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汽油機缸內直噴技術的研究現狀及技術難點
2019-10-24
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1、GDI發(fā)動機的技術現狀
1.1、燃油供給和噴射系統(tǒng)
現代的GDI發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)均采用了精度高、響應快的柔性電控手段。高壓共軌噴射系統(tǒng)加電磁驅動噴油器被認為是滿足缸內靈活噴射要求的噴射系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)由低壓輸油泵、燃油壓力傳感器、噴油壓力控制閥、高壓油泵、蓄壓燃油軌、噴油器等組成。
燃油噴射系統(tǒng)中，噴油器的結構形式對噴霧質量的影響很大。目前在GDI發(fā)動機上得到廣泛應用的是內開式旋流噴油器，只有一個噴孔，工作油壓為5.0-10MPa，其內部設有燃油旋流腔，它可以通過渦流比的選擇而實現較好的噴霧形態(tài)和合適的貫穿度的配合，且噴束方向便于調整，方便了在氣缸內的布置。
1.2、噴射模式
GDI發(fā)動機燃油噴射模式可以分為單階段噴射模式和多階段噴射模式。單階段噴射模式是指在中小負荷時，燃油在壓縮行程后期噴入，實現混合氣分層稀燃并采用質調節(jié)以避免節(jié)流閥的節(jié)流損失，從而使GDI汽油機達到與柴油機相當的經濟性；在大負荷和全負荷時，燃油在進氣行程中噴入氣缸，實現均質預混合燃燒，以保持汽油機升功率高的特點。多階段噴射模式是指在進氣行程中先噴入所需燃料的1/4，形成極稀的均質混合氣，其余燃料在壓縮行程后期再次噴入，形成分層混合氣。應用該技術可實現發(fā)動機從中小負荷到大負荷的平穩(wěn)過渡，降低氣缸內的氣體溫度，抑制爆燃的產生。
1.3、燃燒系統(tǒng)
GDI發(fā)動機燃燒系統(tǒng)按噴油器和火花塞的相對位置和混合氣的組織形式可以有3種類型：(1)噴束引導法。燃油噴嘴靠近火花塞布置，火花塞位于燃油噴束的邊緣，這種方式的優(yōu)點是確保當整個燃燒室內為稀薄混合氣時，火花塞周圍仍能形成可供點火的混合氣濃度。福特、本田公司生產的某些機型采用這種燃燒系統(tǒng)。(2)壁面引導法。燃油噴嘴遠離火花塞布置，利用特殊形狀的活塞表面配合氣流運動，將燃油蒸氣導向火花塞并在火花塞間隙形成合適濃度的混合氣，如三菱、豐田、日產等公司開發(fā)的機型。(3)氣流引導法。同樣是燃油噴嘴遠離火花塞，利用缸內有組織的氣流運動來達到上述目的。FEV、AVL公司開發(fā)的方案采取這樣的燃燒系統(tǒng)。
1.4、缸內空氣運動的組織
GDI發(fā)動機缸內空氣的運動有渦流、滾流和擠流。目前大部分GDI發(fā)動機應用渦流作為缸內空氣運動的主要形式，其特點是持續(xù)時間長，在缸內的徑向發(fā)散少，對保持混合氣的相對集中和分層有利，可以充分利用它來維持壓縮沖程中的混合氣分層。但利用渦流來促進油氣混合有一個操作范圍限制。此外，渦流比過高還會由于離心力的作用使油滴甩向缸壁，造成濕壁現象的增加。近年來，日本三菱汽車公司對滾流在GDI發(fā)動機中的應用做了大量的試驗研究，結果顯示，在壓縮行程的后期，滾流能夠有效地增加靠近缸壁處的氣體流動速度，從而可以促進粘附在缸壁上的油滴快速蒸發(fā)，也可利用滾流和活塞頂部的凹坑相配合將分層混合氣導向火花塞，控制油束碰撞和火焰?zhèn)鞑ィ瑥呐艢鈧鹊竭M氣側的擠流還能提高燃燒速度。
2、存在問題及前景展望
制約GDI發(fā)動機發(fā)展的主要技術難點是排放問題。
1.1、燃油供給和噴射系統(tǒng)
現代的GDI發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)均采用了精度高、響應快的柔性電控手段。高壓共軌噴射系統(tǒng)加電磁驅動噴油器被認為是滿足缸內靈活噴射要求的噴射系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)由低壓輸油泵、燃油壓力傳感器、噴油壓力控制閥、高壓油泵、蓄壓燃油軌、噴油器等組成。
燃油噴射系統(tǒng)中，噴油器的結構形式對噴霧質量的影響很大。目前在GDI發(fā)動機上得到廣泛應用的是內開式旋流噴油器，只有一個噴孔，工作油壓為5.0-10MPa，其內部設有燃油旋流腔，它可以通過渦流比的選擇而實現較好的噴霧形態(tài)和合適的貫穿度的配合，且噴束方向便于調整，方便了在氣缸內的布置。
1.2、噴射模式
GDI發(fā)動機燃油噴射模式可以分為單階段噴射模式和多階段噴射模式。單階段噴射模式是指在中小負荷時，燃油在壓縮行程后期噴入，實現混合氣分層稀燃并采用質調節(jié)以避免節(jié)流閥的節(jié)流損失，從而使GDI汽油機達到與柴油機相當的經濟性；在大負荷和全負荷時，燃油在進氣行程中噴入氣缸，實現均質預混合燃燒，以保持汽油機升功率高的特點。多階段噴射模式是指在進氣行程中先噴入所需燃料的1/4，形成極稀的均質混合氣，其余燃料在壓縮行程后期再次噴入，形成分層混合氣。應用該技術可實現發(fā)動機從中小負荷到大負荷的平穩(wěn)過渡，降低氣缸內的氣體溫度，抑制爆燃的產生。
1.3、燃燒系統(tǒng)
GDI發(fā)動機燃燒系統(tǒng)按噴油器和火花塞的相對位置和混合氣的組織形式可以有3種類型：(1)噴束引導法。燃油噴嘴靠近火花塞布置，火花塞位于燃油噴束的邊緣，這種方式的優(yōu)點是確保當整個燃燒室內為稀薄混合氣時，火花塞周圍仍能形成可供點火的混合氣濃度。福特、本田公司生產的某些機型采用這種燃燒系統(tǒng)。(2)壁面引導法。燃油噴嘴遠離火花塞布置，利用特殊形狀的活塞表面配合氣流運動，將燃油蒸氣導向火花塞并在火花塞間隙形成合適濃度的混合氣，如三菱、豐田、日產等公司開發(fā)的機型。(3)氣流引導法。同樣是燃油噴嘴遠離火花塞，利用缸內有組織的氣流運動來達到上述目的。FEV、AVL公司開發(fā)的方案采取這樣的燃燒系統(tǒng)。
1.4、缸內空氣運動的組織
GDI發(fā)動機缸內空氣的運動有渦流、滾流和擠流。目前大部分GDI發(fā)動機應用渦流作為缸內空氣運動的主要形式，其特點是持續(xù)時間長，在缸內的徑向發(fā)散少，對保持混合氣的相對集中和分層有利，可以充分利用它來維持壓縮沖程中的混合氣分層。但利用渦流來促進油氣混合有一個操作范圍限制。此外，渦流比過高還會由于離心力的作用使油滴甩向缸壁，造成濕壁現象的增加。近年來，日本三菱汽車公司對滾流在GDI發(fā)動機中的應用做了大量的試驗研究，結果顯示，在壓縮行程的后期，滾流能夠有效地增加靠近缸壁處的氣體流動速度，從而可以促進粘附在缸壁上的油滴快速蒸發(fā)，也可利用滾流和活塞頂部的凹坑相配合將分層混合氣導向火花塞，控制油束碰撞和火焰?zhèn)鞑ィ瑥呐艢鈧鹊竭M氣側的擠流還能提高燃燒速度。
2、存在問題及前景展望
制約GDI發(fā)動機發(fā)展的主要技術難點是排放問題。
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