gdi發(fā)動機稀燃技術(shù)的研究進展

gdi發(fā)動機稀燃技術(shù)的研究進展

1國外i發(fā)動機的研究現(xiàn)狀自20世紀90年代以來，隨著排放法律法規(guī)的日益嚴格和能源效率的提高，sdi車輛的研究取得了迅速發(fā)展。國外的著名汽車公司如沙田、微軟和沃爾瑪開發(fā)了成熟的sdi模型和產(chǎn)品。下面就GDI發(fā)動機的燃油控制技術(shù)、缸內(nèi)氣流控制技術(shù)及排放控制技術(shù)等作一論述。2高燃油噴油前噴油前燃燒模式技術(shù)GDI中最關(guān)鍵的是要控制好混合氣濃度在空間的分布及其隨時間的變化,依靠采用高精度的高壓噴油嘴、缸內(nèi)氣流控制技術(shù)、根據(jù)運轉(zhuǎn)區(qū)域切換燃燒模式、使噴油嘴遠離火花塞以保證可靠點火等措施,可達到高燃油經(jīng)濟性和高性能。2.1穩(wěn)定和豐富均質(zhì)燃燒的能力現(xiàn)代GDI通常是根據(jù)大、小負荷區(qū)不同的要求,采用不同的混合燃燒模式來改善其燃油經(jīng)濟性的。在中小負荷區(qū)域,要求有良好的燃油經(jīng)濟性,因而通常采用壓縮沖程中噴油實現(xiàn)分層燃燒的控制模式,即在壓縮沖程后期向缸內(nèi)噴油,并通過活塞頂部形狀和氣流運動來限制其擴散,使噴射到氣缸內(nèi)的燃油所形成的可燃混合氣集中在火花塞周圍,而在火花塞外周部的極稀薄混合氣與層狀空氣則形成了分層混合氣,使燃燒在整體空燃比30~40在高負荷區(qū)域,要求提高發(fā)動機扭矩和功率,必須采取略稀或理論當(dāng)量的混合氣或濃混合氣。故此時發(fā)動機采用進氣沖程噴油,實現(xiàn)均質(zhì)燃燒的控制模式。即在進氣沖程早期向氣缸內(nèi)噴射燃油,使其可在整個燃燒室內(nèi)均勻擴散,在點火時刻形成預(yù)混燃燒的均質(zhì)混合氣。此時由于燃油汽化時吸收了汽化潛熱,使得缸內(nèi)充量得到了冷卻,增大了空氣密度,在提高體積效率(即增大進氣量)的同時還減少了爆震的傾向,使發(fā)動機的壓縮比可上升到12控制模式的切換通過噴油定時的變換來實現(xiàn)。切換時要注意切換前后扭矩的一致,以防扭矩變化帶來振動。為此,三菱、豐田等公司在模式切換時采用了二段噴射技術(shù),即在進氣行程中噴射一部分燃料,以便在燃燒室全空間內(nèi)形成稀薄的預(yù)混合氣。第二次在即將點火之前向火花塞噴射,以保證稀混合氣的穩(wěn)定著火和分層燃燒。據(jù)報道采用二段噴射技術(shù)的GDI發(fā)動機可實現(xiàn)從中小負荷區(qū)向大功率區(qū)的平穩(wěn)過渡,并可降低缸內(nèi)的氣體溫度,從而抑制了爆震的發(fā)生,增加了功率的輸出。2.2電動節(jié)氣門對扭矩的控制實際上就是對發(fā)動機噴油量的控制。通常情況下,GDI主要是根據(jù)油門踏板的位移量來確定應(yīng)有的扭矩,并由負荷的高低來切換對扭矩的調(diào)節(jié)方式。從理論上講GDI可以不使用節(jié)氣門,但實際上它還是配備了電子控制的節(jié)流系統(tǒng),即電動節(jié)氣門。這其中最主要的原因是GDI在大負荷工況下工作時需要均勻混合氣;其次是在應(yīng)用EGR降低NO因此,當(dāng)發(fā)動機的扭矩和轉(zhuǎn)速對應(yīng)于低工況區(qū)時,即油門踏板位移量較小時,電動節(jié)氣門就保持全開,發(fā)動機在保持進氣量基本不變的情況下,通過改變空燃比來調(diào)節(jié)每循環(huán)的噴油量,進而對扭矩實行控制。這時發(fā)動機采用的調(diào)節(jié)方式是與柴油機相同的“變質(zhì)調(diào)節(jié)”,此時進氣量和點火提前角幾乎不影響扭矩。當(dāng)發(fā)動機的扭矩和轉(zhuǎn)速對應(yīng)于高工況區(qū)時,即油門踏板位移量較大時,其空燃比被穩(wěn)定在14.7左右分工況區(qū)控制的結(jié)果是,其燃油經(jīng)濟性相對以往的汽油機可以提高25%2.3油束的穿透性GDI可根據(jù)不同的工況區(qū)域來確定不同的混合氣生成方式,而不同的混合氣生成方式對油束的要求也不相同。如圖3,發(fā)動機處于低工況時,采用的是變質(zhì)調(diào)節(jié)和分層充量,這就要求燃油恰好噴在活塞頂部凹坑內(nèi),因而油束要盡可能集中,且霧化質(zhì)量要高,可燃混合氣能在短時間內(nèi)形成。故此時應(yīng)將噴油推遲到壓縮行程的后期進行(但必須在噴油和點火之間留下足夠的間隔時間,以便實現(xiàn)混合氣的分層)。因為:a.此時活塞正處于向上運動,氣缸內(nèi)的壓力很大,這就迫使燃油噴射時所需的壓力相應(yīng)地增大。噴油壓力越大,SMD(油滴的索特平均直徑,表示燃油的霧化程度)越小,燃油蒸發(fā)越快,霧化程度越高,油滴噴射距離有限,穿透度不深;b.隨著缸內(nèi)壓力的增大,充量被強制壓縮,密度增大,因此油束中油滴所受的阻力也增大,油滴運動很快地受到衰減,使油束比較集中,并且噴射出的燃油穿透距離也保持適中;c.活塞的上行運動,減少了噴油與活塞頂部凹坑之間的距離,保證了燃油可更加準(zhǔn)確而又有效地被噴射在活塞頂部凹坑范圍內(nèi),通過限制其在凹坑內(nèi)不向外擴散,使得它能被迅速地加熱汽化,從而在抵達火花塞之前的短暫時間內(nèi)促進空氣迅速卷入汽化的燃油中,形成可燃混合氣。同時結(jié)合活塞的向上運動,由翻滾氣流將可燃混合氣帶往火花塞,并在火花塞附近區(qū)域聚集形成濃的可燃混合氣,而在燃燒室的其它空間形成稀薄混合氣,從而實現(xiàn)混合氣的分層和超稀薄燃燒。當(dāng)發(fā)動機處于高工況時,采用的是變量調(diào)節(jié)和均質(zhì)充量。應(yīng)盡可能減少油束沾濕活塞和氣缸壁面,否則會導(dǎo)致HC排放增加,并且活塞壁面會向燃油提供汽化潛熱,從而喪失利用汽化潛熱冷卻缸內(nèi)充量以提高容積效率的機會。同時要求油束的穿透深度應(yīng)當(dāng)大一些,以便擴大油束在氣缸內(nèi)的分布范圍,使其能有足夠的空間和時間讓燃油和空氣進行混合,形成均質(zhì)充量。故此時應(yīng)將噴油提早到吸氣沖程的前期。3gi的燃油燃油現(xiàn)代GDI發(fā)動機的噴射系統(tǒng)主要采用汽油高壓噴射模式,使用由電磁驅(qū)動的高壓渦流噴油器。高壓渦流噴油器的噴油壓力一般為5~8MPa(最高為12MPa)在噴射系統(tǒng)中,噴油器噴嘴的結(jié)構(gòu)形式對噴霧質(zhì)量起著重要的影響,它是保證實現(xiàn)混合氣分層與稀燃的關(guān)鍵部件。圖4為GDI發(fā)動機所采用的各種噴油器噴嘴,a為多孔內(nèi)開式噴嘴,其結(jié)構(gòu)類似于柴油機噴嘴,但由于GDI發(fā)動機的噴射壓力遠遠低于柴油機,故這種結(jié)構(gòu)易于積炭堵塞,且霧化分層效果不好,燃燒時火焰?zhèn)鞑ビ植缓芊€(wěn)定,所以一般很少在GDI發(fā)動機上使用。b是外開式單孔針式噴嘴,據(jù)報道它能取消壓力室容積,并且在設(shè)計上更靈活,可同時兼顧噴霧錐度、貫穿距離和燃油粒度的不同要求,但它的密封性要差一些,曾用于早期的GDI發(fā)動機中。c為內(nèi)開式旋流型噴嘴,在其內(nèi)部設(shè)有燃油旋流腔,燃油通過在其中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)渦流可實現(xiàn)較好的噴霧形態(tài)和合適的貫穿度的配合。此外,由它噴射出的油束方向便于調(diào)整,方便了其在氣缸頂上的布置,再加它不易積炭的特點,使其成為目前GDI發(fā)動機噴嘴所采用的主要形式,在GDI發(fā)動機上得到廣泛使用。4噴油了單獨的旋轉(zhuǎn)噴油非織造布燃燒系統(tǒng)的設(shè)計是GDI開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于要兼顧大負荷均質(zhì)預(yù)混和中小負荷分層稀燃的不同要求,更增加了它的設(shè)計難度。已開發(fā)的GDI燃燒系統(tǒng),可以分為以下三類:a.油束控制燃燒系統(tǒng)(圖5a)燃油噴嘴靠近火花塞近距離布置。噴油器安裝在氣缸中央,火花塞緊靠燃油噴嘴位于燃油噴束的邊緣。噴射時,噴油器直接把燃油射向火花塞的電極。該布置方式可使燃油混合氣能在有限的空間內(nèi)產(chǎn)生有效的分層,并可保證當(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,故這種混合氣形成方法被稱為“噴束引導(dǎo)法”。但由于火花塞與油束之間的距離過近,使得可供混合氣生成所需的時間太短,火花塞容易被液態(tài)燃油沾濕而造成積炭和點火困難,縮短了火花塞的使用壽命。同時,由于油束周圍可點燃混合氣的范圍較小,影響了著火穩(wěn)定性,故這種燃燒系統(tǒng)未能被推廣使用。b.壁面控制燃燒系統(tǒng)(圖5b)噴油嘴遠離火花塞的遠距離布置方式。噴油器被設(shè)置在進氣門一側(cè),相對應(yīng)的活塞凹坑的開口也指向進氣側(cè),火花塞布置在中間,采用具有特殊形狀的立式進氣道(圖8a),在進氣行程中吸入的空氣通過立式進氣道被強制沿氣缸壁向下流動,形成逆滾流,從而將噴射的燃油和蒸發(fā)的燃油送到火花塞附近。進氣道直立后,減少了進氣阻力,提高了充氣效率,從而使發(fā)動機功率得到進一步的增大。在這種燃燒系統(tǒng)中,活塞頂面通常被設(shè)計成弧狀的曲線形,并在其上開有小型的球形燃燒室,當(dāng)噴油器將油束直接噴射到燃燒室內(nèi)時,它就可借助于球型燃燒室凹坑壁面形狀并利用由立式進氣道產(chǎn)生的逆向翻滾氣流(圖8a),將燃油蒸氣導(dǎo)向火花塞,在火花塞間隙處形成合適濃度的混合氣。在壓縮過程中,擠流使逆滾流得到加強,有利于燃燒的進行。在燃燒過程后期,逆擠流使火焰?zhèn)鞑サ脚艢忾T一側(cè)。這種混合氣形成方式被稱為“壁面引導(dǎo)法”。目前三菱、豐田、Nissan等公司開發(fā)的機型均采用此燃燒系統(tǒng),如圖6為三菱GDI頂部帶有球形凹坑的活塞,如圖7為三菱GDI發(fā)動機中的燃油運動。c.氣流控制燃燒系統(tǒng)(圖5c)采用接近于臥式的水平進氣道,在缸內(nèi)產(chǎn)生順向的翻滾氣流(圖8b)。它仍然使用遠距離方式布置噴油器與火花塞,但是噴油器不再是直接將油束噴向活塞凹坑,而是對準(zhǔn)燃燒室的中心噴向火花塞(但不朝向火花塞電極),并利用缸內(nèi)有組織的氣流運動與油束相互作用,使發(fā)動機在大部分工況范圍內(nèi)都能實行恰當(dāng)?shù)某淞糠謱雍突旌蠚饩|(zhì)化,這種混合氣形成的方式被稱為“氣流引導(dǎo)法”。像FEV、AVL公布的一些開發(fā)方案采用的就是這種燃燒系統(tǒng)。5發(fā)動機的流場結(jié)構(gòu)對進氣行程和壓縮行程中缸內(nèi)瞬時流場的控制是GDI發(fā)動機研制中又一關(guān)鍵問題。原則上必須要滿足以下兩點要求:⑴從微觀上要求在氣缸內(nèi)具有高強度的紊流,以促進燃料與空氣的混合;⑵在宏觀上要求有控制的平均氣流流動,以適合生成穩(wěn)定分層混合氣。發(fā)動機中常采用的空氣運動形式主要有擠流、渦流和滾流三種,根據(jù)已發(fā)表的計算和試驗資料顯示,它們的運動變化對于混合氣的形成和發(fā)展有著很大的影響。a.擠流增大擠流強度可以明顯提高燃燒期火焰的傳播速度,縮短燃燒時間,而且擠流不會引起充氣效率的降低,受發(fā)動機負荷和轉(zhuǎn)速的影響也較小,曾一度是形成紊流的主要途徑。b.渦流其特點是在壓縮過程中持續(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;缺點是不利于油氣的混合,必須靠活塞頂部燃燒室束口或活塞頂上的特殊形狀,在上止點附近利用擠流與渦流相交,從而在燃燒室內(nèi)形成較強的紊流來促進燃油的蒸發(fā)混合,而且過強的渦流會把大油滴甩向氣缸壁,形成濕壁效應(yīng),不利于燃燒。渦流經(jīng)常是被用在由噴油引導(dǎo)的燃燒系統(tǒng)中。c.滾流其特點是存在著較大的速度梯度,便于油束的縱向引導(dǎo),在上止點附近有助于加強紊流強度,容易轉(zhuǎn)變?yōu)樾∫?guī)模的紊流來促進油氣混合。在壓縮沖程中滾流具有加速旋轉(zhuǎn)的特性,能提高近壁面氣流速度,從而促進壁面油膜的蒸發(fā)。但由于燃燒室的曲面導(dǎo)向作用,滾流往往容易衰減成大尺度的二次流結(jié)構(gòu),使得保持穩(wěn)定的混合氣分層變得困難,同時設(shè)計不當(dāng)也會造成火花塞間隙的平均流速過高而引起較大的循環(huán)變動。因而采用滾流為主的GDI發(fā)動機要比采用渦流為主的GDI發(fā)動機循環(huán)變動大。上述流場結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點,在實際的GDI發(fā)動機中都被采用或綜合利用。如三菱采用反滾流結(jié)構(gòu),豐田采用渦流結(jié)構(gòu),Yamada提出斜渦流,即渦流和滾流的綜合結(jié)構(gòu)。6sdi的排放性能GDI面臨的主要排放問題是UBHC和NO6.1燃燒與燃燒非織造材料的協(xié)同由于GDI油氣的混合主要是依靠噴霧和缸內(nèi)的空氣運動,與冷起動時的低溫關(guān)系不大,所以冷起動時無需過量供油,有效地解決了PFI冷起動時UBHC排放過多的問題。但是GDI在中小負荷的情況下,其未燃碳氫化合物的排放仍然較多。主要原因是:⑴GDI在此工況采用的是分層稀薄燃燒,燃油在壓縮行程后期被噴射入氣缸內(nèi),所需的霧化時間不足,油氣不能充分混合,在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生局部混合氣過濃。⑵大量的濃混合氣集中在火花塞附近,使得火焰在向周圍稀混合氣傳播時,因混合氣過稀而熄滅。⑶稀薄燃燒造成氣缸內(nèi)溫度偏低,不利于未燃碳氫化合物隨后的繼續(xù)氧化。⑷由于GDI發(fā)動機壓縮比較高,使得殘留在狹縫容積中的HC增加。⑸使用高EGR率導(dǎo)致燃燒變差。⑹目前GDI產(chǎn)品的燃燒系統(tǒng)主要采用“壁面引導(dǎo)法”,該系統(tǒng)噴霧容易與活塞頂和缸壁發(fā)生碰撞,而缸壁的溫度又較低,從而導(dǎo)致燃油在著火前來不及完全蒸發(fā),引起較多的UBHC排放。三菱公司采取二次燃燒早期激活催化劑及采用反應(yīng)式排氣管等措施來減少HC排放。兩次燃燒是指在發(fā)動機冷車怠速運轉(zhuǎn)時,除了在壓縮行程后期噴射燃油外,在做功行程后期再次噴射少量的燃油,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。當(dāng)排氣門打開后這一燃燒過程可以移至反應(yīng)式排氣歧管中,補充空氣,加速燃燒。采用兩次燃燒技術(shù),可很快達到催化器的起燃溫度,并通過反應(yīng)式排氣管可大幅度降低HC、NO6.2o部分負荷不使用egr時的no雖然GDI采用了稀薄燃燒技術(shù)而使氣缸內(nèi)反應(yīng)區(qū)的溫度下降(從NO目前,GDI對NO部分負荷不使用EGR時,GDI的NO目前在稀薄燃燒NO它的工作原理如圖10所示。當(dāng)發(fā)動機以稀混合氣工作時,其排氣中O(1)在富氧的氣氛下,通過下列反應(yīng)用吸附劑MO將NO(2)在貧氧的還原氣氛下進行分解和還原,