汽车新技术之汽油机缸内直喷

汽车新技术之汽油机缸内直喷

汽油机缸内直喷技术1.缸内直喷技术概述2.缸内直喷技术的工作原理3.缸内直喷技术特点4.缸内直喷技术现状5.缸内直喷技术的实际应用6.缸内直喷发动机目前存在的问题7.缸内直喷技术推广应用的主要问题8.缸内直喷技术今后的研究开发方向1.缸内直喷技术概述缸内直喷又称FSI(FuelStratifiedInjection)，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。1.缸内直喷技术概述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。各厂商缸内直喷技术英文缩写：大众：TSI、奥迪：TFSI、梅赛德斯-奔驰：CGI、宝马：GDI、通用：SIDI、福特：GDI、比亚迪：TI。2.缸内直喷技术的工作原理缸内直喷就是将燃油喷嘴安装于气缸内，直接将燃油喷入气缸内与进气混合。喷射压力也进一步提高，使燃油雾化更加细致，真正实现了精准地按比例控制喷油并与进气混合，并且消除了缸外喷射的缺点。同时，喷嘴位置、喷雾形状、进气气流控制，以及活塞顶形状等特别的设计，使油气能够在整个气缸内充分、均匀的混合，从而使燃油充分燃烧，能量转化效率更高。3.缸内直喷技术特点缸内直喷汽油机是以传统电控喷射系统为基础，进行结构和控制技术的优化，使得混合气的形成与燃烧过程得到改善。按照燃料在燃烧室里面的均匀程度又可分为分层燃烧缸内直喷汽油机和匀质混合燃烧缸内直喷汽油机3·1.分层燃烧缸内直喷这种发动机，部分负荷情况下采用分层燃烧，在火花塞附近形成极易点燃的较浓混合气，而在其他区域，则追求无油区，即形成空燃比趋向无穷大区域。主要有壁面阻挡型和软喷射型等燃烧系统。丰田D一4发动机采用壁面阻挡型稀薄燃烧系统(图1)。当活塞运动到一定位置时，喷油器喷出的油束到达与活塞顶部凹坑基本垂直的壁面上，与壁面碰撞并飞溅。进气气流经过电控涡流阀(E—SCV)，形成斜向进气涡流。空气涡流运动使已蒸发的汽油蒸气和飞溅的油滴沿壁面横向运动，促进缸内混合气的形成。3·1.分层燃烧缸内直喷3·1.分层燃烧缸内直喷图1.丰田D—4稀薄燃烧系统喷油器为高压旋流式(8MPa～13MPa)，雾化性能好，雾滴高度微粒化，雾滴直径小于5μm。喷射方式控制灵活，对不同转速与负荷采用不同的喷油控制方式，并带有电控废气再循环系统和氧传感器、三元催化器闭环控制系统等。试验结果表明，其轿车工况试验油耗为17.4Km／L，而相应的装有PFI发动机的汽车油耗为13Km／L，节油达34％左右。3·1.分层燃燃烧缸缸内直直喷三菱4G稀稀燃系系统(图2)与与丰田田D一一4系系统相相近。。进气气采用用立式式进气气道，，能够够产生生强大大的进进气气气流，，直接接流入入气缸缸，流流速可可达40m/s一50m/s，，充气气效果果好，，以保保证高高度的的纵向向涡流流及充充气系系统。。活塞塞顶部部的凹凹坑浅浅，且且壁面面有一一定的的斜度度。在在部分分负荷荷输出出时，，油束束与壁壁面碰碰撞后后飞溅溅的油油滴，，随含含有汽汽油蒸蒸气和和细小小油滴滴的气气流斜斜向上上运动动(图图2中中倒滚滚流)，被被位于于缸盖盖中部部的火火花塞塞点燃燃。3·1.分层燃燃烧缸缸内直直喷图2.三三菱4G稀稀薄燃燃烧系系统3·1.分层燃燃烧缸缸内直直喷软喷射射型缸缸内直直喷汽汽油机机主要要依靠靠适当当的喷喷雾特特性来来形成成分层层混合合气。。由于于喷雾雾具有有贯穿穿度较较低、、喷雾雾锥角角较大大、雾雾滴平平均直直径较较小等等喷雾雾特性性，故故称为为软喷喷射(如图图3所所示)。图3软软喷喷射型型缸内内喷油油汽油油机3·2.匀匀质混混合燃燃烧缸缸内直直喷福特汽汽车公公司PROCO(ProgrannnedCombustionInjection)稀薄燃燃烧系系统是是程序序化燃燃烧过过程的的缩写写，采采用匀匀质混混合缸缸内直直喷汽汽油机机(如如图4所示示)。。进气气道为为螺旋旋式气气道，，汽油油直接接喷射射到燃燃烧室室内，，利用用涡流流和滚滚流进进行油油气混混合。。喷油油器位位于中中央，，两侧侧各有有一个个火花花塞。。由于于汽油油在缸缸内雾雾化需需要吸吸收能能量，，混合合气温温度下下降。。因而而可以以采用用高压压缩比比(εε=15)的发发动机机，并并可在在空燃燃比A/F=25的的条件件下工工作。。图4.福特特PROCO稀稀薄燃燃烧系系统4.缸缸内直直喷技技术现现状燃油供供给和和喷射射系统统喷射模模式燃烧系系统缸内空空气运运动的的组织织4·1.燃油供供给和和喷射射系统统现代的的GDI发动动机燃燃油供供给系系统设设计，，为了了达到到分层层稀薄薄混合合气所所要求求的喷喷雾质质量和和灵活活的喷喷油定定时，，均采采用了了精度度高、、响应应快的的柔性性电控控手段段。高高压共共轨喷喷射系系统加加电磁磁驱动动喷油油器被被认为为是满满足缸缸内灵灵活喷喷射要要求的的喷射射系统统之一一。该系统统由低低压输输油泵泵、燃燃油压压力传传感器器、喷喷油压压力控控制阀阀、高高压油油泵、、蓄压压燃油油轨、、喷油油器等等组成成。4·1.燃油供供给和和喷射射系统统图5直直喷喷式汽汽油机机供油油系统统油路路燃油喷喷射系系统中中，喷喷油器器的结结构形形式对对喷雾雾质量量的影影响很很大。。由于于汽油油机的的喷射射压力力远低低于柴柴油机机，如如采用用多孔孔喷油油器，，其喷喷嘴容容易在在工作作中积积碳堵堵塞，，雾化化分层层不好好，燃燃烧时时火焰焰传播播不稳稳定，，因此此GDI发动动机上上一般般不采采用多多孔喷喷油器器。目目前在在GDI发发动机机上得得到广广泛应应用的的是内内开式式旋流流喷油油器，，只有有一个个喷孔孔，工工作油油压为为5.0—10MPa，其其内部部设有有燃油油旋流流腔，，它可可以通通过涡涡流比比的选选择而而实现现较好好的喷喷雾形形态和和合适适的贯贯穿度度的配配合，，且喷喷束方方向便便于调调整，，方便便了在在气缸缸内的的布置置。图图6为为旋流流式喷喷嘴结结构简简图。。4·1.燃油供供给和和喷射射系统统图6.旋流流式喷喷嘴结结构简简图4.2喷射模模式GDI发动动机燃燃油喷喷射模模式可可以分分为单阶段段喷射射模式式和多阶段段喷射射模式式。单阶段段喷射射模式式是指在在中小小负荷荷时，，燃油油在压压缩行行程后后期喷喷入，，实现现混合合气分分层稀稀燃并并采用用质调调节以以避免免节流流阀的的节流流损失失，从从而使使GDI汽油油机达达到与与柴油油机相相当的的经济济性；；在大大负荷荷和全全负荷荷时，，燃油油在进进气行行程中中喷人人气缸缸，实实现均均质预预燃和和燃烧烧，以以保持持汽油油机升升功率率高的的特点点。4.2喷射模模式多阶段段喷射射模式式是指在在进气气行程程中先先喷入入所需需燃料料的1/4，形形成极极稀的的均质质混合合气，，其余余燃料料在压压缩行行程后后期再再次喷喷入，，形成成分层层混合合气。。火花花塞点点火时时，首首先在在浓混混合气气处形形成较较强的的火焰焰，然然后向向稀混混合气气空间间迅速速传播播。应应用该该技术术可实实现发发动机机从中中小负负荷到到大负负荷的的平稳稳过渡渡，降降低气气缸内内的气气体温温度，，抑制制爆燃燃的产产生。。4.3.燃烧烧系统统燃烧系系统的的设计计是GDI发动动机的的关键键技术术。要要成功功实现现中小小负荷荷时的的分层层稀燃燃和大大负荷荷时的的均质质预混混，就就需要要进行行燃油油喷束束、气气流运运动和和燃烧烧室形形状的的优化化合理理配合合。已已经开开发的的GDI发发动机机燃烧烧系统统。按按喷油油器和和火花花塞的的相对对位置置和混混合气气的组组织形形式可可以有有“喷束引引导法法”(spray-guidedsystem)、“壁面引引导法法”(wall-guidedsystem)、“气流引引导法法”(flow-guidedsystem)3种种类型型。4.3.燃烧烧系统统“喷束引引导法法”：燃油油喷嘴嘴靠近近火花花塞布布置，，火花花塞位位于燃燃油喷喷束的的边缘缘，这这种方方式的的优点点是保保证当当整个个燃烧烧室内内为稀稀薄混混合气气时，，火花花塞周周围仍仍能形形成可可供点点火的的混合合气浓浓度。。Ford、Honda公司生生产的的某些些机型型采用用这种种燃烧烧系统统。4.3.燃烧烧系统统“壁面引引导法法”：燃油油喷嘴嘴远离离火花花塞布布置，，利用用特殊殊形状状的活活塞表表面配配合气气流运运动，，将燃燃油蒸蒸气导导向火火花塞塞并在在火花花塞间间隙形形成合合适浓浓度的的混合合气，，如三菱、丰田、Nissan等公司司开发发的机机型。。4.3.燃烧烧系统统“气流引引导法法”：同样样是燃燃油喷喷嘴远远离火火花塞塞，利利用缸缸内有有组织织的气气流运运动来来达到到上述述目的的。FEV、AVL公司开开发的的方案案采取取这样样的燃燃烧系系统。。4.3.燃烧烧系统统上述几几种燃燃烧系系统方方案的的划分分是十十分粗粗略的的，实实际情情况是是上述述几种种方案案交叉叉存在在，各各种因因素并并存并并相互互影响响。根根据AVL的Ricardo公司司的研研究，，火花花塞布布置在在靠近近中心心的位位置可可以减减少火火焰传传播距距离，，在怠怠速和和部分分负荷荷时对对分层层便于于控制制，但但发动动机对对喷油油器和和火花花塞之之间的的位置误误差、喷雾变变形敏感，，火花花塞容容易被被燃油油沾湿湿而形形成污污垢导导致点点火困困难。。另外外，火火花塞塞和喷喷油器器都布布置在在中间间有时时会影影响进进气门门的尺尺寸。。远距距离布布置的的方式式可避避免沾沾湿火火花塞塞，但但燃油油碰壁壁较多多，并并且需需要精精确设设计特特殊形形状的的燃烧烧室，，对缸缸内混混合气气运动动的组组织要要求更更高一一些。。4.4.缸内内空气气运动动的组组织气缸内内的空空气运运动对对喷雾雾和燃燃烧的的影响响很大大。GDI发动动机缸缸内空空气的的运动动有涡流、滚流和挤流。涡流的旋转转轴线线平行行于气气缸中中心线线，滚流的旋转转轴线线垂直直于气气缸中中心线线，挤流形成于于压缩缩冲程程活塞塞接近近上止止点时时与缸缸盖间间隙处处的径径向气气体运运动，，它有有助于于加强强压缩缩终点点时的的湍流流强度度。目前大大部分分GDI发动动机应应用涡流作为缸缸内空空气运运动的的主要要形式式，其其特点点是持持续时时间长长，在在缸内内的径径向发发散少少，对对保持持混合合气的的相对对集中中和分分层有有利，，可以以充分分利用用它来来维持持压缩缩冲程程中的的混合合气分分层。。由于于涡流流的旋旋转动动量与与发动动机的的转速速成正正比，，而油油束的的动量量是独独立的的，不不受发发动机机转速速的影影响，，因此此，利利用涡涡流来来促进进油气气混合合有一一个操操作范范围限限制。。此外外，涡涡流比比过高高还会会由于于离心心力的的作用用使油油滴甩甩向缸缸壁，，造成成湿壁壁现象象的增增加。。4.4.缸内内空气气运动动的组组织近年来来，日日本三三菱汽汽车公公司对对滚流流在GDI发动动机中中的应应用做做了大大量的的试验验研究究，结结果显显示，，在压压缩行行程的的后期期，滚流能能够有有效地地增加加靠近近缸壁壁处的的气体体流动动速度度，从从而可可以促促进粘粘附在在缸壁壁上的的油滴滴快速速蒸发发，也可可利用用滚流流程活活塞顶顶部的的凹坑坑相配配合将将分层层混合合气导导向火火花塞塞，控控制油油束碰碰撞和和火焰焰传播播，从从排气气侧到到进气气侧的的挤流流还能能提高高燃烧烧速度度。5.缸缸内直直喷技技术的的实际际应用用大众TSI：国国外大大众的的1.4T发动动机上上以及及进口口尚酷酷1.4T上TSI代表表的是是TwinchargerFuelStratifiedInjection这几个个单词词首字字母的的缩写写，通通过字字母表表面意意思可可以理理解为为双增压压+分分层燃燃烧+喷射射的意思思。而大众1.8/2.0TSI中的“TSI”则代表着TurboFuelStratifiedInjection,通过字母母表面意思思可以理解解为涡轮增压+分层燃烧烧+缸内直直喷的意思装配车型：：速腾、明锐锐、新宝来来等5.缸内直直喷技术的的实际应用用大众/奥迪迪的TFSI：TFSI就就是带涡轮轮增压（T)的FSI发动机机。FSI发动动机的主要要优势有：：动态响应好好、功率和扭矩矩可以同时时提升、燃油消耗降降低装配车型：：奥迪A3、、A6L、、A8L等5.缸内直直喷技术的的实际应用用SIDI：：SIDI是SparkIgnitionDirectInjection的缩写，直直译为火花点燃直直接喷射技技术。装配车型：：别克君威、、君越，凯凯迪拉克赛赛威等6.缸内直直喷发动机机目前存在在的问题GDI发动动机拥有很很多优良的的性能，如如：油耗低、污染小、动力性能好好等等。但是是GDI技技术同样存存在着许多多技术瓶颈颈制约了它它的进一步步发展和应应用，亟待待改进。6.缸内直直喷发动机机目前存在在的问题排放问题： GDI汽油机的的开发成功功，极大地地提高了汽汽油机的燃燃油经济性性。但其排排放总体上上要高于工工作在理论论空燃比下下，附加三三元催化等等尾气处理理装置的进进气道喷射射汽油机。。其排放问题题主要有：：1)中小负荷下下未燃HC排放较多多。采用混合合气分层后后，极易造造成火焰从从浓区向稀稀区传播时时熄灭。同同时，稀燃燃造成缸内内温度偏低低，不利于于未燃HC随后的继继续氧化。。壁面阻挡挡型直喷系系统，因喷喷雾碰壁较较多，而活活塞顶和缸缸壁的温度度低，使HC排放较较高。2)NOx的排排放。虽然因采采用较稀的的空燃比，，气缸内的的反应温度度较低，但但由于分层层混合气由由浓到稀将将不可避免免地出现混混合气过浓浓或浓混合合气区域过过大的状况况，这些区区域恰恰是是高温区域域，使NOx生成增增加。另外外，GDI发动机较较高的压缩缩比和较快快的反应放放热率也会会引起NOx升高。。3)微粒排放。因为局部部区域过浓浓的混合气气和未蒸发发的液态油油滴扩散燃燃烧而引起起颗粒排放放增加，并并且缸内温温度低也造造成了微粒粒氧化不完完全。6.缸内直直喷发动机机目前存在在的问题催化器问题题：GDI汽汽油机工作作在稀空燃燃比条件下下，其造成成的富氧和和较低的排排气温度使使传统的三三元催化器器对NOx的转化率率不高，废废气排温较较低不利于于三元催化化器的起燃燃，限制了了它在GDI汽油机机上的应用用。6.缸内直直喷发动机机目前存在在的问题积炭问题：由于GDI汽油机机，火花塞塞点火燃烧烧的是占据据小部分空空间的分层层混合气，，其他空间间只有极微微量的燃油油存在，且且燃料的气气化蒸发使使缸内温度度偏低，点点火后火焰焰在传播过过程中逐渐渐减弱，到到达分层混混合气以外外的其他空空间时，极极易造成熄熄火，使混混合气不能能充分燃烧烧，产生积炭。6.缸内直直喷发动机机目前存在在的问题喷油器问题题：GDI汽油油机的喷油油器置于气气缸内，由由于喷油压压力低，喷喷孔没有自洁能力，很容易积垢垢，造成喷油油量减少、、喷雾特性性变坏，进进而使发动动机的燃烧烧恶化，影影响发动机机的功率输输出和排放放。6.缸内直直喷发动机机目前存在在的问题控制策略问问题：在实际GDI汽油机机上，理想想的混合气气浓度均匀匀递降的分分层不可能能实现，使使得精确分层混合气的控控制和燃烧过程组组织的难度相当当大。发动动机不同负负荷的喷油油时刻相差差较大，各各种负荷间间平滑过渡渡所要求的的喷射策略略也较复杂杂，因此实实现发动机机输出动力力的连续变变化需要较较复杂的控控制策略。。直喷汽油油机的开发发难点，还还体现在燃燃烧系统的的优化和喷喷油系统的的开发比较较复杂，电控系统精精确控制难难和开发成本高高，对汽油喷雾雾和空气的的混合运动动认识不足足等方面。另另外，GDI较高的的喷射压力力要求也造造成汽油泵泵和喷油器器功率要求求高，汽油油的润滑性性差，因此此，如何开开发出抗磨磨损能力强强、功率消消耗低的供供油系统和和燃油喷射射系统，也也是直喷汽汽油机需要要解决的一一个问题。。7.缸内直直喷技术推推广应用的的主要问题题难以在宽广广的运行范范围内准确确控制分层层燃烧负荷变化时时控制策略略比较复杂杂喷嘴和火花花塞附近燃燃料容易堆堆积部分负荷时时HC排放放较高7.缸内直直喷技术推推广应用的的主要问题题部分负荷分分层燃烧时时，局部NOx排放放过高大负荷时NOx、碳碳烟排放较较高需要开发专专门针对GDI的三三效催化装装置7.缸内直直喷技术推推广应用的的主要问题题由于汽油自自润滑性差差加上采用用的高压喷喷射，燃油油喷射系统统和缸壁磨磨损较大；；同时，伴伴随着高压压喷射所带带来的相应应的油泵损损失增大增加了喷嘴嘴及相关驱驱动器的电电消耗8.缸内直直喷技术今今后的研究究开发方向向现在GDI技术尚处处于逐步成成熟时期，，各种问题题的出现是是必然的，，但GDI的研究一一定要在确确保动力性性能的基础础上尽可能能的“节能减排”。而从当前前的形式来来看低碳问问题又是中中之重。今后GDI的主要技技术研究开开发方向有有：降低NOx排放、二次燃烧技技术、二次混合技技术、均质混合压压燃技术。降低NOx排放放的技术稀燃催化器器：稀燃催化化器的开发发将直接影影响到GDI汽油机机排放问题题的解决。。目前开发发的有稀燃燃催化还原原型NOx催化器、、NOx搜搜捕型等。。但这些催催化器都不不同程度的的存在转化化率低、工工作温度范范围窄、控控制复杂、、性能不如如传统的三三元催化器器等问题，，还需深入入研究。日日本三菱公公司采用稀稀燃NOx催化剂加加三元催化化剂的技术术(图8)，NOx可以达到到美国加州州排放标准准。图7三三菱菱汽汽车车公公司司稀稀燃燃催催化化器器和和二二次次燃燃烧烧系系统统降低低NOx排排放放的的技技术术废气气再再循循环环：废废气气再再循循环环(EGR)是是通通过过降降低低缸缸内内最最高高燃燃烧烧温温度度及及氧氧气气的的相相对对浓浓度度从从而而降降低低NOx排排放放的的一一种种有有效效方方法法。。在在GDI汽汽油油机机中中，，因因稀稀燃燃使使缸缸内内富富余余氧氧气气较较多多，，可可实实用用较较高高的的EGR比比率率而而不不会会使使燃燃烧烧恶恶化化。。如如果果将将再再循循环环废废气气与与可可燃燃混混合合气气进进行行分分层层，，减减少少废废气气与与可可燃燃混混合合气气的的掺掺混混，，保保证证点点火火时时刻刻火火花花塞塞附附近近有有适适于于着着火火的的混混合合气气，，避避免免废废气气靠靠近近火火花花塞塞，，能能大大大大提提高高EGR比比率率，，从从而而大大大大降降低低NOx排排放放。。采采用用电电控控EGR可可以以精精确确控控制制EGR比比率率，，能能较较好好地地解解决决发发动动机机的的动动力力性性和和经经济济性性与与NOx排排放放之之间间的的协协调调问问题题。。二次次燃燃烧烧技技术术二次次燃燃烧烧是指指在在进进行行正正常常分分层层燃燃烧烧的的怠怠速速运运转转时时，，除除了了在在压压缩缩行行程程后后期期喷喷油油外外，，在在膨膨胀胀行行程程后后期期再再次次喷喷入入少少量量燃燃油油，，在在缸缸内内高高温温、、高高压压气气体体的的作作用用下下点点火火燃燃烧烧并并使使排排气气温温度度提提高高。。通常常，，起起动动后后怠怠速速状状态态下下的的排排气气温温度度为为200℃℃左左右右，，使使用用二二次次燃燃烧烧可可使使排排气气温温度度上上升升到到800℃℃。。这这样样可可大大大大加加快快催催化化剂剂开开始始工工作作的的时时间间。。反应应式式排排气气管管可可使使发发动动机机的的排排气气在在排排气气管管中中滞滞留留，，激激活活与与空空气气的的反反应应，，并并使使膨膨胀胀行行程程后后期期的的二二次次燃燃烧烧反反应应在在排排气气管管中中继继续续迸迸行行，，从从而而加加速速激激活活催催化化剂剂，，使使HC排排放放降降低低。。二次次混混合合技技术术二次次混混合合技技术术是指指在在进进气气行行程程中中先先喷喷入入所所需需燃燃料料的的1/4，，形形成成极极稀稀的的匀匀质质混混合合气气。。在在压压缩缩行行程程后后期期再再次次喷喷人人剩剩余余燃燃料料，，形形成成分分层层混混合合气气。。在在火火花花塞塞点点火火前前，，缸缸内内混混合合气气形形成成超超稀稀均均质质混混合合气气和和较较浓浓的的分分层层混混合合气气。。火花花塞塞点点火火时时，，首首先先在在浓浓混混合合气气处处形形成成较较强强的的火火焰焰，，迅迅速速向向稀稀混混合合气气空空间间传传播播，，因因火火焰焰较较强强，，稀稀混混合合气气易易点点燃燃。。稀稀混混合合气气的的燃燃烧烧又又会会反反射射，，促促进进浓浓混混合合气气再再次次燃燃烧烧，，使使燃燃料料充充分分燃燃烧烧，，减减少少了了积积炭炭的的产产生生