淺談基于汽油機缸內直噴技術的發展與排放研究論文
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,環境污染加劇,所以G D I技術的發展就是對排放控制必然的結果。因為汽油的燃燒效率低,所以各大汽車制造企業都在研究, 采用不同途徑來改進汽油的作功效率。
經過4 0多年的發展, 噴油器位于進氣岐管內的汽油噴射(PFI)發動機現被廣泛使用,其特點是:利用三效催化器的化學反應,稀有金屬鉑、鈀、銠等與CO、HC和NOx等進行氧化、還原作用,變成無害的H 2O 、CO2、N2氣體,排放到大氣中,從而達到降低污染的目的,該汽油噴射缺點是:燃油經濟性較差。針對上述技術的限制,工程師開發出GD I技術,該技術的優勢在于:在PFI技術的低排放基礎上, 同時兼備有柴油噴射的負荷高時,燃油經濟優良的特點;因此,近些年來,G D I發動機在高、中檔轎車上逐漸使用,隨裝車數量的增加,制造成本的下降,G D I發動機會成為主流技術的代表,得以廣泛應用。
1 GDI發動機特點
與傳統P F I的區別是:G D I發動機在壓縮沖程中,通過安裝在汽缸頂部的噴油器,將高壓的汽油噴人氣缸中, 汽油分子與缸內空氣充分接觸, 通過吸收進入空氣的熱量,得以蒸發;與P F I發動機的汽缸壁面吸熱相比,混合氣的溫度大為下降,因此,GDI發動機進氣狀況明顯改善, 發動機燃燒時的爆震現象也大為降低。GDI發動機在傳統P FI發動機基礎之上,在控制原理和發動機構造都采取方案優化, 從而實現了燃燒機理和混合方式得以改進,達到節能和減排。
2 缸內直噴發動機分類及混合氣原理
( 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)故又稱為FSI系統。FSI系統的誕生, 實現了汽油機能像柴油機一樣直接噴射燃油,并迅速混合點火燃燒。分層燃燒比傳統的P F I發動機的燃燒效率高,由于取消了傳統的節氣門, 實現了電子控制,節流損失也減少、發動機的升功率也得以提高。
F S I系統在進氣沖程時,電子節氣門開度處于較大位置,解決了節流損失問題,進氣時,關鍵部位是發動機進氣歧管中安裝一塊翻板, 翻板向上開啟, 關閉歧管下部, 讓進氣流在上部迅速通過,活塞頭部結構采用形,氣流在頭部運動,形成進氣渦流。噴油時刻在活塞到達上止點前4 5 °～ 6 0°的范圍內,噴射時刻與混合過程有密切關系, 汽油噴射到形凹坑位置,與進氣的旋渦氣流混合成可燃氣體。可燃混合氣形成的時間非常短, 大約為活塞運動角度4 0°～50°,若超過這個角度,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 ) 均質混合燃燒。
P R O CO( P r o g r amme Comb u s t i o nInjection)是個稀薄燃燒過程,最先由美國福特汽車公司研制成功, 其本質上也是均質混合方式, 是另一種缸內直噴類型。進氣岐管采用螺旋形, 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, 發動機的壓縮比可以提高到ε=15 ,過量空氣系數λ可以達到1 .6 ,因而在更廣泛的范圍內工作。
( 3 ) 均質稀薄燃燒。
該燃燒方式油氣混合時間更長, 通過發動機電控系統精確控制噴油器開啟時刻,點火時間可以選擇的范圍更寬,經濟性更高, 燃燒過程從火焰中心向周圍擴散至整個燃燒室, 點火時間的要求也比分層燃燒低, 因而均質稀燃的過量空氣系數λ 可以>1.1。
3 GDI發動機系統的結構
分層稀薄燃燒模式要求噴油時刻較靈活及油束霧化高質量,GD I發動機燃油供給系統分為高、低壓兩部分。低壓部分與P F I發動機相似, 在油箱內的低壓汽油泵輸送到高壓油泵,通過高壓共軌噴射系統(與柴油供給系統相似)再配合電控型的噴油器,實行缸內直噴的控制。高壓油泵通過發動機凸輪軸機構來驅動, 低壓的壓力約3 8 0 K p a 經過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發動機供油系統油路。
GDI發動機需要霧化更細、均勻的的混合氣微粒,除進氣渦流的氣流特別強外,對噴油器的結構和霧化質量要求也高。在氣缸內,燃油蒸發混合的時間很短,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,從燃燒的機理來看,整個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,通過直線和圓周兩向的運動,渦流型的混合氣更利于稀薄燃燒模式,提高燃油的經濟性。
4 GDI發動機燃燒噴射系統分析
4 . 1 系統概述
G D I發動機的核心技術是燃燒模式的.設計,發動機低負荷時,采用分層稀燃模式;高負荷時采用均質預混模式;依據噴油器、火花塞在氣缸蓋上的布置;可燃混合氣混合類型, 燃燒系統有三種形式。
4 . 2 進氣系統
缸內直噴汽油機的進氣系統包括熱膜空氣質量流量計、電子節氣門( E P C )、進氣歧管壓力傳感器、廢氣再循環(EGR)閥和進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布置, 火花塞安裝在噴嘴的旁邊, 這樣能滿足發生在燃燒室內的稀薄燃燒期, 火花塞周圍可以形成可供點火的合適混合氣濃度。福特、本田公司生產的某些發動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布置, 混合氣油束軌跡與優化設計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、日產等一些日本公司開發的機型。
(3) “氣流引導法”(flow-guided system)跟“ 壁面引導法”來比較, 噴嘴與火花塞位置也較遠, 依據氣流運動特性來滿足點火性能的要求,F E V、AVL公司研究的噴油系統就是這種方式。
5 GDI發動機所面臨主要技術難點的淺析
G D I發動機自身具有了柴油機的燃油經濟性,但由于柴油本身的特點:最合適的著火期有兩個:自燃著火期,初始著火點期,由于汽油采用點燃方式,火花塞的位置也是不變的,在一定的條件下,所以點火初始時刻也是不變的, 所以在汽油機中想要達到類似于柴油機那樣的工作方式時, 首先在不同工況下,混合氣濃度要求不同,工況變化時,混合氣濃度有一個平穩轉換期;另外,因為活塞在缸內的高速運動,不同位置的混合氣運動軌道也要的實行控制、調節。在火花塞周圍迅速形成可燃混合氣,GDI發動機要求有分層燃燒、稀薄燃燒模式控制,因此,圍繞著這些核心技術,總結出缸內直噴汽油機技術難點應主要有幾方面: ( 1 )燃油噴射系統的適應; ( 2 )油氣混合過程的研究;(3)燃燒系統的設計;(4)燃燒排放特性研究和控制。
為了實現燃油噴射微粒化和限制噴霧的穿透力形成較高質量的混合氣,燃油噴射系統在高速時應需提高系統本身壓力,同時縮短噴油嘴噴油的時間,以便明顯提高燃油的經濟性能,在低速時為了防止燃油聚集,應降低燃油系統的壓力,并同時延長噴油的時間。GDI的高噴射壓力要求使得汽油泵和發動機功率要求增加、汽油的潤滑性相對較差。因此, 開發適應性強、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技術問題。空氣與汽油混合的實質就是缸內流場和噴霧的相互作用,流場結構的實現和保持主要是通過燃燒室結構設計來進行,高質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動,當缸內流場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行考慮以確保穩定的點火。而對汽油噴霧和空氣的混合運動情況認識不足加大了這方面技術的開發難度。
6 GDI發動機燃燒技術的發展趨勢由以上的研究分析可知,GD I發動機的發展會面臨燃油經濟性提高、穩定燃燒的控制、性能可靠性以及排放的控制等這些技術難題的研究與解決,GD I發動機的技術在應用、發展上也主要圍繞這些核心技術問題來展開分析。
提高發動機的燃油經濟性,GD I發動機分層稀燃區域可以實現省油2 0%～2 5%,優化G D I發動機燃燒技術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發動機的燃油經濟性。HCC I技術(homogeneous charge compression ignition),也稱為均質壓燃技術, 是可以實現高效低污染的內燃機燃燒技術, 缸內直噴多段噴射是HC C I燃燒在車用發動機應用上更有前景,并更具可行性的方式。通過上述的技術途徑,GDI發動機在滿足排放要求的這個前提下,能夠很大地提高它的燃油經濟性。因此, 隨著目前燃油價格不斷上漲和碳氧化合物(CO)排放限值越來越嚴格,降低GDI發動機的廢氣排放使其滿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。
7 結語
雖然G D I發動機目前還面臨著很多技術難題, 高精度與很復雜的電控手段和設備也使得GDI發動機的制造成本變得昂貴,由于它良好的燃油經濟性和越發嚴格的排放法規要求以及現代電子控制、制造等技術的發展條件促使它的推廣應用速度迅速加快,社會的要求給GDI的發展提供了直接的動力,GD I發動機也會最終取代P F I發動機, 成為市場車輛的標準配置發動機。
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