淺談基于汽油機缸內直噴技術(shù)的發(fā)展與排放研究論文
隨著(zhù)石油資源越來(lái)越緊缺和近年來(lái)全球汽車(chē)總保有量日益增多,環(huán)境污染加劇,所以G D I技術(shù)的發(fā)展就是對排放控制必然的結果。因為汽油的燃燒效率低,所以各大汽車(chē)制造企業(yè)都在研究, 采用不同途徑來(lái)改進(jìn)汽油的作功效率。
經(jīng)過(guò)4 0多年的發(fā)展, 噴油器位于進(jìn)氣岐管內的汽油噴射(PFI)發(fā)動(dòng)機現被廣泛使用,其特點(diǎn)是:利用三效催化器的化學(xué)反應,稀有金屬鉑、鈀、銠等與CO、HC和NOx等進(jìn)行氧化、還原作用,變成無(wú)害的H 2O 、CO2、N2氣體,排放到大氣中,從而達到降低污染的目的,該汽油噴射缺點(diǎn)是:燃油經(jīng)濟性較差。針對上述技術(shù)的限制,工程師開(kāi)發(fā)出GD I技術(shù),該技術(shù)的優(yōu)勢在于:在PFI技術(shù)的低排放基礎上, 同時(shí)兼備有柴油噴射的負荷高時(shí),燃油經(jīng)濟優(yōu)良的特點(diǎn);因此,近些年來(lái),G D I發(fā)動(dòng)機在高、中檔轎車(chē)上逐漸使用,隨裝車(chē)數量的增加,制造成本的下降,G D I發(fā)動(dòng)機會(huì )成為主流技術(shù)的代表,得以廣泛應用。
1 GDI發(fā)動(dòng)機特點(diǎn)
與傳統P F I的區別是:G D I發(fā)動(dòng)機在壓縮沖程中,通過(guò)安裝在汽缸頂部的噴油器,將高壓的汽油噴人氣缸中, 汽油分子與缸內空氣充分接觸, 通過(guò)吸收進(jìn)入空氣的熱量,得以蒸發(fā);與P F I發(fā)動(dòng)機的汽缸壁面吸熱相比,混合氣的溫度大為下降,因此,GDI發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣狀況明顯改善, 發(fā)動(dòng)機燃燒時(shí)的爆震現象也大為降低。GDI發(fā)動(dòng)機在傳統P FI發(fā)動(dòng)機基礎之上,在控制原理和發(fā)動(dòng)機構造都采取方案優(yōu)化, 從而實(shí)現了燃燒機理和混合方式得以改進(jìn),達到節能和減排。
2 缸內直噴發(fā)動(dòng)機分類(lèi)及混合氣原理
( 1 )分層燃油噴射汽油機。
G D I系統,因為燃油是分層燃燒( F u e lStratified Injection)故又稱(chēng)為FSI系統。FSI系統的誕生, 實(shí)現了汽油機能像柴油機一樣直接噴射燃油,并迅速混合點(diǎn)火燃燒。分層燃燒比傳統的P F I發(fā)動(dòng)機的燃燒效率高,由于取消了傳統的節氣門(mén), 實(shí)現了電子控制,節流損失也減少、發(fā)動(dòng)機的升功率也得以提高。
F S I系統在進(jìn)氣沖程時(shí),電子節氣門(mén)開(kāi)度處于較大位置,解決了節流損失問(wèn)題,進(jìn)氣時(shí),關(guān)鍵部位是發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣歧管中安裝一塊翻板, 翻板向上開(kāi)啟, 關(guān)閉歧管下部, 讓進(jìn)氣流在上部迅速通過(guò),活塞頭部結構采用形,氣流在頭部運動(dòng),形成進(jìn)氣渦流。噴油時(shí)刻在活塞到達上止點(diǎn)前4 5 °～ 6 0°的范圍內,噴射時(shí)刻與混合過(guò)程有密切關(guān)系, 汽油噴射到形凹坑位置,與進(jìn)氣的旋渦氣流混合成可燃氣體�？扇蓟旌蠚庑纬傻臅r(shí)間非常短, 大約為活塞運動(dòng)角度4 0°～50°,若超過(guò)這個(gè)角度,可燃混合氣不能燃燒, 分層燃燒的空燃比一般在1 .6～3之間。
( 2 ) 均質(zhì)混合燃燒。
P R O CO( P r o g r amme Comb u s t i o nInjection)是個(gè)稀薄燃燒過(guò)程,最先由美國福特汽車(chē)公司研制成功, 其本質(zhì)上也是均質(zhì)混合方式, 是另一種缸內直噴類(lèi)型。進(jìn)氣岐管采用螺旋形, 與柴油機相似,汽油噴射到活塞頂上的燃燒室, 利用渦流和滾流進(jìn)行油氣混合,渦流和滾流結合,形成可燃混合氣。噴油器安裝在活塞頂上的中央位置,在噴油器兩側分布有火花塞,霧化后的汽油需要吸收空氣熱量, 致使混合氣的溫度降低, 發(fā)動(dòng)機的壓縮比可以提高到ε=15 ,過(guò)量空氣系數λ可以達到1 .6 ,因而在更廣泛的范圍內工作。
( 3 ) 均質(zhì)稀薄燃燒。
該燃燒方式油氣混合時(shí)間更長(cháng), 通過(guò)發(fā)動(dòng)機電控系統精確控制噴油器開(kāi)啟時(shí)刻,點(diǎn)火時(shí)間可以選擇的范圍更寬,經(jīng)濟性更高, 燃燒過(guò)程從火焰中心向周?chē)鷶U散至整個(gè)燃燒室, 點(diǎn)火時(shí)間的要求也比分層燃燒低, 因而均質(zhì)稀燃的過(guò)量空氣系數λ 可以>1.1。
3 GDI發(fā)動(dòng)機系統的結構
分層稀薄燃燒模式要求噴油時(shí)刻較靈活及油束霧化高質(zhì)量,GD I發(fā)動(dòng)機燃油供給系統分為高、低壓兩部分。低壓部分與P F I發(fā)動(dòng)機相似, 在油箱內的低壓汽油泵輸送到高壓油泵,通過(guò)高壓共軌噴射系統(與柴油供給系統相似)再配合電控型的噴油器,實(shí)行缸內直噴的控制。高壓油泵通過(guò)發(fā)動(dòng)機凸輪軸機構來(lái)驅動(dòng), 低壓的壓力約3 8 0 K p a 經(jīng)過(guò)高壓油泵加壓后達到8 ～12Mp a,送至分配油軌,ECU控制噴油器工作,噴油器的燃油噴到氣缸。G D I發(fā)動(dòng)機供油系統油路。
GDI發(fā)動(dòng)機需要霧化更細、均勻的的混合氣微粒,除進(jìn)氣渦流的氣流特別強外,對噴油器的結構和霧化質(zhì)量要求也高。在氣缸內,燃油蒸發(fā)混合的時(shí)間很短,缸內油粒直徑約在2 0～2 5 μ m,因此,汽油壓力保持在4～13MPa。為達到空氣與燃油混合均衡,從燃燒的機理來(lái)看,整個(gè)燃燒室都需彌漫霧化油粒。所以, 噴油器要保證霧化的汽油微粒速度在噴射方向上速度劇減,燃油不會(huì )直接噴到氣缸內壁,保持機油的潤滑油膜,保證氣缸與活塞的充分潤滑;而圓周旋轉方向上的油粒應保持高速圓周運動(dòng),通過(guò)直線(xiàn)和圓周兩向的運動(dòng),渦流型的混合氣更利于稀薄燃燒模式,提高燃油的經(jīng)濟性。
4 GDI發(fā)動(dòng)機燃燒噴射系統分析
4 . 1 系統概述
G D I發(fā)動(dòng)機的核心技術(shù)是燃燒模式的.設計,發(fā)動(dòng)機低負荷時(shí),采用分層稀燃模式;高負荷時(shí)采用均質(zhì)預混模式;依據噴油器、火花塞在氣缸蓋上的布置;可燃混合氣混合類(lèi)型, 燃燒系統有三種形式。
4 . 2 進(jìn)氣系統
缸內直噴汽油機的進(jìn)氣系統包括熱膜空氣質(zhì)量流量計、電子節氣門(mén)( E P C )、進(jìn)氣歧管壓力傳感器、廢氣再循環(huán)(EGR)閥和進(jìn)氣歧管翻板轉換裝置等。
4 . 3 噴油系統
(1)“噴束引導法”(spray-guided system)把燃油噴嘴靠近火花塞來(lái)布置, 火花塞安裝在噴嘴的旁邊, 這樣能滿(mǎn)足發(fā)生在燃燒室內的稀薄燃燒期, 火花塞周?chē)梢孕纬煽晒c(diǎn)火的合適混合氣濃度。福特、本田公司生產(chǎn)的某些發(fā)動(dòng)機型就采用這種燃燒系統。
(2) “壁面引導法”(wall-guided system)把燃油噴嘴遠離火花塞來(lái)布置, 混合氣油束軌跡與優(yōu)化設計的活塞頂部相互作用,在火花塞兩極附近充滿(mǎn)混合比合適的微粒, 如三菱、豐田、日產(chǎn)等一些日本公司開(kāi)發(fā)的機型。
(3) “氣流引導法”(flow-guided system)跟“ 壁面引導法”來(lái)比較, 噴嘴與火花塞位置也較遠, 依據氣流運動(dòng)特性來(lái)滿(mǎn)足點(diǎn)火性能的要求,F E V、AVL公司研究的噴油系統就是這種方式。
5 GDI發(fā)動(dòng)機所面臨主要技術(shù)難點(diǎn)的淺析
G D I發(fā)動(dòng)機自身具有了柴油機的燃油經(jīng)濟性,但由于柴油本身的特點(diǎn):最合適的著(zhù)火期有兩個(gè):自燃著(zhù)火期,初始著(zhù)火點(diǎn)期,由于汽油采用點(diǎn)燃方式,火花塞的位置也是不變的,在一定的條件下,所以點(diǎn)火初始時(shí)刻也是不變的, 所以在汽油機中想要達到類(lèi)似于柴油機那樣的工作方式時(shí), 首先在不同工況下,混合氣濃度要求不同,工況變化時(shí),混合氣濃度有一個(gè)平穩轉換期;另外,因為活塞在缸內的高速運動(dòng),不同位置的混合氣運動(dòng)軌道也要的實(shí)行控制、調節。在火花塞周?chē)杆傩纬煽扇蓟旌蠚?GDI發(fā)動(dòng)機要求有分層燃燒、稀薄燃燒模式控制,因此,圍繞著(zhù)這些核心技術(shù),總結出缸內直噴汽油機技術(shù)難點(diǎn)應主要有幾方面: ( 1 )燃油噴射系統的適應; ( 2 )油氣混合過(guò)程的研究;(3)燃燒系統的設計;(4)燃燒排放特性研究和控制。
為了實(shí)現燃油噴射微�；拖拗茋婌F的穿透力形成較高質(zhì)量的混合氣,燃油噴射系統在高速時(shí)應需提高系統本身壓力,同時(shí)縮短噴油嘴噴油的時(shí)間,以便明顯提高燃油的經(jīng)濟性能,在低速時(shí)為了防止燃油聚集,應降低燃油系統的壓力,并同時(shí)延長(cháng)噴油的時(shí)間。GDI的高噴射壓力要求使得汽油泵和發(fā)動(dòng)機功率要求增加、汽油的潤滑性相對較差。因此, 開(kāi)發(fā)適應性強、功率消耗低、抗磨損能力強的燃油供給系統和噴射系統,是目前直噴汽油機需要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題�？諝馀c汽油混合的實(shí)質(zhì)就是缸內流場(chǎng)和噴霧的相互作用,流場(chǎng)結構的實(shí)現和保持主要是通過(guò)燃燒室結構設計來(lái)進(jìn)行,高質(zhì)量的油氣混合氣的形成要求噴霧微�；�、分散化和限制直線(xiàn)運動(dòng),當缸內流場(chǎng)特性和噴霧特性被確定后,首先需要考慮的因素就是噴油器的布置位置,隨之便是對火花塞位置進(jìn)行考慮以確保穩定的點(diǎn)火。而對汽油噴霧和空氣的混合運動(dòng)情況認識不足加大了這方面技術(shù)的開(kāi)發(fā)難度。
6 GDI發(fā)動(dòng)機燃燒技術(shù)的發(fā)展趨勢由以上的研究分析可知,GD I發(fā)動(dòng)機的發(fā)展會(huì )面臨燃油經(jīng)濟性提高、穩定燃燒的控制、性能可靠性以及排放的控制等這些技術(shù)難題的研究與解決,GD I發(fā)動(dòng)機的技術(shù)在應用、發(fā)展上也主要圍繞這些核心技術(shù)問(wèn)題來(lái)展開(kāi)分析。
提高發(fā)動(dòng)機的燃油經(jīng)濟性,GD I發(fā)動(dòng)機分層稀燃區域可以實(shí)現省油2 0%～2 5%,優(yōu)化G D I發(fā)動(dòng)機燃燒技術(shù)采用最新一代燃燒系統,擴大了混合氣分層稀燃的范圍,可以提高G DI發(fā)動(dòng)機的燃油經(jīng)濟性。HCC I技術(shù)(homogeneous charge compression ignition),也稱(chēng)為均質(zhì)壓燃技術(shù), 是可以實(shí)現高效低污染的內燃機燃燒技術(shù), 缸內直噴多段噴射是HC C I燃燒在車(chē)用發(fā)動(dòng)機應用上更有前景,并更具可行性的方式。通過(guò)上述的技術(shù)途徑,GDI發(fā)動(dòng)機在滿(mǎn)足排放要求的這個(gè)前提下,能夠很大地提高它的燃油經(jīng)濟性。因此, 隨著(zhù)目前燃油價(jià)格不斷上漲和碳氧化合物(CO)排放限值越來(lái)越嚴格,降低GDI發(fā)動(dòng)機的廢氣排放使其滿(mǎn)足日益苛刻的排放法規是世界各國研究人員所努力研究的重點(diǎn)。
7 結語(yǔ)
雖然G D I發(fā)動(dòng)機目前還面臨著(zhù)很多技術(shù)難題, 高精度與很復雜的電控手段和設備也使得GDI發(fā)動(dòng)機的制造成本變得昂貴,由于它良好的燃油經(jīng)濟性和越發(fā)嚴格的排放法規要求以及現代電子控制、制造等技術(shù)的發(fā)展條件促使它的推廣應用速度迅速加快,社會(huì )的要求給GDI的發(fā)展提供了直接的動(dòng)力,GD I發(fā)動(dòng)機也會(huì )最終取代P F I發(fā)動(dòng)機, 成為市場(chǎng)車(chē)輛的標準配置發(fā)動(dòng)機。
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