淺談基于汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展與排放研究論文
隨著石油資源越來越緊缺和近年來全球汽車總保有量日益增多,環(huán)境污染加劇,所以G D I技術(shù)的發(fā)展就是對(duì)排放控制必然的結(jié)果。因?yàn)槠偷娜紵实?所以各大汽車制造企業(yè)都在研究, 采用不同途徑來改進(jìn)汽油的作功效率。
經(jīng)過4 0多年的發(fā)展, 噴油器位于進(jìn)氣岐管內(nèi)的汽油噴射(PFI)發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)被廣泛使用,其特點(diǎn)是:利用三效催化器的化學(xué)反應(yīng),稀有金屬鉑、鈀、銠等與CO、HC和NOx等進(jìn)行氧化、還原作用,變成無害的H 2O 、CO2、N2氣體,排放到大氣中,從而達(dá)到降低污染的目的,該汽油噴射缺點(diǎn)是:燃油經(jīng)濟(jì)性較差。針對(duì)上述技術(shù)的限制,工程師開發(fā)出GD I技術(shù),該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于:在PFI技術(shù)的低排放基礎(chǔ)上, 同時(shí)兼?zhèn)溆胁裼蛧娚涞呢?fù)荷高時(shí),燃油經(jīng)濟(jì)優(yōu)良的特點(diǎn);因此,近些年來,G D I發(fā)動(dòng)機(jī)在高、中檔轎車上逐漸使用,隨裝車數(shù)量的增加,制造成本的下降,G D I發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)成為主流技術(shù)的代表,得以廣泛應(yīng)用。
1 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)
與傳統(tǒng)P F I的區(qū)別是:G D I發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮沖程中,通過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(nèi)空氣充分接觸, 通過吸收進(jìn)入空氣的熱量,得以蒸發(fā);與P F I發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)進(jìn)氣狀況明顯改善, 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)的爆震現(xiàn)象也大為降低。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在傳統(tǒng)P FI發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)之上,在控制原理和發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造都采取方案優(yōu)化, 從而實(shí)現(xiàn)了燃燒機(jī)理和混合方式得以改進(jìn),達(dá)到節(jié)能和減排。
2 缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)分類及混合氣原理
( 1 )分層燃油噴射汽油機(jī)。
G D I系統(tǒng),因?yàn)槿加褪欠謱尤紵? F u e lStratified Injection)故又稱為FSI系統(tǒng)。FSI系統(tǒng)的誕生, 實(shí)現(xiàn)了汽油機(jī)能像柴油機(jī)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(tǒng)的P F I發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率高,由于取消了傳統(tǒng)的節(jié)氣門, 實(shí)現(xiàn)了電子控制,節(jié)流損失也減少、發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率也得以提高。
F S I系統(tǒng)在進(jìn)氣沖程時(shí),電子節(jié)氣門開度處于較大位置,解決了節(jié)流損失問題,進(jìn)氣時(shí),關(guān)鍵部位是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管中安裝一塊翻板, 翻板向上開啟, 關(guān)閉歧管下部, 讓進(jìn)氣流在上部迅速通過,活塞頭部結(jié)構(gòu)采用形,氣流在頭部運(yùn)動(dòng),形成進(jìn)氣渦流。噴油時(shí)刻在活塞到達(dá)上止點(diǎn)前4 5 °～ 6 0°的范圍內(nèi),噴射時(shí)刻與混合過程有密切關(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?xì)怏w�？扇蓟旌蠚庑纬傻臅r(shí)間非常短, 大約為活塞運(yùn)動(dòng)角度4 0°～50°,若超過這個(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)稀薄燃燒過程,最先由美國福特汽車公司研制成功, 其本質(zhì)上也是均質(zhì)混合方式, 是另一種缸內(nèi)直噴類型。進(jìn)氣岐管采用螺旋形, 與柴油機(jī)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(jié)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(cè)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(jī)的壓縮比可以提高到ε=15 ,過量空氣系數(shù)λ可以達(dá)到1 .6 ,因而在更廣泛的范圍內(nèi)工作。
( 3 ) 均質(zhì)稀薄燃燒。
該燃燒方式油氣混合時(shí)間更長(zhǎng), 通過發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)精確控制噴油器開啟時(shí)刻,點(diǎn)火時(shí)間可以選擇的范圍更寬,經(jīng)濟(jì)性更高, 燃燒過程從火焰中心向周圍擴(kuò)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)稀燃的過量空氣系數(shù)λ 可以>1.1。
3 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
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(jī)燃油供給系統(tǒng)分為高、低壓兩部分。低壓部分與P F I發(fā)動(dòng)機(jī)相似, 在油箱內(nèi)的低壓汽油泵輸送到高壓油泵,通過高壓共軌噴射系統(tǒng)(與柴油供給系統(tǒng)相似)再配合電控型的噴油器,實(shí)行缸內(nèi)直噴的控制。高壓油泵通過發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng), 低壓的壓力約3 8 0 K p a 經(jīng)過高壓油泵加壓后達(dá)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(jī)供油系統(tǒng)油路。
GDI發(fā)動(dòng)機(jī)需要霧化更細(xì)、均勻的的混合氣微粒,除進(jìn)氣渦流的氣流特別強(qiáng)外,對(duì)噴油器的結(jié)構(gòu)和霧化質(zhì)量要求也高。在氣缸內(nèi),燃油蒸發(fā)混合的時(shí)間很短,缸內(nèi)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(dá)到空氣與燃油混合均衡,從燃燒的機(jī)理來看,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(nèi)壁,保持機(jī)油的潤(rùn)滑油膜,保證氣缸與活塞的充分潤(rùn)滑;而圓周旋轉(zhuǎn)方向上的油粒應(yīng)保持高速圓周運(yùn)動(dòng),通過直線和圓周兩向的運(yùn)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(jì)性。
4 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噴射系統(tǒng)分析
4 . 1 系統(tǒng)概述
G D I發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)是燃燒模式的.設(shè)計(jì),發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí),采用分層稀燃模式;高負(fù)荷時(shí)采用均質(zhì)預(yù)混模式;依據(jù)噴油器、火花塞在氣缸蓋上的布置;可燃混合氣混合類型, 燃燒系統(tǒng)有三種形式。
4 . 2 進(jìn)氣系統(tǒng)
缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)包括熱膜空氣質(zhì)量流量計(jì)、電子節(jié)氣門( 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(zhuǎn)換裝置等。
4 . 3 噴油系統(tǒng)
(1)“噴束引導(dǎo)法”(spray-guided system)把燃油噴嘴靠近火花塞來布置, 火花塞安裝在噴嘴的旁邊, 這樣能滿足發(fā)生在燃燒室內(nèi)的稀薄燃燒期, 火花塞周圍可以形成可供點(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(jī)型就采用這種燃燒系統(tǒng)。
(2) “壁面引導(dǎo)法”(wall-guided system)把燃油噴嘴遠(yuǎn)離火花塞來布置, 混合氣油束軌跡與優(yōu)化設(shè)計(jì)的活塞頂部相互作用,在火花塞兩極附近充滿混合比合適的微粒, 如三菱、豐田、日產(chǎn)等一些日本公司開發(fā)的機(jī)型。
(3) “氣流引導(dǎo)法”(flow-guided system)跟“ 壁面引導(dǎo)法”來比較, 噴嘴與火花塞位置也較遠(yuǎn), 依據(jù)氣流運(yùn)動(dòng)特性來滿足點(diǎn)火性能的要求,F E V、AVL公司研究的噴油系統(tǒng)就是這種方式。
5 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)所面臨主要技術(shù)難點(diǎn)的淺析
G D I發(fā)動(dòng)機(jī)自身具有了柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性,但由于柴油本身的特點(diǎn):最合適的著火期有兩個(gè):自燃著火期,初始著火點(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(jī)中想要達(dá)到類似于柴油機(jī)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(wěn)轉(zhuǎn)換期;另外,因?yàn)榛钊诟變?nèi)的高速運(yùn)動(dòng),不同位置的混合氣運(yùn)動(dòng)軌道也要的實(shí)行控制、調(diào)節(jié)。在火花塞周圍迅速形成可燃混合氣,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)要求有分層燃燒、稀薄燃燒模式控制,因此,圍繞著這些核心技術(shù),總結(jié)出缸內(nèi)直噴汽油機(jī)技術(shù)難點(diǎn)應(yīng)主要有幾方面: ( 1 )燃油噴射系統(tǒng)的適應(yīng); ( 2 )油氣混合過程的研究;(3)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì);(4)燃燒排放特性研究和控制。
為了實(shí)現(xiàn)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(tǒng)在高速時(shí)應(yīng)需提高系統(tǒng)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(jì)性能,在低速時(shí)為了防止燃油聚集,應(yīng)降低燃油系統(tǒng)的壓力,并同時(shí)延長(zhǎng)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(jī)功率要求增加、汽油的潤(rùn)滑性相對(duì)較差。因此, 開發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)、功率消耗低、抗磨損能力強(qiáng)的燃油供給系統(tǒng)和噴射系統(tǒng),是目前直噴汽油機(jī)需要解決的一個(gè)技術(shù)問題�？諝馀c汽油混合的實(shí)質(zhì)就是缸內(nèi)流場(chǎng)和噴霧的相互作用,流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和保持主要是通過燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來進(jìn)行,高質(zhì)量的油氣混合氣的形成要求噴霧微粒化、分散化和限制直線運(yùn)動(dòng),當(dāng)缸內(nèi)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(duì)火花塞位置進(jìn)行考慮以確保穩(wěn)定的點(diǎn)火。而對(duì)汽油噴霧和空氣的混合運(yùn)動(dòng)情況認(rèn)識(shí)不足加大了這方面技術(shù)的開發(fā)難度。
6 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)由以上的研究分析可知,GD I發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展會(huì)面臨燃油經(jīng)濟(jì)性提高、穩(wěn)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(jī)的技術(shù)在應(yīng)用、發(fā)展上也主要圍繞這些核心技術(shù)問題來展開分析。
提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性,GD I發(fā)動(dòng)機(jī)分層稀燃區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)省油2 0%～2 5%,優(yōu)化G D I發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)采用最新一代燃燒系統(tǒng),擴(kuò)大了混合氣分層稀燃的范圍,可以提高G DI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。HCC I技術(shù)(homogeneous charge compression ignition),也稱為均質(zhì)壓燃技術(shù), 是可以實(shí)現(xiàn)高效低污染的內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù), 缸內(nèi)直噴多段噴射是HC C I燃燒在車用發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用上更有前景,并更具可行性的方式。通過上述的技術(shù)途徑,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在滿足排放要求的這個(gè)前提下,能夠很大地提高它的燃油經(jīng)濟(jì)性。因此, 隨著目前燃油價(jià)格不斷上漲和碳氧化合物(CO)排放限值越來越嚴(yán)格,降低GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣排放使其滿足日益苛刻的排放法規(guī)是世界各國研究人員所努力研究的重點(diǎn)。
7 結(jié)語
雖然G D I發(fā)動(dòng)機(jī)目前還面臨著很多技術(shù)難題, 高精度與很復(fù)雜的電控手段和設(shè)備也使得GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本變得昂貴,由于它良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和越發(fā)嚴(yán)格的排放法規(guī)要求以及現(xiàn)代電子控制、制造等技術(shù)的發(fā)展條件促使它的推廣應(yīng)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(jī)也會(huì)最終取代P F I發(fā)動(dòng)機(jī), 成為市場(chǎng)車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置發(fā)動(dòng)機(jī)。
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