燃油缸内直喷技术分解.ppt

燃油缸内直喷技术 1 汽油发动机的发展进程2 燃油缸内直喷技术原理和控制策略3 燃油缸内直喷技术的优点及存在的问题4 燃油缸内直喷技术的发展方向 制作人 王立伟胡佳琪王喜梅靳耀 2 燃油缸内直喷技术原理和控制策略 缸内直喷技术是指将喷油嘴设置在进排气门之间 高压燃油直接注入燃烧室平顺高效得燃烧 原则缸内直喷通过分层燃烧和均质燃烧实现高负荷 尤其是低负荷下降低燃油消耗 提升动力 下面从三个方面分析缸内直喷技术2 1燃油缸内直喷技术结构2 2燃油缸内直喷技术原理2 3燃油缸内直喷技术控制策略 2 1燃油缸内直喷技术结构 缸内直喷发动机系统构造图及发动机结构如右图所示 电子控制单元根据传感器测得的参数计算所需的供给油量 并及时向喷油嘴发出指令 使燃油直接喷入气缸 图1发动机结构图 2 2燃油缸内直喷技术原理 缸内直喷就是直接在缸内喷射汽油 利用进气系统形成涡流带动油雾在缸内形成混合气 具体可分为两种模式 2 2 1分层燃烧2 2 2均质燃烧 图2燃油缸内直喷原理图 2 2 1分层燃烧 中低负荷时 在压缩行程后期开始喷油 在火花塞附近形成较浓的可燃混合气 在远离火花塞的区域 形成稀薄分层混合气 另外 也有采用分段供油技术分层混合气 即在近气早期和后期分两次喷油 从而实现较好的分层 分层燃烧演示 图3分层燃烧原理图 2 2 2均质燃烧 大负荷时 早期进气行程中将燃油喷入气缸 使燃油有足够时间与空气混合 形成完全的均值化计量比进行燃烧 均质燃烧演示 图2 4均质燃烧原理图 2 3燃油缸内直喷技术控制策略 2 3 1GDI燃油喷射控制模式2 3 2燃烧过程控制策略 图2 5GDI发动机控制系统原理图 2 3 1GDI燃油喷射控制模式 GDI燃油喷射系统主要根据工况 转矩 喷油时机 喷油压力等的要求来选择喷射模式 主要包括 2 3 1 1按工况控制模式2 3 1 2转矩控制策略2 3 1 3喷油正时控制策略2 3 1 4喷油压力控制策略 图6直喷式汽油机喷油系统 低压油泵 高压油泵 燃油压力调节器 燃油蓄压器 电磁高压旋流喷油器 喷入缸内 喷油压力调节阀 2 3 1 1按工况控制模式 不同的工况对混合气浓度以及喷油正时等的要求各异 所以根据不同的工况分别采用两种控制模式 1 推迟喷油 充量分层控制模式 只适用于50 以下的负荷 2 均质充量控制模式 超过50 负荷时 2 3 1 2转矩控制策略 1 变质调节 低工况时油门踏板位移量小 电子节气门全开 通过改变空燃比调节燃油量进而控制转矩 2 变量调节 高工况时油门踏板位移量大 空燃比保持在14 7左右 通过改变电子节气门开度调节进气量 进而改变燃油量 控制转矩 2 3 1 3喷油正时控制策略 1 低工况时要求油束集中 雾化好 穿透性不必很深 喷油时间推迟到压缩冲程后期 从而在很短的时间完成混合 2 高工况下要求油束分散 穿透深度适中 喷油正时提早到吸气冲程早期 这样就组织油束沾湿活塞和缸壁 同时有充分的时间形成均质充量 参照图6直喷式汽油机供油系统 2 3 1 4喷油压力控制策略 1 低工况下燃油的雾化要求高 油束穿透深度不能过大 以免导致湿壁现象 增加HC排放 但穿透深度必须达到一定水平 是的在低工况下油束能够撞到活塞凹坑内 2 高工况下穿透深度应该相应增大 以便扩大油束在气缸内的分布范围 喷油压力升高时 一方面因为燃油雾化改善 油束穿透不深 两一方面因为喷油初速提高 增加了穿透程度 两者在一定程度下相互抵消 喷油压力与油束的两个特性参数有关 1 燃油雾化程度 2 油束穿透程度 2 3 2燃烧过程控制策略 GDI发动机可自由控制转矩输出 既当空气量保持一定时 只要改变喷油量 就能改变转矩 最大限度降低燃油消耗 GDI发动机采用 二次燃烧方式 限制了爆燃现象的产生 为控制排放发动机怠速状态下采用分层燃烧 即压缩冲程的喷油在做工行程前完全燃烧 后半期重新喷油使催化器迅速达到工作所需温度 HC的排放量大幅度降低 3 燃油缸内直喷技术的优点及存在问题 3 1燃油缸内直喷技术的优点3 2燃油缸内直喷技术存在问题 3 1燃油缸内直喷技术优点 1 动力性 出去了传统意义上的节气门 大大减少了在部分负荷时的节流损失和泵气损失 在部分负荷时刻充分进气 提高充气效率和升功率 2 燃油经济性 GDI发动机有着卓越的燃油经济性 油耗量低 升功率大等优点 是因为以下几点 1 中低负荷组织稀薄燃烧 空燃比可达40 1 不必在中低负荷时安排标准空燃比配油 比普通EFI发动机在中低负荷上配给的燃油少 2 GID发动机可以实现高压缩比 燃油热效率较高 相对来说也就降低了油耗 3 GID省去了节气门 减少了节流损失和泵气损失 有限功率提高 减少了耗油量 4 火焰周围的超稀气体形成隔热层 可减少向缸壁的传热损失 3 1燃油缸内直喷技术的优点 3 1燃油缸内直喷技术优点 3 污染排放量 GDI发动机能有效的降低HC NOx和CO等污染物的排放 1 HC 普通电喷发动机启动时容易产生大量的HC 是因为气道中容易留有未蒸发的油膜 而油膜则是由于多余的燃油未完全燃烧造成的 GDI发动机直接在燃烧室内喷油 不形成残留油膜 以较大的空燃比工作 燃油可以较充分燃烧 减少了HC生产的机会 2 NOx NOx的生成条件是较长时间的高温 又存在富氧状态 3 CO 传统的汽油机过量空气系数接近1 大多是小于1的 也就是说燃油过量了 不能完全燃烧造成了CO的存在 GDI发动机是总体富氧条件下 即使浓区燃油未能完全燃烧 也可以在稀区和排气中继续氧化 有效的降低了CO的排放量 3 1燃油缸内直喷技术优点 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 3 1燃油缸内直喷技术优点 GDI发动机理论上的优势 3 2燃油缸内直喷技术存在的问题 1 排放问题GDI汽油机的开发成功极大地提高了汽油机的燃油经济性 但其排放总体要高于工作在理论空燃比下 附加三元催化等尾气处理装置的进气喷射汽油机 其排放问题主要有一下3点 1 中小负荷下未然HC排放较多 采用混合气分层后 极易造成火焰从浓区向稀区传播时熄火 同时 稀造成缸内温度偏低 不利于未然HC随后的继续氧化 壁面阻挡型直喷系统 因喷雾碰壁较多 而活塞顶和缸壁的温度低 使HC排放量较高 2 NO的排放 虽然因采用较稀的空燃比 气缸内的反应温度较低 但由于分层混合气由浓到稀将不可避免地出现混合气过浓或浓混合气区域过大的状况 这些区域恰恰是高温区域 是NO生成增加 另外 GDI发动机较高的压缩比和较快的反应发热率也会引起NOx升高 3 微粒排放 因为局部区域过浓的混合气和为蒸发的液态油滴扩散燃烧而引起颗粒排放增加 并且缸内温度低也造成了微粒氧化不完全 GDI发动机的HC发动机和尾气的排放量与PFI的比较 2 催化器问题GDI汽油机工作在稀空燃比条件下 其造成的富氧和较低的排放温度使传统的三元催化器对NOx的转化率不高 废气排温较低不利于三元催化器的起燃 限制了它在GDI汽车汽油机上的应用 3 积碳问题由于GDI汽油机 火花塞点火燃烧的是占据小部分的分层混合气 其他空间只有极微量的燃油存在 且燃料的气化蒸发使缸内温度降低 点火后火焰在传播过程中逐渐减弱 达到分层混合气以外的其他空间时 极易造成熄火 使混合气不能充分燃烧 产生积碳 3 2燃油缸内直喷技术存在的问题 关于积碳的形成 由于城市交通拥堵 汽车经常处于低速和怠速状态 更会加重这些沉积物的形成和积聚 燃油系统沉积物有很大危害 沉积物会堵塞喷油嘴的针阀 阀孔 影响电子喷射系统精密部件的工作性能 导致动力性能下降 沉积物会在进气阀形成积炭 致使其关闭不严 导致发动机怠速不稳 油耗增大并伴随尾气排放恶化 沉积物会在活塞顶和气缸盖等部位形成坚硬的积炭 由于积炭的热容量高而导热性差 容易引起发动机暴震等故障 此外还会缩短三元催化器的寿命 喷油嘴的工作好坏 对每台发动机的功率发挥起着根本性作用 由于燃油不佳导致喷油嘴工作不灵 使缸内积炭严重 缸筒 活塞环加速磨损 造成怠速不稳 油耗上升 加速无力 起动困难及排放超标 严重的会彻底堵塞喷油嘴 损坏发动机 4 喷油器问题GDI汽油机的喷油器置于气缸中 由于喷油压力低 喷孔没有自洁能力 很容易积垢 造成喷油量少 喷雾特性变坏 进而使发动机的燃烧恶化 影响发动机的功率输出和排放 3 2燃油缸内直喷技术存在的问题 5 控制策略问题在实际GDI汽油机上 理想的混合气浓度均匀递降的分层不可能实现 使得精确分层混合气的控制和燃烧过程组织的难度相当大 发动机不同负荷的喷油时刻相差较大 各种负荷间平滑过渡所要求的喷射策略也较复杂 因为实现发动机输出动力的连续变化需要较复杂的控制策略 直喷油机的开发难点 还体现在燃烧系统的优化和喷油系统的开发比较复杂 电控系统精确控制难和开发成本高 对汽油喷雾和空气的混合运动认识不足等方面 另外 GDI较高的喷射压力要求也造成汽油泵和喷油器功率要求高 汽油的润滑性差 因此 如何开发出抗磨损能力强 功率消耗低的供油系统和燃油喷射系统 也是直喷汽油机需要解决的一个问题 3 2燃油缸内直喷技术存在的问题 GDI发动机开发和应用面临的挑战 发展前景的几个方向 1 降低NOx排放技术 1 稀燃催化器 稀燃催化器的开发直接影响到GDI汽油机排放问题的解决 目前开发的有稀燃催化还原型Nox催化器 Nox搜捕型等 但这些催化器都存在着不同程度的问题 还需深入研究 2 废气再循环 废弃再循环是通过降低缸内最高燃烧温度及氧气的相对浓度降低Nox排放的一种有效方法 2 二次燃烧技术 是指在正常分层燃烧的怠速运转时 除了在压缩行程后期喷油外 在膨胀行程后期再次喷入少量燃油 让排气温度上升至800 以加快催化剂开始工作的时间 从而降低HC排放 3 二次混合技术 在进气行程中先喷四分之一燃料 后期喷射剩余燃料 首先在浓混合气形成火焰 迅速向稀混合气传播 被点燃发生发射 促进浓混合气再次燃烧从而减少积碳 发展前景的几个方向 4 均质混合压燃技术 分层稀燃烧GDI发动机混合气不均匀 容易产生Nox和积碳 在均质混合压燃技术理论上是均匀混合气完全压燃 自燃 无火焰传播过程 从而阻止NOx和微粒的生成并且实现较高的燃油经济性 二次混合技术 凯迪拉克CTS活塞上的设计 一些缸内直喷发动机的活塞端面经过重新设计 上面的凹槽引导油雾产生涡流 与空气充分混合 并且可以承受更大的压力 为了达到这些预先设计的结果 设计师在实验室中经过了无数次的建模试验以及拓扑研究 凯迪拉克CTS活塞上的设计 凯迪拉克CTS活塞上的设计 为了降低磨损 活塞裙部涂抹新的聚合物 活塞底部还有喷雾冷却技术 当活塞运行至下止点时 喷油嘴会向活塞内侧喷射机油 冷却降温 凯迪拉克CTS活塞上的设计 发动机排气气门还应用了气门充钠技术 这种技术将气门杆设计为中空结构 然后将金属钠充入其中 在发动机正常的工作温度下 处于液态的金属钠会随着气门的开闭而上下运动 由于钠的比热容较大 所以它能够很好地吸收来自气门头部的热量并进行传导 这就降低了气门在恶劣工作环境下的温度 分层燃烧 3 污染排放量 GDI发动机能有效的降低HC NOx和CO等污染物的排放 1 HC 普通电喷发动机启动时容易产生大量的HC 是因为气道中容易留有未蒸发的油膜 而油膜则是由于多余的燃油未完全燃烧造成的 GDI发动机直接在燃烧室内喷油 不形成残留油膜 以较大的空燃比工作 燃油可以较充分燃烧 减少了HC生产的机会 2 NOx NOx的生成条件是较长时间的高温 又存在富氧状态 3 CO 传统的汽油机过量空气系数接近1 大多是小于1的 也就是说燃油过量了 不能完全燃烧造成了CO的存在 GDI发动机是总体富氧条件下 即使浓区燃油未能完全燃烧 也可以在稀区和排气中继续氧化 有效的降低了CO的排放量 奔驰第三代缸内直喷技术 缸内直喷技术的运用可以在一定程度上弥补以上提到的燃油经济性问题 M274发动机采用了奔驰第三代缸内直喷技术 压电式喷油嘴可以在发动机的一个冲程内实现最多5次的燃油喷射 而一般缸内直喷系统的喷油嘴最多只会进行两次喷射 奔驰第三代缸内直喷技术 为了能与喷油嘴的动作保持同步 点火系统可支持火花塞在千分之一秒 1毫秒 内连续进行4次放电 以此使得燃油的燃烧更为充分 高压喷油系统 由于燃油和空间都在缸内混合 而且时间相当短暂 这就需要喷油嘴具备足够高的压力 以达到高度雾化的效果 从而更好的进行油气混合 因此燃油直喷的技术关键点就是高压喷油系统 当燃油喷射到缸内后 喷油嘴安装的位置和不同的活塞顶部形状也影响燃气和空气的混合质量 由于它们的工作温度相比于一般发动机要高 对于喷油嘴 缸体和冷却系的要求也就要高一些 现在有些新型的缸内直喷发动机采用了散热效果更好的铝合金缸体 在保证强度的同时 它们还采用了强化的冷却系统 使得发动机拥有了更好的热效率 目前常见的另一种发动机技术就是增压 主要工作部件是独立的增压系统 将空气预先压缩然后再供入气缸 以期提高空气密度 增加进气量 由于进气量增加 可相应地增加循环供油量 从而可以增加发动机功率 同时 增压还可以改善燃油经济性 高压喷油系统 高压喷油系统主要可以分为发动机控制模块 ECU 高压油轨 高压油泵和喷油嘴四部分 其中ECU主要采集发动机数据 按照预定程序控制喷油时机和喷油量 从而实现最高燃烧效率 而高压油泵则主要负责燃油的加压 高压油轨主要起均衡各喷油嘴喷射压力的作用