汽油机缸内直喷技术的研究资料.docx

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汽油机缸内直喷技术的研究资料

郑州交通职业学院

毕业论文

论文题目：

汽油机缸内直喷技术的研究

摘要

　从汽油机的混合气形成与调节、燃油喷射、燃烧系统3方面对车用汽油机缸内直接喷射技术的发展及新技术进行了概述。

车用汽油机缸内直接喷射技术有很大的发展潜力,将得到更大发展并取代目前的进气道直接喷射方式。

通过对排放、积炭、催化器及燃油喷射系统等问题的分析和探讨,提出了缸内直接喷射式汽油机进一步发展的方向和建议。

关键词：

汽油机，缸内直喷，排放

Abstract

Fromgasolineenginemixedgasformingandadjustmentofcombustionsystem,fuelinjection,3aspectsofvehiclegasolinein-cylinderdirectinjectiontechnologyandthedevelopmentofnewtechniqueswereoutlined.Gasolineengineincylinderdirectinjectiontechnologyhasgreatpotentialfordevelopment,willbebiggerandreplacesitwithaninletportdirectfuelinjection.Basedontheemission,carbondeposition,catalyticreactorandfuelinjectionsystemtoanalyzeanddiscusstheproblem,putforwardindirectinjectiongasolineenginesandthedirectionoffurtherdevelopmentsuggestion.

Keywords:

gasolineengine,gasolinedirectinjection,discharge

1前言

汽油机在近20年内发生了巨大的变化。

其中最显著的变化是可根据不同工况精确控制空燃比。

这一结果使进气道喷射技术（PFI）从1983年开始迅速发展，从而促进了汽油机燃油经济性和排放特性的改善。

但是PFI需要节气门作为基本的负荷控制方式，而且在进气道端口处不可避免要产生油膜，因此PFI无论是在燃油经济性方面还是在排放方面都很难有一个显著的突破。

与之相比，缸内直接喷射（GDI）方式从原理上无此限制，所以具有进一步的发展潜力。

目前，日本、美国和德国的汽车公司都已开展了GDI试验或样机试制工作，其中以三菱公司和丰田公司的开发最为成功。

我国在这方面的研究才刚刚开始，西安交通大学开发了缸内直接喷射周向分层燃烧系统，该系统的特点是利用具有非均匀性周向分布的机械式喷嘴实现周向分层。

2GDI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[1]。

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%。

3GDI开发目标

GDI开发有两个目标：

一是使现有汽油机燃料经济性有大幅度的改善；二是控制排放，主要是UB-HC和NOx的排放。

目前第一个目标主要靠划分负荷区，实行不同的工作模式来实现。

通常划分为小负荷区和大负荷区，按照不同负荷区的要求，制定不同的控制策略。

在小负荷区要求能充分利用GDI在燃料经济性改善方面的潜力，因此在该区域通常采用压缩冲程中喷油实现分层燃烧的工作模式；大负荷区主要考虑的是动力性，要求GDI的功率输出应能与实际多点进气道喷射（MPFI）相当或更高，通常在该区域采用吸气冲程喷油，实现均质燃烧的工作模式。

改善排放方面则要采用EGR和废气后处理技术DI发动机的技术现状

4GDI发动机的技术现状

柴油机上采用GDI方法在提高热效率方面取得了良好的效果，但要将该方法应用于汽油机却会遇到很多困难。

柴油是自燃着火，初始着火总是发生于混合气中最适宜着火的地方；汽油需点燃着火，火花塞的固定使初始着火位置也随之固定。

故在汽油机上要达到类似于柴油机那样的工作方式就必须考虑用附加方法控制混合气的制备。

混合气的制备质量是由燃油喷射系统、缸内流场结构以及他们之间的相互作用决定的，下面就从这三个方面加以论述。

4.1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。

试验结果表明采用电磁喷射阀的共轨喷射系统能满足这一要求。

GDI比PFI对喷油器的要求严格。

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，这就对喷油器提出了更高的动态响应要求。

另外，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，而对PFI发动机的燃烧过程影响较小。

大多数GDI发动机若要达到可接受的UBHC排放和IMEP（平均指示有效压力）的循环变动系数，其SMD（索特平均直径）应小于25μm。

由于SMD的大小也影响燃油蒸发时间，故有人提出SMD小于15μm的喷雾才适用于GDI。

因此，目前喷油器研究的一个重点是加强雾化效果。

判断雾化质量的另一标准是喷雾中油滴尺寸的分布，其中最重要的是大尺寸油滴的分布，这是因为大尺寸油滴的质量占燃油总质量比例大，同时也是最后仍保持液态的那部分燃油对燃烧和排放影响大。

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。

燃油的大部分是在前几次阀座震荡循环过程中喷出，喷雾形状为锥角较大的中空结构。

另一种是高压旋流喷油器。

该喷油器可将油束的一部分动能转化为水平旋转动能，从而降低贯穿速度避免油束撞壁，同时仍保持原有的雾化水平。

目前对高压旋流喷油器的采用和

图4-1喷油器

研究最多。

如图4-1是已开发的部分高压旋流喷油器。

高压旋流喷油器的喷雾锥角主要依赖于喷油压力和缸内背压，其中后者的影响较大，因此它能根据不同负荷区的要求提供所需要的喷雾形状。

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5MPa~10MPa:

对雾化过程进行优化后的贯穿速度能达40m/s~50m/s,约2倍于典型缸内流场速度，因此对缸内流场必须仔细优化。

4.2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4-2。

图4-2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4-3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。

图4-3旋流式喷嘴

4.3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。

4.4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