淺談基于汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)的開展與排放研究隨著石油資源越來(lái)越緊缺和近年來(lái)全球汽車總保有量日益增多,環(huán)境污染加劇,所以GDI技術(shù)的開展就是對(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(lái)改進(jìn)汽油的作成效率。經(jīng)過40多年的開展,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)反響,稀有金屬鉑、鈀、銠等與CO、HC和NOx等進(jìn)展氧化、復(fù)原作用,變成無(wú)害的H2O、CO2、N2氣體,排放到大氣中,從而到達(dá)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GDI技術(shù),該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于:在PFI技術(shù)的低排放根底上,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(lái),GDI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,制造本錢的下降,GDI發(fā)動(dòng)時(shí)機(jī)成為主流技術(shù)的代表,得以廣泛應(yīng)用。1GDI發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)與傳統(tǒng)PFI的區(qū)別是:GDI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PFI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)PFI發(fā)動(dòng)機(jī)根底之上,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),到達(dá)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)。GDI系統(tǒng),因?yàn)槿加褪欠謱尤紵?FuelStratifiedInjection)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PFI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)的升功率也得以進(jìn)步。FSI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,活塞頭部構(gòu)造采用形,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45～60的范圍內(nèi),噴射時(shí)刻與混合過程有親密關(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。可燃混合氣形成的時(shí)間非常短,大約為活塞運(yùn)動(dòng)角度40～50,假設(shè)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。PROCO(ProgrammebustionInjection)是個(gè)稀薄燃燒過程,最先由美國(guó)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)展油氣混合,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)的壓縮比可以進(jìn)步到=15,過量空氣系數(shù)可以到達(dá)1.6,因此在更廣泛的范圍內(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)準(zhǔn)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,因此均質(zhì)稀燃的過量空氣系數(shù)可以1.1。3GDI發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)造分層稀薄燃燒形式要求噴油時(shí)刻較靈敏及油束霧化高質(zhì)量,GDI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PFI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(lái)驅(qū)動(dòng),低壓的壓力約380Kpa經(jīng)過高壓油泵加壓后到達(dá)8～12Mpa,送至分配油軌,ECU控制噴油器工作,噴油器的燃油噴到氣缸。GDI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)噴油器的構(gòu)造和霧化質(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20～25m,因此,汽油壓力保持在4～13MPa。為到達(dá)空氣與燃油混合平衡,從燃燒的機(jī)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(nèi)壁,保持機(jī)油的光滑油膜,保證氣缸與活塞的充分光滑;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形式,進(jìn)步燃油的經(jīng)濟(jì)性。4GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噴射系統(tǒng)分析4.1系統(tǒng)概述GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)是燃燒形式的設(shè)計(jì),發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí),采用分層稀燃形式;高負(fù)荷時(shí)采用均質(zhì)預(yù)混形式;根據(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(EPC)、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-guidedsystem)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)火的適宜混合氣濃度。福特、本田公司消費(fèi)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-guidedsystem)把燃油噴嘴遠(yuǎn)離火花塞來(lái)布置,混合氣油束軌跡與優(yōu)化設(shè)計(jì)的活塞頂部互相作用,在火花塞兩極附近充滿混合比適宜的微粒,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-guidedsystem)跟壁面引導(dǎo)法來(lái)比較,噴嘴與火花塞位置也較遠(yuǎn),根據(jù)氣流運(yùn)動(dòng)特性來(lái)滿足點(diǎn)火性能的要求,FEV、AVL公司研究的噴油系統(tǒng)就是這種方式。5GDI發(fā)動(dòng)機(jī)所面臨主要技術(shù)難點(diǎn)的淺析GDI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):最適宜的著火期有兩個(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)中想要到達(dá)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、稀薄燃燒形式控制,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)燃油噴射微粒化和限制噴霧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)需進(jìn)步系統(tǒng)本身壓力,同時(shí)縮短噴油嘴噴油的時(shí)間,以便明顯進(jìn)步燃油的經(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、汽油的光滑性相對(duì)較差。因此,開發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)、功率消耗低、抗磨損才能強(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。空氣與汽油混合的本質(zhì)就是缸內(nèi)流場(chǎng)和噴霧的互相作用,流場(chǎng)構(gòu)造的實(shí)現(xiàn)和保持主要是通過燃燒室構(gòu)造設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)展,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)展考慮以確保穩(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)缺乏加大了這方面技術(shù)的開發(fā)難度。6GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)的開展趨勢(shì)由以上的研究分析可知,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的開展會(huì)面臨燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)步、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,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)在應(yīng)用、開展上也主要圍繞這些核心技術(shù)問題來(lái)展開分析。進(jìn)步發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)分層稀燃區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)省油20%～25%,優(yōu)化GDI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,可以進(jìn)步GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。HCCI技術(shù)(homogeneouschargepressionignition),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HCCI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,可以很大地進(jìn)步它的燃油經(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(lái)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(guó)研究人員所努力研究的重點(diǎn)。7結(jié)語(yǔ)