GDI发动机——详细介绍原理及相关技术.ppt

21世纪轿车的理想动力装置GDI发动机 汽油直接喷射 GasolineDirectInjection 发动机简称GDI发动机 是近年来国外内燃机研究与开发的热点 专家认为 汽油机直喷技术的出现 使汽车发动机技术进入了一个崭新的时代 它在21世纪有取代传统的汽油机和柴油机的趋势 成为轿车最理想的动力装置 传统的汽油发动机是将汽油喷射到进气管中 与空气混合后再进入气缸内燃烧 而GDI发动机是将汽油直接喷入气缸 利用缸内气流和活塞表面的燃料雾化与空气形成混合气进行燃烧 GDI发动机具有很好的工作稳定性和负荷性能 同时低温起动性能得到了明显改善 能实现分层燃烧 燃油经济性大大提高 其油耗可达到涡轮增压直喷 TDI 柴油机的水平 且省略了涡轮增压装置 省却了复杂的高压喷射系统 GDI发动机能用稀燃技术 空燃比可高达40 1 甚至最高可达100 1 使得功率和转矩均高于传统汽油机 油耗 噪声及二氧化碳的排放量都较低 GDI发动机工作的均匀性 瞬时反映性 起动性等均比传统汽油发动机有较大的改进 因此各国汽车生产企业都在大力开发这种技术先进 性能优异的GDI发动机 GDI发动机的研究始于德国 早在50年代 德国就有直喷二冲程汽油机装车应市 甚至还装到声名显赫的SL级奔驰轿车上 但是很快就销声匿迹 后来德国的设计师们 无论是奔驰 宝马 还是大众 对于汽油直接喷射都采取皱眉挥斥的态度 因为根据试验 他们认为这种发动机运转性能差 汽车几乎无法开 废气问题也无法解决 于是便停止了GDI发动机的研制开发 日本三菱汽车公司于1996年研制成功GDI发动机 并将其装在Galant牌汽车上 于同年8月投放日本汽车市场 1997年装备同样发动机的中级轿车Garisma进入西欧市场 该发动机排量为1 8L 功率为88kW 100km油耗为5L左右 发动机价格较原先略有上涨 三菱汽车公司计划在最近几年内将其生产的汽油机全部改成汽油直接喷射 丰田汽车公司也准备步其后尘 三菱公司的成功表明 汽油直接喷射是可行的 废气中的氮氧化物含量高的问题 可利用废气再循环及加装第二只催化裂化转换器来解决 今天 几乎所有汽油机都是间接喷射的 与其相比 GDI发动机无论在油耗上 还是在排放净化上 都取得了巨大的进步 并且在稀燃方面 GDI发动机允许混合气变得稀薄 特别是在部分负荷内 理论计算出的标准空燃比应是15 1 在稀燃技术方面丰田和三菱都取得了初步的成果 空燃比已达到20 1 但是 若采用汽油直接喷射 混合气可进一步稀化 通常进气道或多或少呈水平布置 而三菱的GDI发动机则通过垂直布置的进气道和专门设计的鼻形活塞 成功地在燃烧室中建立起分层充量 在火花塞附近的区域内 形成较深的油雾 即能着火的混合气 在其它区域内一点混合气也没有 因此 即使是空燃比40 1的混合气 发动机也能可靠着火 油门最大时 混合气接近标准空燃比 这时省油的优点消失 但汽车很少在全负荷工况下工作 GDI发动机的研制开发 可谓花开在德国 果却结在日本 三菱汽车公司GDI发动机的研制成功令全世界的汽车制造商和发动机制造商瞠乎其后 于是世界车坛掀起了GDI发动机研制开发利用热潮 从此 汽油机的发展又迈出新的一步 这也将推动世界汽车工业的发展 日本对于GDI发动机的研制开发与利用 日本三菱汽车公司处于领先地位 1997年先后又开发出2 4L四缸机 3 0L六缸机和3 5L六缸机三种机型 分别装于四种中 大型轿车上投放市场 还推出三种新的GDI发动机 0 66L直列三缸机 1 5L直列四缸机和4 5L的V8机 据三菱汽车公司对1 8L的GDI发动机测试表明 该机可节油20 降低排放20 提高发动机功率和转矩10 丰田汽车公司于1996年底研制出D 4型2 0L的GDI发动机 已批量装车使用 1998年 该公司加紧开发1 6L和1 8L的GDI发动机 1999年还推出一种新型的2 0L的GDI发动机 丰田汽车公司D 4型GDI发动机可降低油耗的3 0L和2 5L的V6机 富士重工2 5L的卧式对置四缸机 马自达2 0L的直列四缸机和本田1 0L的直列三缸机均上市 美国克莱斯勒汽车公司开发的四冲程GDI发动机使燃油经济性提高20 30 可与小排量的直喷柴油机媲美 福特汽车公司对GDI经过深入研究发现 GDI发动机有进一步提高热效率和功率的潜力 德国大众汽车公司开发的GDI发动机在1997年法兰克福汽车博览会上获得好评 奥迪汽车公司也展出了1 2L的三缸GDI发动机 奔驰汽车公司于1997年底投资近1亿马克 全面起动GDI研究项目 在2001年或2002年推出GDI发动机 并认为欧洲汽车装用的GDI发动机应能满足欧洲法规对排放标准的最新要求 伴随着21世纪 GDI发动机将在汽车动力装置中层露锋芒 GDI发动机存在的问题中小负荷未燃的HC较多 这是由于油雾会碰到活塞顶部和缸壁 分层燃烧使局部区域混合气过稀 缸内燃油蒸发造成温度过低 不利于未燃的HC进行后燃 微粒排放比MPI发动机增加 主要是由于分层燃烧局部区域混合气过浓 液态油滴扩散燃烧 缸内温度低 氧化不完全形成的 在不同的转速工况下 缸内气流强度不同 如何在宽广的工况范围内把气流控制好 保证分层混合气的形成是GDI的关键技术问题 目前GDI仍属于研究开发阶段 只有少量产品投放市场 GDI发动机及其稀燃优化技术 1引言自20世纪90年代以来 日益严格的排放法规和能源危机促使GDI发动机的研究得到了快速的发展 国外一些著名的汽车公司如丰田 三菱 福特等都已开发了比较成熟的GDI机型和产品 下面就GDI发动机的燃油控制技术 缸内气流控制技术及排放控制技术等作一论述 2GDI的电子控制策略GDI中最关键的是要控制好混合气浓度在空间的分布及其随时间的变化 依靠采用高精度的高压喷油嘴 缸内气流控制技术 根据运转区域切换燃烧模式 使喷油嘴远离火花塞以保证可靠点火等措施 可达到高燃油经济性和高性能 2 1按工况区分控制模式的控制策略现代GDI通常是根据大 小负荷区不同的要求 采用不同的混合燃烧模式来改善其燃油经济性的 在中小负荷区域 要求有良好的燃油经济性 因而通常采用压缩冲程中喷油实现分层燃烧的控制模式 即在压缩冲程后期向缸内喷油 并通过活塞顶部形状和气流运动来限制其扩散 使喷射到气缸内的燃油所形成的可燃混合气集中在火花塞周围 而在火花塞外周部的极稀薄混合气与层状空气则形成了分层混合气 使燃烧在整体空燃比30 40 2 的超稀薄混合气下进行 此时尚有足够的过量空气可供在短时间内燃尽燃烧生成的黑烟 由于此时GDI放弃使用节气门节流 因而可以减少发动机的泵气损失 过量的空气还会吸收气缸壁上的热量 降低了热损失 从而大幅度改善燃油耗 图1为丰田2 0L双顶置凸轮轴GDI发动机的分层进气控制方法 在活塞顶上有渐开线形的燃烧室凹坑 位于涡流运动上游较窄的区域a是混合气形成的主要区域 较宽的区域b是主要燃烧空间 用以促进混合气快速扩散 设计成渐开线形凹坑的c是为便于蒸发的燃油流向火花塞 凹坑壁的角度和凹坑深度也进行了优化 以适于混合气形成 同时防止混合气扩散流出凹坑 在高负荷区域 要求提高发动机扭矩和功率 必须采取略稀或理论当量的混合气或浓混合气 故此时发动机采用进气冲程喷油 实现均质燃烧的控制模式 即在进气冲程早期向气缸内喷射燃油 使其可在整个燃烧室内均匀扩散 在点火时刻形成预混燃烧的均质混合气 此时由于燃油汽化时吸收了汽化潜热 使得缸内充量得到了冷却 增大了空气密度 在提高体积效率 即增大进气量 的同时还减少了爆震的倾向 使发动机的压缩比可上升到12 1 提高了热效率 发动机以接近理论空燃比14 7 1或稍浓的空燃比混合气进行均质燃烧 同时实现高功率的输出和燃油的低消耗 GDI发动机的活塞顶部形状 控制模式的切换通过喷油定时的变换来实现 切换时要注意切换前后扭矩的一致 以防扭矩变化带来振动 为此 三菱 丰田等公司在模式切换时采用了二段喷射技术 即在进气行程中喷射一部分燃料 以便在燃烧室全空间内形成稀薄的预混合气 第二次在即将点火之前向火花塞喷射 以保证稀混合气的稳定着火和分层燃烧 据报道采用二段喷射技术的GDI发动机可实现从中小负荷区向大功率区的平稳过渡 并可降低缸内的气体温度 从而抑制了爆震的发生 增加了功率的输出 2 2扭矩控制策略对扭矩的控制实际上就是对发动机喷油量的控制 通常情况下 GDI主要是根据油门踏板的位移量来确定应有的扭矩 并由负荷的高低来切换对扭矩的调节方式 从理论上讲GDI可以不使用节气门 但实际上它还是配备了电子控制的节流系统 即电动节气门 这其中最主要的原因是GDI在大负荷工况下工作时需要均匀混合气 其次是在应用EGR降低NOx排放时 需要有节流阀控制的进气歧管的真空度 再次 传统的制动系统制动时也需要真空度 最后 低负荷时没有节流阀排气温度会非常低 降低了催化剂的转化效率 因此 当发动机的扭矩和转速对应于低工况区时 即油门踏板位移量较小时 电动节气门就保持全开 发动机在保持进气量基本不变的情况下 通过改变空燃比来调节每循环的喷油量 进而对扭矩实行控制 这时发动机采用的调节方式是与柴油机相同的 变质调节 此时进气量和点火提前角几乎不影响扭矩 当发动机的扭矩和转速对应于高工况区时 即油门踏板位移量较大时 其空燃比被稳定在14 7左右 1 通过改变电动节气门的开度来调节进入气缸的空气量 进而改变喷油量实现对扭矩的控制 这时发动机采用的是 变量调节 方式 此时点火提前角对扭矩有很大影响 表1为GDI按工况区分控制模式 图2为不同燃烧模式的控制范围 图2不同燃烧模式的控制范围 分工况区控制的结果是 其燃油经济性相对以往的汽油机可以提高25 3 左右 实现并超过了目前柴油机所能达到的低燃料消耗水平 动力输出也比目前正在广泛使用的进气道喷射的汽油机增加了近10 3 保证了人们对车辆动力性的要求 表1GDI按工况区分控制模式 2 3喷油定时控制策略GDI可根据不同的工况区域来确定不同的混合气生成方式 而不同的混合气生成方式对油束的要求也不相同 如图3 发动机处于低工况时 采用的是变质调节和分层充量 这就要求燃油恰好喷在活塞顶部凹坑内 因而油束要尽可能集中 且雾化质量要高 可燃混合气能在短时间内形成 故此时应将喷油推迟到压缩行程的后期进行 但必须在喷油和点火之间留下足够的间隔时间 以便实现混合气的分层 因为 a 此时活塞正处于向上运动 气缸内的压力很大 这就迫使燃油喷射时所需的压力相应地增大 喷油压力越大 SMD 油滴的索特平均直径 表示燃油的雾化程度 越小 燃油蒸发越快 雾化程度越高 油滴喷射距离有限 穿透度不深 b 随着缸内压力的增大 充量被强制压缩 密度增大 因此油束中油滴所受的阻力也增大 油滴运动很快地受到衰减 使油束比较集中 并且喷射出的燃油穿透距离也保持适中 c 活塞的上行运动 减少了喷油与活塞顶部凹坑之间的距离 保证了燃油可更加准确而又有效地被喷射在活塞顶部凹坑范围内 通过限制其在凹坑内不向外扩散 使得它能被迅速地加热汽化 从而在抵达火花塞之前的短暂时间内促进空气迅速卷入汽化的燃油中 形成可燃混合气 同时结合活塞的向上运动 由翻滚气流将可燃混合气带往火花塞 并在火花塞附近区域聚集形成浓的可燃混合气 而在燃烧室的其它空间形成稀薄混合气 从而实现混合气的分层和超稀薄燃烧 图3两种工况下对喷油正时和油束特性的要求 当发动机处于高工况时 采用的是变量调节和均质充量 应尽可能减少油束沾湿活塞和气缸壁面 否则会导致HC排放增加 并且活塞壁面会向燃油提供汽化潜热 从而丧失利用汽化潜热冷却缸内充量以提高容积效率的机会 同时要求油束的穿透深度应当大一些 以便扩大油束在气缸内的分布范围 使其能有足够的空间和时间让燃油和空气进行混合 形成均质充量 故此时应将喷油提早到吸气冲程的前期 沾湿在活塞和气缸壁面的燃油因为温度低 容易造成燃烧不全现象 形成HC污染 3GDI的燃油喷射系统现代GDI发动机的喷射系统主要采用汽油高压喷射模式 使用由电磁驱动的高压涡流喷油器 高压涡流喷油器的喷油压力一般为5 8MPa 最高为12MPa 4 这种喷油器的特点是在其喷油嘴的头部设有一个特殊的涡流腔 通过该腔可产生一股强涡流 不仅对喷油嘴喷孔具有自洁作用 使其可靠性得到提高 而且能使燃油喷束的一部分动能直接转化为水平的旋转动能 从而降低了油束的穿透度 避免其沾湿活塞和缸套壁面 高压涡流喷油器的另一个特点就是它的油束喷角和射程主要依赖于喷油压力和缸内背压 且后者的影响较大 因此它能根据不同负荷区的要求提供所需的喷雾形状 在部分负荷时 燃油在压缩行程后期喷射 缸内喷射背压较大 喷出的燃料被强制压缩呈适宜分层燃烧的紧凑型 而在高负荷时 由于是在进气行程早期喷射燃油 缸内喷射背压较小 喷雾呈现为中空扩散的圆锥型 这样不仅加快了喷雾在燃烧室内的扩散 而且使得它与周边空气的接触面积进一步扩大 即便是在比较低的喷射压力下 油束仍能保持原有的雾化水平 与进入气缸的空气形成有效的混合 满足均质燃烧的要求 在喷射系统中 喷油器喷嘴的结构形式对喷雾质量起着重要的影响 它是保证实现混合气分层与稀燃的关键部件 图4为GDI发动机所采用的各种喷油器喷嘴 a为多孔内开式喷嘴 其结构类似于柴油机喷嘴 但由于GDI发动机的喷射压力远远低于柴油机 故这种结构易于积炭堵塞 且雾化分层效果不好 燃烧时火焰传播又不很稳定 所以一般很少在GDI发动机上使用 b是外开式单孔针式喷嘴 据报道它能取消压力室容积 并且在设计上更灵活 可同时兼顾喷雾锥度 贯穿距离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发动机中 c为内开式旋流型喷嘴 在其内部设有燃油旋流腔 燃油通过在其中产生的旋转涡流可实现较好的喷雾形态和合适的贯穿度的配合 此外 由它喷射出的油束方向便于调整 方便了其在气缸顶上的布置 再加它不易积炭的特点 使其成为目前GDI发动机喷嘴所采用的主要形式 在GDI发动机上得到广泛使用 图4GDI发动机喷油系统采用的喷嘴方案的比较 4GDI的燃烧系统燃烧系统的设计是GDI开发的关键技术之一 由于要兼顾大负荷均质预混和中小负荷分层稀燃的不同要求 更增加了它的设计难度 已开发的GDI燃烧系统 可以分为以下三类 a 油束控制燃烧系统 图5a 燃油喷嘴靠近火花塞近距离布置 喷油器安装在气缸中央 火花塞紧靠燃油喷嘴位于燃油喷束的边缘 喷射时 喷油器直接把燃油射向火花塞的电极 该布置方式可使燃油混合气能在有限的空间内产生有效的分层 并可保证当整个燃烧室内为稀薄混合气时 火花塞周围仍能形成可供点火的混合气浓度 故这种混合气形成方法被称为 喷束引导法 但由于火花塞与油束之间的距离过近 使得可供混合气生成所需的时间太短 火花塞容易被液态燃油沾湿而造成积炭和点火困难 缩短了火花塞的使用寿命 同时 由于油束周围可点燃混合气的范围较小 影响了着火稳定性 故这种燃烧系统未能被推广使用 图5现代GDI燃烧系统的分类 b 壁面控制燃烧系统 图5b 喷油嘴远离火花塞的远距离布置方式 喷油器被设置在进气门一侧 相对应的活塞凹坑的开口也指向进气侧 火花塞布置在中间 采用具有特殊形状的立式进气道 图8a 在进气行程中吸入的空气通过立式进气道被强制沿气缸壁向下流动 形成逆滚流 从而将喷射的燃油和蒸发的燃油送到火花塞附近 进气道直立后 减少了进气阻力 提高了充气效率 从而使发动机功率得到进一步的增大 在这种燃烧系统中 活塞顶面通常被设计成弧状的曲线形 并在其上开有小型的球形燃烧室 当喷油器将油束直接喷射到燃烧室内时 它就可借助于球型燃烧室凹坑壁面形状并利用由立式进气道产生的逆向翻滚气流 图8a 将燃油蒸气导向火花塞 在火花塞间隙处形成合适浓度的混合气 在压缩过程中 挤流使逆滚流得到加强 有利于燃烧的进行 在燃烧过程后期 逆挤流使火焰传播到排气门一侧 这种混合气形成方式被称为 壁面引导法 目前三菱 丰田 Nissan等公司开发的机型均采用此燃烧系统 如图6为三菱GDI顶部带有球形凹坑的活塞 如图7为三菱GDI发动机中的燃油运动 图6三菱GDI活塞 图7三菱GDI发动机中的燃油运动 GDI与MPI发动机进气道的比较 图8缸内滚流运动 c 气流控制燃烧系统 图5c 采用接近于卧式的水平进气道 在缸内产生顺向的翻滚气流 图8b 它仍然使用远距离方式布置喷油器与火花塞 但是喷油器不再是直接将油束喷向活塞凹坑 而是对准燃烧室的中心喷向火花塞 但不朝向火花塞电极 并利用缸内有组织的气流运动与油束相互作用 使发动机在大部分工况范围内都能实行恰当的充量分层和混合气均质化 这种混合气形成的方式被称为 气流引导法 像FEV AVL公布的一些开发方案采用的就是这种燃烧系统 5GDI气流运动的组织对进气行程和压缩行程中缸内瞬时流场的控制是GDI发动机研制中又一关键问题 原则上必须要满足以下两点要求 从微观上要求在气缸内具有高强度的紊流 以促进燃料与空气的混合 在宏观上要求有控制的平均气流流动 以适合生成稳定分层混合气 发动机中常采用的空气运动形式主要有挤流 涡流和滚流三种 根据已发表的计算和试验资料显示 它们的运动变化对于混合气的形成和发展有着很大的影响 a 挤流增大挤流强度可以明显提高燃烧期火焰的传播速度 缩短燃烧时间 而且挤流不会引起充气效率的降低 受发动机负荷和转速的影响也较小 曾一度是形成紊流的主要途径 b 涡流其特点是在压缩过程中持续时间长 在缸内的径向发散少 对保持混合气的相对集中和分层有利 缺点是不利于油气的混合 必须靠活塞顶部燃烧室束口或活塞顶上的特殊形状 在上止点附近利用挤流与涡流相交 从而在燃烧室内形成较强的紊流来促进燃油的蒸发混合 而且过强的涡流会把大油滴甩向气缸壁 形成湿壁效应 不利于燃烧 涡流经常是被用在由喷油引导的燃烧系统中 c 滚流其特点是存在着较大的速度梯度 便于油束的纵向引导 在上止点附近有助于加强紊流强度 容易转变为小规模的紊流来促进油气混合 在压缩冲程中滚流具有加速旋转的特性 能提高近壁面气流速度 从而促进壁面油膜的蒸发 但由于燃烧室的曲面导向作用 滚流往往容易衰减成大尺度的二次流结构 使得保持稳定的混合气分层变得困难 同时设计不当也会造成火花塞间隙的平均流速过高而引起较大的循环变动 因而采用滚流为主的GDI发动机要比采用涡流为主的GDI发动机循环变动大 上述流场结构各有其优缺点 在实际的GDI发动机中都被采用或综合利用 如三菱采用反滚流结构 丰田采用涡流结构 Yamada提出斜涡流 即涡流和滚流的综合结构 挤流 涡流 滚流 6GDI的排放特性GDI面临的主要排放问题是UBHC和NOX 6 1中小负荷下未燃碳氢化合物 UBHC 的排放由于GDI油气的混合主要是依靠喷雾和缸内的空气运动 与冷起动时的低温关系不大 所以冷起动时无需过量供油 有效地解决了PFI冷起动时UBHC排放过多的问题 但是GDI在中小负荷的情况下 其未燃碳氢化合物的排放仍然较多 主要原因是 GDI在此工况采用的是分层稀薄燃烧 燃油在压缩行程后期被喷射入气缸内 所需的雾化时间不足 油气不能充分混合 在燃烧室内产生局部混合气过浓 大量的浓混合气集中在火花塞附近 使得火焰在向周围稀混合气传播时 因混合气过稀而熄灭 稀薄燃烧造成气缸内温度偏低 不利于未燃碳氢化合物随后的继续氧化 由于GDI发动机压缩比较高 使得残留在狭缝容积中的HC增加 使用高EGR率导致燃烧变差 目前GDI产品的燃烧系统主要采用 壁面引导法 该系统喷雾容易与活塞顶和缸壁发生碰撞 而缸壁的温度又较低 从而导致燃油在着火前来不及完全蒸发 引起较多的UBHC排放 三菱公司采取二次燃烧早期激活催化剂及采用反应式排气管等措施来减少HC排放 两次燃烧是指在发动机冷车怠速运转时 除了在压缩行程后期喷射燃油外 在做功行程后期再次喷射少量的燃油 在缸内高温高压气体的作用下点火燃烧并使排气温度提高 当排气门打开后这一燃烧过程可以移至反应式排气歧管中 补充空气 加速燃烧 采用两次燃烧技术 可很快达到催化器的起燃温度 并通过反应式排气管可大幅度降低HC NOx的排放 降幅达到日本现行法规的80 3 图9为催化器的催化温度比较 图9催化温度比较 6 2NOX的排放和后处理虽然GDI采用了稀薄燃烧技术而使气缸内反应区的温度下降 从NOX的生成原理上来说可减少NOX的生成量 但由于GDI的混合气由浓到稀呈分层状态 不可避免地会出现空燃比为1附近的偏浓区域 使这些区域的NOX排放增加 而较高的压缩比和较快的反应放热率也是引起NOX排放升高的一个原因 此外 由于GDI本质上仍是稀薄燃烧的一种实现方式 所以它仍受到稀薄燃烧NOX催化转化问题的困扰 一般来说 GDI大部分工况都处于部分负荷 它的NOX排放量约占总排量的一半 发动机长期处于稀空燃比的工作条件下 导致废气排气中含氧较多而且排放温度也较低 致使传统的三元催化器的转化效率不高并且起燃困难 限制了它在GDI发动机上的应用 所以 如何解决稀燃条件下NOX排放的后处理也是GDI的一大难题 目前 GDI对NOX排放的控制主要依靠EGR和稀燃NOX催化转化器 其中后者的发展有着深远的影响 部分负荷不使用EGR时 GDI的NOX的排放水平与PFI相差不多 但由于GDI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EGR率 充分降低NOX排放量 并且燃烧特性不会因为EGR而恶化 据试验表明 在燃油经济性改善保持不变的情况下 GDI的EGR可高达40 4 虽然如此 但EGR始终还是不能在整个发动机转速负荷范围内减少NOX排放量 所以单靠EGR是不能满足更为严格的Euro 和Euro 排放法规的 进一步降低NOX排放就必需开发在稀燃条件下的NOX催化转化技术 目前在稀薄燃烧NOX催化转化技术领域内 NOX的吸藏还原技术使用较多 这项技术主要是利用一些化学物质可在富氧的条件下 通过催化剂的作用与NOX产生反应 以硝酸盐的形式将其存储起来 而在贫氧的条件下又可将其释放还原 它是以Pt作为储存还原NOX的主要催化剂 以碱金属 碱土金属或稀土金属作为储存NOX的成分 以M表示 它的工作原理如图10所示 当发动机以稀混合气工作时 其排气中O2含量迅速增加 存储器通过催化剂Pt将NO氧化成NO2 随后生成的NO2被碱土金属氧化物表面吸收 形成硝酸盐 存储在以M表示的存储元素中 实验证明 存储元素的金属碱性越强 其所能存储的NOX量越多 并且越稳定 当发动机工况发生变化 改用浓混合气工作时 排气中O2含量减少 生成的硝酸盐就会在超过100 的温度下开始分解 在催化剂Pt的作用下 与排气中HC CO及H等反应 再次还原成N2 其具体的化学反应方程式如下 在富氧的气氛下 通过下列反应用吸附剂MO将NOX储存起来 NO 0 5O2 NO2NO2 MO MNO3 在贫氧的还原气氛下进行分解和还原 其可能的反应如下 MNO3 NO 0 5O2 MONO CO HC 0 5N2 CO2 H2O 图10NOx吸藏还原机理 NOX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NOX的转化效率可达到90 以上 1 同时可对HC和CO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 其净化性能会急速下降 主要是因为 与NOX一样 SO2也会在贵金属表面氧化形成比硝酸盐更为稳定的硫酸盐 从而减少了存储NOX的能力 但是NOX的硫中毒现象是可逆的 只要在还原性气氛中加热到600 便可使硫酸盐分解 恢复NOX的存储能力 1 也可在NOX存储还原催化器前安装硫捕集器 在稀薄状态下吸收SO3 在混合气加浓时以SO2的形式将硫释放 GDI发动机研究概况 前言由于环境污染日益严重 能源危机愈演愈烈 因而汽车使用低污染节能发动机一直是政府和专业人士的目标 因此 降低发动机的排放 提高其燃油经济性也就成为目前内燃机工作者的当务之急 1 改善燃烧室内的火焰燃烧过程和采用新型的代用燃料或燃料添加剂则是解决以上问题的常用办法 作为一种新型的稀薄燃烧方式 2 GDI发动机 3 综合了压燃式发动机与点燃式发动机的优点 通过燃油的缸内直接喷射 可变喷油定时和控制缸内的气流运动等方式实现了缸内的稀薄燃烧 使发动机无论在燃油经济性还是在降低排放等方面都表现出比PFI portfuelinjection 发动机更大的发展潜力 因此 GDI发动机从20世纪90年代 4 问世以来就一直受到人们的广泛关注 1 GDI发动机的燃烧特点GDI发动机是电控汽油喷射发动机的一种 常用的PFI发动机是把汽油喷射到进气门上 如图1所示 因此在喷油与油气混合气进入燃烧室之间要有一段时间延迟 而GDI发动机是把汽油直接喷射到气缸内 因此并不存在PFI发动机喷油延迟的问题 根据发动机工况的不同 GDI的燃烧过程可分为均质稀燃和分层稀燃两种模式 中小负荷时 燃油在压缩行程后期喷入气缸 通过喷油器 气流及燃烧室的合理配合 在火花塞附近形成较浓的可燃混合气 如图2所示 在远离火花塞的区域 形成稀薄分层混合气 其最大空燃比可达到30 40 大负荷或全负荷时 燃油在进气冲程早期喷入气缸 形成当量比为1左右的均质混合气进行燃烧 控制缸内混合气的形成和分布是实现分层燃烧的关键 5 只有在点火瞬间将合适浓度的混合气引导到火花塞附近才能实现稳定的点火 同时 保证混合气在空间的连续分布 才能实现火焰的连续传播 从而保证燃烧的稳定性 如果在火花塞附近的混合气过浓 会使混合气不能完全燃烧 从而生成大量的不完全燃烧产物 如碳烟 更为严重的是 不完全燃烧会使发动机在上止点附近的放热率下降 从而导致发动机功率下降 油耗降低 图1EFI发动机与GDI发动机燃烧系统比较 另外 混合气的空燃比也不能超出稀燃的极限 如果在混合气的周围有过稀的混合气或有过稀的混合气脱离了主要混合区域 都会使汽油机燃烧困难或熄火 从而引起HC的排放升高 根据以上分析可知 要使GDI发动机的分层混合气能够稳定燃烧 必须具备以下两个条件 6 a 火花塞周围必须要有随时间和空间稳定分布的混合气 一般火花塞附近混合气的空燃比在10 20 7 之间比较适合点燃 b 组织精确的涡流比 形成混合气在燃烧室内的轴向和径向分层 以获得稳定燃烧所需的稀薄混合气 根据混合气形成方式的不同 GDI发动机的混合方式可分为喷射引导 壁面引导和气流引导三种 如图2所示 喷射引导受燃烧室形状及气流运动较小的影响 但是喷嘴与火花塞的距离不易把握 气流引导主要靠缸内的涡流及滚流将混合气引导到火花塞 而对缸内的气流运动组织则是发动机设计的一个难点 壁面引导对喷油嘴的要求不高 且容易将混合气引向火花塞 因此目前应用较多 图2现代GDI燃烧系统的分类 2GDI发动机的技术特点最早对GDI的研究要追溯到19世纪50年代的德国 但由于当时内燃机整体发展水平还比较低 对GDI发动机的研究因得不到足够的技术支持而告失败 随着内燃机新技术的开发和利用 尤其是电控燃油喷射及可变气门正时技术的应用 才使得GDI有了突破性的进展 日本三菱汽车公司于1996年首先完成了对GDI的开发 随着技术的不断完善 GDI发动机也越来越受到人们的推崇 一般要实现GDI发动机的燃烧 必须具备以下几个特点 8 a 直立布置的进气道设计见图1 这种结构设计使发动机在进气冲程中获得强烈的进气气流 在气流流入到燃烧室以后又会进一步形成强烈的滚流运动 为GDI发动机的燃烧作好准备 b 高压油泵 9 GDI发动机所使用的喷油器的喷油压力一般在5MPa左右 与汽油机常用的EFI系统0 3 0 4MPa的喷油压力相比 这样的喷油压力可以保证汽油及时雾化和有合适的贯穿距离 c 高压涡流式喷油嘴 为了使汽油能与空气形成易于点燃的可燃混合气 除了油泵以外 GDI发动机专门设计了可以精确控制油量和喷油定时的电磁式喷油嘴 油嘴与燃烧室的良好配合可以保证在火花塞附近提供可供燃烧的混合气 d 凹坑形的活塞顶面设计 活塞顶面的凹坑与帐篷形的燃烧室顶及直立式进气道相配合 可以使燃烧室内的空气形成滚流 引导混合气顺利地到达火花塞顶 e 根据不同的发动机工况 利用电控喷射系统选择不同的喷油模式 以满足发动机不同负荷工况下对喷油定时的要求 3GDI发动机较传统汽油机的优势电喷式汽油机按燃油喷射位置可分为两种形式 进气道喷射 PFI 和缸内直喷 GDI 进气道喷射发动机当进气门关闭时将燃油喷在各缸进气门的背面 进气冲程中油气混合物进入气缸 在冷启动过程中 由于蒸发不完全 燃油会在进气道 进气门背部形成油膜和油坑 实际喷入的燃油量远远超过了按化学当量比计算得到的喷油量 因此发动机在冷启动的4 10个循环中会出现失火或部分燃烧的现象 10 使HC排放显著增加 相反 直喷式汽油机避免了进气道湿壁现象的问题 而且喷油泵可以精确控制发动机的喷油量 使发动机在2个工作循环之内就能顺利启动 提高了发动机的瞬时响应速度 同时也降低了发动机冷启动时的HC排放 进气道喷射发动机的负荷变化是依靠节气门调节混合气的进气量 尽管节气门控制对PFI发动机来说已是成熟的技术 但节气门所引起的泵气损失是不可避免的 这也是汽油机热效率较柴油机低的一个原因 相反 直喷式汽油机不是依靠节气门调节混合进气量来调节负荷 而是改变发动机的喷油量来改变缸内空燃比以实现发动机负荷的变化 这就提高了GDI发动机在部分负荷时的热效率 11 进气道喷射发动机在不采用辅助的助燃方法组织稀燃时 其空燃比最大可以达到27 超过这一界限 发动机工作会不稳定 HC排放增加 12 要超过这一极限 必须使用缸内直喷的方法 通过充量分层 使发动机在部分负荷时的空燃比达到30 40 燃油经济性改善高达30 左右 而且可以大大降低发动机的怠速转速 此外 由于直喷式发动机直接将燃油喷至气缸 消除了燃油供给的滞后效应 故当发动机在减速时可以停止喷油 从而提高了燃油经济性 燃油的汽化潜热可以降低混合气的温度和容积 从而影响着发动机的充气效率和爆震趋势 对进气道喷射发动机而言 由于燃油是喷在进气歧管内的 燃油的蒸发主要依赖于进气道和进气门等热源对油膜的热传递 因而不能显著地冷却充质 而对缸内直喷式汽油机而言 燃油直接喷入到气缸 可以冷却缸内温度 从而提高发动机的充气量 尤其是在大负荷工况下 燃油在压缩冲程开始便喷入燃烧室内 GDI发动机的输出功率较PFI发动机高出10 左右 不同的喷射定时影响着燃烧室表面到充质的传热率 在进气冲程中喷油 增加了缸壁对充质的热传递 这样燃油蒸发对最终充质温度的冷却效果就变差了 在压缩冲程中喷油 喷油之前由于空气温度较高 缸壁对空气的传热率降低 这样当燃油喷入时 燃油蒸发对充质的冷却效果保持的时间较长 因而在点火时刻燃气温度较低 最终降低了爆震趋势 4GDI发动机存在的一些问题虽然GDI发动机在动力性 经济性及排放方面有很多PFI发动机所无法比拟的优点 但是GDI燃烧本身仍有很多不足之处需要改进 a GDI发动机的喷油器放在气缸内 由于喷油压力低 喷孔没有自洁作用 因此很容易结垢 从而使喷雾特性变坏 喷油量减少 使发动机的燃烧恶化 影响发动机的功率输出和排放 b GDI的火焰在快速传播的同时 会出现部分火焰熄灭的现象 这就会使HC的排放增加 另外 缸内壁面的燃油附着 着火延迟等情况也会使HC的排放增加 c 由于气缸内混合气的浓度和温度分布不均匀 NOx在高温区生成较多 而高空燃比造成的氧含量过高 又使对NOx的处理难度增加 d 理论上GDI发动机可以不采用节流阀 但实际生产的GDI发动机都应用了适度的节流作用 因为轻度的节流和EGR可以降低HC的排放 但节流又会导致功率的损失 虽然EGR对NOx的降低有帮助 但过多的EGR又会使稀薄燃烧恶化 e 传统的三元转换器只能在空燃比为14 7附近内的小范围内工作 显然已不适合稀薄燃烧 f 发动机不同负荷的喷油时刻相差较大 发动机各种负荷的平滑过渡也有待进一步解决 成品发动机的成本较高 目前也很难大量占有市场 5展望作为一种新型的燃烧方式 GDI发动机有着广阔的发展前景 对解决能源危机和环境污染会起到很大的作用 同任何一项新兴技术一样 目前尚处于发展阶段的GDI还有很多缺点和不足 但是随着研究的深入和一些相关技术的发展 GDI发动机很有可能取代EFI发动机 三菱GDI发动机及其故障诊断 1引言汽油直喷 GDI 发动机是当今世界最先进的发动机之一 它很好地解决了燃油经济性和低排放两大难题 世界各大汽车厂家都在研制此类发动机 日本三菱公司就是其中之一 该公司已于1996年将GDI发动机装入其生产的Galant和Legnum两款轿车上 GDI系统是把汽油直接喷入气缸内 使高精度的燃油控制成为可能的系统 GDI技术不仅在稳定工况时在经济性和排放方面具有潜在的优势 而且对排气后处理 发动机控制以及系统稳定性的组合效果也起着决定性的作用 2GDI发动机传统的多点喷射发动机的燃油是喷入进气道 并与空气在进气道中混合后才被吸入发动机气缸 因此燃油供给响应不及时 燃烧控制受到限制