gdi发动机稀燃技术的研究进展

gdi发动机稀燃技术的研究进展

1国外i发动机的研究现状自20世纪90年代以来，随着排放法律法规的日益严格和能源效率的提高，sdi车辆的研究取得了迅速发展。国外的著名汽车公司如沙田、微软和沃尔玛开发了成熟的sdi模型和产品。下面就GDI发动机的燃油控制技术、缸内气流控制技术及排放控制技术等作一论述。2高燃油喷油前喷油前燃烧模式技术GDI中最关键的是要控制好混合气浓度在空间的分布及其随时间的变化,依靠采用高精度的高压喷油嘴、缸内气流控制技术、根据运转区域切换燃烧模式、使喷油嘴远离火花塞以保证可靠点火等措施,可达到高燃油经济性和高性能。2.1稳定和丰富均质燃烧的能力现代GDI通常是根据大、小负荷区不同的要求,采用不同的混合燃烧模式来改善其燃油经济性的。在中小负荷区域,要求有良好的燃油经济性,因而通常采用压缩冲程中喷油实现分层燃烧的控制模式,即在压缩冲程后期向缸内喷油,并通过活塞顶部形状和气流运动来限制其扩散,使喷射到气缸内的燃油所形成的可燃混合气集中在火花塞周围,而在火花塞外周部的极稀薄混合气与层状空气则形成了分层混合气,使燃烧在整体空燃比30~40在高负荷区域,要求提高发动机扭矩和功率,必须采取略稀或理论当量的混合气或浓混合气。故此时发动机采用进气冲程喷油,实现均质燃烧的控制模式。即在进气冲程早期向气缸内喷射燃油,使其可在整个燃烧室内均匀扩散,在点火时刻形成预混燃烧的均质混合气。此时由于燃油汽化时吸收了汽化潜热,使得缸内充量得到了冷却,增大了空气密度,在提高体积效率(即增大进气量)的同时还减少了爆震的倾向,使发动机的压缩比可上升到12控制模式的切换通过喷油定时的变换来实现。切换时要注意切换前后扭矩的一致,以防扭矩变化带来振动。为此,三菱、丰田等公司在模式切换时采用了二段喷射技术,即在进气行程中喷射一部分燃料,以便在燃烧室全空间内形成稀薄的预混合气。第二次在即将点火之前向火花塞喷射,以保证稀混合气的稳定着火和分层燃烧。据报道采用二段喷射技术的GDI发动机可实现从中小负荷区向大功率区的平稳过渡,并可降低缸内的气体温度,从而抑制了爆震的发生,增加了功率的输出。2.2电动节气门对扭矩的控制实际上就是对发动机喷油量的控制。通常情况下,GDI主要是根据油门踏板的位移量来确定应有的扭矩,并由负荷的高低来切换对扭矩的调节方式。从理论上讲GDI可以不使用节气门,但实际上它还是配备了电子控制的节流系统,即电动节气门。这其中最主要的原因是GDI在大负荷工况下工作时需要均匀混合气;其次是在应用EGR降低NO因此,当发动机的扭矩和转速对应于低工况区时,即油门踏板位移量较小时,电动节气门就保持全开,发动机在保持进气量基本不变的情况下,通过改变空燃比来调节每循环的喷油量,进而对扭矩实行控制。这时发动机采用的调节方式是与柴油机相同的“变质调节”,此时进气量和点火提前角几乎不影响扭矩。当发动机的扭矩和转速对应于高工况区时,即油门踏板位移量较大时,其空燃比被稳定在14.7左右分工况区控制的结果是,其燃油经济性相对以往的汽油机可以提高25%2.3油束的穿透性GDI可根据不同的工况区域来确定不同的混合气生成方式,而不同的混合气生成方式对油束的要求也不相同。如图3,发动机处于低工况时,采用的是变质调节和分层充量,这就要求燃油恰好喷在活塞顶部凹坑内,因而油束要尽可能集中,且雾化质量要高,可燃混合气能在短时间内形成。故此时应将喷油推迟到压缩行程的后期进行(但必须在喷油和点火之间留下足够的间隔时间,以便实现混合气的分层)。因为:a.此时活塞正处于向上运动,气缸内的压力很大,这就迫使燃油喷射时所需的压力相应地增大。喷油压力越大,SMD(油滴的索特平均直径,表示燃油的雾化程度)越小,燃油蒸发越快,雾化程度越高,油滴喷射距离有限,穿透度不深;b.随着缸内压力的增大,充量被强制压缩,密度增大,因此油束中油滴所受的阻力也增大,油滴运动很快地受到衰减,使油束比较集中,并且喷射出的燃油穿透距离也保持适中;c.活塞的上行运动,减少了喷油与活塞顶部凹坑之间的距离,保证了燃油可更加准确而又有效地被喷射在活塞顶部凹坑范围内,通过限制其在凹坑内不向外扩散,使得它能被迅速地加热汽化,从而在抵达火花塞之前的短暂时间内促进空气迅速卷入汽化的燃油中,形成可燃混合气。同时结合活塞的向上运动,由翻滚气流将可燃混合气带往火花塞,并在火花塞附近区域聚集形成浓的可燃混合气,而在燃烧室的其它空间形成稀薄混合气,从而实现混合气的分层和超稀薄燃烧。当发动机处于高工况时,采用的是变量调节和均质充量。应尽可能减少油束沾湿活塞和气缸壁面,否则会导致HC排放增加,并且活塞壁面会向燃油提供汽化潜热,从而丧失利用汽化潜热冷却缸内充量以提高容积效率的机会。同时要求油束的穿透深度应当大一些,以便扩大油束在气缸内的分布范围,使其能有足够的空间和时间让燃油和空气进行混合,形成均质充量。故此时应将喷油提早到吸气冲程的前期。3gi的燃油燃油现代GDI发动机的喷射系统主要采用汽油高压喷射模式,使用由电磁驱动的高压涡流喷油器。高压涡流喷油器的喷油压力一般为5~8MPa(最高为12MPa)在喷射系统中,喷油器喷嘴的结构形式对喷雾质量起着重要的影响,它是保证实现混合气分层与稀燃的关键部件。图4为GDI发动机所采用的各种喷油器喷嘴,a为多孔内开式喷嘴,其结构类似于柴油机喷嘴,但由于GDI发动机的喷射压力远远低于柴油机,故这种结构易于积炭堵塞,且雾化分层效果不好,燃烧时火焰传播又不很稳定,所以一般很少在GDI发动机上使用。b是外开式单孔针式喷嘴,据报道它能取消压力室容积,并且在设计上更灵活,可同时兼顾喷雾锥度、贯穿距离和燃油粒度的不同要求,但它的密封性要差一些,曾用于早期的GDI发动机中。c为内开式旋流型喷嘴,在其内部设有燃油旋流腔,燃油通过在其中产生的旋转涡流可实现较好的喷雾形态和合适的贯穿度的配合。此外,由它喷射出的油束方向便于调整,方便了其在气缸顶上的布置,再加它不易积炭的特点,使其成为目前GDI发动机喷嘴所采用的主要形式,在GDI发动机上得到广泛使用。4喷油了单独的旋转喷油非织造布燃烧系统的设计是GDI开发的关键技术之一。由于要兼顾大负荷均质预混和中小负荷分层稀燃的不同要求,更增加了它的设计难度。已开发的GDI燃烧系统,可以分为以下三类:a.油束控制燃烧系统(图5a)燃油喷嘴靠近火花塞近距离布置。喷油器安装在气缸中央,火花塞紧靠燃油喷嘴位于燃油喷束的边缘。喷射时,喷油器直接把燃油射向火花塞的电极。该布置方式可使燃油混合气能在有限的空间内产生有效的分层,并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,故这种混合气形成方法被称为“喷束引导法”。但由于火花塞与油束之间的距离过近,使得可供混合气生成所需的时间太短,火花塞容易被液态燃油沾湿而造成积炭和点火困难,缩短了火花塞的使用寿命。同时,由于油束周围可点燃混合气的范围较小,影响了着火稳定性,故这种燃烧系统未能被推广使用。b.壁面控制燃烧系统(图5b)喷油嘴远离火花塞的远距离布置方式。喷油器被设置在进气门一侧,相对应的活塞凹坑的开口也指向进气侧,火花塞布置在中间,采用具有特殊形状的立式进气道(图8a),在进气行程中吸入的空气通过立式进气道被强制沿气缸壁向下流动,形成逆滚流,从而将喷射的燃油和蒸发的燃油送到火花塞附近。进气道直立后,减少了进气阻力,提高了充气效率,从而使发动机功率得到进一步的增大。在这种燃烧系统中,活塞顶面通常被设计成弧状的曲线形,并在其上开有小型的球形燃烧室,当喷油器将油束直接喷射到燃烧室内时,它就可借助于球型燃烧室凹坑壁面形状并利用由立式进气道产生的逆向翻滚气流(图8a),将燃油蒸气导向火花塞,在火花塞间隙处形成合适浓度的混合气。在压缩过程中,挤流使逆滚流得到加强,有利于燃烧的进行。在燃烧过程后期,逆挤流使火焰传播到排气门一侧。这种混合气形成方式被称为“壁面引导法”。目前三菱、丰田、Nissan等公司开发的机型均采用此燃烧系统,如图6为三菱GDI顶部带有球形凹坑的活塞,如图7为三菱GDI发动机中的燃油运动。c.气流控制燃烧系统(图5c)采用接近于卧式的水平进气道,在缸内产生顺向的翻滚气流(图8b)。它仍然使用远距离方式布置喷油器与火花塞,但是喷油器不再是直接将油束喷向活塞凹坑,而是对准燃烧室的中心喷向火花塞(但不朝向火花塞电极),并利用缸内有组织的气流运动与油束相互作用,使发动机在大部分工况范围内都能实行恰当的充量分层和混合气均质化,这种混合气形成的方式被称为“气流引导法”。像FEV、AVL公布的一些开发方案采用的就是这种燃烧系统。5发动机的流场结构对进气行程和压缩行程中缸内瞬时流场的控制是GDI发动机研制中又一关键问题。原则上必须要满足以下两点要求:⑴从微观上要求在气缸内具有高强度的紊流,以促进燃料与空气的混合;⑵在宏观上要求有控制的平均气流流动,以适合生成稳定分层混合气。发动机中常采用的空气运动形式主要有挤流、涡流和滚流三种,根据已发表的计算和试验资料显示,它们的运动变化对于混合气的形成和发展有着很大的影响。a.挤流增大挤流强度可以明显提高燃烧期火焰的传播速度,缩短燃烧时间,而且挤流不会引起充气效率的降低,受发动机负荷和转速的影响也较小,曾一度是形成紊流的主要途径。b.涡流其特点是在压缩过程中持续时间长,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;缺点是不利于油气的混合,必须靠活塞顶部燃烧室束口或活塞顶上的特殊形状,在上止点附近利用挤流与涡流相交,从而在燃烧室内形成较强的紊流来促进燃油的蒸发混合,而且过强的涡流会把大油滴甩向气缸壁,形成湿壁效应,不利于燃烧。涡流经常是被用在由喷油引导的燃烧系统中。c.滚流其特点是存在着较大的速度梯度,便于油束的纵向引导,在上止点附近有助于加强紊流强度,容易转变为小规模的紊流来促进油气混合。在压缩冲程中滚流具有加速旋转的特性,能提高近壁面气流速度,从而促进壁面油膜的蒸发。但由于燃烧室的曲面导向作用,滚流往往容易衰减成大尺度的二次流结构,使得保持稳定的混合气分层变得困难,同时设计不当也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。因而采用滚流为主的GDI发动机要比采用涡流为主的GDI发动机循环变动大。上述流场结构各有其优缺点,在实际的GDI发动机中都被采用或综合利用。如三菱采用反滚流结构,丰田采用涡流结构,Yamada提出斜涡流,即涡流和滚流的综合结构。6sdi的排放性能GDI面临的主要排放问题是UBHC和NO6.1燃烧与燃烧非织造材料的协同由于GDI油气的混合主要是依靠喷雾和缸内的空气运动,与冷起动时的低温关系不大,所以冷起动时无需过量供油,有效地解决了PFI冷起动时UBHC排放过多的问题。但是GDI在中小负荷的情况下,其未燃碳氢化合物的排放仍然较多。主要原因是:⑴GDI在此工况采用的是分层稀薄燃烧,燃油在压缩行程后期被喷射入气缸内,所需的雾化时间不足,油气不能充分混合,在燃烧室内产生局部混合气过浓。⑵大量的浓混合气集中在火花塞附近,使得火焰在向周围稀混合气传播时,因混合气过稀而熄灭。⑶稀薄燃烧造成气缸内温度偏低,不利于未燃碳氢化合物随后的继续氧化。⑷由于GDI发动机压缩比较高,使得残留在狭缝容积中的HC增加。⑸使用高EGR率导致燃烧变差。⑹目前GDI产品的燃烧系统主要采用“壁面引导法”,该系统喷雾容易与活塞顶和缸壁发生碰撞,而缸壁的温度又较低,从而导致燃油在着火前来不及完全蒸发,引起较多的UBHC排放。三菱公司采取二次燃烧早期激活催化剂及采用反应式排气管等措施来减少HC排放。两次燃烧是指在发动机冷车怠速运转时,除了在压缩行程后期喷射燃油外,在做功行程后期再次喷射少量的燃油,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。当排气门打开后这一燃烧过程可以移至反应式排气歧管中,补充空气,加速燃烧。采用两次燃烧技术,可很快达到催化器的起燃温度,并通过反应式排气管可大幅度降低HC、NO6.2o部分负荷不使用egr时的no虽然GDI采用了稀薄燃烧技术而使气缸内反应区的温度下降(从NO目前,GDI对NO部分负荷不使用EGR时,GDI的NO目前在稀薄燃烧NO它的工作原理如图10所示。当发动机以稀混合气工作时,其排气中O(1)在富氧的气氛下,通过下列反应用吸附剂MO将NO(2)在贫氧的还原气氛下进行分解和还原,