（动力机械及工程专业论文）新型汽油机缸内直喷系统的研究与设计.pdf

浙江人学硕上学位论文 摘要 随着能源危机和环境污染问题的日益突出，改变传统汽油机的燃烧方式 以便获得更高的燃油经济性和排放水平已成为当今内燃机领域重大的研究 课题之一。汽油机缸内直接喷射技术自2 0 世纪9 0 年代以来所取得的研究成 果在上述方面展现出了巨大的优越性和潜在的优势，目前该技术已受到各国 重视，取得了巨大的进展。 本文围绕缸内直接喷射技术最核心的部分一一供油及喷射系统展开研 究，分析了汽油机直接喷射对供油及喷射系统的要求，创造性地提出了基于 高速开关阀的具有背压控制功能的喷射方案，并在原液压增压式供油系统的 基础上，提出了一套更简单而且供油更稳定的供油方案。通过实际搭建供油 及喷射系统，验证了供油系统能够持续稳定地提供1 0 m p a 以上的喷油压力， 研究了喷射系统的雾化特性、响应特性、开启压力以及流量特性等，最后在 改装的1 7 0 f 发动机台架上进行了喷射试验，考察了喷油脉宽对怠速稳定性 的影响以及喷油定时对小负荷排放的影响。试验结果表明，所提出的供油及 喷射系统方案能够使发动机怠速下较稳定地运行起来，喷油定时对n o x 排放 等的影响显著。 本文还设计了基于x c l 6 7 c i 及p c i 1 7 1 1 数据采集板硬件平台的试验用 控制及测试系统，该系统具有较大的灵活性和扩展性，目前己能满足试验需 要。 关键词：汽油机缸内直接喷射喷射系统供油系统控制系统 浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e e n e r g y c r i s i sa n de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o np r o b l e m sh a v i n gb e c o m e i n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t ，c h a n g i n gt h et r a d i t i o n a lg a s o l i n ee n g i n ec o m b u s t i o nt oo b t a i n h i g h e rf u e le c o n o m ya n de m i s s i o nl e v e l sh a sb e c o m et h em a j o rr e s e a r c hs u b j e c ti nt h e e n g i n ef i e l d g a s o l i n ed i r e c ti n j e c t i o n ( g d i ) t e c h n o l o g yb yi t sr e s e a r c hr e s u l t sa c h i e v e d s i n c et h e19 9 0 si nt h e s ef i e l d ss h o w st h et r e m e n d o u ss u p e r i o r i t ya n dp o t e n t i a la d v a n t a g e s n o wt h et e c h n o l o g yh a sr e c e i v e dn a t i o n a la t t e n t i o na n dh a sm a d et r e m e n d o u sp r o g r e s s b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h er e q u e s tt h a tg d im a d et oi t sf u e ls u p p l ys y s t e ma n d i n j e c t i o ns y s t e m ，a ni n j e c t i o np r o g r a m m ew i t hb a c k p r e s s u r ef u n c t i o nb a s e do nh i g h s p e e d s w i t c hv a l v e ，a n das e to fs i m p l e ra n dm o r es t a b l eo i ls u p p l yp r o g r a m m eo nt h eb a s i so f l a b o r a t o r y so r i g i n a lh y d r a u l i cp r e s s u r eo i ls u p p l ys y s t e mh a v e b e e nb o t hc r e a t i v e l yp u t f o r w a r d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n to nt h et r a n s f o r m e d17 0 fe n g i n ew i t ha c t u a l l yb u i l tf u e l s u p p l ya n di n j e c t i o ns y s t e m ，t h a tt h ef u e ls u p p l ys y s t e mc a np r o v i d es t a b l em o r et h a n10 m p ai n j e c t i o np r e s s u r eh a sb e e nv e r i f i e d t h er e s e a r c ho fa t o m i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ， r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c ，f l u xc h a r a c t e r i s t i ca n do p e np r e s s u r eo fn o z z l eh a sb e e nd o n e t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ee n g i n ec a ns t a b l yr u nu n d e rt h ei d l ec o n d i t i o na n dt h e i n j e c t i o nt i m i n gh a sa l li m p o r t a n ti m p a c to nn o xe m i s s i o n se ta 1 i nt h i sp a p e r , ac o n t r o la n dt e s ts y s t e mb a s e do nt h ex c16 7 c ia n dp c i - 1711h a r d w a r e p l a t f o r mh a sb e e nd e v e l o p e d ，t h i ss y s t e mh a sg r e a t e rf l e x i b i l i t ya n ds c a l a b i l i t y , a tp r e s e n ti t h a ss a t i s f i e dt h ed e m a n d so fe x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：g a s o l i n ee n g i n ei n - c y l i n d e rd i r e c ti n j e c t i o ni n j e c t i o ns y s t e m f u e ls u p p l ys y s t e mc o n t r o ls y s t e m i i 学号2 q 鱼q 墼3 鱼 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：l 蜀玄慑 签字日期： 2 。谚年衫月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝望盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学雠文储躲闺素，匮 翩繇7 伴 签字日期：。暗年月专。日签字同期：加。苫年月岁。日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：东莞力宇燃气动力有限公司 通讯地址： 东莞市虎门镇新安大道8 8 号 电话：13 6 5 6 6 8 2 4 6 5 邮编：5 2 3 9 3 5 浙江太学硕学位论文 第一章绪论 1 1 能源与环境的时代背景 众所周知，石油足一种不u 丁再生的能源，2 0 0 6 年全球石油剩余探明储量 为1 8 0 49 0 亿吨，根据英国石油公司2 0 0 7 年8 月份公布的世界能源统计 计估，按照目前的消费速度，这些全球已探明石油储量仅仅能够使用4 0 年。 从世界主要发达园家的能源消费结构u j 以看出，石油基本上是各国的主要能 源，一般占各国能源消费的3 0 4 0 ，有些国家甚至超过了5 0 。而且随 着各国经济的迅猛笈展，对石油的需求不断走高。 就我国而言，找国的石油储量并不丰富，人均剩余可采储量约占世界石 油平均值的68 ，而总消费量却占世界58 ，排在世界第三位”j 。随着中 国一系列发展战略的实施，未来2 0 年仍将是中国经济增长的关键时期据 估计，未来石油需求量年均递增1 2 ，石油消费量年均增长66 6 。与此同 时，中国对外石油依存度也在不断提高，2 0 0 5 年和2 0 0 6 年分别为4 29 和 4 7 ，预计2 0 1 0 年和2 0 2 0 年的石油对外依存度将分别为5 0 和6 0 。 图1 1 和图1 2 分别是1 9 9 8 年2 0 0 5 年中国石油消费量和中国原油对 外依存度走势罔【” m l n q 严互f 互参荔 _ * _ w 一k 罔1 11 9 9 8 年一2 0 0 5 年l 】幽石油消费量止势斟 o m 中蠹t i ti i i r4 _ i 乏莨莨莨庄自 i “f 4 a r a , m i l t l l t o 图1 22 0 0 0 年一2 0 0 5 年中国原油对外依存度走势 浙江大学硕1 ：学位论文 能源危机的出现和全球汽车工业的发展有着紧密的关系。统计显示， 2 0 0 6 年中国汽车保有量达到4 9 8 5 万辆。中国汽车的汽油消费量约占汽油生 产量的8 6 ，汽车消费的柴油约占柴油生产量的2 4 。中国汽车保有量的 增加是是中国能源需求增长的重要原因之一1 4 j 。 全球汽车保有量的大量增加所带来的另一个严重问题是加剧了环境污 染【5 1 。汽车排放尾气、曲轴箱窜气中含有大量的h c 、c o 、n o x 、硫化物、 苯并芘以及固体颗粒等。其中，c o 、h c 和n o x 是主要的排放物，这些污染 物对人体具有很大的危害，c o 极易与人体中血红蛋白结合，削弱血液向各 组织输送氧的功能，危害血液循环系统；h c 能使人体致癌，还会刺激人的 眼睛、耳朵造成感官功能障碍；n o x 可直接损害人的呼吸系统，进而引起中 枢神经障碍；h c 和n o x 在大气中受强烈太阳光紫外线照射还能产生光化学 烟雾，形成第二次污染，历史上臭名昭著的伦敦光化学烟雾事件就是这样造 成的。此外，s 0 2 和c 0 2 还能分别造成酸雨和产生温室效应。 为了减少汽车排放造成的环境污染，世界上主要国家和地区都纷纷制定 了严格的排放法规，见表l 一21 6 】，并不断提高对汽车排放的要求。 表1 2主要国家和地区汽车尾气排放法规执行情况及未来计划 国家或地区捧放、油耗法规2 0 0 2 年以前2 0 0 3 年2 0 0 4 年2 0 0 5 年 2 0 0 6 芷 2 0 0 7 年以后 啊e t l 1 k 1 2 导入完成 髓a 美国环境保护厅 ( 1 9 9 蚰1 v )2 0 1 0 m y ) c a r b ( 加利福尼受 工e v iz e v 0 晚法规强化 美目 大气资簿局)( 1 9 9 4 m y )( 2 0 0 5 m y )( 2 0 0 6 年) 导人强化标准强化标准计角 c 帆法规 ( 1 9 7 5 年)( 2 5 盯y )( 2 0 0 蝴r ) 薪车舞 e u m b m 埔 f a l r o v 欧谰 ( 2 0 0 0 年)( 2 0 l o 年) e u m e u m 适用 n 蚰v 薪壁记车辆 ( 2 0 0 1 年)( 2 0 0 6 年)( l t 年) 新短期捧放法规 导人 日本新长期捧披怯规 t 新长期排放法规 草案发布 第一阶段 第三阶段 中国国家捧放法规 第二酚段 ( 2 0 0 1 年) ( 2 0 0 7 年) e u 印度欧洲捧技法规h f a r o i 少 开环控制 或 闭坏控制 g ( a ) 传统汽油机扭矩调节( b ) g d i 部分负荷工况扭矩调节 电 ( c ) g d i 全负荷工况扭矩调节 图1 5传统汽油机、g d i 发动机扭矩控制示意图 三菱汽车公司所开发的4 g 9 3 发动机在扭矩控制上最有代表性。如图1 6 所示，表示了不同控制模式扭矩和转速的大致范围。为了进一步降低分层稀 燃的排放程度，同时更好地协调两个基本的工况模式之间的过渡，三菱新型 g d i 发动机还采用了二次混合技术。所谓二次混合是指在进气行程中先喷入 所需燃料的四分之一形成极稀的均质混合气，在压缩行程后期再次喷射，形 浙江大学硕卜学位论文 成分层混合气，这样，在火花塞点火之前缸内混合气形式为超稀均质混合气 和较浓的分层混合气。当火花塞点火时，首先在浓混合气形成较强的火焰， 迅速向稀混合气空间传播，由于火焰较强，可点燃稀混合气，而稀混合气的 燃烧又会反射，促进浓混合气的再次燃烧，使燃料充分燃烧，这不仅减少了 积碳的产生，如图1 7 所示还可将压缩比由原来的9 5 提高到1 l ，输出功率 提高1 0 。 暑 簋 骚 辑 裂 霸 暴 黎 铽 发兹机转速 图1 6三菱4 g 9 3 发动机两种不同控制模式 图1 7三菱二次混合g d i 发动机扭矩特性 2 燃烧系统 燃烧系统的设计较复杂，既要保证大负荷的均质预混，又要兼顾中小负 荷的分层稀薄儿忆j 。根据喷油器和火花塞的位置关系和混合气的组织方式不 同，常见的g d i 燃烧系统可以分为以下三种： a 近距离喷束引导型( s p r a y g u i d e d ) ，如图1 81 1 3 】a 所示，这种方式 火花塞和喷油器的位置很近，位于燃油喷束的边缘，即使整个燃烧室内为稀 薄混合气，火花塞周围仍能形成可供点燃的混合气浓度，如f o r d ，h o n d a 生 6 湖大学砸i 论女 f 霈陲鼷 三二：i ：兰! lj 一7 i 一一一：r i 一“5 产_ 。产_ _ j _ 曼 h 进气形成较媸的进气涡流，燃油在进气行程的后期通过喷油器卣接喷入气 缸，从而在气缸内部形成易f 点燃的浓混台气，从j 至f 形成【l j 浓刮稀的分 层混合气。研究表明，这种分甚状态可以维持到压缩行程的未期。 本田汽车公叫成功地在一台4 气门发动机上通过可变进气系统( v t e c e ) 实现r 轴向分层燃烧系统，其窄燃比达到2 2 ：1 ，部分负荷时燃油消耗奎降 低1 2 ，全负荷时采用理论窄燃比配合e g r ，同时采用三效催化转换器，最 大功率时将空燃比控制在1 25 ：1 。 3 缸内流场 在进气冲程与压缩冲程t z ，瞬奄缸内流场是g d i 系统的又 关键因素。 不管是哪种类型的燃烧系统，在形成分层混台气时，以一种气流运动为主， 都不同程度的应用了各种类型的气流运动。g d i 系统中运用的气流运动形式 主要有涡流、滚流两种。 ai 菱g d i 系统逆滚流b 丰田g d i 系统涡流室 图1 1 0g d i 系统典型流场应用 滚流的特点是速度梯度较大，便于油束的纵向引导在上止点附近有助 十加强紊流强度，容易转变为小规模的紊流米促进油气混合在压缩冲程中 能加速靠近擘面处流速，有利于壁面油膜的蒸发，但是设计不当有时会造成 火花塞间隙的平均流速过南而引起较人的循环变动，它常用丁远距离方式组 织混台气的燃烧系统中。在已开发的g d i 系统中，利用滚流的典型例子是三 菱开发的4 g 系列发动机“，如图1 - 1 0 a 所币，但是该发动机滚流与传统多 点喷射( m p i ) 发动机滚流形式又有不同，m p 采用的是顺滚流，而该发动 机采用了逆滚流。 涡流的特点是持续时问长，在缸内的径向发散少对保持混台气的相对 集中和分层有力，但它不利于油气的混合，往t = ： = 要结合挤流束促进燃油的蒸 发混合，而且涡流强度太大时会把人油滴甩向缸畦，造成壁湿现象，导致燃 浙江大学硕上学位论文 烧不充分。在已开发的g d i 系统中，应用涡流的典型例子是丰田d 4 系列发 动机，如图1 1 0b 所示，该系统包括两个螺旋气道和两个直立气道，在直立 气道的上游装有一个直流电机驱动的涡流控制阀( s c v ) ，用于产生和发动机 工况相适应的涡流比，配合活塞顶上的渐开线型燃烧室，形成分层混合气。 4 尾气处理系统 g d i 发动机在改善排放上有潜在的优势，由于g d i 发动机在部分负荷时 采用分层稀薄燃烧，理论上来说，燃油可以燃烧的更充分，从而降低h c 、 c o 、颗粒等排放物；而且，分层稀薄燃烧时，虽然处于富氧的环境下，但是 缸内温度较低，不利于n o x 的生成，n o x 的排放也会很低。但是实际上， 由于目前技术还不能将混合气的燃烧过程控制很好，未燃h c 和n o x 的排放 仍然比较高。 n o x 的生成主要是因为在充量分层的局部较浓区域，反应温度仍然很 高，加上处在富氧的环境下，n o x 便很容易生成。由于传统的三元催化转化 剂只能用在混合气接近理论空燃比的条件下，不能用在稀燃的系统中，所以 在g d i 系统中，目前主要是采用废气再循环( e g r ) 和稀燃选择还原型n o x 催化器来降低n o x 排放。 由于g d i 可实现超稀薄分层燃烧，较稀的空燃比使得缸内的富裕氧气较 多，从而允许使用高的e g r 率，充分降低n o x 排放量，又不会对燃烧状况 造成太大的影响。有试验表明【1 5 】【1 6 1 ，在燃油经济性保持不变的情况下，g d i 的e g r 可高达4 0 ，而当e g r 率为2 0 、空燃比为3 8 时，n o x 排放最大 能够降低9 0 。虽然如此，但e g r 始终还是不能在整个发动机转速负荷范 围内减少n o x 排放量，所以单靠e g r 是不能满足更为严格的e u r oi i i 和 e u r o i v 排放法规的，进一步降低n o x 排放就必需开发在稀燃条件下的n o x 催 化转化技术。 1 2 2 国外g d i 发展趋势 尽管国外g d i 系统在技术上已经接近成熟，而且从2 0 世纪9 0 年代投入 市场以来也经过了实际应用的考验，但是，g d i 并没有完全展示其潜在的优 势，还有待进一步研究。目前，国外g d i 的研究方向主要有以下两个方面： ( 1 ) 排放后处理系统研究1 1 。7 】 正像前文所分析的那样，由于传统的三元催化转化技术不能用在以( 超) 稀燃为目标的g d i 发动机上，所以解决n o x 和h c 排放便成为g d i 发动机 发展过程中的一个技术难题，同时这也是影响以分层稀燃为目标的g d i 发动 机量产的主要障碍之一。 目前，对应用在稀燃条件下的n o x 催化转化技术进行了很多研究 9 浙江大学硕1 ：学位论文 1 1 8 】【1 9 】1 2 0 1 ，这些技术大多数是采用吸附还原的原理，利用化学物质在富氧的条 件下，经催化剂的催化作用，与n o x 发生反应，以硝酸盐的形式将其存储起 来，然后在缺氧的条件下，将其释放还原。所使用的催化剂主要是p t ，存储 n o x 的成分主要是碱金属、碱土金属或稀土金属。 n o x 储存还原催化技术有很高的转化效率，在稀薄燃烧的条件下，其对 n o x 的转化效率可达到9 0 以i - - 1 2 1 1 ，同时可对h c 和c o 进行很好地转化。 它的缺点就是受燃油中的硫含量影响很大，随着硫含量的增加，其净化性能 会急剧下降。目前，稀燃催化转化技术尚在进一步研究中。 ( 2 ) 燃烧方式发展趋势 前面所讲的都是以分层稀燃为目标的g d i 发动机，这也是g d i 发动机 的主要类型。这种发动机在展现巨大的潜在优势的同时，也遇到了一些问题： 所需的稀燃催化剂尚未成熟，因而造成n o x 排放高，分层稀燃混合气控制难 度很大，中小负荷未燃碳氢较高等。 鉴于分层稀燃g d i 存在上述问题，从2 0 0 0 年以后，欧洲开始采用均质 混合气和理论空燃比( 均质当量比) 为特征的技术路线。这条技术路线的难 点是要在很短时间内形成均质混合气，进气冲程中喷射燃油容易润湿缸壁， 造成h c 排放升高。另外为了降低冷启动排放，在这种均质当量比g d i 发动 机中，分层混合气燃烧策略仍有价值，尤其在冷起动阶段，采用分层混合气 燃烧有助于催化剂快速起燃。比如丰田汽车公司新开发的3 5 升v 6 理论空 燃比缸内直喷汽油机，在冷起动阶段采用分层燃烧方式，与进气道喷射汽油 机相比可以将催化剂工作温度提高约5 0 0 ，取得了大幅度降低h c 排放的 效果。 2 0 0 3 年，欧洲新开发并上市了5 款轿车g d i 发动机，其中3 款采用均 质当量比燃烧模式；而同年日本新开发并上市的4 款轿车g d i 发动机仍然采 用分层稀燃燃烧模式。2 0 0 5 年，欧洲新开发并上市的7 款轿车汽油机中有4 款是g d i ，日本新开发并上市的8 款轿车汽油机有2 款是g d i ，这6 款g d i 全部采用均质当量比燃烧方式。 综上所述，尽管均质当量比g d i 节油效果不如稀燃g d i ，但通过与其它 先进技术相结合，也能获得显著的节油效果，因而成为目前国际上g d i 发展 的主流。 1 2 3 国内g d i 研究现状 国内在g d i 领域的研究较晚，目前也取得了一些成就。吉林大学罗滇生、 钱耀义等对二冲程汽油机半直接喷射进行了试验研究2 3 1 ，结果表明喷油时刻 对降低燃油消耗率影响很大，发动机在全负荷时的燃油消耗率下降显著；西 1 0 浙江人学硕j ：学位论文 安交通大学赵慧、周龙保等在e q 6 1 0 0 汽油机上进行了直接喷射试验1 24 1 ，获 得了良好的动力性能和经济性能，部分负荷下可以在空燃比为3 0 时稳定工 作，并有良好的排放指标；清华大学王建听、王燕军、帅石金等对两段喷射 直喷式汽油机燃烧系统的混合气形成规律和控制策略进行了研究1 2 引，研究表 明，两段喷射有助于混合气的形成，从而简化燃烧系统的设计，两段喷射及 其之间的比例均存在最佳值；西安交通大学高剑、蒋德明等利用修正的多维 流体力学计算程序k i v a 3 v 对三菱典型g d i 系统部分负荷下燃油喷雾和分 层燃烧进行数值模拟，计算结果表明1 2 6 ，喷油器位置、缸内逆向滚流强度以 及喷油时刻对燃油分层模式、点火过程以及燃烧特性都有显著影响。大连理 工大学蒋坚、高希彦利用改造的柴油机轴针式喷油器搭建了一种“共轨+ 阀+ 嘴”的喷油系统1 1 7j ，并进行怠速试验，如图1 1 1 所示，试验结果表明该系 统与化油器式发动机相比，怠速工况下燃油经济性有所提高，n o x 排放有所 下降，h c 排放有较大程度下降。上海交通大学胡军军、西安交通大学周龙 保等利用柴油机多孔式喷油器在改造的t y l l 0 0 单缸柴油机上进行了缸内直 喷全负荷工况下燃用化学计量比混合气的试验【3 引，研究结果表明：燃油消耗 量将低6 ，u b h c 排放降低31 ，n o x 排放降低1 0 。 国家在“十一五”期间，也大力支持汽车节能减排技术的发展，把“轿 车直喷汽油机( g d i ) 开发”作为“8 6 3 ”项目的一个重要课题，拨款2 4 0 0 万，拟在2 0 1 0 年前开发出排量1 5 l 、燃油消耗率较同级进气道喷射( p f i ) 发动机降低1 5 、动力性提高1 5 、排放满足国标准的轿车直喷汽油机。 目前，承接该项目的有关企业和高校已经取得了一定的成果，一汽技术中心 已经开发出直喷的机型。 g 1 矾i - i t , l 铲 峨l 铲 图1 - 1l 改造的缸内直喷系统与化油器发动机怠速工况下的性能比较 浙江人学硕上学位论文 1 3 本课题研究内容 根据前面对g d i 发动机优点、发展前景以及国内研究现状的论述，说明 了开展对汽油机缸内直接喷射技术的研究具有重大的现实意义。在这种背景 下，实验室凭借液化石油气( l p g ) 缸内直接喷射技术的积累，从实际出发， 选取了汽油机缸内直接喷射( g d i ) 最关键的部分一一燃油喷射系统作为研 究的课题。 具体来讲，本课题研究内容有以下几个方面： l 、分析了汽油机缸内直喷对燃油喷射系统的要求，讨论了直喷式柴油 机燃油喷射系统的工作特点及其对汽油机直喷的借鉴性； 2 、设计并实际搭建了一种液压增压式供油系统以满足所要求的喷油压 力。 3 、在实验室现有的条件下，对传统喷油器进行改装，使其满足汽油机 缸内直接喷射的要求；通过数值计算、试验标定等方法定性定量地分析论证 这种喷油器的雾化性能、流量特性以及响应特性等； 4 、设计一套能够满足台架试验需求的控制系统，该系统应具有较好的 灵活性，以适应试验方案的不断改变； 5 、在搭建的试验台架上进行试验验证，主要通过考察发动机怠速稳定 性及小负荷工况下排放来验证所开发燃油喷射系统应用于缸内直接喷射系 统的可行性；探讨该燃油喷射系统的优点及存在的不足，并对下一步工作提 出建议。 1 2 浙江大学硕l 学位论文 第二章燃油喷射系统的研究与设计 2 1 供油系统与喷射系统研究 2 1 1 缸内直喷燃油喷射系统的发展 近年来，无论是传统的汽油机，还是燃用代用燃料的新型发动机，都在 寻求通过将燃料直接喷入缸内改善发动机的性能，使发动机具有更高的燃油 经济性和排放水平。燃料直喷改变了油气混合的机理，一方面，将燃料直接 喷入缸内理论上可以像柴油机那样，取消进气节流效应，实现扭矩的质调节， 使发动机实现稀燃，大幅度提高燃油经济性；另一方面，可以降低c 0 2 等温 室气体的排放以及具有降低n o x 排放的潜能；而且在冷启动的工况下，由于 油气的混合主要是靠喷油雾化来实现，基本不受燃烧室温度低的影响，因此 不必喷射过浓的燃油，有效降低了未燃h c 的排放。 由于柴油机缸内直接喷射技术发展比较早，它对其它燃料缸内直接喷射 技术的发展起到了引导和促进的作用。各种燃料缸内直接喷射的方式也主要 采用了像柴油机那样通过提高喷射压力的方式使燃油获得很好的雾化。目 前，柴油机高压共轨系统可以将喷射压力从原来机械泵的4 0m p a 7 0 m p a 提 高到1 8 0 m p a 以上；汽油机缸内直接喷射系统( g d i ) 可以将进气道喷射的 4 0 0 k p a 提高到4 m p a 1 3 m p a ；液化石油气( l p g ) 缸内直接喷射系统所需喷 射压力比g d i 稍小，约在5 1 0 m p a 弱j 。 对于高压喷射的缸内直接喷射系统，燃油喷射的效果直接决定了燃烧效 果，进而决定发动机的整体性能。因此，作为缸内直接喷射发动机最重要的 技术组成部分，燃油喷射系统的开发显得尤为关键，它的发展程度客观上决 定了缸内直接喷射技术的发展水平。 就汽油机缸内直接喷射( g d i ) 系统而言，它的燃油喷射系统的发展可 以分为两个阶段： 早期的g d i 是采用与柴油机样的泵一管一嘴喷油系统，如f o r d 公司 的p r o c o ( f o r dp r o - - g r a m m e dc o m b u s t i o ns y s t e m ，如图2 1l ”j ) 系统。这 种系统一般能提供1 2 m p a 3 5 m p a 的喷油压力，但是由于汽油比柴油粘度小 得多，如此高的压力反而会使油滴的贯穿度过大，造成壁湿现象，导致排放 比较严重。尽管如此，该机型1 9 7 8 年的试验数据表明，排放已经达到当时 美国加州的排放法规，而且，燃油消耗比当时分隔式燃烧室柴油机的油耗还 要低。 * 1 砸”学位论女 从 直列泵喷嘴 电子控制器 图2 一lf o r dp r o c o 早期类柴油机燃油喷射系统 随后，德国b o s c h 公司提出了g d i “共轨”喷射的概念( 如图2 2 l 砷1 ) 并率先开发出了用于汽油机缸内直喷的径向柱塞式高压油泵和旋流式喷油 器，如图2 - 3 2 9 1 , 这种喷射方案的提出为汽油机缸内直接喷射( g d l ) 的发 展指明了一条光明的友展道路。之后，日本、德国及美国等并人汽车公司纷 纷推出了类似方案的g d i 机型。 i 扩1 8 轻黧。 图2 - 3b o s c h 公司开发的g d i 喷嘴与高压油泵 浙江太学硕学位论文 目前，“菇轨系统 电磁弓9 f 动喷油器”的方案仍然被认为是满足缸内灵活 喷射要求的最成功的g d i 燃油喷射方案，j 以往不同的是，依赖于现代强大 的设计工具咀及先进的制造技术，艿轨系统和喷油器的设计更加合理。如图 2 4 所示是mp o n t o p p i d a n 等在文章中删介绍的一种现代g d i 共轨喷射系 统，从图中，我们可以看出，新的g d i 共轨喷射系统结构更力u 紧凑，合理， 所使用的零件更少。 圈2 - 4现代g d i 菇轨喷射系统 以上介绍的直喷系统由于需要较高的喷射压力我们可以称之为高压喷 射，事实上，在g d i 发展的历程中，还出现另外种g d i 喷射方案，即低 压空气辅助喷射。低压空气辅助喷射使用常规的进气道喷射用的喷油嘴，将 汽油喷射进个空腔内，然后打开电磁阀让压缩空气冲进空腔，并压开空 腔未端的筒形阎，使空气和汽油齐冲入汽缸，这种方式喷雾的油滴直径小 于高压喷射系统只有1 0u m 左右，但是由于需要j j 到空气压缩机，所以很 少被采用，只有澳犬利亚的奥比特公司在底特律汽车工程师协会( s a e ) 的 1 9 9 6 年年会中展出台该系统的啊冲程直喷汽油机。后柬，a v l 公司在此基 础上发展了种混合气直喷系统( d m i ) 如罔2 5 所示，这种系统肯有一 个混合室，经电磁阀与燃烧室相通混台事先在压缩冲程被充气，然后，汽 油被喷入混合室内t ，宅气初步混合，在f 一个 ：作循环的适当时刻，被初步 混合的油和气冲入气缸。这个系统避免了使用窄气压缩机，但可靠性和效果 有待于进一步研究。 浙江人学硕上学位论文 控制迸油 气- 油混合钧 台气进入 图2 5a v l 公司的d m i 缸内直喷系统 对于高压汽油直接喷射和低压空气辅助喷射两种喷射方案来说，孰优孰 劣，学者们往往是拿不同类型的发动机上的试验结果进行比较，这种比较方 式是不够严谨的。c o s w o r t h 技术公司的m i k ef r ) ，等人曾经在同一个专门设计 的发动机( 只是采用不同的缸头、活塞) 上进行过空气辅助喷射和高压汽油 直接喷射的试验比较【3 。试验结果表明：低压空气辅助喷射比高压汽油直接 喷射具有更高的燃油经济性，而且全负荷和部分负荷时综合排放水平也较 高。因此，混合气直接喷射的方案还是有必要进一步研究的。 2 1 2 直喷对供油及喷射系统的要求 就高压喷射系统而言，由于燃油喷射压力的提高，传统的燃料供应系统 和喷射系统已经不能胜任，这就给新型的发动机供油系统和喷射系统提出很 多的要求。 其中，供油系统作为高压燃油的来源，应首先具备一套高压产生装置， 能够持续产生稳定的高压油，而且油压的高低便于调节，以适应不同工况的 喷射要求；其次，供油管路应具备足够的耐压能力，而且由于汽油的润滑性 和粘度均比柴油差，精密偶件的润滑和密封问题非常重要；再次，管路的结 构设计应具有良好的流体动力学性能，不致产生压力波动等问题，需要采用 先进的设计和制造技术；最后，供油系统的结构要尽量紧凑，以节省空间， 而且要和发动机其它部分合理配置，以获取最优的效果。 从喷射系统来看，喷射的效果主要是由喷油器决定的，因此对喷射系统 的要求也就等于对喷油器的要求。具体来讲，缸内直接喷射用喷油器应该满 足以下条件3 2 】1 3 3 j ： ( 1 ) 良好的雾化特性 从雾化的角度来看，完全蒸发的燃油可使燃烧过程更加迅速并能将h c 1 6 浙江大学硕士学位论文 排放控制在所要求的范围内。有研究表吲3 4 】，当汽油液滴直径为8 0 u m 时， 在压缩状态下蒸发需要1 0 多毫秒的时间，对应于发动机转速为1 5 0 0 r m i n 时的1 0 0 多度曲轴转角：相比之下，当液滴直径为2 s p i n 时，蒸发只需要几 毫秒，对应于1 0 多度曲轴转角。由此我们可以得出结论，对于g d i 发动机 来说，提高喷雾的水平是实现良好混合气的最主要手段。现在的g d i 发动机 一般要求喷油器能够在4 m p a 1 3 m p a 的喷油压力下，使油雾的索特平均粒 度s m d 2 5 1 j m ，9 0 的燃油粒度不超过4 5 9 m t ”j 。 ( 2 ) 稳定精确的流量特性 喷油器除了决定喷油的雾化效果之外，还担负着控制喷油量的任务。一 方面，缸内直接喷射的时间较短，特别是在部分负荷下，由于实行迟喷，即 在压缩行程后期喷射，喷射时刻离点火时刻很近，要想在这么短的时间喷射 足够多的燃油，喷油器的喷油率应该比较大，这就要求喷孔的截面积较大， 但是喷孔的截面积太大反过来又会影响喷油的雾化效果，形成矛盾；另一方 面，喷油的流量应该比较稳定，尽量与喷射压力呈简单的线性关系，而且受 温度、气流的影响小，这样控制起来比较精确。 ( 3 ) 其它要求 除上面两条之外，喷油器的响应性和重复性要好。因其工作特点，要能 够承受高达1 0 m p a 的工作压力，而且不发生积炭、滴油等现象。最后，在满 足以上要求的同时，喷油器的寿命要尽可能长。 目前，市场上主流的g d i 喷油器是内开式高压旋流喷油器，这种喷油器 的头部设有一个涡流腔，通过该腔可产生一股强涡流，不但可以对喷油嘴喷 孔起到自洁作用，而且可以使喷束的一部分动能转化为水平的旋转动能，从 而降低油束的穿透度，避免其沾湿活塞和缸套壁面。图2 6 所示即旋流型喷 油嘴的结构示意图【1 3 儿17 1 。 图2 6内开式高压旋流型喷嘴结构图 1 7 浙江大学硕上学位论文 2 2 直接喷射系统设计 2 2 1 喷射方案的设计 目前g d i 广泛采用的燃油喷射方式是“共轨系统+ 电磁驱动喷油器”高 压喷射的方式，本系统采用的方案与此有所不同。其中，供油系统是基于液 压增压的原理设计的，具有共轨的特点，详细的介绍请参考2 3 节；喷油器 也并非当前主流的g d i 喷油器，这是因为国内少见的g d i 机型多是国外的 技术，g d i 喷油器作为关键的配件在市场上难以买到，而实验室自行开发的 难度比较大，几乎是不可能完成的，在这种情况下，本系统结合自身特点选 用了柴油机普通p 系列喷油器，并对其进行改装，加装高速开关阀。所以， 就整个燃油喷射系统来说，可以说是“液压增压式( 共轨) 供油系统+ 高速 开关阀+ 喷油器”的方式，其原理更像是第二代柴油机电控共轨系统。下面 对本系统做详细介绍。 ( 1 ) 喷油器改装 图2 7 所示是本试验系统选用的原喷油器的内部结构和工作过程示意 图。 叟9 卜回油管螺栓2 一调压螺钉护帽3 调压螺钉4 一垫圈5 一调压弹簧6 一顶杆 7 一喷油泵体8 一紧固螺套9 一定位销1 0 一针阀1 l 一针阀体1 2 - 喷油器锥体 1 3 - 油道1 4 一进油管接头 图2 7柴油机p 系列多孑l 喷油器及其工作过程示意图 浙江人学硕上学位论文 这种喷油器为闭式喷油器1 3 6 1 ，主要用于缸内直喷式燃烧室，喷孔数目一 般为l 一8 个，喷油嘴的喷油孔直径为o 2 r a m 一0 4 r a m ，喷雾角为1 4 0 钆1 6 0 0 。 在不工作时，装在油泵体上部的调压弹簧5 通过顶杆6 使针阀紧压在针阀体 的密封锥面上，将喷孔关闭；当喷油泵工作时，输出的高压柴油从油管接头 进入喷油器体7 和针阀体1 1 中的油道而到达针阀的环形空间高压油腔， 压力油作用在针阀的承压锥面上，形成了一个向上的轴向推力，当压力升高 到足以克服调压弹簧的压力时，针阀向上升起，针阀的密封锥面离开阀座， 打开喷孔开始喷油。喷射开始时的喷油压力取决于调压弹簧的预紧力，而调 压弹簧的预紧力可通过调压螺钉调整。当喷油泵停止供油时，高压油管内的 压力迅速下降，针阀在调压弹簧的作用下迅速回位，关闭油孔，停止喷油。 其中针阀1 0 、针阀体1 1 是- - 虿, j 精密偶件，针阀上部的导向圆柱面与针 阀体是高精度的滑动配合，其配合间隙约为o 0 0 2 0 0 0 4 r a m ，既能保证针阀 自由移动，又防止发生泄漏而使油压下降。为了使针阀的上端面不受高压柴 油的作用，以免针阀升不起来，针阀体与喷油器体的接合端面也要严密配合， 在加工时二端面要研磨。 在本系统最初的设计中，我们采用一个二通开关阀来控制高压油路和喷 油器进油管之间的通断，在试验过程中发现当切断油路时，喷油器存在滴油 现象，导致喷油量的计量不准确。结合前面对喷油器工作过程的分析，我们 认为有两个原因：一个是由于针阀的开启压力太低，当高压油管中即使存在 很低的残压，也会导致针阀的跳动；另一个是由于喷油压力太高，开关阀在 断电时，弹簧力不能立刻克服油压而回到阀座上，导致针阀处于半开启状态， 高压油便从油孔中渗出来。 为了在喷油结束时使针阀迅速关闭，对喷油器进行了进一步改装，增加 了背压控制功能，改装后的喷油器使用了一个二位三通的高速开关阀。由于 不能改变原喷油器的内部结构，便将喷油器回油管螺栓去掉，安装一个特殊 的接头，该接头是中空的，一端与喷油器体的弹簧腔相连，另一端通过高压 油管连接到高速开关阀，并和该开关阀一起组合成完整的喷油系统。 新系统所用的高速开关阀是贵州红林机械厂与美国b k m 公司历时三年 多合作开发的h s v 系列二位三通阀，该阀具有结构简单紧凑、响应速度快、 重复性好、抗污染能力强及寿命长等特点。目前该阀已投放国际市场，并广 泛用于内燃机电子燃油喷射系统中。图2 8 所示是厂家提供的该阀的内部结 构原理副3 7 j 。从图中可以看出，该阀包括进油口、出油口和回油v 1 。常态下， 即当线圈不通电时，供油球阀7 在供油口和回油口压差的作用下向左运动， 最终紧靠在供油阀座的密封座面上，使供油口与控制口断开。在供油球阔左 移的同时，通过分离销的作用推动回油球阀5 使离开其密封座面，此时控制 1 9 浙江大学硕士学位论文 口与回油口接通，控制口为低压；当电磁阀通电时衔铁l 产生的电磁推力 通过项杆和分离销6 使回油球阀5 与供油球阀7 一起向右运动，直到回油球 阀靠到其密封座面上。此时回油球阀5 关闭，供油球阀7 打开，控制口为高 压。 1 一衔铁2 一线圈 3 一极靴4 一阀体5 一回油球阀6 一分离销7 一供油球阀 图2 8h s v 系列高速开关阀结构原理图及性能参数 如图2 - 9 所示，是改装后的喷油系统结构示意图。从图中可以看出，从 供油系统过来的高压油分成两路：一路通过一个普通的二通电磁阀连通到喷 油器进油管接头，一路接到高速开关阀的进油口；高速开关阀的控制口通过 喷油器顶端的特殊接头连通到喷油器体的弹簧腔；高速开关阀的回油口连通 到燃油箱。 l 曷 a 一高速开关阀( 二通) c 一特制接头d 一调压弹簧e 一顶杆 c d e f g h b 一高速开关阀( 三通) f 一背压腔g 一针阀h 压力室容积 图2 9改装后喷油系统示意图 2 0 庄喷油器的进油管接头加装个通i 乜磁阀是为了在停机的状态下，防 袖器压力室容积仍存在高惟燃油，发生漏油、渗油现象，断电时，该阀 ，切断高眶油和压力室容积的通路。 如图2 一l o 所示是本喷射系统的实物图。 图2 1 0 喷射系统实物图 为r 安伞起见，高压油路都采用了高压油管，而低油路，如高速开关阀 u 到回油箱则采用了普通油管。 下面详细介绍一下喷射系统的_ 作原理。 ( 2 ) 工作原理 从喷油器的内部结构我们可以了解到，针阀的上部是个连通的腔体将 弹簧和顶杆包围起来，不妨称之为背压腔。当高速开关阀通电时，其供 和控制几连接，从高压油路过米的燃油会充满背压腔和喷油嘴的压力室 。通过对针阀上p 两端进行受力分析，町知e 端整个截面都直接或间接 到高压油产生的作用力五+ ，而下端的锥面只是部分受到高压油的作用 ，我们把这个压力差值表示为矗。 ，由于针阀还问接受到调压弹簧的 力，甚，在返两个力的作用下，针阀关闭不喷油。当开关阀不通电时，其 口和控制口连通，此时背堆腔卸压，而喷油嘴的压力室容积依然连通高 浙江人学硕上学位论文 压油，由于针阀下端锥面受到的作用力名下大于针阀间接受到的调压弹簧的 作用力名，针阀就在这个压差的作用下打开，开始喷油。这就是该喷射系统 的工作原理。 本系统还有一个优点就是在开关阀关闭阶段，供油压力起到辅助开关阀 关闭的作用，在弹簧力的作用下，只需少量的油压即可使针阀迅速回座，这 个特点可用于减少喷嘴针阀关闭的响应滞后时间。 2 2 2 喷油器开启压力的调定 根据有关资料，该柴油机喷油器的原开启压力大约在2 0 m p a 以上，这么 高的压力是不能直接用在汽油机缸内直喷系统上的。在使用之前，我们对喷 油器的开启压力进行了调节和标定。 通过调节喷油器顶部调压弹簧可以调节其开启压力，然后将调节之后的 喷油器进行喷射试