GDI技术与HCCI技术(讲稿)

GDI技术与HCCI技术1GDI技术GDI技术的简介GDI技术的工作原理GDI的优缺点GDI的未来发展2GDI技术的简介汽油直喷燃烧技术(GDI)就能够将内燃机的燃料效率提高20%。这一新技术的基础技术的应用起源于30年代，但长期以来没有得以发展，只是到了近两年，由于电子技术和其它系统的性能的提高，才使这种新概念有所作为。开发直喷技术的最初想法是由于在大多数的情况下，发动机的空燃比可以调节到比用化学计算法得出的14.7:1更稀薄的状态，而不会对发动机性能造成负面的影响。然而其局限性却是这样的，稀薄混合气体很难点燃，而且还会随之产生相应的排放物，其主要成分是氮氧化合物（NOX）。采用直喷技术后，燃油以细微滴状的薄雾方式进入汽缸，而不是以蒸汽的方式。这也就意味着当燃油雾滴吸收热量变为可燃蒸汽时，实际上对发动机的汽缸起到了冷却的作用。这种冷却作用降低了发动机对辛烷的需要，所以其压缩比可以有所增加。而且正如柴油一样，采用较高的压缩比可以提高燃料的效率。34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。

右图为GDI发动机结构5GDI技术的发展历史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。

从1996年起日本的三菱公司也开始了GDI发动机的开发工作，西门子和雷诺两公司也联手致力将GDI技术应用于雷诺的Megane汽车上。同时，Delphi也宣布将和Orbital发动机制造公司共同投资开发一种火花塞和燃油直喷混合的发动机系统，这个系统只需要一个通往汽缸燃烧室的孔。6GDI技术的工作原理789采用GDI技术的另一个优点是它能够加快油气混合气体的燃烧速度，这使得GDI发动机和传统的化油器喷射发动机相比，可以很好地适应废气再循环工艺。例如，在三菱的发动机上，当怠速运转过程中如果发动机燃烧不稳定，则发动机可以以40:1的空燃比很平稳地运行（如果采用了废气再循环EGR技术，那么发动机的空燃比可以提高到55:1）。决定一种非常稀薄的混合气体的关键是能否找到一种可靠的点燃它的途径。这就要求在火花塞间隙附近混合气的浓度足够大，以便能点燃。由于火焰的焰心要比火花塞的间隙尺寸大得多，一旦燃烧之后火焰就会向燃烧室内的稀薄气体区域扩散。早期的GDI的开发工作着重于研究能够在炙热状态下，长时间工作点燃可燃物的兆点点火系统。虽然这个系统发出的炙热的、较大的火花能够很容易地将稀薄混合气体点燃，然而由火花塞发出的热量却大大降低了火花塞电极的使用寿命。采用计算机来模拟进出燃烧室的燃料和空气流的情况是一项突破性的技术。燃烧室和活塞的形状、喷油脉冲的能量和方向、活塞和发动机热量的运动情况都会影响油气混合物雾滴的位置。这项技术采用了关键性的计算机技术来确定空燃流的情况以及空燃喷射器的最佳位置以及火花塞的相关参数。10标题文本文本11文本文本12不同燃烧模式的控制范围文本文本13标题文本文本14标题文本文本15标题文本文本16两个基本的系统

当这项技术应用于GDI时会产生两个基本的系统，它们分别是HPDI和LPDI。HPDI系统依靠高压（100巴或100个大气压力）来迫使燃料进入已经充满空气的燃烧室。在雷诺的IDE发动机中，西门子采用了一个三活塞的燃油泵来产生燃料喷射所需的高压。同时，由于采用了电磁控制的阀门，使得发动机的控制系统能够根据发动机的运转需要确定进、排气门的正时时间。Orbital公司的低压直喷系统（LPDI）是对两冲程发动机应用于汽车制造的技术的进一步完善和改进。采用LPDI系统后，一定量的燃油被喷射到位于油气混合气喷射装置顶部的气室内。一个皮带或凸轮传动的空气压缩机用来向空气喷射装置提供大约6.5巴的压力。当空气喷射装置的线圈被启动后，空气压力就会使燃油和空气进入到燃烧室中。这个系统发生作用的关键是进入到燃烧室中的燃料流应该是呈现易燃状态。该系统的一个很主要的特点是由于燃料没有处在非常高的压力下，所以也就不需要使用特殊的燃油泵，燃油供油装置产生开裂和泄漏的危险性也小得多。17HPDI和LPDI这两个系统都面临着挑战一是燃油的喷射模式必须十分精确，以便能够以成层的方式正确地将燃料进行分配。在HPDI系统中，这意味着需要更高的喷射压力和更快的喷射速度。西门子公司宣称它目前正在研究高达200巴压力的燃油喷射系统，该系统具有能够在半毫秒内点火的高精度的喷射装置。要获得较满意的燃空混合气分层就意味着燃烧室和活塞顶部的形状都是非常关键的。这需要对每台发动机使用计算机造型和广泛的测试来确定其最终的形状。这也即是说GDI技术并不能简单地捆绑于现有的发动机上。汽缸和活塞需要进行变动，发动机的电子控制系统的硬件也需要改进。18GDI技术对发动机排放的影响GDI技术对发动机的排放具有很重要的影响。你可以想像得到，当较少的燃料在一个富氧的环境中燃烧时，HC和CO的产生量肯定会大大减少。另一方面，氮氧化物NOX的产生则是个问题。为了避免这个问题的发生，三菱的GDI发动机采用了30％的EGR比率，并采用了一个新型的稀薄NOX气体催化器。这种催化器是一种储藏型的设备，它能够在需要的情况下吸收多余的NOX，然后将HC排放物引入那部分的催化转换器而重新起作用。由于这个装置位于三元催化器的前面，所需要的用于多余的NOX催化的HC的量在此处应该引起注意。这项新技术至少需要采用好几个传感器才能够起作用。人们开发出了一种新型的传感器来探测多余的NOX的水平，这种传感器在很多方面与传统的氧传感器很相似，只不过它的固体电极采用了不同的材料，而且它采用了两室的设计结构。传统的氧传感器对于采用非化学计量法得出混合汽体不起作用，所以在这里还需要一些其它的东西。一种被开发用于ULEV发动机的被称为UEGO分线性氧传感器在这种空燃比的情况下能够良好地工作，并被用于三菱公司的发动机系统中。19正如你所知道的那样，GDI发动机与目前车辆上广泛装备的传统的进油口燃油喷射的发动机有很大的不同，而且这种新型的发动机毫无疑问将在不远的将来得到应用。事实上，丰田公司的混合动力轿车Prius上已经装备了一台这样的发动机，而且福特、通用和克莱斯勒公司都正在对这种新型发动机进行研制。一个积淀了70年的概念正在逐步变为实用的产品，这就是让人值得称道的地方。而所有这一切都要归功于车载的传感器和电子控制系统，以及最终使该项技术浮出水面的计算机建模系统。20GDI技术的优点1.高压涡流喷油器212.进气涡流产生装置223.特殊活塞234.电子节气门因为缸内汽油直接喷射发动机的燃烧形态有多种模式，空燃比变化时导致转矩变动，故利用电脑控制节气门，以迅速而且精确控制吸入空气量，来改善转矩的变动。24GDI技术的缺点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，喷油量减小，是发动机的燃烧恶化，影响发动机的功率输出和排放。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得排放增加。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。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。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。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。25GDI的未来发展GDI发动机燃烧技术发展趋势GDI发动机发展面临排放，稳定燃烧控制，燃油经济性提高，性能可靠性以及控制复杂性等方面的挑战。GDI发动机的燃烧技术将按照图1所示的方式发展。26汽油直接喷入汽缸内，消除了进气道喷射时形成壁面油膜的弊病，特别是在发动机尚未暖机的状态下，因而能改善变工况时对空燃比的控制，不但能改善车辆的加速响应性，而且还能降低此时的有害物排放。此外，缸内直接喷射还可带来很多其它好处，从而有利于降低燃油耗，达到节能和减少温室气体CO2排放的目标。27制约GDI的发展因素1.中小负荷下未燃碳氢(UBHC)的排放较多2.三元催化技术不能得到有效利用，因而NOx排放较高3.GDI发动机的微粒排放比进气道喷射发动机有明显增加。28HCCI技术HCCI技术的简介HCCI发动机的工作原理HCCI技术的优缺点HCCI技术的商业化国内外HCCI的研究现状29HCCI技术的简介HCCI（HomogeneousChargeCompressionIgnition）均质混合气压燃技术：HCCI发动机和传统的汽油发动机一样，都是向汽缸里面注入比例非常均匀的空气和燃料混合气。传统的汽油发动机通过火花塞打火，点燃空气和燃料混合气产生能量。但HCCI发动机则不同，它的点火过程同柴油发动机相类似，通过活塞压缩混合气使之温度升高至一定程度时自行燃烧。HCCI是一种以往复式汽油机为基础的一种新型燃烧模式，简单来说就是汽油机的一种压燃方式。这项技术在90年代初已经被提出并开始实验，但是当时电子控制技术没有现在成熟，所以这项技术直到现在才被大众所知。30其概念出现在上世纪７０年代，然而由于当时的控制技术的限制，以及对排放不高的要求，并没有引起足够的重视。而随着排放法规的日益严格和对发动机的经济性的要求越来越高，HCCI技术又一次进入了人们的视线，以其在内燃机节能和降低排放方面的潜力，引起了内燃机界的高度关注，美国、欧洲和日本的一些研究机构和企业都大力开展这一领域的研究工作。HCCI发动机利用均质混合气，但它不同于常规汽油机的单点点火方式，而是通过提高内燃机的压缩比以及通过废气再循环、进气增压加热等方式实现混合气的压燃，在缸内形成多点火核，减少火焰之传播距离和燃烧持续时间的同时有效维持了燃烧的稳定性。

31HCCI燃烧技术的挑战与前景未来欧Ⅵ之后，国内外专家普遍认为，汽车业将不再提升有毒物质排放标准，但将加严CO2排放标准，亦即加严燃油消耗标准。均质充量压缩着火(HCCI：HomogeneousChargeCompressionIgnition)燃烧技术——一种不用后处理就能完全解决汽车柴油机氮氧化物(NOx)和颗粒(PM)排放问题的最有潜力的技术，愈来愈受到业内研发人员的重视。据悉，奔驰、曼、斯堪尼亚、沃尔沃等国外商用车巨头都在投巨资研发该技术，其中曼甚至称最快有望在欧Ⅵ实施时推出含该技术的产品。不过，业内多数研究机构认为该技术成熟至少应在2015年后。32HCCI发动机的工作原理HCCI是一种预混合燃烧和低温燃烧相结合的新型燃烧模式：在进气过程形成均质的混合气，当压缩到上止点附近时均质混合气自然着火。33标题文本文本34标题文本文本35HCCI技术的优点（１）它可以在保持较高的动力性的同时提高燃油经济性。一方面，它采用均质燃烧混合气，保持了原汽油机升功率高的特点；另一方面，它成功消除了节流损失，压缩比提高，多点燃烧的燃烧方式更是使得能量的释放率大大提高。并且可以实现稀薄燃烧，研究表明，HCCI的稀燃烧界限可以拓宽至空燃比80以上。

（２）降低了氮氧化物和颗粒物的排放。由于它通过稀燃的方式，使得燃烧温度降低，有效减少了氮氧化物的生成。

（３）由于其燃烧只同本身的物理化学性质有关，它的着火和燃烧速率只受燃油氧化反应的化学反应动力学控制，受缸内流场影响较小，同时均质预混合的混合气组织也比较简单，因此，在发动机上实施HCCI燃烧模式可以简化发动机的燃烧系统和喷油系统的设计。36装备HCCI技术的发动机的技术结构比一般发动机要复杂(相比那些“经典”发动机)，当汽油机的压缩冲程快结束时，汽油通过直喷油咀喷进汽缸，HCCI发动机压缩比比普通的汽油机高，所以喷出的小油滴在压缩冲程完成时有时间在汽缸内形成均匀的分布，这时汽缸的压力足够使均匀分布的油滴自动压燃，所有的燃料都在同一时间点燃，所以提高了燃油的使用效率（传统的汽油和柴油机都是非均匀的扩散式燃烧，在扩散的同时浪费了部分的能量）而且由于它采用压缩点燃的缘故，可以采用相当稀薄的混合气，因此可以按照变质调节的方式，直接通过调节喷油量来调节扭矩，不需要节气门。HCCI发动机的燃烧温度低，对燃烧室壁的传热很低，能够减少辐射热的传递，还能大幅降低氮氧化合物的形成。37另一个特点是燃烧周期很短。因为燃烧过程主要是受化学反应而不是受混合过程的支配，能够使得燃烧周期比传统的柴油机短。而且它采用的燃油辛烷值允许在一个广阔的范围内变动。可以采用汽油、天然气、二甲醚等辛烷值较高的燃油作为主要燃料，也可以采用多种燃料混合燃烧。还可以将对高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的调整，用作在HCCI燃烧中控制燃烧起点和负荷范围的方法。但也有人试图用柴油作为HCCI燃料，效果远不及汽油，为什么呢？因为汽油有较高的挥发性，能够在汽缸内尽快与空气混合形成均匀的油气混合气，而柴油沸点高，与空气较难混合均匀。38HCCI技术的缺点那HCCI技术那么好，为什么还不马上推广大量是用呢？原来现在的HCCI技术还有一些技术难关。一在燃烧时刻的控制上，HCCI发动机靠汽缸的压力和温度自燃，油气混合气的密度，气缸的温度和压力都需要进行精确的检测和控制，所以发动机的ECU管理程序也要进行相应的加强。二由于HCCI的同时压燃和放热，瞬时间汽缸和活塞会受到强大的压力，有可能会产生爆震的现象，所以必须提高混合气的空燃比（高于传统的14.7：1），这就需要HCCI在稀燃状态下工作，排气的温度也比较低，使得发动机较难采用涡轮增压。以上这些都使得HCCI可能达到的最大负荷比典型的火花点燃式和直喷式柴油机低得多。另外，低排气温度对催化转化器来说也是一个问题，因为需要相当高的温度才能起动氧化/还原反应。39三也就由于刚才我们讲到的HCCI发动机可能达到的最大负荷比典型的火花点燃式和直喷式柴油机低得多，所以，在大负荷高转速的时候或者冷机状态下发动机还必须依靠传统的火花塞点火系统，这就间接要求了发动机的压缩比可变，在传统点火模式的时候变回低压缩比。所以气门正时系统及众多的压力传感器也是必须的。所以就现在的限制而言，HCCI汽油发动机还不能实现完全的压燃稀燃模式进行，它只在中低转速的时候介入工作，提高效率，降低油耗。40HCCI技术的实际运用在实际运用HCCI技术的研发上，奔驰和GM走在了前列，以奔驰的07年的F700概念车为例，其DiesOtto1.8T直4CGI直喷发动机在采用HCCI技术后，输出功率达到238hp，最大扭矩达到400N.m，完全就是一台3.5LV6的水平，难得的是它的油耗仅为6L/100km，二氧化碳排放仅127g/100km。采用HCCI技术的GMOPELVectra和SaturnAura2.2LL4汽油机的油耗也仅为4.3L/100km，比常规技术降低15%以上。相信随着技术难关的不断攻克，HCCI技术将会快速普及到大众当中，作为一种新的节能增效技术，为地球的蓝天作一份贡献。41HCCI技术的商业化目前对HCCI技术的研究方兴未艾,但距离商业化仍需时日,归纳起来主要要以下问题:(1)发动机冷启动困难。多种多样冷启动方案被提出并研究,例如,使用预热器,使用不同的燃料或是燃料添加剂,增加压缩比,使用可变压缩比或可变气门正时等技术。有资料显示,点燃是个切实可行的办法。(2)废气控制系统的研究。使用HCCI技术的发动机由于燃烧温度低混合气混合均匀的缘故产生很低的NOX和微粒排放,但UHC和CO排放较高。降低UHC和CO排放的机外净化装置已经成熟,但废气再循环技术更受青睐。一般认为,再循环废气有这样的作用,加热作用,稀释作用分层作用和化学性作用。42(3)拓宽HCCI运行工况范围。HCCI燃烧几乎是同时进行的,大负荷时过快的燃烧速度会引起发动机的爆震燃烧;低负荷时燃烧速度过慢会引起火焰传播中断。研究表明,通过分曾燃烧可以有效地拓宽HCCI的运行工况范围,采用两种不同特性的燃料也是拓宽HCCI运行工况范围和控制着火时刻的重要途径之一。(4)控制着火时刻和燃烧率。HCCI着火过程主要受化学反应动力学控制,着火时刻决定于混合气的成分、温度和压力,只能间接控制着火时刻和燃烧过程。目前的解决办法是通过EGR、VCR和VVT等技术。(5)研发快速反应控制系统来解决不同工况下的动态响应灵敏性。43解决方案美国GM公司在2007年9月推出了汽油HCCI示范车，油耗较常规汽油机降低15%到20％，在部分负荷下，NOx排放可以达到10ppm以下水平。由于技术条件的限制，HCCI柴油车暂时还没有商业化产品面世。从实用化角度来看，目前有两种可行的解决方案：第一，采用准HCCI系统的折衷办法，即在混合气的准备和对燃烧过程的控制等方面部分采用HCCI的方法。这一方案使系统既能得到HCCI的某些优点又能避开一些复杂的控制，如日产公司的MK系统和本田公司的UNIBUS系统。MK和UNIBUS系统并不是真正的HCCI，它只不过是为了获得HCCI在排放和燃烧效率等方面的优点而借用了HCCI的某些概念，它是在传统的发动机上实现准HCCI的极好范例。二者在日本市场上均已投入使用。第二，使用双模式运行方案，即在中低负荷采用HCCI燃烧方式，在高负荷仍然采用传统的柴油燃烧方式。这种方案具有极高的应用价值，但在双模式下，会增加发动机控制系统的复杂性，目前还处在试验阶段。44欧Ⅵ与EPA2010排放法规对NOx和PM提出了极为严格的要求，因为柴油机HCCI燃烧具有超低的NOx和PM排放，且具有很高的能量转换率，因此燃油经济性更好，这无疑对汽车界具有极大的诱惑力。不过，因柴油机HCCI燃烧的HC和CO排放偏高，同时，影响柴油HCCI燃烧的因素较多，控制起来十分困难。所以，这种发动机要真正实现商业化还有很多课题要攻克。不过，随着发动机技术的进步，有理由相信，柴油机HCCI技术的最终实用化和商业化将为期不远。业内专家预言，柴油机HCCI技术将会在2015年左右成熟，商业化产品将不会迟于2020年。45国内HCCI的研究现状国内对柴油HCCI的研究较少，多以综述性的论文发表，没有实质性研究成果。天津大学和上海交通大学的实验研究代表了国内HCCI的较高水平。2004年，天津大学内燃机国家重点实验室提出了基于多脉冲喷射和BUMP燃烧室的复合燃烧系统(MULINBUMP)，其属于缸内早喷柴油来实现HCCI的实验研究。下图是多脉冲喷射的示意图。462004年，上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室开发了可变进排气正时控制机构，实现气门正时的调节，采用在进气上止点前进行柴油燃料的喷射，利用缸内残余高温废气余热加速燃油蒸发，实现了柴油燃料的HCCI燃烧，同时，研究了不同气门重叠期下HCCI燃烧的燃烧特性，不同负荷的工作稳定性和排放特性。结果表明，对于低温自燃性好的柴油燃料，排气门早关和进气门晚开引起的缸内温度升高比由此引起的残余废气增加对工质的稀释效果更大，使HCCI燃烧的着火始点提前，易引起大负荷工况HCCI燃烧的工作粗暴，但有利于小负荷工况HCCI燃烧的工作稳定性。2005年，他们继续研究了内部EGR和外部EGR模式对柴油燃料HCCI燃烧的影响，实验发现，随着内部EGR率的增大，HCCI燃烧的着火始点提前，在相对较小的负荷下，-40°CA气门重叠期的着火始点比-20°CA气门重叠期的着火始点提前5°~7°CA，内部EGR的加热作用大于其对混合气的稀释作用；内部EGR增大有利于均质混合气的形成，使柴油燃料HCCI燃烧的烟度排放减小，但使低NOx排放的负荷范围减小；外部EGR起到了推迟着火始点的作用，是一种有效的扩展运行范围负荷上限的方法。47国外HCCI的研究及应用现状柴油HCCI燃烧过程的研究始于上世纪90年代中期。美国西南研究院最先在柴油机上开展“缸外预混稀燃”研究，即在进气冲程把柴油喷入进气道，使之与空气混合形成预混合气。这种方式与传统的气道喷射汽油机类似，是形成预混合气最简便、最直接的方法，也是最容易实现的方法。试验装置示意图如图1所示。由该图可见，利用类似于汽油机进气道低压喷射的方法把柴油直接喷入进气管中，为了使柴油和空气加速混合，还采用了进气管加热和EGR。预混的稀混合气经压缩后多点着火，消除了扩散燃烧，稀薄混合气降低了火焰温度，可使NOx排放比普通柴油机减少98％，由于气缸内不存在局部混合气过浓区，可使PM的排放减少27％，指示热效率也有所改善。48丰田公司则开发出了UNIBUS(UniformBulkycombustionSystem)系统。该