汽油机缸内直喷技术分析解析

汽油机缸内直喷技术学院**********院专业车辆工程班级10040208学号1004020533姓名***沈阳理工大学学士学位论文I目录1GDI技术的发展................................................12GDI技术的发展前景............................................23GDI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-guidedsystem).....................63.3.2“壁面引导法”(wall．guidedsystem)....................73.3.3“气流引导法”(flow-guidedsystem).....................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.............................................95GDI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：.....................................................13沈阳理工大学学士学位论文1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1GDI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沈阳理工大学学士学位论文2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LupoPSI，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，LupoPSI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34%。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A42.0T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，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%。2GDI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。目前空气污染在沈阳理工大学学士学位论文3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，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(GasoliineDirectInjection,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。沈阳理工大学学士学位论文43GDI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3-1。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，要求喷沈阳理工大学学士学位论文5雾要微粒化，一般缸内直接喷射的平均油粒直径在20～25μm，为此，喷油压力要维持在4~13MPa。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5.0—10MPa，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6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-guidedsystem)燃油喷嘴靠近火花塞布置，火花塞位于燃油喷束的边缘，这种方沈阳理工大学学士学位论文7式的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．guidedsystem)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-guidedsystem)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