汽油机缸内直喷技术分解

1、汽油机缸内直喷技术学院专业班级学号 姓名车辆工程100402081004020533沈阳理工大学学士学位论文目录1 GDI 技术的发展 12 GDI 技术的发展前景 23 GDI 发动机的技术现状 43.1 燃油供给和喷射系统 43.2 喷射模式 63.3 燃烧系统 63.3.1 “喷束引导法” (spray-guided system) 63.3.2 “壁面引导法” (wall guided system) 73.3.3 “气流引导法” (flow-guided system) 74 今后 GDI 技术研究开发方向 74.1 降低 NOx排放的技术 74.1.1 稀燃催化器 74.1.2 废

2、气再循环 84.2 二次燃烧技术 94.3 二次混合技术 94.4 均质混合压燃技术 95 GDI 发动机目前存在的问题 105.1 排放问题 105.2 催化器问题 115.3 积炭问题 115.4 喷油器问题 12参考文献： 13I沈阳理工大学学士学位论文摘要本文详细介绍了汽油机缸内直喷 (GDI) 技术的发展历程、技术特 点、亟待解决的问题及今后研究工作的重点。 指出了排放的控制措施 将成为决定其推广实用的关键因素。 最后对汽油机缸内直喷技术的发 展进行了展望 。关键词 ：汽油机 缸内直喷 排放1 GDI 技术的发展上世纪 50 年代，德国研制出了二冲程直喷汽油机，限于当时机 械制造技术

3、和电控水平较低，其性能和排放并不理想。 90 年代后， 缸内直喷汽油机的研究有了较大的进展。 缸内直喷汽油机改变了预混 合汽油机的混合机理，可采用稀薄分层燃烧技术，降低 HC 等有害排 放。直喷方式的油滴蒸发主要依靠空气吸热而非壁面吸热， 降低了混 合气温度和体积，可降低爆燃倾向，提高发动机压缩比。此外， GDI 汽油机还具有瞬态响应好， 易于实现精确的空燃比控制， 具有快速的 冷起动和减速快速断油能力等特点。这些方面 GDI 汽油机都明显优 于进气道喷射汽油机。 为此许多外国汽车公司和研究机构都成功开发 出了自己的 GDI 发动机机型。 1996 年，日本的三菱公司率先采用立 式进气道与弯曲

4、顶面活塞。 在进气行程中吸入的空气通过立式进气道 被吸入气缸，形成强烈的滚流。 喷射的燃油经曲面形的燃烧室壁面引 导被送到位于气缸中央的火花塞附近， 形成稳定的燃烧。 开发的汽油 直喷发动机应用于运动型轿车 Galant 上，其油耗和二氧化碳的排放 比同功率的传统汽油车降低了 30%。随后，装备了 GDI 发动机的中 级轿车 Carisma投放到西欧市场。 2000 年底，大众公司研发了稀燃直 喷式汽油机 Lupo PSI，其高行驶功率下的百公里燃油消耗仅 4. 9L ， 是世界上第一辆 5L 汽油机汽车。实验表明， Lupo PSI 的燃油消耗与 同输出功率的进气道喷射汽油机相比，降低了 3

5、4%。 2004 年，奥迪 公司研发了 2. 0T-FSI 燃油分层直接喷射增压汽油机。随后为 A 级轿 车研发了 1. 8T-FSI高性能发动机， 2007年初装备到新款奥迪 A3 轿 车上。2005年配备在全新奥迪 A4 2. 0T上的 TFSI涡轮增压汽油直喷 发动机被权威杂志评为全球十大发动机第一名， 代表了世界汽车发动 机技术的顶尖水平。日本丰田公司的 GDI 发动机使用了可变涡流技 术，通过缸内气流运动的组织，在火花塞周围形成可点燃的混合气。 为了降低 NOx 排放，在使用 EGR的同时采用了 NOx 吸附催化反应 器。试验结果表明，装有该发动机的汽车油耗为 17. 4Km/L ，

6、而相应 的装有 PFI 发动机的汽车油耗为 13Km/L ，节油达 34%左右。美国福 特公司的 GDI 发动机采用均质的当量燃空比附近的混合气，利用传 统的三元催化反应器，降低了排放处理方面的困难。稳态试验表明， 部分负荷下，汽油机的燃油经济性有 5%的提高，而怠速时能提高 10%。2 GDI 技术的发展前景近年来全球汽车总保有量日益增多，带来了许多问题，如健康威 胁、环境污染、气候变化、能源短缺和交通拥挤等。目前空气污染在 城区已经成为非常严重的问题， 汽车的有害物排放对人类的生存环境 形成了一种公害性的破坏， 据资料显示， 市区的大气污染物 60%来自 于汽车尾气。全球变暖、气候变化正在

7、吸引人们更大的注意力，与之 相对应的二氧化碳排放将成为汽车制造商要解决的主要问题。所以 GDI 技术的发展就是必然的结果 但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耗 已经成为汽车界当前必须要解决的一个问题。 具有理论空燃比的均质 混合气的燃烧理论在火化点火发动机上被广泛使用， 它的最大优点是 可以实用三效催化器来降低 CO、HC 和 NOx 等废气的排放。不足之 处是不能获得较高的燃油经济性， 为了提高发动机的热效率和降低废 气排放，燃烧技术在不断地发展。 汽油机经历了由完全机械控制的化 油器供油为主到采用电控喷射、缸内直喷、电辅助增压和电动气门、 可变压缩比、 停缸等技术的变化

8、， 汽油机发展的最终方案将采用综合 汽油机和柴油机优点的燃烧控制技术。汽油直喷技术就是应以上原因而开发出来的技术。开发车用具有 汽油机优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经济性的重要手 段，近些年来，以缸内直喷汽油机 (Gasoliine Direct Injection, GDI) 为 代表的新型混合气形成模式的研究和应用， 极大地提高了汽油机的燃 油经济性。以日本为代表的非均质直喷技术面临燃烧稳定性和后处理 等问题，同时以欧洲为代表的均质直喷技术正在兴起。3 GDI 发动机的技术现状3.1 燃油供给和喷射系统现代的 GDI 发动

9、机燃油供给系统设计， 为了达到分层稀薄混合气 所要求的喷雾质量和灵活的喷油定时， 均采用了精度高、 响应快的柔 性电控手段。高压共轨喷射系统加电磁驱动喷油器被认为是满足缸内 灵活喷射要求的喷射系统之一。 该系统由低压输油泵、 燃油压力传感 器、喷油压力控制阀、高压油泵、蓄压燃油轨、喷油器等组成。电动 低压输油泵把燃油从油箱输送到高压油泵， 高压油泵由发动机凸轮轴 驱动，将低压油泵送来的压力约 0.35MPa 的燃油压力增高到 8 12MPa，并送往蓄压燃油轨，充满各缸喷油器的油腔。当 ECU 令喷 油器的电磁线圈通电使针阀打开时， 汽油就通过喷嘴喷人气缸。 直喷 式汽油机供油系统油路见图 3-

10、1。图 3-1 直喷式汽油机供油系统油路GDI发动机需要形成高质量的混合气，除了依靠进气涡流外，对喷油器的喷雾质量要求很高。 由于燃油蒸发混合的时闻很短， 要求喷5沈阳理工大学学士学位论文雾要微粒化，一般缸内直接喷射的平均油粒直径在 2025 m，为此， 喷油压力要维持在 413MPa。为了实现油气均匀混合， 必须使喷雾广 泛分散在整个燃烧室。另外，如果喷雾在直线方向上的运动过强，则 燃油会直接喷射在气缸壁上， 形成油滴沿壁流下， 不利于混合气的形 成，还会冲洗润滑油膜，破坏润滑性能。因此，喷油器应能保证喷射 出来的汽油微粒的速度在喷射直线方向上急剧衰减， 而圆周运动方向 上的油粒应尽量保持高

11、速运动，这样才有利于混合气的形成。 燃油喷射系统中，喷油器的结构形式对喷雾质量的影响很大。由 于汽油机的喷射压力远低于柴油机， 如采用多孔喷油器， 其喷嘴容易 在工作中积碳堵塞，雾化分层不好，燃烧时火焰传播不稳定，因此 GDI 发动机上一般不采用多孔喷油器。目前在 GDI 发动机上得到广泛 应用的是内开式旋流喷油器， 只有一个喷孔，工作油压为 5.010MPa， 其内部设有燃油旋流腔， 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， 方便了在气缸内 的布置。图 3-2为旋流式喷嘴结构简图。目前各大公司的研究人员正 在广泛开展对新型喷油器的研究， 重点是

12、对其内部的结构细节进行进 一步的改进设计，以期进一步提高喷油器的性能和使用寿命。沈阳理工大学学士学位论文图 3-2 旋流式喷嘴3.2 喷射模式GDI 发动机燃油喷射模式可以分为单阶段喷射模式和多阶段喷射 模式。单阶段喷射模式是指在中小负荷时， 燃油在压缩行程后期喷入， 实现混合气分层稀燃并采用质调节以避免节流阀的节流损失， 从而使 GDI 汽油机达到与柴油机相当的经济性； 在大负荷和全负荷时， 燃油 在进气行程中喷人气缸， 实现均质预燃和燃烧， 以保持汽油机升功率 高的特点。多阶段喷射模式是指在进气行程中先喷入所需燃料的 1/4， 形成极稀的均质混合气， 其余燃料在压缩行程后期再次喷入， 形成

13、分 层混合气。火花塞点火时， 首先在浓混合气处形成较强的火焰，然后 向稀混合气空间迅速传播。 应用该技术可实现发动机从中小负荷到大 负荷的平稳过渡，降低气缸内的气体温度，抑制爆燃的产生。3.3 燃烧系统燃烧系统的设计是 GDI 发动机的关键技术。 要成功实现中小负荷 时的分层稀燃和大负荷时的均质预混， 就需要进行燃油喷束、 气流运 动和燃烧室形状的优化合理配合。已经开发的 GDI 发动机燃烧系统。 按喷油器和火花塞的相对位置和混合气的组织形式可以有 3 种类型。3.3.1 “喷束引导法” (spray-guided system) 燃油喷嘴靠近火花塞布置，火花塞位于燃油喷束的边缘，这种方 式的

14、优点是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。 Ford、Honda 公司生产的某些机型采用这 种燃烧系统 。3.3.2 “壁面引导法” (wall guided system) 燃油喷嘴远离火花塞布置，利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， 如三菱、丰田、 Nissan 等公司开发的机型。3.3.3 “气流引导法” (flow-guided system) 同样是燃油喷嘴远离火花塞，利用缸内有组织的气流运动来达到 上述目的。 FEV、AVL 公司开发的方案采取这样的燃烧系统。4 今后 GDI 技术研

15、究开发方向现在 GDI 技术尚处于逐步成熟时期，各种问题的出现是必然的， 但 GDI 的研究一定要在确保动力性能的基础上尽可能的 “节能减排”。 而从当前的形式来看低碳问题又是中之重。4.1 降低 NOx排放的技术4.1.1 稀燃催化器稀燃催化器的开发将直接影响到 GDI 汽油机排放问题的解决。 目 前开发的有稀燃催化还原型 NOx 催化器、 NOx 搜捕型等。但这些催 化器都不同程度的存在转化率低、工作温度范围窄、控制复杂、性能 不如传统的三元催化器等问题， 还需深入研究。 日本三菱公司采用稀 燃 NOx 催化剂加三元催化剂的技术如图 4-1， NOx 可以达到美国加 州排放标准。4.1.2

16、 废气再循环废气再循环 (EGR)是通过降低缸内最高燃烧温度及氧气的相对浓 度从而降低 NOx 排放的一种有效方法。在 GDI 汽油机中，因稀燃使 缸内富余氧气较多，可实用较高的 EGR 比率而不会使燃烧恶化。如 果将再循环废气与可燃混合气进行分层， 减少废气与可燃混合气的掺 混，保证点火时刻火花塞附近有适于着火的混合气， 避免废气靠近火 花塞，能大大提高 EGR 比率，从而大大降低 NOx 排放。采用电控 EGR 可以精确控制 EGR 比率，能较好地解决发动机的动力性和经济 性与 NOx 排放之间的协调问题。图 4-1 三菱汽车公司稀燃催化器和二次燃烧系统4.2 二次燃烧技术二次燃烧是指在进

17、行正常分层燃烧的怠速运转时，除了在压缩行 程后期喷油外，在膨胀行程后期再次喷入少量燃油，在缸内高温、高 压气体的作用下点火燃烧并使排气温度提高。 三菱汽车公司采用二次 燃烧和反应式排气管技术，较好地降低 HC 和 NOx 排放。通常，起 动后怠速状态下的排气温度为 200左右，使用二次燃烧可使排气温 度上升到 800。这样可大大加快催化剂开始工作的时间。反应式排 气管可使发动机的排气在排气管中滞留， 激活与空气的反应， 并使膨 胀行程后期的二次燃烧反应在排气管中继续迸行， 从而加速激活催化 剂，使 HC 排放降低。4.3 二次混合技术二次混合技术是指在进气行程中先喷入所需燃料的1/4，形成极稀

18、的匀质混合气。 在压缩行程后期再次喷人剩余燃料， 形成分层混合 气。在火花塞点火前， 缸内混合气形成超稀均质混合气和较浓的分层 混合气。火花塞点火时，首先在浓混合气处形成较强的火焰，迅速向 稀混合气空间传播，因火焰较强，稀混合气易点燃。稀混合气的燃烧 又会反射，促进浓混合气再次燃烧，使燃料充分燃烧，减少了积炭的 产生。4.4 均质混合压燃技术分层稀燃 GDI 发动机的混合气不均匀， NOx 会在燃料较稀的高 温区产生， 而在混合气较浓的区域易产生碳烟。 在均质混合稀薄燃烧 (HCCI) 过程中，理论上是均匀混合气完全压燃、 自燃、无火焰传播过 程，这样可以阻止 NOx 和微粒的生成，同时能够实

19、现较高的燃油经 济性。均质压燃汽油机解决了汽油机指示热效率低的问题， 空燃比不 再受混合气点燃和火焰传播的限制， 同时，压缩比也不受到爆燃的限 制，因而，热效率大幅度提高。由于均质压燃汽油机可以在稀薄混合 气中进行燃烧， NOx 的生成得到抑制，减轻了尾气处理的压力。理 论上 HCCI 燃烧可以不需要任何后处理装置即可达到欧或更加严格 的排放法规。但是， HCCI 燃烧的实现需要解决两个问题，一是在各 种变动的工况和环境条件下可靠地工作， 二是整个运行工况的平均热 效率必须足够高，以弥补采用均质压燃造成的汽油机成本提高的补 偿。5 GDI 发动机目前存在的问题GDI 发动机拥有很多优良的性能，

20、如：油耗低、污染小、动力性 能好等等。但是 GDI 技术同样存在着许多技术瓶颈制约了它的进一 步发展和应用，亟待改进。5.1 排放问题GDI 汽油机的开发成功，极大地提高了汽油机的燃油经济性。但 其排放总体上要高于工作在理论空燃比下， 附加三元催化等尾气处理 装置的进气道喷射汽油机。其排放问题主要有：1）中小负荷下未燃 HC 排放较多。采用混合气分层后，极易造成 火焰从浓区向稀区传播时熄灭。同时，稀燃造成缸内温度偏低，不利 于未燃 HC 随后的继续氧化。壁面阻挡型直喷系统， 因喷雾碰壁较多， 而活塞顶和缸壁的温度低，使 HC 排放较高。2）NOx 的排放。虽然因采用较稀的空燃比，气缸内的反应温度较 低，但由于分层混合气由浓到稀将不可避免地出现混合气过浓或浓混 合气区域过大的状况， 这些区域恰恰是高温区域， 使 NOx 生成增加。 另外， GDI 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。3）微粒排放。因为局部区域过浓的混合气和未蒸发的液态油滴扩 散燃烧而引起颗粒排放增加， 并且缸内温度低也造成了微粒氧化不完 全。5.2 催化器问题GDI 汽油机工作在稀空燃比条件下，其造成的富氧和较低的排气 温度