汽油机缸内直喷稀薄燃烧技术_GDI_

汽油机缸内直喷稀薄燃烧技术(G D I)

周　华,张晓辉,韩玉环

(中国汽车技术研究中心,天津　300162)

摘　要:在对GDI 燃油喷射系统和燃烧系统等关键技术的介绍基础上,通过对GDI 缸内流场的结构、在不同负荷下混合气分区域控制模式分析,阐明缸内直喷汽油机的工作过程、燃油经济性及排放特点。

关键词:汽油机;汽油直喷;稀薄燃烧;燃油经济性;排放

中图分类号:U464.171　　　　文献标识码:B 　　　　文章编号:100623331(2007)0420028203

Abstract :On the basis of introduction on the key technique of f uel injection system and combustion system in G DI en 2gines ,this paper analyses the fluid field structure of G DI engine cylinder ,the mixture control mode in separate dis 2trict under different engine load.Meanwhile ,it also illustrates the combustion process ,fuel oil economy and emis 2sion feature of G DI engines.

K ey w ords :gasoline engine ;gasoline direct injection (G DI );lean burn ;f uel economy ;exhaust emission

稀薄燃烧是提高汽油机燃油经济性的重要手

段。缸内直喷汽油机稀薄燃烧技术可以分为均质稀

燃和分层燃烧两种燃烧模式。中小负荷时,在压缩

行程后期开始喷油,在火花塞附近形成较浓的可燃

混和气,在远离火花塞的区域,形成稀薄分层混和

气;大负荷及全负荷时,在早期进气形成中将燃油喷

入气缸,形成完全的均质化学计量比进行燃烧。另

外,也有采用分段喷油技术分层混合气,即在进气早

期开始喷油,使燃油在气缸中均匀混合,在进气后期

再次喷油,最终在火花塞附近形成较浓的可燃混和

气。近些年来,对以分层稀薄燃烧缸内直喷汽油机

为代表的新型稀薄燃烧模式的研究和应用极大地提

高了汽油机的燃油经济性。1　G DI 的关键技术

1.1　G DI 的燃油喷射系统

GDI 通常划分了负荷区,因此要求GDI 燃油喷

射系统至少要能提供2～3种不同的操作模式,以适

应不同的负荷要求。GDI 要求喷油器雾化水平高,

能在较窄的脉冲宽度内喷出所要求的燃油,以确保

晚喷实施分层燃烧。由于喷油器位于缸内,工作条

件恶劣,因此要对嘴端沉积物生成和高温有更强的

抵抗能力。此外,喷油器的喷雾特性对GDI 发动机

的燃烧过程影响较大。

GDI 采用的喷油器主要有两种类型。一种是

空气辅助喷油器。其喷油原理是先将燃油供入喷油

器油室,再充以高压空气,从而突破阀座弹力形成喷

射;另一种是高压旋流喷油器,如图1所示。这种喷

油器的特点是,在其喷油嘴的头部设有一个特殊的涡流腔,通过该腔可产生一股强涡流,不仅对喷油嘴喷孔具有自洁作用,使其可靠性得到提高,而且能使燃油喷束的一部分动能直接转化为水平的旋转动能,从而降低油束的穿透度,避免其沾湿活塞和缸套壁面。在早喷时喷雾形状是适宜均质混合的中空扩散型,在晚喷时是适宜分层燃烧的紧凑型。喷油压力主要影响雾化质量和贯穿速度,较适当的喷油压力为5～10M Pa (最高为12M Pa )。

图1　已经开发的部分旋转喷油器[1]?

82?第4期　2007年客车技术与研究?设计?计算?研究

?

? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 5e2d82d649649b6648d747ab

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2为GDI 发动机所采用的内开式旋流型喷嘴,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。因其油束方向便于调整,布置方便,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

。

图2　GDI 发动机采用的喷嘴

[2]

1.2　缸内流场的结构

在进气冲程与压缩冲程中的瞬态缸内流场是GDI 的另一关键因素。在GDI 发动机中,流场的三

个重要因素是平均流体结构的稳定性、压缩冲程中紊流的发展和点火区域的流场平均速度,能较长时间地保持平均流体结构的流场将有利于分层。在汽油机中可采用的流场结构有滚流、涡流和挤流三种。如图3所示

。

(a )流场结构为涡流,喷油器位于中央的三种不同燃烧室(b )流场结构为涡流,喷油器位于侧面的三种不同燃烧室(c )流场结构为滚流,喷油器位于中央的三种不同燃烧室(d )流场结构为挤流,喷油器位于中央的三种不同燃烧室

图3　实现缸内直喷的燃烧室结构图

大部分GDI 发动机都应用涡流作为缸内气体流动的主要形式(图3a 、图3b )。图3a 中喷油器中

置,火花塞偏置在油束的周向,这种设计一般要求电极凸进燃烧室,因而常导致高负荷时火花塞的耐久性问题;图3b 中火花塞中置,喷油器偏置,依靠活塞顶部特殊形状的凹坑和缸内涡流形成混合气分层;图3c 是三种以滚流为主的GDI 燃烧系统;以挤流作为混合气分层动力的燃烧系统如图3d 所示。1.3　G DI 的燃烧系统

GDI 发动机大部分燃烧系统火花塞的安装位

置选择在靠近缸头中心处,这主要是为了火焰传播的对称性,增加燃烧速率和标定功率,减少热损失和自动着火的趋势。喷油器的定位有两种:一是喷油器紧靠火花塞;二是喷油器安装在进气道下侧。由于易产生燃烧沉积物和降低耐久性,喷油器避免安在排气侧。

图4为三种可行的方案。

A 2进气门;

B 2排气门;

C 2火花塞位置;

D 2喷油器位置

图4　三种喷油器和火花塞的布置方案[3]

有多种燃烧系统设计方案可以达到分层稀燃的目的。以下两种是目前主要采用的结构。

1)壁面控制燃烧系统[2](图5a )活塞顶面通常

被设计成弧状的曲线形。喷油器相对应的活塞凹坑的开口指向进气侧,火花塞布置在中间,采用立式进气道(图6a ),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,将喷射的燃油和蒸发的燃油送到火花塞附近。在压缩过程中,使逆滚流得到加强,有利于燃烧。在燃烧后期,

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”。

(a )壁面控制　　　　　　(b )气流控制

图5　现代GDI 燃烧系统的分类[4]

?

92??设计?计算?研究?

客车技术与研究　　2007

年　第4期

? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 5e2d82d649649b6648d747ab

图6　两种工况下对喷油正时和油束特性的要求[5]

2)气流控制燃烧系统

[2]

(图5b )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6b )。它的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”。1.4　混合控制

1)按工况模式控制。现代GDI 通常是根据大、小负荷区域不同的要求,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,通常采用压缩冲程中喷油实现分层燃烧的控制模式。在高负荷区域,要求提高发动机转矩和功率,故采用均质燃烧的控制模式。

2)喷油定时控制。喷油定时决定了混合气的均质程度,也就决定了是均质模式还是分层燃烧模式。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。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)。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。故此时应将喷油提早到吸气冲程的前期。

2　G DI 的排放

GDI 面临的主要排放问题是UB HC (未燃碳氢

化合物)和NOx [5]。

2.1　中小负荷下UB HC 的排放

GDI 油气的混合主要是依靠喷雾和缸内的空气运动,冷起动时无需过量供油,有效地解决了PFI (气道燃油喷射)冷起动时UB HC 排放过多的问题。

但是GDI 在中小负荷的情况下,其UB HC 的排放仍然较多。主要原因是:

1)GDI 在此工况燃油在压缩行程后期被喷射入气缸内,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。

2)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。

3)稀薄燃烧造成气缸内温度偏低,不利于UB 2

HC 随后的继续氧化。

4)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。

5)EGR 率过高会导致进气中新鲜空气过少,即再循环废气会导致燃烧变差。

6)采用“壁面引导法”的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[6]。2.2　N Ox 的排放和后处理

GDI 采用了稀薄燃烧技术使气缸内反应区的

温度下降,可减少NOx 的生成量。但由于GDI 的混合气由稀到浓呈分层状态,不可避免地会出现空燃比为1附近的偏浓区域,使这些区域的NOx 排放增加。GDI 大部分工况都处于部分负荷,发动机长期处于稀空燃比条件下,导致废气排气中含氧较多且排放温度也较低,传统的三元催化器对NOx 的转化效率低。

目前,GDI 对NOx 排放的控制主要依靠EGR 和稀燃NOx 催化转化器。当前的稀燃NOx 催化转化器包括富氧条件下的沸石和贵金属催化转化器,NOx 捕集器,选择性de 2NOx 催化转化器以及等离

子系统。NOx 储存还原催化技术有很高的转化效率,在稀薄燃烧的条件下,其对NOx 的转化效率可达到90%以上,同时可对HC 和CO 进行很好地转化。它的缺点就是受燃油中的硫含量影响很大,随着硫含量的增加,其净化性能会急速下降。2.3　颗粒物的排放

GID 发动机的颗粒排放比PFI 发动机有所增

加,在低负荷、过渡工况和冷起动的情况下,GDI 的颗粒排放比传统的PFI 汽油机有较多的增加,但仍比柴油机要低一个到几个数量级。其形成的主要原因可能是因为局部区域过浓的混合气或类似柴油机的液态油滴扩散燃烧所引起,并且缸内温度低,也造成颗粒氧化不完全。

(下转第38页)?

03?第4期　2007年客车技术与研究

?设计?计算?研究

?

? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 5e2d82d649649b6648d747ab

统的抗干扰性显得尤其重要。除了在软件方面加强抗干扰的措施外,在硬件上也进行抗干扰的设计。

1)电源系统。电源的稳定至关重要,因蓄电池与汽车发电机、起动机、点火线圈并联且电压波动较大,含有较高的尖峰脉冲,对单片机的危害很大,极容易造成元器件早期损坏。本系统采用电感、电容和有源滤波相结合的滤波电路。

2)看门狗电路。为了保证单片机的正常工作,启动A T89S51自身的看门狗电路,受到干扰时,使跑飞的程序恢复正常工作。

3)软件的容错处理。这也是开发中的一个关键,如CAN控制器受到干扰后,便会造成系统无法通信。这时通过软件查询中断寄存器的故障部位进行必要的纠错。否则,单片机发出复位信号复位CAN控制器。

4)屏蔽。各个模块采用金属材料封闭进行屏蔽,传输线采用双绞线以减少电磁场对其干扰。

5　结束语

CAN总线与一般的通信总线相比,它的数据通信具有较高的可靠性、实时性和灵活性。我公司率先将CAN系统应用于城市客车空调系统,用新研制的CAN系统替代了原广州精益汽车空调的电气系统。经过试验,验证了它的有效性。相信CAN 系统在城市客车上的其它电器系统中应用越来越广泛,使城市客车技术得以极大提高。下一步我公司将继续研制灯光系统、照明系统、电涡流缓速器系统等的CAN系统,使客车CAN系统逐步完善。

参考文献:

[1]孙育才,王兴荣,孙华芳.新型A T89S52系列单片机及

其应用[M].北京:清华大学出版社,2005.1.

[2]饶运涛,邹继军,郑勇芸.现场CAN系统原理与应用技

术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.6. [3]P HIL IPS Semiconductors.S J A1000Stand2alone CAN

controller,1998.8.

[4]P HIL IPS Semiconductors.Upgrading Note PCA822

C250/2512〉TJ A1040TJ A1050,2001.11.

收稿日期:2007202209

(上接第30页)

3　G DI发动机的优缺点

3.1　相对于PFI发动机的优点

1)GDI发动机的绝热指数增加和传热损失较少,取消节流降低了泵吸损失,燃油蒸发引起的缸内温度降低提高了汽油机可工作的压缩比,燃油在进气冲程中对进气的冷却提高了充气效率,使得它的燃油经济性有进一步改善,燃油消耗下降率高达35%。动力输出也比PFI发动机增加了大约10%。

2)瞬态反应快。

3)起动快。

4)冷起动时未燃碳氢排放少。

3.2　G DI发动机的缺点

1)GDI适用的NOx稀燃催化剂的开发尚未成熟,目前商品化的GDI难以满足严格的排放法规要求。

2)GDI燃烧系统的设计较为复杂,开发成本昂贵。

4　结束语

现代电子控制、制造等技术的发展使GDI开发比过去所受限制大大减少。当前节能环保的要求给GDI的发展提供了动力,借助于先进的电子控制技术能准确地调节燃油的供给,可根据需要改变喷油定时和喷油次数,能自由控制气缸内的混合状态、燃烧室内的燃油分布,使混合气实现分层分布,完成稀薄燃烧,以实现高燃油经济性的同时大大地降低排放污染。随着喷射技术和排气后处理技术的进步以及发动机管理系统的不断完善,GDI发动机必将在21世纪的轿车发动机中占据很重要的地位。

参考文献:

[1]Harada J,et al.Development of Direct Injection G aso2

line Engine,SA E paper970540.

[2]陆展华.G DI发动机及其稀燃优化技术[J].柴油机?

Diesel Engine,2003,(6):36241.

[3]蒋坚,高希彦.汽油缸内直喷式技术的研究与应用[J].

内燃机工程,2003,(5):39244.

[4]王燕军,王建昕,首藤登志夫,等.汽油机稀薄燃烧研究

的新进展———从gdi到hcci[J].汽车技术,2002,(8):

125.

[5]于秀敏,杨世春,高莹.降低汽车发动机排放的技术

[J].汽车工程,2005,(5):4452450.

修改稿日期:2007205210?

8

3

?

第4期　2007年客车技术与研究

?设计?计算?研究?? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 5e2d82d649649b6648d747ab

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ybxl.html