3汽车缸内直喷.

汽油机稀薄燃烧技术稀薄燃烧汽油机是一个范围很广的概念，只要α＞17，且保证动力性能，就可以称为稀薄燃烧汽油机。稀燃汽油机可分为两大类，一类是均质稀燃，另一类为分层稀燃。而分层稀燃又可分为：进气道喷射分层稀燃方式和缸内直喷分层稀燃方式。图1不同燃烧方式的性能对比空燃比α一、均质稀薄燃烧技术均质稀混合气燃烧：这种燃烧方式主要是通过提高压缩比、改进点火系统以及加强混合气的紊流等来实现的。1.火球高压缩比燃烧室图3–22火球燃烧室图3–23各种发动机油耗比较2.碗形燃烧室图3–24碗形燃烧室图3–25HRCC发动机与常规发动机油耗和排污的比较实线–HRCC；虚线–常规二、分层燃烧技术（一）分层燃烧系统为合理组织燃烧室内的混合气分布，即在火花间隙周围局部形成具有良好着火条件的较浓混合气，空燃比在12～13.4左右，而在燃烧室的大部分区域是较稀的混合气，两者之间，为了有利于火焰传播，混合气浓度从火花塞开始由浓到稀逐步过渡，这就是所谓的分层燃烧系统。分层燃烧可分为进气道喷射的分层燃烧方式和缸内直喷分层燃烧方式。分层燃烧方式又有轴向分层燃烧系统和横向分层燃烧系统。分层充气燃烧系统主要有三种：•直喷式分层燃烧系统，如Texaco公司的TCCS、Ford公司的PROCO及日本SatoshiKato等人提出的OSKA.•分隔式燃烧室分层燃烧系统，如本田公司的CVCC轴向分层燃烧系统，如美国M.R.Showalter首先提出充量轴向分层的概念，随后A.A.Quader等人对轴向分层充气发动机进行了进一步的研究。三菱公司则推出了基于这一概念的4气门滚流分层发动机。天津大学提出的在5气门发动机上采用进气道二次喷射亦很好地实现了该方式的稀燃，并取得了较好的效果。1.进气道喷射的分层燃烧方式（1）轴向分层燃烧系统图3–26轴向分层燃烧系统此燃烧系统利用强烈的进气涡流和进气过程后期进气道喷射，使利于火花点火的较浓混合气留在气缸上部靠近火花塞处，气缸下部为稀混合气，形成轴向分层，它可以在空燃比22下工作，燃油消耗率可比均燃降低12％。（2）横向分层燃烧系统图3–27横向分层燃烧系统横向分层稀燃系统是利用滚流来实现的。在一个进气道喷射的汽油生成浓混合气，在滚流的引导下经过设置在气缸中央的火花塞，在其两侧为纯空气，活塞顶做成有助于生成滚流的曲面。此燃烧系统经济性比常规汽油机提高6％～8％，NOx含量（体积分数）下降80％。2.缸内直喷分层燃烧方式缸内直喷（GDI）燃烧系统可实现均质混合气燃烧、分层混合气燃烧以及均质混合气压燃燃烧（HCCI）。缸内直喷分层混合气燃烧主要依靠由火花塞处向外扩展的由浓到稀的混合气，目前实现方法有三种，即借助于燃烧室形状的壁面引导方式，依靠气流运动的气流引导方式和依靠燃油喷雾的喷雾控制方式。前两种方式都有可能形成壁面油膜，是造成碳氢排放高的主要原因；后一种方式则与喷雾特性、喷射时刻关系密切，但控制起来比前两种要难。GDI发动机具有以下优点：•由于稀混合气燃烧时N2和O2双原子分子增多，气体的比热容比增大，可使理论循环热效率有较大提高。•由于燃油在缸内气化吸热使压缩终点温度降低，因而爆燃可能性减小，压缩比可以提高，由此可使燃油消耗率改善5％以上。•由于燃烧放热速率提高等，可使燃油消耗率改善2％～3％，而怠速改善10％以上。•由于取消了进气节流阀，泵气损失可降低15％。•中小负荷时，周边区域参与燃烧的程度较小，气体温度降低，使传热损失减小。GDI发动机存在的主要问题：•难以在所要求的运转范围内使燃烧室内混合气实现理想的分层。分层燃烧对燃油蒸气在缸内的分布要求很高，通常喷油时刻、点火时刻、空气运动、喷雾特性和燃烧室形状配合必须控制得十分严格，否则很容易发生燃烧不稳定和失火。•喷油器内置气缸内，喷孔自洁能力差，容易结垢，影响喷雾特性和喷油量。•低负荷时HC排放高，高负荷时NOx排放高，有碳烟生成。•部分负荷时混合气稀于理论空燃比，三效催化器转化效率下降，需采用选择性催化转化NOx。（二）典型缸内直喷燃烧系统1.三菱缸内直喷分层充量燃烧系统图3–28三菱公司GDI发动机结构图图3–29三菱公司GDI发动机性能改善效果空燃比b）空燃比c）空载转速∕r∕mina）NOx燃料消耗量∕L∕hbe∕g∕（kW·h）转矩变动∕%αα缸内汽油直接喷射系统构造与作用•一.菱汽车公司GDI发动机•(1)三菱汽车公司在汽油发动机技术上获得历史性的突破，1996年9月发表装用在Galant汽车，1.8L4G93的(GDI设备接口)，汽油直接喷射)发动机，具备出色的发动机输出，及如同柴油发动机般的油耗，与大幅降低CO2的排放。•(2)GDI发动机，汽油系直接喷入气缸中，且喷射正时精确，不像传统式的汽油喷射发动机，汽油在气缸外喷射，如图5.6所示，汽油与空气无法成层状混合，且汽油会附着在进气管壁及进气门上，同时喷射正时较不理想。•(3)GDI发动机采用两种作用模式，超稀薄燃烧模式与高输出模式，另外针对欧洲地区的GDI发动机，增加两段混合模式。•当在轻负荷巡行状态，车速低于120km／h时，为超稀薄燃烧模式；•当在高负荷，或车速高于120km／h时，自动转换为高输出模式；•当从静止或低速急加速时，则转换为两段混合模式。•(4)GDI发动机的省油性能•①怠速时的燃油消耗：在很低的怠速转速，GDI发动机维持稳定的燃烧，如图5．7所示，GDI发动机怠速转速为600r／min，而传统MPI发动机则为750r／min，因此在怠速时，GDI发动机比传统MPI发动机省油40％。•(4)GDI发动机的省油性能•②巡行时的燃油消耗；•如图5．8所示，以时速40km/h时为例，•GDI发动机比传统MPI发动机省油35%•③市区行驶燃料消耗:依日本表示市区行驶之10／15模式测试，GDI发动机比传统MPI发动机省油35%，甚至比柴油发动机省油，如图5.9所示。•(5)GDI发动机的高输出性能•①容积率提高•垂直进气道使进气更流畅，且汽油在气缸内喷射蒸发会冷却进气此得以提高容积效率，从低转速至高转速，GDI发动机容积效率均比传统MPI发动机高似增压器的增压效果，如图5．10所示。•(2)压缩比提高:•燃油蒸发使进气冷却的另一益处是可减低爆震，因此GDI发动机压缩比达12.0:1,可提高燃烧效率，如图5.11所示。•③高功率与转矩输出：与同条件的传统MPI发动机相比，在所有转速时，GDI发动机的功率与转矩输出，均高约10%以上、如图5.11所示。•④加速性能；在高输出模式时，GDI发动机提供优异的加速性能，如图5.13所示，与传统MPI发动机比较，0—100km/h速时间减少约10％。•(6)与其他型式发动机的比较•⑴4G93GDI发动机与传统汽油发动机相比•①甚佳的低燃油消耗•②相同的最高功率输出。•③较高的转矩输出，尤其是在低转速时。•④较少的污染气体排放。•2．构造与作用•(1)GDI发动机的四项创新关键设计如•图5.15示•①超薄燃烧模式：•适用一般行驶时，车速稳定，无瞬间加速，车速在120km／h以下,•在进气行程时，吸入垂直气流，空气因活塞顶部之曲面而向上反卷，形成强烈的顺时针方向滚动气流；•在压缩行程末期，高压涡流喷油器喷入涡流状燃油，配合滚动气流及活塞的位移，使雾状燃油，即浓混合气，集中在火花塞附近，易于点火燃烧，而周围的混合气较稀薄，成层状分布，如图5．16所示；整个燃烧火球控制在球形穴内，没有燃料浪费，且空燃比可达40：1仍能完全燃烧，比稀薄燃烧发动机的22：1，及传统发动机的14.7：1，更可达省油的效果。•②高输出模式：•车速在120km/h以上或高负荷时，自动转换为高输出模式。•在进气行程时喷油，由于进气冷却之效果，使容积效率提高，因此功率及转矩的输出比传统MPI发动机高。•③两段混合模式•针对欧洲地区使用的4G93GDI发动机的设计，除可提升低、中转速的转矩，尤其是低速转距，使车辆起步强劲，抑制爆震的发生。如图5．17所示•第一段喷射:将全部喷射量的1／4左右燃料，在进气行程时喷入气缸中，此时混合气非常稀薄，空燃比约为60：1，不可能发生自燃现象；•第二段喷射:另外的3／4燃料，在压缩行程末期喷入气缸中，，瞬间形成的浓混合气，空燃比约为12：1，立刻燃烧，根本没有时间让混合气发生反应而造成爆震，•(3)GDI发动机的燃油系统•①GDI发动机燃油系统如图5.19所示，由低压燃油泵、低压燃油调节器、高压燃油泵、高压燃油调节器、油压传感器、燃油分配管及喷油器等所组成。•高压燃油泵、高压燃油调节器、燃油分配管及喷油器的安装位置如图5．20所示。29•②高压燃油泵：为使燃油能以高压喷射，采用单柱塞油泵，由进气凸轮轴直接驱动，如图5.21所示，能在发动机所有运转范围内，提供燃油雾化所需的5MPa油压。•③高压燃油调节器：将高压燃油泵送来的油压调节为5MPa，当油压超过时，释放阀打开，以维持油压在一定压力，如图5．22所示。••④油压传感器•⊙油压传感器的构造基本上是与歧管压力传感器相同的，是将油压信号转换为电压信号送给ECM。•⊙送给ECM电压信号与油压之高低成正比关系，例如当输入电压为0.5V与4．5V时，代表的燃油压力分别是0MPa与7.85MPa。•⊙发动机起动时若油压不稳定，则ECM会依所检测的燃油压力大小，对应控制燃油喷射量。•⑤高压涡流喷油器•利用喷油器末端涡流部及阀座之特殊设计，如图5.23所示，产生强烈涡流使燃油雾化，以达到燃油粒子微粒化的效果；•同时涡流具有清除喷油口及附近积炭的效果，可改善喷油器的耐久性。•⑥喷油器驱动器•⊙喷油器的动作利用喷油器驱动器，为一高电压驱动器，在超稀薄燃烧模式，喷油器针阀打开的短暂时间内，5MPa的压力能精确喷射燃油，增加喷油的准确性。·•⊙喷油器驱动器提供高电压及高电流给喷油器，如图5.24所示，瞬间电压与电流达100V及20A,当ECM送出驱动信号时，可减少喷油器针阀打开及关闭的时间，此高压喷油器反应的时间比传统MPI发动机快4倍。2.丰田缸内直喷分层充量燃烧系统图2–30丰田D-4缸内直喷式稀燃汽油机VVT-i图3–31丰田D-4燃烧室混合气形成a）燃气混合过程；b）缸内混合气浓度分布a）b）图3–32D-4稀燃发动机控制方法转矩∕N·m发动机转速r∕min低速低负荷时，在压缩行程后期喷油，形成明显的分层燃烧，而在高速大负荷时，进气行程就开始喷油，以形成完全的均质化学计量比燃烧。在分层燃烧与均质化学计量比燃烧领域之间，有弱分层燃烧和均质燃烧两个区域。可变压缩比压缩比的概念•轿车的汽油发动机压缩比是9~11；•柴油发动机压缩比是18~23。•由于汽油的燃烧特性导致了汽油发动机的混和气压力不能太高。如果气缸内的压力超过了临界值，汽油就会因为压缩而在点火之前被点燃，这种现象被称为爆震，会对发动机带来很大的伤害。•这种问题在增压发动机的设计上显得尤为突出。固定的压缩比成为制约机械增压和涡轮增压发动机的一个很重要的因素。我们知道，当涡轮增压介入以后，燃烧室的温度和压力会大幅度升高，如果这个值过高，爆震就不可避免。这会对发动机造出巨大伤害，同时也会影响动力输出。所以，固定压缩比的涡轮增压和机械增压发动机只能把压缩比设计得比普通自然吸气发动机低很多。但是这种过低的压缩比设计，又会导致发动机在增压器（特别是涡轮增压）没有完全介入时（也就是说，发动机在低转速时），燃烧效率非常低，能产生的动力要比普通自然吸气发动机所产生的动力要少的多。这个矛盾是促使设计师开发可变压缩比发动机的重要原因。•可变压缩比可以让发动机在燃油适应性方面拥有巨大的优势。现在新款的主流发动机的压缩比普遍设计在10:1以上，以获得更好的动力输出和燃油经济性。但是高压缩比的发动机需要使用较高标号的燃油，这种要求在发达国家也许不算什么，但是在国内，这种要求会降低汽车在偏远地方的适应性，直接影响到车辆的销售。目前国内市场上的许多车型就是因为压缩比偏高而影响了其在偏远地区的推广。•例如著名的polo1.4发动机，因为压缩比太高，必须使用97号汽油，使得polo1.4在没有97