汽车新技术课件：缸内直喷技术与汽油机分层燃烧

缸内直喷技术与汽油机分层燃烧1.掌握汽油机缸内直喷技术的工作原理。2.掌握汽油机分层燃烧技术的工作原理。学习目标汽油发动机混合气的形成技术在经历了化油器、单点电喷、多点电喷技术阶段之后，已经逐步进入直喷的时代。一般的电喷发动机都是将喷油嘴安置在进气歧管内，混合气在气缸外部形成，其缺点是空燃比难以得到精确的控制。而缸内直喷技术则将喷油嘴安置在气缸内部，使燃油喷射和油气的混合过程均在气缸内进行，这样就可以使油量与油气混合的控制更为精准，克服了缸外喷射的缺点。同时，气缸内的混合气浓度也可以得到精确控制，而高压燃油在缸内湍流的作用下也能得到更充分的混合，因此燃烧效率大大提高，同时动力表现更加出色。学习导入一、缸内直喷技术的工作原理缸内直喷技术是指直接将燃油喷入气缸内与新鲜空气在燃烧室内混合的技术，如下图所示。该技术可以有效控制燃油消耗量，提高发动机的升功率，并且使发动机的压缩比提高至12甚至更高，与同排量的普通发动机相比功率和扭矩都提高了10%左右。缸内直喷技术缸内直喷发动机的核心是高压喷油系统。高压喷油系统是直喷发动机最关键的部分，由发动机控制模块（ECM）、高压油泵、高压油轨和喷油嘴四部分组成。发动机控制模块（ECM）是发动机的“大脑”，主要负责采集发动机相关数据，按照预定程序控制喷油时机和喷油量，从而实现最高的燃烧效率；高压油泵依靠进气凸轮轴驱动，主要负责给燃油加压；高压油轨主要起均衡各喷油嘴喷射压力的作用；喷油嘴耐高温高压，负责向缸内喷射燃油。目前，已经有多家汽车厂商生产的发动机运用了缸内直喷技术，包括宝马汽车公司（简称宝马）、大众汽车公司（简称大众）以及通用汽车公司（简称通用）等。而它们的直喷技术原理基本相同，只是在配件应用上有所区别。以大众主流的1.4TSI（机械增压+涡轮增压+分层直喷）发动机为例，其高压燃油泵可同时配备高压燃油系统和低压燃油系统，低压为400kPa，在低压油泵将燃油送到高压油泵之后，高压油泵可以将燃油加压至10MPa（这是普通汽油泵压力的数十倍），并将其送入高压油轨，从而更易于燃烧，使发动机工作效率更高。缸内直喷发动机喷射压力提高了很多，使燃油雾化更加细致，真正实现了按比例精准地控制燃油喷射。同时，因为喷嘴位置、喷雾形态、进气气流控制，以及活塞顶形状等特别设计，使油气能够在整个气缸内充分、均匀地混合，从而使燃油充分燃烧，能量转化效率更高。因此，有人认为缸内直喷式汽油发动机是将柴油机的燃油供给形式移植到汽油机上的一种革新。二、缸内直喷发动机各部件1.气缸盖气缸盖是缸内直喷发动机的关键部件，尤其是气缸盖中燃烧室部分及气道结构对气流运动、混合气形成、火焰传播等起着至关重要的作用。2.进气管对于采用分层燃烧模式的缸内直喷发动机，为了增加进气充量及增强进气滚流，不但对进气管的管径、管长、谐振腔的容积有特殊的要求，而且往往增加可变滚流和可变管长等结构。这样不但使进气管结构变得复杂，制造成本较高，而且对性能开发和匹配标定的难度也增大了。而对于同时采用涡轮增压的缸内直喷发动机来说，由于进气增压的作用，在发动机大部分工况下进气管内均为正压，一般可达200kPa左右，对进气管的强度要求较高，同时发动机本体或整车需要另外增设真空泵来满足系统对真空度的要求。3.高压油泵缸内直喷发动机的喷油压力一般为10～15MPa，以保证燃油雾化质量及合适的贯穿距离。高压油泵一般由安装在进气凸轮轴上的凸轮来驱动，升程为2.5～4.0mm。升程对高压油泵的性能十分重要，其直接影响冷启动时直喷系统的建压时间。升程需根据发动机性能需求、滚轮挺柱使用寿命、驱动凸轮型线及制造工艺等因素综合设计，一般3.5mm左右的升程即可满足使用需求。4.喷油器喷油器是直喷系统的核心部件。喷油器在燃烧室内的布置方式、喷嘴结构形式、油束的喷雾形状等都直接影响燃油的雾化、油气混合及燃烧过程，最终影响发动机的性能。另外，喷油器喷嘴置于燃烧室内，受燃油品质影响较大。如果燃油品质差，燃烧不充分，极易生成积碳并堵塞喷嘴，影响喷雾质量及喷油器的使用寿命。因此，缸内直喷发动机对汽油牌号的要求比普通发动机要高，加上较高的压缩比，缸内直喷发动机一般要求使用95号以上汽油。5.活塞缸内直喷发动机的活塞顶面形状对燃烧室内气流的运动及混合气的形成有很大的影响，因此研究人员将缸内直喷发动机活塞作为关键部件进行重点设计和开发。无论是壁面引导、气流引导还是喷射引导，都需要特殊的活塞顶面凹坑相适应，从而达到较为理想的油气混合效果，形成油气浓度的均质分布或梯度分布，保证燃烧的顺利进行。6.燃烧系统燃烧系统的开发是缸内直喷发动机开发的核心部分，如何提高容积效率，增强系统的抗爆性，并能够实现高效、快速的燃烧，同时兼顾在分层燃烧模式和均质燃烧模式下的燃烧稳定性，对缸内直喷发动机的燃烧室形状、喷雾形态及气流组织等方面提出了更高的要求。7.燃油系统缸内直喷发动机的燃油喷射压力一般为10～15MPa，最大可达20MPa，远高于进气道喷射（PFI）发动机0.3～0.4MPa的燃油喷射压力，对高压油轨的材料和可靠性要求较高。另外，喷油器直接伸入燃烧室内，工作温度为500～1100℃，而喷嘴的孔隙为微米级，汽油中硫燃烧形成的硫酸盐类化合物及芳香烃燃烧不完全形成的黑色碳烟易堵塞喷嘴，影响雾化效果，加大喷油噪声。同时，燃油系统压力高，各部件的磨损增加，易导致润滑效果下降。8.排放及后处理系统缸内直喷发动机采用分层燃烧模式时，由于在压缩行程后期喷入燃油，燃油和空气没有足够的时间进行混合，使燃油蒸发慢，同时形成的可燃混合气在燃烧室内分布不均匀，存在部分区域的油气浓度偏大，进而在这些区域产生的NOx增加。另外，缸内直喷发动机的大部分运行工况都处于部分负荷，燃烧经常在过量空气系数较大的条件下进行，导致排气中含氧量较多且排气温度较低，在中、小负荷时碳氢化合物（HC）、颗粒排放物增加，三元催化转化器达不到最佳的转化温度，对氮氧化物的转化效率低，难以符合严格的排放法规。9.电控系统及标定缸内直喷发动机对电控系统要求较高，为了达到均质燃烧或分层稀薄燃烧所要求的喷雾质量、灵活的喷油定时和点火正时，实现不同燃烧模式下转矩的平顺过渡，需采用精度高、响应快的柔性控制策略，开发和标定难度大，标定周期长，一般需要8～10个月。10.增压系统对于匹配有涡轮增压器的缸内直喷发动机，进气经废气涡轮强制增压后，在压缩过程和燃烧时，燃烧室的温度和压力都会大幅增加，爆燃倾向增大，而降低压缩比又会造成燃烧不充分，燃烧性能指标下降；另外，由于发动机转速高，空气流量变化较大，易造成涡轮增压器反应迟滞，致使低转速工况动力性不足，同时涡轮易积碳、增加噪声及影响可靠性。11.不规则燃烧现象采用增压直喷技术后，发动机的热负荷和爆发压力相比PFI自然吸气式发动机有大幅提高，爆震倾向加大。同时也存在扩散燃烧现象和早燃现象，扩散燃烧会引起碳烟排放，而早燃则会引起破坏性更强的超级爆震，这些都需要在开发中引起重视。三、分层燃烧技术的工作原理燃油分层喷射（FuelStratifiedInjection，FSI）技术是指将燃油由喷嘴分层次喷入缸内的技术，是直喷式汽油发动机领域的一项创新技术。如果在火花塞附近的区域内，供给适宜点火的浓混合气（过量空气系数α=0.8～0.9），而在其他区域供给稀混合气，就可以实现稀薄燃烧。在这种情况下，即使采用普通点火系统，也能很快点燃很稀的混合气。由于混合气有浓、稀层次之分，燃烧的进展也由浓到稀，因此，把按这种方式工作的汽油机称为分层燃烧汽油机。FSI发动机技术是基于缸内直喷式发动机的一种技术。与常规的进气道喷射式发动机相比，FSI发动机将燃油直接喷入燃烧室，由于喷雾的汽化冷却作用，优化了充气效率，实现了汽油机的质调节，不再需要节气门，大大降低了进气损失。分层燃烧减少了发动机的传热损失，从而增大了满负荷的输出功率，并降低了部分负荷的燃油消耗。FSI发动机能够降低泵吸损失，在低负荷时确保低油耗，但需要增加特殊催化转化器以便有效净化处理排放气体。直喷式发动机燃油与空气混合主要有三种方式，即喷射引导、壁面引导和气流引导，如下图所示。发动机喷油器设计在缸盖顶部，火花塞设计在发动机的侧面，此种方式称为喷射引导方式，在火花塞周围易形成较浓的混合气，这种布置方式比较适合于分层稀薄燃烧，具有较好的燃油经济性。壁面引导方式是喷油器侧置，火花塞顶置，通过活塞顶部的特殊形状引导油束运动并与空气混合，此种方式可以在火花塞周围形成较大面积的可燃区域。气流引导方式同样采用喷油器侧置、火花塞顶置的方式，利用进气时形成的滚流强化油气混合。壁面引导方式和气流引导方式结构形式相似，多用于均质燃烧模式，可以由传统的PFI发动机转化而来，可以实现与PFI发动机共用燃烧室及缸盖毛坯，进而实现发动机的平台化和模块化。四、缸内直喷发动机的优缺点1.优点（1）缸内直喷式汽油机油耗低，升功率大。（2）空燃比可达到40∶1（一般汽油机的空燃比是14.7∶1），有效控制了燃烧排放。（3）缸内的活塞顶部一半是球形，另一半是壁面，空气从气门冲进来后在活塞的压缩下形成一股涡流运动。当压缩行程即将结束时，在燃烧室顶部的喷油嘴开始喷油，汽油与空气在涡流运动的作用下形成混合气，这种急速旋转的混合气是分层次的，越接近火花塞越浓，易于点火做功。（4）压缩比高达12甚至更高，提高了发动机的抗爆性，与同排量的普通发动机相比功率和扭矩都提高了10%左右。（5）缸内直喷发动机在中、小负荷工况时采用分层燃烧模式，燃油浓度呈梯度分布，即在缸壁附近分布的大部分是空气，有效防止将热量传递给缸体水套，提高了燃烧的热效率。（6）缸内直喷发动机可以精确控制每个循环的空气与燃油比例，结合分层燃烧直接启动技术，可以降低冷启动时的HC排放，瞬态响应好。（7）缸内直喷发动机采用质调节，根据各缸的实际需求进行燃油喷射，可减少各缸之间