缸内直喷式汽油机的研究进展及技术难点

1、缸内直喷式汽油机的研究进展及技术难点孙 勇 , 王燕军 , 王建昕 , 帅石金(清华大学 汽车工程系 汽车安全与节能国家重点实验室 , 北京 100084摘要 :在概述缸内直喷汽油机研究的共同点的基础上 , 详细分析和讨论了近几年来缸内直喷汽油机在燃油喷射系 统 、 燃烧系统设计 、 油气混合基础研究 、 燃烧和排放几方面所取得的新进展以及目前尚未解决的技术难点 , 指出较 高的排放将是制约缸内直喷汽油机发展的关键 。 关键词 :汽油机 ; 缸内直接喷射 ; 进展中图分类号 :TK419 文献标识码 :A 文章编号 :1000-6494(2002 01-0006-05N e w Progres

2、s of G asoline Direct Injection Engines R esearch and T echnical SUN Y ong ,WAN G Yan -jun ,WAN -(Department of Automotive Engineering ,State K of and Energy ,Tsinghua Abstract :By generalizing the of injection engines research ,analysis and discussion are made in at present of gasoline direct injec

3、tion engines in fuel injection system ,the of fuel and air ,combustion and emissions. It is pointed out that the crucial problem of gasoline direct injection engine s development will be its high exhaust emissions. K ey w ords :gasoline engine ;direct injection ;progress 作者简介 :孙勇 (1974- , 男 , 硕士 , 主

4、要研究方向为缸内直喷式汽油机 。收稿日期 :2001-11-05 20世纪 90年代以后 , 能源危机和日益严格的 排放法规促使缸内直喷汽油机 (G DI , G asoline Direct Injection 的研究得到了长足的发展 。目前三菱 , 丰田 , 福特 , Nissan , Isuzu , 奔驰 , Mazada , 奥迪 , 本田 , Fiat , 雷诺 ,AVL ,FEV 等许多国外汽车公司和研究机构都开发了比较成熟的 G DI 机型和产品 1 。这些缸内直喷机型 , 除了福特 , Fiat , Isuzu 等生 产的少数机型仍采用单一的均质预混燃烧模式外 , 大都根据汽油

5、机的工况不同而采用了不同的混合燃 烧模式 :在中小负荷区域 , 通过在压缩行程后期喷油 和燃烧系统的合理配合 , 形成分层稀薄快燃的混合 气 ; 而在大负荷和全负荷工况下 , 通过较早地把燃油 在进气行程中喷入气缸 , 在点火时刻形成预混燃烧 的均质混合气 。 也有如丰田 、 三菱的某些 G DI 机型 采用两段喷射技术 , 把燃油分两次分别在进气和压 缩行程中喷入气缸 , 形成界于两者之间的混合气 , 据报道可以实现负荷从中小区域向大负荷区的平稳过 渡 , 并可以降低缸内气体温度 , 从而抑制了爆震的发生 , 增加了功率的输出 1-3。G DI 发动机超稀薄空燃比的利用和工作方式的改变有不少

6、优点 , 如取消节流降低了泵吸损失 , 燃 油蒸发引起的缸内温度降低 , 提高了汽油机可工作 的压缩比 ; 燃油在进气行程中对进气的冷却 , 提高了 充气效率等 。 这些优点使得它的燃油经济性可以提 高 25%左右 , 动力输出也比进气道喷射的汽油机增 加了将近 10%。另外 , 提高的瞬态响应能力 、 精确 的空燃比控制 、 快速的冷启动和减速快速断油能力 、 潜在的系统进一步优化能力都显示了它比进气道喷 射汽油机的优越性 1 。1 G DI 发动机研究开发的若干关键问题缸内直喷汽油机的开发 , 一方面要兼顾不同工况下对混合气的要求而进行系统优化 , 另一方面又 要对缸内随时间 、 空间快速

7、变化的油气运动精确控6 行业综述内燃机 2002年第 1期 制 , 以便能在相对固定的点火位置周围形成可供点 燃的混合气浓度 , 并形成一定的分层结构 , 促使稀薄 气体的快速燃烧 。 目前在 G DI 发动机上的研究 , 正 是围绕着这些核心问题 , 分别从燃油喷射系统的开 发 、 燃烧系统的设计 、 油气混合的基本理论研究 、 燃 烧排放特性研究和控制等几方面展开的 。111 燃油喷射系统的开发汽油机缸内直喷的工作方式 , 早在 20世纪 50年代 德 国 的 Benz 3000SL 燃 烧 系 统 、 60年 代 的 MAN -FM 系统 ,70年代美国 Texaco 的 TCCS 系

8、统和 Ford 的 PROCO 系统就曾经采用过 1 。受当 时内燃机技术水平的限制和尚未有电控喷射手段等 原因 , 开发的发动机性能和排放并不理想 , 因而没有 得到实际的应用 。而现代化的 G DI 燃油喷射系统 设计 , 为了达到分层稀薄混合气所要求的喷雾质量 、 灵活的喷油定时和点火定时 , 、 快的柔性电控手段 。一 4 。种喷射模式 :采用高压旋流喷油器的汽油直喷模式 (DFI ; 利用压气机增压进气或 AVL 开发的利用上 一循环压缩行程中的高压气体在预混合室与燃油形 成混 合 气 , 然 后 再 喷 入 气 缸 的 混 合 气 喷 射 模 式 (DM I 5 。为了在压缩后期较

9、短的时间内使油气能形成良 好的混合气 , G DI 发动机要求较高的喷雾质量 , 一般 来说 , 索特平均粒度 (SMD 不应大于 25m ,90%的燃 油粒度 (DV90 不超过 45m , 同时为了保持合适的贯 穿度 , 缩短喷油持续期 , 汽油直接喷射模式所需要的 喷油压力应维持在 413MPa 之间 1 。 在系统允许 的情况下 , 应尽量采用更高的喷油压力 , 这时能获得 粒度较小且均匀的喷雾 6 。 另外一种采用可变喷射 压力的汽油直喷模式正在研究进展中 7 , 可望能更好 地满足不同负荷对喷雾的要求 , 减轻对喷射系统的性 能要求。 而混合气喷射模式由于在喷入气缸前就混 合过一次

10、 , 只需较小的喷射压力就能在缸内达到较好 的雾化水平 , 对喷油器的要求可低一些。 但它通常采 用普通的外开轴针式喷油器 , 容易引起针阀跳动、 喷 油速率变化大等问题 , 且它需要两个电磁阀、 压气机 等附加设备 , 限制了它的应用 1 。喷油系统中 , 喷油器的结构形式对喷雾质量的 影响很大 。 目前正广泛开展对它的研究 。 由于汽油 的喷射压力远低于柴油机 , 多孔喷油器喷嘴易于积 炭堵塞 , 雾化分层不好 , 燃烧时火焰传播不稳定 , 一 般不在缸内直喷汽油机上使用 。目前在 G DI 上得 到广泛使用的是内开式旋流喷油器 , 其内部设有燃 油旋流腔 。 Kume 等 8 对它的研究

11、表明 , 它可以通 过涡流比的选择而实现较好的喷雾形态和合适的贯 穿度的配合 , 且喷束方向便于调整 , 方便了其在缸头 的布置 。 正在研究开发中的喷油器 , 有一种外开式 轴针式喷油器 6 , 它可以取消压力室容积 , 并且在 设计上更灵活 , 还可以设计燃油旋流 , 可同时兼顾喷 雾锥角 、 , 但它密封 性 差 Nissan 公 司 研 究 的 ET G DI 机型上多 的 现 象 。有 研 究 报 道 的 还 有 PZT 喷 油 器 10 , 可以灵活进行喷油定时和控制喷嘴开启关闭 时间 ; 以及一种两级喷嘴喷油器 11 , 可以满足不同 负荷的喷油需要 。 喷油器油嘴的积炭会导致喷

12、雾的 较大变形和燃油计量精度的下降 , 有时会严重影响 直喷汽油机的性能 , 因而对喷油器的内部结构也正 在进行细致的设计研究 , 以期能进一步提高喷油器 的性能和寿命 12 。112 直喷汽油机的燃烧系统设计燃烧系统的设计是 G DI 开关的关键技术之一 , 由于要兼顾大负荷均质预混和中小负荷分层稀薄的 不同要求 , 更增加了其设计难度。 G DI 发动机的燃烧 系统设计 , 需要进行燃油喷束、 气流运动和燃烧室形 状等的优化合理配合 , 这其中还涉及到喷油器和火花 塞的相对位置和方位的选取、 进气道的设计和布置、 喷油定时和点火时间的优化等细节性的问题 1 。 已经开发的 G DI 燃烧系

13、统 , 按喷油器和火花塞 的相对位置和混合气的组织方式可以分为 :a 1燃油喷嘴靠近火花塞的近距离方式 , 此时火 花塞位于燃油喷束的边缘 , 此种方式可保证当整个 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 , 这种混合气形成方法被称为 “ 喷束引导法” , 如 ford ,Honda 生产的某些机型 ; b 1燃油喷嘴远离火花塞的远距离位置 , 此时利 7行业综述 内燃机 2002年第 1期 用特殊形状的活塞表面配合气流运动 , 将燃油蒸气 导向火花塞 , 并在火花塞间隙形成合适浓度的混合 气形成方法 , 即称为 “壁面引导法” , 如三菱 、 丰田 、 Niss

14、an 开发的机型 ;c 1同样是远距离布置喷油器和火花塞 , 而利用缸内有组织的气流运动来达到上述目的的被称为“ 气流引导法” , 如 FEV ,AVL 公布的方案 6 。根据 AVL 和 Ricardo 13 公司的研究 , 近距离方 法在怠速和部分负荷时对分层便于控制 , 但火花塞 容易因粘湿而造成积炭和点火困难 , 此种方式对喷 雾变形也比较敏感 , 而且把火花塞和喷油器都布置 在中间 , 有时会影响进气门的大小 ; 而远距离方式对 喷油器和火花塞的布置则比较灵活 , 可避免沾湿火 花塞 , 其缺点是燃油碰壁要多些 , 并且需要精确设计 特殊的燃烧室形状 , 对缸内混合气运动的组织要求

15、也要高一些 。挤流等 。 响很大 。 , 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 , 但它 不利于油气的混合 , 往往要结合挤流来促进燃油的 蒸发混合 , 它经常用在喷油引导的燃烧系统中 ; 而滚 流存在着较大的速度梯度 , 便于油束的纵向引导 , 而 且容易转变为小规模的紊流来促进油气混合 , 它的 近壁流速较高也有利于壁面油膜的蒸发 , 但设计不 当有时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 , 它常常用在以远距离方式组织混合 气的燃烧系统中 。 对以涡流为主和以滚流为主的燃 烧系统研究表明 , 二者在空燃比为 3540的中小负 荷区域可提供相当的性能水平

16、 , 而在空燃比为 2030的高负荷区域 , 以涡流为主的燃烧系统更易发生燃烧不稳定和生成碳烟 1 。 而对于逆向滚流的高压 燃油直喷和混合气辅助喷射的燃烧系统来说 , 后者比 前者对部分负荷运转的适应性更强 , 喷油定时和空燃比 /废气再循环的容许范围更宽一些 14 。 Fraidl 15曾结合缸内气流运动、 燃烧室形状、 火花塞和喷油器的 相对位置等因素提出了不同的燃烧系统。在新的燃烧系统开发中 , 丰田汽车公司采用带 有涡流控制阀的直进气道和螺旋进气道的方法可以 改变不同负荷下的进气运动形式 ;Moriyoshi 等人提出利用涡流控制阀 (SCV 形成一种 “ 上升涡流” 使火 花塞间隙

17、形成浓混合气的方法 , 已被 L IF 测量和 CFD 模拟计算所证实 ; Yamada 提出生成一种 “倾斜” 涡流 , 可以综合利用一般涡流和滚流的特点来优 化混合气的形成 。目前的缸内直喷汽油机大部分采用的是单点点 火方式 。 日本的村濑英一提出了一种脉冲喷束点火 方式 。 这种方式可以直接把火焰喷束喷入燃烧室 中 , 以保证超稀混合气可靠的点火和燃烧 。其结构 简图见图 1 。图 1 脉冲点火示意图113 油气混合运动的基础理论研究尽管多年来对柴油喷雾的形成和燃烧研究取得 了不少成果 , 但由于柴油和汽油二者在燃油性质 、 喷 油压力 、 喷雾质量和燃烧室中所处环境的明显差别 , 这些

18、经验和理论还不能直接应用在直喷汽油机上 。 目前对直喷汽油机内的油气混合运动的认识还处在 半经验半理论状态 。通过 Evers , Zhao ,Shelby 等人对不同形式的高 压旋流喷油器产生的喷雾的实验研究表明 , 从喷油器出来的喷雾有不同的发展阶段 1。喷雾的初始雾化主要发生在喷嘴出口附近 , 其主要形态主要取 决于喷嘴形式 、 喷油器的开启特性 、 喷油压力等喷油 器的特性参数 。 随后的喷雾发展则因为燃油颗粒和 周围流场的相互作用而变得很复杂 。 燃油颗粒的涡 旋往往会引起周围空气向油束的卷吸 6 , 油束的喷 射 、 蒸发也会造成二次流动现象 , 周围空气的温度压 力差别也会引起喷

19、雾的主要参数如喷雾锥角 、 贯穿 距离 、 燃油粒度的变化 , 喷雾形状也会因气流运动而 发生畸变 。通过对汽油颗粒的破碎 、 蒸发 、 雾化机理的研 究 ,Naitoh 和 Takagi 等人建立了 “ SSP ” 模型 , Zhiyu Han 等人建立了 “ Sheet ” 模型 ,Dennis N. Assanis 等人建立了 “ L PB ” 破碎模型对空心汽油喷雾特性进行 了模拟研究 , 与具体实验结果取得了一致 。它们的8 行业综述内燃机 2002年第 1期 主要缺点是或多或少包含有需实验待定的参数 , 还 有待进一步的深化研究 。 Lippert 等人模拟了多组 分燃油喷雾中燃油

20、组分对喷雾发展的影响 , 发现与 单组分模拟不同 , 在喷雾中心会有大量小油滴的出 现 , 并得到 Hoffaman 等人实验的证实 。另外 ,Stanglmaier ,Hall ,Alger 等人从实验角度 , Lake ,Han 等人分别用 Ricardo V ECTIS CFD 程序 和修改的 KIVA -3程序分别对不同气流运动 、 活 塞转速和喷雾运动的相互作用作了研究 , 从喷油定 时和点火时刻的确定 、 喷雾锥角和贯穿距的优化选 取等中得出了有益的结论 1 。114 G DI 的燃烧排放特性Jeong K 等的研究表明 , 直喷汽油机如果能在 怠速和中小负荷下形成较好的分层混合气

21、 , 则可以 维持高效稳定的燃烧 。 Harada 等人对丰田开发的 ,空燃比分别为 27和 141。 2,内压力水平 。持续期比均质预混燃烧明显缩短 。 这主要得益于初 始火焰在火花塞周围的浓混合气区域的快速传播 。 较短的点火延迟和总体提高的燃烧速度允许采用较 迟的点火时间 , 进而可进一步推迟喷油时间 , 有利于 油气在高温下的快速蒸发和分层 。在高负荷区 , 如 Kume 用化学发光分析法的研究 8 表明 , 进气行程 中喷入的燃油有较长的蒸发时间 , 能进行较好的混 合 , 因而 G DI 发动机总体仍能保持与传统进气道喷 射汽油机相当的动力水平 , 尽管有时会生成碳烟 。 G DI

22、 发动机 , 除了温室气体 CO 2排放较少外 , 它冷启动迅速快捷 , 很少需要冷启动加浓 , 因而还可 以大 幅 度 降 低 冷 启 动 时 未 燃 碳 氢 (UBHC 的 排 放 1 。 Takagi 在可比条件下对 Nissan 的直喷汽油 机机型和经过优化的进气道喷射的汽油机研究表 明 , 其冷启动未燃碳氢可下降 30%左右 。在直喷汽 油机的排放控制上 , 废气再循环 (EGR 技术的采用 比较有利 , 这主要是因为较稀空燃比使得缸内富裕 氧气较多 , 允许使用较大比例的 EGR 率来降低 NOx 排放而不会引起燃烧的太大改变 8 。 EGR 对 未燃碳氢的影响随着系统的不同而不同

23、 , 其机理比 较复杂 , 如 Sasaki 和 Lake 等报道 :EGR 的采用降低 了直喷汽油机上未燃碳氢的排放 , 而 Anderson 却指 出 EGR 的采用会带来 UBHC 的额外增加 1 。2 G DI 发动机面临的主要技术难点分析G DI 发动机的开发成功 , 极大地提高了汽油机 的燃油经济性 。 而它的排放 , 从总体讲 , 要高于传统 的在化学计量比下工作的加三元催化剂的进气道喷 射汽油机 。 它还需进一步降低来满足各国严格的排 放法规要求 。 它排放的不利方面主要有 1 :a 1中小负荷下未燃碳氢 (UBHC 的排放较多 , 其主要原因有采用分层混合气时引起火焰从浓区向

24、 稀区的熄灭 , 稀空燃比工作条件造成缸内温度偏低 , 。 远距离方式组 , 而活塞顶和缸壁的 , 也较多 。 其他设计不当引起 , 也会造成火焰传 播速度降低 , 使得 UBHC 排放升高 ;b 1NOx 的排放 , 虽然因采用较稀的空燃比 , 气 缸内的反应温度较低而降低 , 但由于分层混合气由 浓到稀将不可避免地出现空燃比为 1附近的偏浓区 域 , 导致这些地方的 NOx 生成增加 。另外 , G DI 发 动机较高的压缩比和较快的反应放热率也会引起 NOx 升高 ;c 1直 喷 汽 油 机 的 微 粒 排 放 , 据 Maricq 和 Graskow 所做的实验报道 , 微粒排放在低负

25、荷 、 过渡 工况和冷启动的情况下比传统的进气道喷射汽油机 有较多的增加 , 但仍比柴油机要低一个到几个数量 级 , 其形成的主要原因可能是因为局部地区过浓的 混合气或未蒸发的液态油滴扩散燃烧所引起 , 并且 缸内温度低也造成了微粒氧化不完全 。 其生成机理 还需要进一步的研究 。据报道 , 三菱公司新开发的 4G 15型缸内直喷 汽油机采用在膨胀后期补充喷油的二次燃烧技术 , 可以很快达到催化器的起燃温度 , 并通过反应式排 气管大幅度降低碳氢 (HC 、 氮氧化物 (NOx 的排放 到日本现行法规的 80%。 但一般来说 , 缸内直喷汽 油机在稀空燃比工作条件下造成的富氧气氛使得传 统的三

26、元催化器的转化效率不高 , 废气排温较低也 不利于它的起燃 , 限制了它在直喷汽油机上的应用 。 目前正在开发各种稀燃适用的催化器 , 如稀燃选择 9行业综述 内燃机 2002年第 1期 还原型 NOx 催化器 、 吸附还原型 NOx 催化 、 浆质型 三元催化器和 UBHC 氧化催化器等 。但这些催化 器在不同程度上都存在着转化效率低 、 工作温度范 围窄 、 性能不如传统的三元催化器的问题 , 还需要进 一步的研究 。 稀燃催化剂的开发将直接影响到 G DI 发动机排放问题的解决 。从理论上讲 , 直喷汽油机可以不采用节流阀 , 但 实际生产开发缸内直喷汽油机则要考虑适度节流的 应用 ,

27、但节流不可避免地带来燃油经济性的损失 , 需 在设计上仔细考虑 。 如 Lake 等人的研究指出 , 轻度 节流和 20%的 EGR 率可以减少 20%的未燃碳氢 , 燃油经济性降低 215%, 但如果为了降低 80%的 NOx 排放而采用 EGR 和节流技术 , 燃油经济性的损失将达到 15%。燃油经济性和排放之间的协调 将是直喷汽油机不得不面对的一个难点 。直喷汽油机的开发难点 , 稳过渡上 , 制 。 , 成本比较高 , 并且对汽油喷雾和空气的混合运动认 识不足更加大了开发难度 。另外 , G DI 高的喷射压力要求也造成汽油泵和 喷油器功率要求高 , 汽油的润滑性较差 , 因此 , 如

28、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 前景与展望21世纪 , 大幅度降低能耗和有害排放的社会要求将使车用内燃机的开发面临着巨大的压力 , 缸内 直喷式汽油机的开发成功为此提供了一个重要的可 供选择的方案 。从现有的缸内直喷汽油机来看 , 尽管其燃油经 济性已达到非直喷式柴油机水平 , 但高精度和复杂 的电控手段和设备使得它的开发制造成本昂贵 , 它 的推广应用速度将主要取决于对汽车节能的压力和 要求 。 并且 , 它的排放也要进一步降低来满足现在 和未来的排放法规要求 , 各种排放控制措施 , 尤其是 稀燃催化剂的开发 ,

29、 将成为影响缸内直喷汽油机推 广使用的关键因素之一 。 参 考 文 献 1 F. zhao , M. C. Lai ,D. L. Harrington ,Automotive Spark 2ignited Direct 2injection G asoline Engines. Progress in En 2ergy and Combustion Science ,1999,25:437-562. 2 Matsushita S ,Nakanishi K , G ohno T ,et al. Mixture for 2Mation Process and Cobmustion Process

30、of Direct Injec 2tion S. I. Engine. Proceedings of JASE (in Japanese No. 965,10,Octorber 1996. 101-104 3 Y ang J ,Anderson R. Use of Split Fuel Injection to In 2crease Full 2load Torque Output of a Direct 2injection SI Engine. SAE No. 980495,1998. 4 P ontoppidan Me et al. Experimental and Numerical

31、Approachto Injection and Ignition Optimization of Lean G DI C ombus 2tion Behaviour. SAE No -0173,1999. 5, , 未来车用,2000, (1 :24-36. E. CFD 2aided Development of Spray foran Outwardly Opening Direct Injection G asoline. SAE No. 980493,1998. 7 Ponttappidan M , Graviani G , Marelli M. Direct Fuel 2in 2jection a Study of Injector Requirements for Different Mixture Preparation Concepts. SAE No. 970628,1997.