缩过程中，富油混合气始终聚集在燃烧室中心的火花塞附近。
        另一束燃油与进入切向气道里的新鲜空气和大量的EGR废气混合，生成了“贫油”混合气，它在进入气缸后变成强烈绕气缸中心富油区旋转的水平涡流。
        这时，燃烧室中心是富油区，气缸周边是贫油区，火花塞正好在气缸的中心的富油区里，实现了分层进气和等λ燃烧，大大提高了贫油燃烧的速度，提高了平均有效压力。
        滑板关闭后在燃烧室里形成强烈涡流度的分层燃烧和总空燃比等于17～26的状态，最大限度的降低了低转速、低负荷状态下的燃油消耗率，进一步改善了燃油经济性。
        注意：燃油是按进气量的14.7分之1喷入气道，实现的闭环等λ控制。在进气过程中由于大量EGR废气进入气缸，稀化了λ＝1
        的混合气，并提高了气缸里的进气压力，因此减少节气门损失。由于EGR废气的稀化作用，最终在气缸里生成了具有强烈涡流运动的总量相当于“贫油”的混合气。
        l 低转速低负荷
        该状态是指滑板关闭，转速在1000rpm以下，发动机仍处在贫油燃烧状态，它的输出扭矩却能达到96%的负荷率的状态。
        1.3. EGR废气量的控制
        CBR发动机采用外EGR废气再循环系统，使用普通的三元催化反应器后处理装置就能实现超低排放。废气从一个缸的排气口，经缸盖送到由步进电机控制的废气再循环阀门处。由电动活门实现定量的废气循环量控制。外EGR系统的优点是可以实现准确的EGR量控制，缺点是EGR率不可能很高。
        CBR系统的最新发展是将外EGR改成内EGR,
        使用VVT装置改变进气凸轮相位来控制缸筒里废气的残留量，内EGR系统最高可以实现30%的EGR率，缺点是需要使用复杂的VVT部件。
        1.4.CBR技术对发动机性能的影响：
        1.4.1.CBR技术对小排量汽油机耗油率的影响
        在低转速和部分负荷状态下，CBR系统的滑板将两个气道中的一个关闭，按从节气门进来的空气量的14.7分之1向气道里喷油，保证λ＝1。
        再靠高废气循环量实现进气充量稀化，在气缸里形成稀混合气。该系统能增加贫油混合气的点火裕度，使得稀气燃烧更稳定，放热率更高。
        从滑板的脉谱图中可以看出，CBR系统关闭一个气道后，发动机转入贫油燃烧状态，在1000rpm以下时能发出95%的功率，在1000～4500rpm时能发出70%的功率。加上大量的EGR废气进入气缸，节气门损失要比普通发动机小。因此CBR发动机的耗油率比普通发动机更低。
        1.4.2.CBR技术对排放污染物HC、CO和NOx的影响
        CBR技术是在“贫油燃烧＋高EGR率＋闭环等λ控制”条件下工作，由于是按等λ闭环控制条件下组织燃烧，因此使用普通三元催化反应器就能降低HC、CO和NOx的排放量，满足超低排放要求。
        1.4.3.CBR技术对排放CO2的影响
        汽车CO2排放量越多，对地球的温室效应影响就越大，严重破坏了人类的生存环境。
        随着世界石油资源日益枯竭和我国国民经济巨大发展，我国的石油进口量将越来越大，汽车是消耗石油资源的大户，代表燃油消耗量大小可用CO2排放量来表示，控不控制CO2的排放量是关系国家能源安全和人类生存的大事。今后我国也会像欧洲那样出台对汽车CO2（燃油消耗量）排放量的限制。
        1.5. 采用整体模块化设计的CBR系统结构

        CBR进气系统被单独设计成一个法兰盘模块部件，它安装在缸盖和进气歧管之间，上面装喷油器、CBR滑板和废气再循环等控制装置。

         
            CBR滑板转接法兰盘模块和EGR通道示意图
         
         

        在模块里，安置了一个由真空执行器操纵的滑板，该滑板用能自润滑的塑料板做的。还有一个由步进电机控制的EGR阀门，保证将再循环的废气经过铸造通道和分配孔道引进各个气缸。
2.CBR滑板控制脉谱图

            滑板开关状态脉谱图
         
         

        滑板关闭后的效果：
        滑板关闭后混合气立即转入“等λ贫油混合气”状态。从图中可以看出，当转速低于1000rpm时，关闭滑板后发动机转入贫油燃烧，输出扭矩可以达到96%以上,相当于3bar平均有效压力，这对改善1000rpm以下的耗油率、汽车驾驶性能特别有利。因此能获得最好的耗油率和动力性，这是普通贫油燃烧技术做不到的。
        当转速在1000～4500rpm时，关闭滑板转入贫油燃烧后输出扭矩可以达到70%，最大平均有效压力大约是7
        bar，它能覆盖汽车绝大部分工况，对降低汽车的油耗特别有利。超出这个压力，滑板应当打开。否则，会增加节气门损失，降低发动机扭矩和效率，出现我们不希望的燃烧噪声。
            工作状态原型机(g/kW.h)原型机＋CBR系统g/kW.h
            1500rpm BMEP=1bar648590(-9%)
            2000rpm BMEP=1bar410380(-7%)
            3000rpm BMEP=1bar335325(-3%)

        3.对排气后处理装置的要求
        CBR燃烧过程“闭环控制等λ贫油燃烧”，排气生成的污染物成分和λ＝1时一样。这样以来使用普通三元催化反应器+预处理装置后就能满足欧洲Ⅲ号标准和欧洲Ⅳ号标准排放法规，因此不需要价格昂贵的DeNOx催化反应器。
        4.对CBR技术的评估：
        4.1.节油效果
        按AVL-CBR系统已经应用在新开发出来的发动机上，与原型发动机相比，使用滑板和精确控制EGR废气率的方法，能明显节省7% 的燃油消耗。
        4.2.发展潜力
        点火式汽油发动机今后会向CBR、缸内直喷、可变气门定时和废气增压等方面发展。即便出现柴油机高压共轨直喷或其它的一些新技术，从成本（费用）和性能（动力性和节油性）效果综合评估，点火式汽油发动机仍能作为柴油机的替代物继续发展。
        4.3.使用CBR技术的成本与其它技术的比较
        汽油缸内直喷稀薄燃烧技术在降低耗油方面可以达到10%，CBR技术可以达到7%，虽然比CBR技术高出一些，但仍有二个问题影响它的推广：

        一是NOx排放量高，需要采用专门的DeNOx催化反应器。这种复杂而又昂贵的催化反应器目前正在发展中，价格昂贵，技术上还不成熟，它限制了汽油缸内直喷技术推广；
        二是成本高，采用汽油缸内直喷技术的发动机其成本增加几乎是CBR技术的2～3倍，大大限制了汽油缸内直喷技术的推广，按成本观点来评估汽油缸内直喷和柴油高压共轨技术，两者都处在不利的位置上，尤其是对小排量的微型汽车发动机更是如此。
        在小型的微型汽车与中等型级别汽车中,从成本、效益综合考核，CBR技术在节油方面比汽油缸内直喷更吸引人。

发动机制造

可控燃烧速率存在两个问题：
1、滑板的可靠性不高，考虑到实际在怠速的时候，滑板需要频繁的开启，直接导致滑板的使用寿命和稳定性；
2、cbr要改善低速时的燃烧速率，需要优化充气效率，一般配合一个切向气道一起使用，但在高速或正常状态下，这个切向气道就变成负担了，呵呵