浅谈汽油机直喷技术.doc

论汽油机直喷技术张访南通航运职业技术学院 交通工程系 江苏南通 226010摘要：文章叙述了直喷技术在汽油机上的应用，全文分为三个部分，第一部分对汽油机直喷技术GDI做了相应介绍，以及GDI和时下常见的气门喷射技术PFI的对比，从而突显出GDI的前景，同时最后对GDI燃烧系统做了具体阐述；第二部分，相对于PFI、GDI更有发展潜力，但仍在排放稳定燃烧控制，燃油经济性提高，性能可靠性等方面挑战；从而在文章最后部分，就这些挑战，论述了GDI的发展趋势。关键词:GDI、PFI、燃烧系统、喷束引导、气流引导引言：近十几年来，受能源日益枯竭，油价不断上涨，全球变暖及与之相对应的CO2排放法规的困扰，在满足发动机排放要求的前提下改善发动机的燃油经济性的迫切性显得格外突出。由于汽油机的燃油经济性比柴油机差，所以降低汽油机的能损已经成为汽车界当前必须要解决的问题。开发车用具有汽油机有点同时具有柴油机部分负荷高燃油经济性优点的发动机是主要的研究目标。汽油缸内直喷是提高汽油机燃油普经济性的重要手段。近些年以缸内直喷汽油机为代表的新型混合气形成横式的研究和利用，极大的提高率汽油机的燃油经济性。1 汽油机直喷技术介绍 1.1.1什么是发动机汽油缸内直喷 缸内直喷汽油机喷嘴安装在燃烧室内，在其工作过程中，燃油直接喷注在燃烧室内，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。1.1.2缸内直喷汽油机分类 按燃烧系统的控制策略不同，GDI发动机可分为八类，如下按燃烧系统分：1）喷油嘴和火花塞之间间隙：窄间距宽间距2）产生层流充气的方式：喷束引导型壁面引导型气流引导型3）气流运动类型：滚流涡流4）喷嘴位置：中心喷射侧面喷射5)喷嘴类型：单一液相喷射辅助空气增压喷射按控制策略：1)燃油分布：均质分层混合气2)喷油时刻：早喷后喷3)空燃比：浓混合气理论空燃比稀混合气1.2什么是气门口喷射技术（汽油机）目前的发动机产品中PFI喷嘴20%装在缸盖上的进气门背面，80%安装在进气歧管上并靠近缸盖位置。在发动机起动时，会在进气门附近形成油膜、油坑等液态燃油，这些燃油在进气过程中逐渐蒸发进入气缸。1.3汽油直喷技术GDI和气门口喷射技术的比较（PFI）1.3.1正向对比1混合气形成：PFI进气门处的油膜如同电容具有积分的作用，这样发动机瞬间供油量不能通过喷油器实现精确控制，由于部分蒸发现象会导致油量控制延迟和计量偏差。尤其是冷起动时由于燃油蒸发困难，使实际供油量远大于需求空燃比的供油量，这样会导致冷起动时有410个循环不稳定燃烧。发动机未燃HC的排放显著增加。然而，GDI对燃油蒸发和混合物形成有严格要求，并且需要通过提高喷油压力来提高燃油雾化率。2节气门节流：PFI另一个限制是使用节气门控制负荷，由于节气门节流作用使PFI中小负荷时具有较大的进气节流损失。GDI在中小负荷时，采用分层充气模式，通过控制喷入，汽缸油量来控制发动机负荷，不存在节气门的节流损失，从而显著提高发动机热效率。3燃油经济性：目前技术完善的PFI发动机仍在使用节气门进行负荷控制，仍存在气门附近油膜现象，这两方的限制是继续提高PFI经济性和降低排放的主要障碍。GDI发动机理论上不存在上述两方面的限制。4减速断油：GDI潜在优点是可以实现减速断油，从而提高燃油经济性和降低HC排放。对PFI而言减速断油不宜采用，这样或消除气门口附近的油膜，然而，在气门口附近建立稳定的油膜需要发动机几个工作循环，这个过程燃烧室形成新的混合气，会导致失火或回火。1.3.2反向对比1燃油蒸发时间：PFI发动机的进气管相当于预蒸发室，能够增加燃油蒸发时间，而GDI发动机燃油直接喷入气缸，混合气形成时间短，燃油喷雾颗粒必须足够小，才能保证燃油直接在喷油和点火之间有限时间内完成蒸发混合。2低压喷射系统：PFI可以使用三元催化器，较高的排温可以提高三元催化器的效率，这些都对GDI发展提出了挑战。1.4GDI发动机燃烧系统1喷束引导：燃油喷嘴靠近火花塞，窄间距布置，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，喷油器直接将燃油射向火花塞电极，2壁面引导：使用特殊形状活塞表面，同时优化涡流和滚流之间的平衡，控制喷射到活塞表面的燃油传输方向即可控制分层燃烧。3气流引导：采用接近水平的进气道，在缸内产生顺向滚流。2缸内直喷技术应用中存在的问题由于三元催化器在GDI发动机上不能有效的使用，GDI中重要的设计约束是HC和NO排放控制。虽然GDI发动机稀少燃工作能力降低NO排放，但不能达到三元催化器降低NO排放90%的水平。目前世界范围内正在进行稀燃催化器开发，然而，在整个发动机工作区域的NO转化效率仍低于TWC，小负荷时HC排放的增加仍在解决。具体挑战如下：1排放性能：小负荷时相对较高的HC排放大负荷时相对较高的NO排放2稳定燃烧和控制:中小负荷区域内分层充气稀薄燃烧的控制相对较高的喷油嘴沉积物积炭3燃油经济性：提高喷油压力和油泵回流时间造成的损失催化器快速起燃和再生消耗的额外燃油4性能和可靠性相对高的喷嘴沉积物和积炭增加了进气门和燃烧室的沉积物5控制复杂性实现从冷启动到全负荷各种工况控制，需要复杂的供油系统和燃油系统控制技术增加了系统的标定参数3GDI发动机的发展趋势1采用=1的均质混合气的燃烧方式采用过量空气系数=1的燃烧方式，主要有点是能够采用目前PFI发动机广泛使用的三元催化器，可以避免使用稀燃NOX催化转换器，使其排放能够达到越来越严格的排放法规。同PFI和分层稀燃GDI发动机相比，=1均质混合燃烧发动机有较多优点（1） 发动机起动过程：具有更快的起动，较少的启动加侬和具有降低启动HC排放的潜力。（2） 瞬间工况：能提高瞬态响应，减少加浓，实现更准确的空燃比控制，并能最大限度的实现减速断油（3） 燃烧过程：不需要分层充气和均质充气模式转换（4） 燃油经济性：提高5%，能量最大限度的实现减速断油，并能够应用直接一停技术，取消怠速，实现进一步节流。（5） 排放方面：不需要稀燃NOX后处理系统，可i以使用三元催化器同分层稀燃GDI相比更有较低的排放，并能降低瞬态工况的排放。2采用分层充气或均质充气增压技术 通过提高进气压力，提高空气利用效率来减少发动机的尺寸，是提高发动机经济性的有效途径，传统的PFI发动机由于受到爆震的限制和涡轮增压器响应滞后等因素的影响，使得汽油机涡轮增压技术没能迅速发展。（1） 缸内充气冷却。由于燃油在气缸内蒸发能够显著冷却缸内充气，结合多阶段喷油可有效降低爆震倾向，因此可实现比常规PFI更高的压缩比。（2） 分层充气。由于增加了发动机的充其量，随意可以扩大发动机稀燃区域的转速和负荷范围。（3） 提高涡轮增压发动机的瞬态响应。3优化燃烧系统扩大分层稀燃区域 GDI发动机分层稀燃区域可以实现节油20%25%，可以优化GDI 发动机燃烧技术采用新一代喷射引导型燃烧系统，扩大分层稀薄燃烧范围进一步提高GDI发动机的经济性。4实现GDI发动机的HCCI燃烧分层稀燃GDI发动机的混合气不是均质的，NOX会在燃料较稀的高温区产生，而在混合气较浓的区域产生碳烟。在HCCI的燃烧过程中，理论上是均质混合气完全压燃，自发燃烧，没有火焰传播过程，这样可以组织NOX和微粒的生成，同时能够实现较高的燃油经济性。 应用GDI技术实现HCCI燃烧具有以下优点：（1） 缸内直喷可以通过改变喷油时刻来改变局部混合气浓度（2） 缸内燃油蒸发可以改变局部温度（3） 燃油早喷能够为然油蒸发和形成均质混合气提供足够空间（4） 缸内直喷