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毕 业 论 文 课题名称：燃油直喷燃烧技术研究姓 名：李俊 学 号：0901145589所在系 ： 汽车工程系 专业年级： 汽车检测与维修技术2009-1班 指导教师：刘玲 职 称：导师 二O一二年四月二十八日燃油直喷燃烧技术研究【摘要】：目前，一些汽车制造商正在将GDI技术投入实际的制造应用过程。例如Mercury Marine公司就针对其大型发动机开发出了一个采用双重空燃直喷燃烧系统的发动机。从1996年起日本的三菱公司也开始了GDI发动机的开发工作，西门子和雷诺两公司也联手致力将GDI技术应用于雷诺的Megane汽车上。同时，Delphi也宣布将和Orbital发动机制造公司共同投资开发一种火花塞和燃油直喷混合的发动机系统，这个系统只需要一个通往汽缸燃烧室的孔。开发直喷技术的最初想法是由于在大多数的情况下，发动机的空燃比可以调节到比用化学计算法得出的【关键词】：缸内直喷 火花 塞 燃气涡轮发动机燃烧室 发动机热量的运动情况 供油系统 稀薄燃烧技术的原理引言 ：这一新技术的基础技术的应用起源于20世纪30年代,但长期以来没有得以发展,只是到了近些年,由于电子技术和其它系统性能的提高,才使这种新概念有所作为。 1. 分析：目前,一些汽车制造商正在将燃油直喷燃烧技术投入实际的制造应用过程汽油直喷燃烧技术(GDI)就能够将内燃机的燃料效率提高20。这一新技术的基础技术的应用起源于30年代，但长期以来没有得以发展，只是到了近两年，由于电子技术和其它系统的性能的提高，才使这种新概念有所作为。目前，一些汽车制造商正在将GDI技术投入实际的制造应用过程。例如Mercury Marine公司就针对其大型发动机开发出了一个采用双重空燃直喷燃烧系统的发动机。从1996年起日本的三菱公司也开始了GDI发动机的开发工作，西门 子和雷诺两公司也联手致力将GDI技术应用于雷诺的Megane汽车上。同时，Delphi也宣布将和Orbital发动机制造公司共同投资开发一种火花 塞和燃油直喷混合的发动机系统，这个系统只需要一个通往汽缸燃烧室的孔。开发直喷技术的最初想法是由于在大多数的情况下，发动机的空燃比可以调节到比用化学计算法得出的14.7:1更稀薄的状态，而不会对发动机性能造成负面的影响。然而其局限性却是这样的，稀薄混合气体很难点燃，而且还会随之产生相应的排放物，其主要成 分是氮氧化合物（NOX）。采用直喷技术后，燃油以细微滴状的薄雾方式进入汽缸，而不是以蒸汽的方式。这也就意味着当燃油雾滴吸收热量变为可燃蒸汽时，实际上对发动机的汽缸起到了冷却的作用。这种冷却作用降低了发动机对辛烷的需要，所以其压缩比可以有所增加。而且正如柴油一样， 采用较高的压缩比可以提高燃料的效率。采用GDI技术的另一个优点是它能够加快油气混合气体的燃烧速度，这使得GDI发动机和传统的化油 器喷射发动机相比，可以很好地适应废气再循环工艺。例如，在三菱的发动机上，当怠速运转过程中如果发动机燃烧不稳定，则发动机可以以40:1的空燃比很平 稳地运行（如果采用了废气再循环EGR技术，那么发动机的空燃比可以提高到55:1）。决定一种非常稀薄的混合气体的关键是能否找到一种可靠的点燃它的途径。这就要求在火花塞间隙附近混合气的浓度足够大，以便能点燃。由于火焰的焰心要比火花塞的间隙尺寸大得多，一旦燃烧之后火焰就会向燃烧室内的稀薄气体区域扩散。早期的GDI的开发工作 着重于研究能够在炙热状态下，长时间工作点燃可燃物的兆点点火系统。虽然这个系统发出的炙热的、较大的火花能够很容易地将稀薄混合气体点燃，然而由火花塞 发出的热量却大大降低了火花塞电极的使用寿命。采用计算机来模拟进出燃烧室的燃料和空气流的情况是一项突破性的技术。燃烧室和活塞的形状、喷油脉冲的能量和方向、活塞和发动机热量的运动情况都会影响油气混合物雾滴的位置。这项技术采用了关键性的计算机技术来确定空燃流的情况以及空燃喷射器的最佳位 置以及火花塞的相关参数。两个基本的系统当这项技术应用于GDI时会产生两个基本的系统，它们分别是HPDI 和 LPDI。HPDI系统依靠高压（100巴或100个大气压力）来迫使燃料进入已经充满空气的燃烧室。在雷诺的IDE发动机中，西门子采用了一个三活塞的 燃油泵来产生燃料喷射所需的高压。同时，由于采用了电磁控制的阀门，使得发动机的控制系统能够根据发动机的运转需要确定进、排气门的正时时间。Orbital公司的低压直喷系统（LPDI）是对两冲程发动机应用于汽车制造的技术的进一步完善 和改进。采用LPDI系统后，一定量的燃油被喷射到位于油气混合气喷射装置顶部的气室内。一个皮带或凸轮传动的空气压缩机用来向空气喷射装置提供大约 6.5巴的压力。当空气喷射装置的线圈被启动后，空气压力就会使燃油和空气进入到燃烧室中。这个系统发生作用的关键是进入到燃烧室中的燃料流应该是呈现易 燃状态。该系统的一个很主要的特点是由于燃料没有处在非常高的压力下，所以也就不需要使用特殊的燃油泵，燃油供油装置产生开裂和泄漏的危险性也小得多。HPDI 和 LPDI这两个系统都面临着挑战。一是燃油的喷射模式必须十分精确，以便能够以成层的方式正确地将燃料进行分配。在HPDI系统中，这意味着需要更高的喷 射压力和更快的喷射速度。西门子公司宣称它目前正在研究高达200巴压力的燃油喷射系统，该系统具有能够在半毫秒内点火的高精度的喷射装置。要获得较满意的燃空混合气分层就意味着燃烧室和活塞顶部的形状都是非常关键的。这需要对每台发动机使用计算机造型和广泛的测试来确定其最终的形状。这也即是说GDI技术并不能简单地捆绑于现有的发动机上。汽缸和活塞需要进行变动，发动机的电子控制系统 的硬件也需要改进。和传统的发动机燃油泵相比，HPDI系统所需的燃油泵有很大的区别。传统的电动燃油泵需要让燃油流 经泵体来保持冷却和润滑。而另一方面，高压HPDI系统的燃油泵却采用了与燃油流隔离开的液压泵组件。为了降低在如此高的压力下运转时发生泄漏的可能性， 将这两部分的功能隔离开是很有必要的。PSA标致/雪铁龙公司和西门子公司已经组成了一个合资公司来专门为欧洲市场生产这种新型的燃油泵。让发动机燃烧非常稀薄的油气混合气体也就意味着其每个燃烧冲程燃烧的燃料量更少，因而产生的功率也就 更小。三菱公司的GDI发动机通过采用双重模式的燃烧系统突破了这个局限性。对于在正常情况下的诸如城市市区的低负载驾驶工况，燃油在压缩冲程延迟喷射， 这一点和柴油发动机一样。这种方式提供了一种极稀薄的油气混合物分层，从而提高了发动机的燃油经济性。当来自不同的发动机传感器的信息探测到驾驶员希望在 高负载或高车速下操纵汽车时，喷射脉冲就会提前在进气冲程进行喷射。这种技术允许发动机使用正常的空燃比。其关键是发动机的电子系统能够实时确定燃油应在何时以何种方式喷射。GDI技术对发动机排放的影响GDI技术对发动机的排放具有很重要的影响。你可以想像得到，当较少的燃料在一个富氧的环境中燃烧 时，HC和CO的产生量肯定会大大减少。另一方面，氮氧化物NOX的产生则是个问题。为了避免这个问题的发生，三菱的GDI发动机采用了30的EGR比 率，并采用了一个新型的稀薄NOX气体催化器。这种催化器是一种储藏型的设备，它能够在需要的情况下吸收多余的NOX，然后将HC排放物引入那部分的催化 转换器而重新起作用。由于这个装置位于三元催化器的前面，所需要的用于多余的NOX催化的HC的量在此处应该引起注意。这项新技术至少需要采用好几个传感器才能够起作用。人们开发出了一种新型的传感器来探测多余的 NOX的水平，这种传感器在很多方面与传统的氧传感器很相似，只不过它的固体电极采用了不同的材料，而且它采用了两室的设计结构。传统的氧传感器对于采用 非化学计量法得出混合汽体不起作用，所以在这里还需要一些其它的东西。一种被开发用于ULEV发动机的被称为UEGO分线性氧传感器在这种空燃比的情况下能够良好地工作，并被用于三菱公司的发动机系统中。正如你所知道的那样，GDI发动机与目前车辆上广泛装备的传统的进油口燃油喷射的发动机有很大的不 同，而且这种新型的发动机毫无疑问将在不远的将来得到应用。事实上，丰田公司的混合动力轿车Prius上已经装备了一台这样的发动机，而且福特、通用和克 莱斯勒公司都正在对这种新型发动机进行研制。一个积淀了70年的概念正在逐步变为实用的产品，这就是让人值得称道的地方。而所有这一切都要归功于车载的传感器和电子控制系统，以及最终使该项技术浮出水面的计算机建模系统。电喷汽车燃油喷射系统的基本组成之一。作用是把燃油从燃油箱中吸出、加压后输送到供油管中，和燃油压力调节器配合建立一定的燃油压力。 燃油泵向分油管输送高压燃油，保证向喷油嘴供应持续的燃油。燃油泵在启动和发动机运转时工作，如果发动机停止而点火开关仍处于ON时，HFM-SFI控制模块关闭燃油泵的电源，以避免意外点火.燃油泵位于车辆底部 燃油泵由电动马达、压力限制器、检查阀构成，电动马达实际工作在油泵壳内的燃油中，不用担心，因为壳内没有任何可以点火的东西，燃油可以润滑并冷却燃油马达，出油口处装有检查阀，压力限制器位于油泵壳的压力侧，带有通向进油口的通道。 ZYB型点火增压燃油泵适用于输送柴油、重油、渣油、燃料油等介质，特别适用于路桥工程拌合站 中燃烧器的燃料用泵，是取代进口产品的理想产品。ZYB型增压燃油泵不适用输送高度挥发或闪点低的液体，如氨、苯等。 缸内直喷工作原理当转子盘旋转时，滚子被离心力向外压，像旋转的油封一样，转子旋转，泵起作用，从进油口吸入燃油，并把燃油从出油口压入燃油系统，当关闭油泵时，出油口的检查阀关闭，防止燃油通过燃油泵流回油箱，检查阀维持的燃油管压力称为“残余压力”。 燃油泵最大泵油压力依赖于压力限制器的标准，如果燃油泵压力超过预定压力限制，压力限制器会打开旁路使燃油流回燃油泵进口处。缸内直喷又称FSI(Fuel Stratified Injection)，即燃料分层喷射技术，代 表着传统汽油引擎的一个发展方向。传统的汽油发动机是通过电脑采集凸轮位置以及发动机各相关工况从而控制喷油嘴将汽油喷入进气歧管。但由于喷油嘴离燃烧室有一定的距离，汽油同空气的混合情况受进气气流和气门开关的影响较大，并且微小的油颗粒会吸附在管道壁上，所以希望喷油嘴能够直接将燃油喷入汽缸。在近来各汽车厂商采用的发动机科技中，最炙手可热的技术非缸内直喷莫属。这套由柴油发动机衍生而来的科技目前已经大量使用在包含大众（含奥迪）、宝马、梅赛德斯-奔驰、通用以及丰田车系上。 2 工作原理：这一技术是用来改善传统汽油发动机供油方式的不足而研制的缸内直接喷射技术，先进的直喷式汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技术，通过一个活塞泵提供所需的100bar以上的压力，将汽油提供给位于汽缸内的电磁喷射器。然后通过电脑控制喷射器将燃料在最恰当的时间直接注入燃烧室，其控制的精确度接近毫秒，其关键是考虑喷射器的安装，必须在汽缸上部留给其一定的空间。由于汽缸顶部已经布置了火花塞和多个气门，已经相当紧凑，所以将其布置在靠近进气门侧。由于喷射器的加入导致了对设计和制造的要求都相当的高，如果布置不合理、制造精度达不到要求导致刚度不足甚至漏气只能得不偿失。另外FSI引擎对燃油品质的要求也比较高，目前国内的油品状况可能很难达到FSI引擎的要求，所以部分装配了FSI的进口高尔夫出现了发动机的水土不服。 此外，FSI技术采用了两种不同的注油模式，即分层注油和均匀注油模式。 发动机低速或中速运转时采用分层注油模式。此时节气门为半开状态，空气由进气管进入汽缸撞在活塞顶部，由于活塞顶部制作成特殊的形状从而在火花塞附近形成期望中的涡流。当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷射器喷出，形成可燃气体。这种分层注油方式可充分提高发动机的经济性，因为在转速较低、负荷较小时除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室的其它地方只需空气含量较高的混合气即可，而FSI使其与理想状态非常接近。当节气门完全开启，发动机高速运转时，大量空气高速进入汽缸形成较强涡流并与汽油均匀混合。从而促进燃油充分燃烧，提高发动机的动力输出。电脑不断的根据发动机的工作状况改变注油模式，始终保持最适宜的供油方式。燃油的充分利用不仅提高了燃油的利用效率和发动机的输出而且改善了排放。 实际应用缸内直喷技术在VAG集团中被广泛运用，由Audi RS4和R8共享的4.2升发动机即是其中性能强悍的代表作。其中大众集团可以算是导入缸内直喷科技最具代表性的例子，目前包含Audi和VW都已将名为FSI（奥迪品牌）或TSI（大众、斯柯达品牌）的缸内直喷发动机列为旗下车款的高阶动力来源，而且在Audi和VW车系的顶级车上，甚至更以FSI结合上涡轮增压以增大动力。 供油系统采用缸内直喷设计的最大优势，就在于燃油是以极高压力直接注入于燃烧室中，因此除了喷油嘴的构造和位置都异于传统供油系统，在油气的雾化和混合效率上也更为优异。加上近来车上各项电子系统的控制技术大幅进步，计算机对于进气量与喷油时机的判读与控制也愈加精准，因此在搭配上缸内直喷技术以使得发动机的燃烧效率大幅提升下，除了发动机得以产生更大动力，对于环保和节能也都有正面的帮助。采用缸内直喷的发动机除了材质上的讲究，就连活塞、燃烧室也都经过特别设计。但是缸内直喷科技也并非无敌，因为从经济层面来看，采用缸内直喷的供油系统除了在研发过程必须花费更大成本，在部品构成复杂且精密的情况下，零组件的价格也比起传统供油系统来得昂贵，因此这些也都是未来缸内直喷发动机尚待克服的要素。 技术特性现代汽车所使用的引擎，都属于内燃机引擎一类，将燃料与新鲜空气 CGI发动机已经被应用于新款奔驰E200导入引擎的汽缸后压缩，再以火星压跳火引爆压缩的油气，以利爆炸的力量推动活塞，透过曲轴产生旋转的机械能，藉以推动车辆。在这样的过程之中，如何能让燃油与空气之间获得最佳的混合效果与燃烧效果，将决定引擎输出效能的高低。 现行被称为喷射引擎，是由（Fuel Injection）直译而来，正确的说法应是燃料喷射引擎。而燃料喷射的位置在进气歧管当中，利用喷嘴产生雾化的油气，与进气系统的新鲜空气进行均匀的混合后导入引擎。而现行车辆所使用的歧管喷射系统，则是在1980年代所开始导入的主动式供油技术，以取代了原本机械式的化油器被动供油系统。歧管喷射系统的供油喷嘴安装在进气歧管，在引擎的进气行程时喷射注入燃油，利用喷嘴产生雾化的油气，与进气系统的新鲜空气进行均匀的混合后导入引擎，做为引擎运作的燃料。3 技术发展在电子控制技术不断的演进之下，引擎控制系统得以透过绵密的感知器网路，随时监控引擎运作的状况，即时调整供油量，使得新鲜空气与燃料的比例，能保持在最佳的14.7:1之下，让所提供的燃油都能达成最佳的燃烧效果。 一如我们之间所提到的，空气与燃油的比例若能够保持在14.6:1的比例之下，将能获得理论上最为完美的燃烧效果，自然亦能输出最大的动力。但这样的设定，亦代表著，燃油的使用有著一定的物理极限，将无法进一步降低。面对著人口越来越多、石油越来越少的状况，歧管喷射系统遇到了瓶颈，即便电脑控制的精度越来越高、喷油嘴的雾化效果越来越好、甚至将每一汽缸的喷油独立。但种种更为精密的控制，仍无法满足新时代的要求。 全球的科学家与工程师无不绞尽脑汁，希望能想出更为节省能源的方式，希望能让同样的燃油，可以输出更大的动力、行驶更远的里程。而稀薄燃烧以及缸内燃油直喷的技术就在这样的情形之下被提了出来。 为了达成节省能源的目标，科学家将空气与燃油的比例大幅下降，发展出不同于传统的歧管直喷技术，这便是稀薄燃烧技术。 稀薄燃烧技术的原理：使用稀薄燃烧技术的引擎，喷油嘴的位置不再位于进气歧管当中，而是置于气缸内，将燃油直接喷注于燃烧室。 稀薄燃烧技术的要素： 汽车汽油发动机实现稀燃的关键技术归纳起来有以下三个主要方面： 一，提高压缩比。 采用紧凑型燃烧室，通过进气口位置改进使缸内形成较强的空气运动旋流，提高气流速度；将火花塞置于燃烧室中央，缩短点火距离；提高压缩比至13：1左右，促使燃烧速度加快。 二，分层燃烧。 如果稀燃技术的混合比达到25：1以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12：1左右，外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。 为了提高燃烧的稳定性，降低氮氧化物（NOx），现在采用燃油喷射定时与分段喷射技术，即将喷油分成两个阶段，进气初期喷油，燃油首先进入缸内下部随后在缸内均匀分布，进气后期喷油，浓混合气在缸内上部聚集在火花塞四周被点燃，实现分层燃烧。 三，高能点火。 高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成，火焰传播距离缩短，燃烧速度增快，稀燃极限大。有些稀燃发动机采用双火花塞或者多极火花塞装置来达到上述目的。使用稀薄燃烧的引擎，在进气行程中并不进行供油，而是在压缩行程 丰田的缸内直喷发动机后段才进行供油，利用高压的供油泵以及特殊的喷油嘴设计，将油气有效地集中在火星塞附近，让燃油一口气地点烧，达成最佳的燃烧效果，而空气与燃油的比例，最多可以降低至40:1以下，大幅降低了引擎运转的油耗。而为了让燃油能够精确地集由在火星塞的附近，使用稀薄燃烧技术的引擎，便需要导入缸内燃油直喷技术，以便在压缩行程进行供油，并配合特殊的活塞造型，以达成油气导引的目的。 然而，使用稀薄燃烧的技术，虽然能在燃油使用上有大幅度的节省，但是在需要大动力输出的状况之下，则并无法有效的满足。同时大量的燃油集由在火星塞附近点燃，将造成局部温度过高，使得同样导入汽缸内的氮气与氧气发生作用，产生过多的氮氧化物，造成污染。而这些问题，在经过多年的研发之后，透过更精密的控制以及最新的触媒科技，均获得有效的解决，亦让Lexus决定将缸内燃油直喷技术导入在燃气涡轮发动机燃烧室由外壳（套）、火焰筒、喷（油）嘴、涡流器、点火装置等组成。由压气机扩散段出来的高压空气分成两股：一股（约占1/42/5）进入火焰筒前部，与喷嘴喷出来的燃油混合形成油气混合气，经点火装置点火后燃烧。另一股（占3/43/5）从火焰筒与外套间流过，对火焰筒壁面进行冷却，然后进入火焰筒与高温燃气掺混，使燃气温度降低，达到涡轮所要求的温度。通常要求燃烧室具有燃烧稳定、燃烧效率高、点火范围宽、流动阻力小以及结构简单、尺寸小、安全可靠和寿命长等特性。 燃烧室 燃烧室的涡流器一般作成叶片式的，它使气流按要求方向流动,以利于点火和燃烧,并使燃烧得以延续。点火装置只在发动机起动时工作，一旦油气混合气点燃后，即停止工作。喷嘴用来将燃料（航空煤油）以极小的油珠喷入火焰筒,使燃料在吸热后能很快蒸发成为油气,与空气组成极易燃烧的可燃混合气。常用的喷嘴有离心喷嘴、蒸发喷嘴、气动喷嘴等。在一些小型发动机中，还采用高速旋转的甩油盘将燃油甩进燃烧室。火焰筒是油气混合气进行燃烧的地方。这里温度最高，一般采用耐高温的镍基合金板料或冷轧成型的带料焊接而成，也有采用锻件机械加工的。火焰筒一般采用气膜冷却方式降低筒壁温度（见发动机冷却）。 燃气涡轮发动机的燃烧室按气流在燃烧室中流动的方向分为三种：直流式：气流在燃烧室中沿轴向流动。多数发动机采用这种燃烧室。折流式：气流由压气机流出后，折成两路流入火焰筒。一般与甩油盘配合使用。回流式：压气机出口的空气由燃烧室的后端流入火焰筒头部。燃烧的燃气则向前形成回流。后两种形式气流流动损失大，但能缩短发动机的长度，一般用于采用离心式压气机的发动机中。燃油直喷发动机与一般汽油发动机的主要区别在于汽油喷射的位置，目前一般汽油发动机上是将汽油喷入进气歧管或进气管道上，与空气混合成油气混合气后再通过进气门进入气缸燃烧室内被点燃作功；而燃油直喷发动机不同，顾名思义，其原理是在气缸内直喷喷射燃油。它将喷油嘴安装在燃烧室内，将汽油直接喷注在气缸燃烧室内，空气则通过进气门进入燃烧室与汽油混合成混合气被点燃作功。 缸内直喷发动机的特点：均匀燃烧和分层燃烧。均匀燃烧：在全负荷时，燃油喷射与进气同步，燃油得到完全雾化，使混合汽均匀地充满燃烧室，自然会得到充分的燃烧，使发动机动力得到淋漓尽致的发挥。在均匀燃烧时有着和传统喷射发动机相同的空气与燃油混合比，即空燃比是14.71。而燃油的蒸发又使混合汽降温，去除了爆震的产生。也就是说在均匀燃烧情况下，在获得高动力输出和扭矩值的同时付出了较低的燃油消耗。勒芒耐力赛就可证明，因为比赛中总是在均匀燃烧状态。 缸内直喷发动机出色的经济性主要表现在部分负荷时的分层燃烧。可燃混合物只分布在火花塞周围，换句话说，空燃比是14.71的混合气集中在火花塞周围，在燃烧室的其他部分则是非常稀薄、接近纯空气的混合气。混合汽层的大小范围精确地反映了瞬时发动机动力的需求。在分层燃烧时，直到压缩行程时才喷射燃油，油雾直接进入燃烧室中的空气，而喷油就发生在点火前瞬间。发动机在中、低速时燃油非常节省。另一个优点是，在燃烧时空气层隔绝了热，减