汽車新技術(shù)之汽油機缸內(nèi)直噴

1、2021/3/261 2021/3/262汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)1.缸內(nèi)直噴技術(shù)概述2.缸內(nèi)直噴技術(shù)的工作原理3.缸內(nèi)直噴技術(shù)特點4.缸內(nèi)直噴技術(shù)現(xiàn)狀5.缸內(nèi)直噴技術(shù)的實際應(yīng)用6.缸內(nèi)直噴發(fā)動機目前存在的問題7.缸內(nèi)直噴技術(shù)推廣應(yīng)用的主要問題8.缸內(nèi)直噴技術(shù)今后的研究開發(fā)方向2021/3/2631.缸內(nèi)直噴技術(shù)概述 缸內(nèi)直噴又稱FSI(Fuel Stratified Injection),即燃料分層噴射技術(shù),代表著傳統(tǒng)汽油引擎的一個發(fā)展方向。傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機是通過電腦采集凸輪位置以及發(fā)動機各相關(guān)工況從而控制噴油嘴將汽油噴入進(jìn)氣歧管。但由于噴油嘴離燃燒室有一定的距離,汽油同空氣的混合情況受進(jìn)氣氣流和

2、氣門開關(guān)的影響較大,并且微小的油顆粒會吸附在管道壁上,所以希望噴油嘴能夠直接將燃油噴入汽缸。在近來各汽車廠商采用的發(fā)動機科技中,最炙手可熱的技術(shù)非缸內(nèi)直噴莫屬。2021/3/2641.缸內(nèi)直噴技術(shù)概述 這套由柴油發(fā)動機衍生而來的科技目前已經(jīng)大量使用在包含大眾（含奧迪）、寶馬、梅賽德斯-奔馳、通用以及豐田車系上。 各廠商缸內(nèi)直噴技術(shù)英文縮寫:大眾:TSI、奧迪:TFSI、梅賽德斯-奔馳:CGI、寶馬:GDI、通用:SIDI、福特:GDI、比亞迪:TI。2021/3/2652.缸內(nèi)直噴技術(shù)的工作原理缸內(nèi)直噴就是將燃油噴嘴安裝于氣缸內(nèi),直接將燃油噴入氣缸內(nèi)與進(jìn)氣混合。噴射壓力也進(jìn)一步提高,使燃油霧化

3、更加細(xì)致,真正實現(xiàn)了精準(zhǔn)地按比例控制噴油并與進(jìn)氣混合,并且消除了缸外噴射的缺點。同時,噴嘴位置、噴霧形狀、進(jìn)氣氣流控制,以及活塞頂形狀等特別的設(shè)計,使油氣能夠在整個氣缸內(nèi)充分、均勻的混合,從而使燃油充分燃燒,能量轉(zhuǎn)化效率更高。2021/3/2663.缸內(nèi)直噴技術(shù)特點 缸內(nèi)直噴汽油機是以傳統(tǒng)電控噴射系統(tǒng)為基礎(chǔ),進(jìn)行結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)的優(yōu)化,使得混合氣的形成與燃燒過程得到改善。 按照燃料在燃燒室里面的均勻程度又可分為分層燃燒缸內(nèi)直噴汽油機和勻質(zhì)混合燃燒缸內(nèi)直噴汽油機2021/3/26731.分層燃燒缸內(nèi)直噴 這種發(fā)動機,部分負(fù)荷情況下采用分層燃燒,在火花塞附近形成極易點燃的較濃混合氣,而在其他區(qū)域,則

4、追求無油區(qū),即形成空燃比趨向無窮大區(qū)域。主要有壁面阻擋型和軟噴射型等燃燒系統(tǒng)。2021/3/268 豐田D一4發(fā)動機采用壁面阻擋型稀薄燃燒系統(tǒng)(圖1)。當(dāng)活塞運動到一定位置時,噴油器噴出的油束到達(dá)與活塞頂部凹坑基本垂直的壁面上,與壁面碰撞并飛濺。進(jìn)氣氣流經(jīng)過電控渦流閥(ESCV),形成斜向進(jìn)氣渦流?？諝鉁u流運動使已蒸發(fā)的汽油蒸氣和飛濺的油滴沿壁面橫向運動,促進(jìn)缸內(nèi)混合氣的形成。31.分層燃燒缸內(nèi)直噴2021/3/26931.分層燃燒缸內(nèi)直噴圖1.豐田D4稀薄燃燒系統(tǒng) 噴油器為高壓旋流式(8MPa13MPa),霧化性能好,霧滴高度微?；?霧滴直徑小于5m。噴射方式控制靈活,對不同轉(zhuǎn)速與負(fù)荷采用不

5、同的噴油控制方式,并帶有電控廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和氧傳感器、三元催化器閉環(huán)控制系統(tǒng)等。試驗結(jié)果表明,其轎車工況試驗油耗為17.4KmL,而相應(yīng)的裝有PFI發(fā)動機的汽車油耗為13KmL,節(jié)油達(dá)34左右。2021/3/261031.分層燃燒缸內(nèi)直噴 三菱4G稀燃系統(tǒng)(圖2)與豐田D一4系統(tǒng)相近。進(jìn)氣采用立式進(jìn)氣道,能夠產(chǎn)生強大的進(jìn)氣氣流,直接流入氣缸,流速可達(dá)40m/s一50 m/s,充氣效果好,以保證高度的縱向渦流及充氣系統(tǒng)?；钊敳康陌伎訙\,且壁面有一定的斜度。在部分負(fù)荷輸出時,油束與壁面碰撞后飛濺的油滴,隨含有汽油蒸氣和細(xì)小油滴的氣流斜向上運動(圖2中倒?jié)L流),被位于缸蓋中部的火花塞點燃。2021

6、/3/261131.分層燃燒缸內(nèi)直噴圖2.三菱4G稀薄燃燒系統(tǒng)2021/3/261231.分層燃燒缸內(nèi)直噴 軟噴射型缸內(nèi)直噴汽油機主要依靠適當(dāng)?shù)膰婌F特性來形成分層混合氣。由于噴霧具有貫穿度較低、噴霧錐角較大、霧滴平均直徑較小等噴霧特性,故稱為軟噴射(如圖3所示)。圖 3 軟噴射型缸內(nèi)噴油汽油機2021/3/261332.勻質(zhì)混合燃燒缸內(nèi)直噴福特汽車公司PROCO (Progrannned Combustion Injection)稀薄燃燒系統(tǒng)是程序化燃燒過程的縮寫,采用勻質(zhì)混合缸內(nèi)直噴汽油機(如圖4所示)。進(jìn)氣道為螺旋式氣道,汽油直接噴射到燃燒室內(nèi),利用渦流和滾流進(jìn)行油氣混合。噴油器位于中央,

7、兩側(cè)各有一個火花塞。由于汽油在缸內(nèi)霧化需要吸收能量,混合氣溫度下降。因而可以采用高壓縮比(=15)的發(fā)動機,并可在空燃比A/F=25的條件下工作。圖4.福特PROCO稀薄燃燒系統(tǒng)2021/3/26144.缸內(nèi)直噴技術(shù)現(xiàn)狀 燃油供給和噴射系統(tǒng) 噴射模式 燃燒系統(tǒng) 缸內(nèi)空氣運動的組織2021/3/261541.燃油供給和噴射系統(tǒng) 現(xiàn)代的GDI發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)設(shè)計,為了達(dá)到分層稀薄混合氣所要求的噴霧質(zhì)量和靈活的噴油定時,均采用了精度高、響應(yīng)快的柔性電控手段。高壓共軌噴射系統(tǒng)加電磁驅(qū)動噴油器被認(rèn)為是滿足缸內(nèi)靈活噴射要求的噴射系統(tǒng)之一。 該系統(tǒng)由低壓輸油泵、燃油壓力傳感器、噴油壓力控制閥、高壓油泵、蓄

8、壓燃油軌、噴油器等組成。2021/3/261641.燃油供給和噴射系統(tǒng)圖 5 直噴式汽油機供油系統(tǒng)油路2021/3/2617燃油噴射系統(tǒng)中,噴油器的結(jié)構(gòu)形式對噴霧質(zhì)量的影響很大。由于汽油機的噴射壓力遠(yuǎn)低于柴油機,如采用多孔噴油器,其噴嘴容易在工作中積碳堵塞,霧化分層不好,燃燒時火焰?zhèn)鞑ゲ环€(wěn)定,因此GDI發(fā)動機上一般不采用多孔噴油器。目前在GDI發(fā)動機上得到廣泛應(yīng)用的是內(nèi)開式旋流噴油器,只有一個噴孔,工作油壓為5.010MPa,其內(nèi)部設(shè)有燃油旋流腔,它可以通過渦流比的選擇而實現(xiàn)較好的噴霧形態(tài)和合適的貫穿度的配合,且噴束方向便于調(diào)整,方便了在氣缸內(nèi)的布置。圖6為旋流式噴嘴結(jié)構(gòu)簡圖。41.燃油供給和

9、噴射系統(tǒng)圖6.旋流式噴嘴結(jié)構(gòu)簡圖2021/3/26184.2噴射模式 GDI發(fā)動機燃油噴射模式可以分為單階段噴射模式和多階段噴射模式。 單階段噴射模式是指在中小負(fù)荷時,燃油在壓縮行程后期噴入,實現(xiàn)混合氣分層稀燃并采用質(zhì)調(diào)節(jié)以避免節(jié)流閥的節(jié)流損失,從而使GDI汽油機達(dá)到與柴油機相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)性;在大負(fù)荷和全負(fù)荷時,燃油在進(jìn)氣行程中噴人氣缸,實現(xiàn)均質(zhì)預(yù)燃和燃燒,以保持汽油機升功率高的特點。2021/3/26194.2噴射模式 多階段噴射模式是指在進(jìn)氣行程中先噴入所需燃料的1/4,形成極稀的均質(zhì)混合氣,其余燃料在壓縮行程后期再次噴入,形成分層混合氣?；鸹ㄈc火時,首先在濃混合氣處形成較強的火焰,然后向稀

10、混合氣空間迅速傳播。應(yīng)用該技術(shù)可實現(xiàn)發(fā)動機從中小負(fù)荷到大負(fù)荷的平穩(wěn)過渡,降低氣缸內(nèi)的氣體溫度,抑制爆燃的產(chǎn)生。2021/3/26204.3.燃燒系統(tǒng) 燃燒系統(tǒng)的設(shè)計是GDI發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)。要成功實現(xiàn)中小負(fù)荷時的分層稀燃和大負(fù)荷時的均質(zhì)預(yù)混,就需要進(jìn)行燃油噴束、氣流運動和燃燒室形狀的優(yōu)化合理配合。已經(jīng)開發(fā)的GDI發(fā)動機燃燒系統(tǒng)。按噴油器和火花塞的相對位置和混合氣的組織形式可以有“噴束引導(dǎo)法”(spray-guided system)、“壁面引導(dǎo)法”(wall-guided system)、“氣流引導(dǎo)法”(flow-guided system)3種類型。2021/3/26214.3.燃燒系統(tǒng) “

11、噴束引導(dǎo)法”:燃油噴嘴靠近火花塞布置,火花塞位于燃油噴束的邊緣,這種方式的優(yōu)點是保證當(dāng)整個燃燒室內(nèi)為稀薄混合氣時,火花塞周圍仍能形成可供點火的混合氣濃度。Ford、Honda公司生產(chǎn)的某些機型采用這種燃燒系統(tǒng)。2021/3/26224.3.燃燒系統(tǒng) “壁面引導(dǎo)法”:燃油噴嘴遠(yuǎn)離火花塞布置,利用特殊形狀的活塞表面配合氣流運動,將燃油蒸氣導(dǎo)向火花塞并在火花塞間隙形成合適濃度的混合氣,如三菱、豐田、Nissan等公司開發(fā)的機型。2021/3/26234.3.燃燒系統(tǒng) “氣流引導(dǎo)法”:同樣是燃油噴嘴遠(yuǎn)離火花塞,利用缸內(nèi)有組織的氣流運動來達(dá)到上述目的。FEV、AVL公司開發(fā)的方案采取這樣的燃燒系統(tǒng)。20

12、21/3/26244.3.燃燒系統(tǒng)上述幾種燃燒系統(tǒng)方案的劃分是十分粗略的,實際情況是上述幾種方案交叉存在,各種因素并存并相互影響。根據(jù)AVL的Ricardo公司的研究,火花塞布置在靠近中心的位置可以減少火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x,在怠速和部分負(fù)荷時對分層便于控制,但發(fā)動機對噴油器和火花塞之間的位置誤差、噴霧變形敏感,火花塞容易被燃油沾濕而形成污垢導(dǎo)致點火困難。另外,火花塞和噴油器都布置在中間有時會影響進(jìn)氣門的尺寸。遠(yuǎn)距離布置的方式可避免沾濕火花塞,但燃油碰壁較多,并且需要精確設(shè)計特殊形狀的燃燒室,對缸內(nèi)混合氣運動的組織要求更高一些。2021/3/26254.4.缸內(nèi)空氣運動的組織氣缸內(nèi)的空氣運動對噴霧和燃燒

13、的影響很大。GDI發(fā)動機缸內(nèi)空氣的運動有渦流、滾流和擠流。渦流的旋轉(zhuǎn)軸線平行于氣缸中心線,滾流的旋轉(zhuǎn)軸線垂直于氣缸中心線,擠流形成于壓縮沖程活塞接近上止點時與缸蓋間隙處的徑向氣體運動,它有助于加強壓縮終點時的湍流強度。目前大部分GDI發(fā)動機應(yīng)用渦流作為缸內(nèi)空氣運動的主要形式,其特點是持續(xù)時間長,在缸內(nèi)的徑向發(fā)散少,對保持混合氣的相對集中和分層有利,可以充分利用它來維持壓縮沖程中的混合氣分層。由于渦流的旋轉(zhuǎn)動量與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速成正比,而油束的動量是獨立的,不受發(fā)動機轉(zhuǎn)速的影響,因此,利用渦流來促進(jìn)油氣混合有一個操作范圍限制。此外,渦流比過高還會由于離心力的作用使油滴甩向缸壁,造成濕壁現(xiàn)象的增加。2

14、021/3/26264.4.缸內(nèi)空氣運動的組織 近年來,日本三菱汽車公司對滾流在GDI發(fā)動機中的應(yīng)用做了大量的試驗研究,結(jié)果顯示,在壓縮行程的后期,滾流能夠有效地增加靠近缸壁處的氣體流動速度,從而可以促進(jìn)粘附在缸壁上的油滴快速蒸發(fā),也可利用滾流程活塞頂部的凹坑相配合將分層混合氣導(dǎo)向火花塞,控制油束碰撞和火焰?zhèn)鞑?從排氣側(cè)到進(jìn)氣側(cè)的擠流還能提高燃燒速度。2021/3/26275.缸內(nèi)直噴技術(shù)的實際應(yīng)用 大眾TSI:國外大眾的1.4T發(fā)動機上以及進(jìn)口尚酷1.4T上TSI代表的是Twincharger Fuel Stratified Injection這幾個單詞首字母的縮寫,通過字母表面意思可以理解

15、為雙增壓+分層燃燒+噴射的意思。 而大眾1.8/2.0TSI中的“TSI”則代表著Turbo Fuel Stratified Injection,通過字母表面意思可以理解為渦輪增壓+分層燃燒+缸內(nèi)直噴的意思 裝配車型:速騰、明銳、新寶來等2021/3/26285.缸內(nèi)直噴技術(shù)的實際應(yīng)用 大眾/奧迪的TFSI: TFSI就是帶渦輪增壓（T)的FSI發(fā)動機。 FSI發(fā)動機的主要優(yōu)勢有:動態(tài)響應(yīng)好、功率和扭矩可以同時提升、燃油消耗降低 裝配車型:奧迪A3、A6L、A8L等2021/3/26295.缸內(nèi)直噴技術(shù)的實際應(yīng)用 SIDI:SIDI是Spark Ignition Direct Injectio

16、n的縮寫,直譯為火花點燃直接噴射技術(shù)。 裝配車型:別克君威、君越,凱迪拉克賽威等2021/3/26306.缸內(nèi)直噴發(fā)動機目前存在的問題 GDI發(fā)動機擁有很多優(yōu)良的性能,如:油耗低、污染小、動力性能好等等。但是GDI技術(shù)同樣存在著許多技術(shù)瓶頸制約了它的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用,亟待改進(jìn)。2021/3/26316.缸內(nèi)直噴發(fā)動機目前存在的問題排放問題:GDI汽油機的開發(fā)成功,極大地提高了汽油機的燃油經(jīng)濟(jì)性。但其排放總體上要高于工作在理論空燃比下,附加三元催化等尾氣處理裝置的進(jìn)氣道噴射汽油機。其排放問題主要有:1)中小負(fù)荷下未燃HC排放較多。采用混合氣分層后,極易造成火焰從濃區(qū)向稀區(qū)傳播時熄滅。同時,稀燃造

17、成缸內(nèi)溫度偏低,不利于未燃HC隨后的繼續(xù)氧化。壁面阻擋型直噴系統(tǒng),因噴霧碰壁較多,而活塞頂和缸壁的溫度低,使HC排放較高。2)NOx的排放。雖然因采用較稀的空燃比,氣缸內(nèi)的反應(yīng)溫度較低,但由于分層混合氣由濃到稀將不可避免地出現(xiàn)混合氣過濃或濃混合氣區(qū)域過大的狀況,這些區(qū)域恰恰是高溫區(qū)域,使NOx生成增加。另外,GDI發(fā)動機較高的壓縮比和較快的反應(yīng)放熱率也會引起NOx升高。3)微粒排放。因為局部區(qū)域過濃的混合氣和未蒸發(fā)的液態(tài)油滴擴(kuò)散燃燒而引起顆粒排放增加,并且缸內(nèi)溫度低也造成了微粒氧化不完全。2021/3/26326.缸內(nèi)直噴發(fā)動機目前存在的問題 催化器問題:GDI汽油機工作在稀空燃比條件下,其造

18、成的富氧和較低的排氣溫度使傳統(tǒng)的三元催化器對NOx的轉(zhuǎn)化率不高,廢氣排溫較低不利于三元催化器的起燃,限制了它在GDI汽油機上的應(yīng)用。2021/3/26336.缸內(nèi)直噴發(fā)動機目前存在的問題 積炭問題:由于GDI汽油機,火花塞點火燃燒的是占據(jù)小部分空間的分層混合氣,其他空間只有極微量的燃油存在,且燃料的氣化蒸發(fā)使缸內(nèi)溫度偏低,點火后火焰在傳播過程中逐漸減弱,到達(dá)分層混合氣以外的其他空間時,極易造成熄火,使混合氣不能充分燃燒,產(chǎn)生積炭。2021/3/26346.缸內(nèi)直噴發(fā)動機目前存在的問題 噴油器問題:GDI汽油機的噴油器置于氣缸內(nèi),由于噴油壓力低,噴孔沒有自潔能力,很容易積垢,造成噴油量減少、噴霧

19、特性變壞,進(jìn)而使發(fā)動機的燃燒惡化,影響發(fā)動機的功率輸出和排放。2021/3/26356.缸內(nèi)直噴發(fā)動機目前存在的問題 控制策略問題:在實際GDI汽油機上,理想的混合氣濃度均勻遞降的分層不可能實現(xiàn),使得精確分層混合氣的控制和燃燒過程組織的難度相當(dāng)大。發(fā)動機不同負(fù)荷的噴油時刻相差較大,各種負(fù)荷間平滑過渡所要求的噴射策略也較復(fù)雜,因此實現(xiàn)發(fā)動機輸出動力的連續(xù)變化需要較復(fù)雜的控制策略。直噴汽油機的開發(fā)難點,還體現(xiàn)在燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化和噴油系統(tǒng)的開發(fā)比較復(fù)雜,電控系統(tǒng)精確控制難和開發(fā)成本高,對汽油噴霧和空氣的混合運動認(rèn)識不足等方面。另外,GDI較高的噴射壓力要求也造成汽油泵和噴油器功率要求高,汽油的潤滑性差

20、,因此,如何開發(fā)出抗磨損能力強、功率消耗低的供油系統(tǒng)和燃油噴射系統(tǒng),也是直噴汽油機需要解決的一個問題。2021/3/26367.缸內(nèi)直噴技術(shù)推廣應(yīng)用的主要問題 難以在寬廣的運行范圍內(nèi)準(zhǔn)確控制分層燃燒 負(fù)荷變化時控制策略比較復(fù)雜 噴嘴和火花塞附近燃料容易堆積 部分負(fù)荷時HC排放較高2021/3/26377.缸內(nèi)直噴技術(shù)推廣應(yīng)用的主要問題 部分負(fù)荷分層燃燒時,局部NOx排放過高 大負(fù)荷時NOx、碳煙排放較高 需要開發(fā)專門針對GDI的三效催化裝置2021/3/26387.缸內(nèi)直噴技術(shù)推廣應(yīng)用的主要問題 由于汽油自潤滑性差加上采用的高壓噴射,燃油噴射系統(tǒng)和缸壁磨損較大;同時,伴隨著高壓噴射所帶來的相應(yīng)

21、的油泵損失增大 增加了噴嘴及相關(guān)驅(qū)動器的電消耗2021/3/26398.缸內(nèi)直噴技術(shù)今后的研究開發(fā)方向 現(xiàn)在GDI技術(shù)尚處于逐步成熟時期,各種問題的出現(xiàn)是必然的,但GDI的研究一定要在確保動力性能的基礎(chǔ)上盡可能的“節(jié)能減排”。而從當(dāng)前的形式來看低碳問題又是中之重。 今后GDI的主要技術(shù)研究開發(fā)方向有:降低NOx排放、二次燃燒技術(shù)、二次混合技術(shù)、均質(zhì)混合壓燃技術(shù)。2021/3/2640降低NOx排放的技術(shù) 稀燃催化器:稀燃催化器的開發(fā)將直接影響到GDI汽油機排放問題的解決。目前開發(fā)的有稀燃催化還原型NOx催化器、NOx搜捕型等。但這些催化器都不同程度的存在轉(zhuǎn)化率低、工作溫度范圍窄、控制復(fù)雜、性能

22、不如傳統(tǒng)的三元催化器等問題,還需深入研究。日本三菱公司采用稀燃NOx催化劑加三元催化劑的技術(shù)(圖8),NOx可以達(dá)到美國加州排放標(biāo)準(zhǔn)。圖 7 三菱汽車公司稀燃催化器和二次燃燒系統(tǒng)2021/3/2641降低NOx排放的技術(shù) 廢氣再循環(huán):廢氣再循環(huán)(EGR)是通過降低缸內(nèi)最高燃燒溫度及氧氣的相對濃度從而降低NOx排放的一種有效方法。在GDI汽油機中,因稀燃使缸內(nèi)富余氧氣較多,可實用較高的EGR比率而不會使燃燒惡化。如果將再循環(huán)廢氣與可燃混合氣進(jìn)行分層,減少廢氣與可燃混合氣的摻混,保證點火時刻火花塞附近有適于著火的混合氣,避免廢氣靠近火花塞,能大大提高EGR比率,從而大大降低NOx排放。采用電控EGR可以精確控制EGR比率,能較好地解決發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟(jì)性與NOx排放之間的協(xié)調(diào)問題。 2021/3/2642二次燃燒技術(shù) 二次燃燒是指在進(jìn)行正常分層燃燒的怠速運轉(zhuǎn)時,除了在壓縮行程后期噴油外,在膨脹行程后期再次噴入少量燃油,在缸內(nèi)高溫、高壓氣體的作用下點火燃燒并使排氣溫度提高。 通