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行業(yè)新聞
汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)的研究現(xiàn)狀及技術(shù)難點(diǎn)
2019-10-24
點(diǎn)擊數(shù)：13620
1、GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀
1.1、燃油供給和噴射系統(tǒng)
現(xiàn)代的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)均采用了精度高、響應(yīng)快的柔性電控手段。高壓共軌噴射系統(tǒng)加電磁驅(qū)動(dòng)噴油器被認(rèn)為是滿足缸內(nèi)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(jié)構(gòu)形式對(duì)噴霧質(zhì)量的影響很大。目前在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛應(yīng)用的是內(nèi)開(kāi)式旋流噴油器，只有一個(gè)噴孔，工作油壓為5.0-10MPa，其內(nèi)部設(shè)有燃油旋流腔，它可以通過(guò)渦流比的選擇而實(shí)現(xiàn)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(diào)整，方便了在氣缸內(nèi)的布置。
1.2、噴射模式
GDI發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)荷時(shí)，燃油在壓縮行程后期噴入，實(shí)現(xiàn)混合氣分層稀燃并采用質(zhì)調(diào)節(jié)以避免節(jié)流閥的節(jié)流損失，從而使GDI汽油機(jī)達(dá)到與柴油機(jī)相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)性；在大負(fù)荷和全負(fù)荷時(shí)，燃油在進(jìn)氣行程中噴入氣缸，實(shí)現(xiàn)均質(zhì)預(yù)混合燃燒，以保持汽油機(jī)升功率高的特點(diǎn)。多階段噴射模式是指在進(jìn)氣行程中先噴入所需燃料的1/4，形成極稀的均質(zhì)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(yīng)用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)從中小負(fù)荷到大負(fù)荷的平穩(wěn)過(guò)渡，降低氣缸內(nèi)的氣體溫度，抑制爆燃的產(chǎn)生。
1.3、燃燒系統(tǒng)
GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)按噴油器和火花塞的相對(duì)位置和混合氣的組織形式可以有3種類(lèi)型：(1)噴束引導(dǎo)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(diǎn)是確保當(dāng)整個(gè)燃燒室內(nèi)為稀薄混合氣時(shí)，火花塞周?chē)阅苄纬煽晒c(diǎn)火的混合氣濃度。福特、本田公司生產(chǎn)的某些機(jī)型采用這種燃燒系統(tǒng)。(2)壁面引導(dǎo)法。燃油噴嘴遠(yuǎn)離火花塞布置，利用特殊形狀的活塞表面配合氣流運(yùn)動(dòng)，將燃油蒸氣導(dǎo)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(chǎn)等公司開(kāi)發(fā)的機(jī)型。(3)氣流引導(dǎo)法。同樣是燃油噴嘴遠(yuǎn)離火花塞，利用缸內(nèi)有組織的氣流運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到上述目的。FEV、AVL公司開(kāi)發(fā)的方案采取這樣的燃燒系統(tǒng)。
1.4、缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的組織
GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)空氣的運(yùn)動(dòng)有渦流、滾流和擠流。目前大部分GDI發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用渦流作為缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的主要形式，其特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在缸內(nèi)的徑向發(fā)散少，對(duì)保持混合氣的相對(duì)集中和分層有利，可以充分利用它來(lái)維持壓縮沖程中的混合氣分層。但利用渦流來(lái)促進(jìn)油氣混合有一個(gè)操作范圍限制。此外，渦流比過(guò)高還會(huì)由于離心力的作用使油滴甩向缸壁，造成濕壁現(xiàn)象的增加。近年來(lái)，日本三菱汽車(chē)公司對(duì)滾流在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用做了大量的試驗(yàn)研究，結(jié)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(dòng)速度，從而可以促進(jìn)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(dǎo)向火花塞，控制油束碰撞和火焰?zhèn)鞑ィ瑥呐艢鈧?cè)到進(jìn)氣側(cè)的擠流還能提高燃燒速度。
2、存在問(wèn)題及前景展望
制約GDI發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的主要技術(shù)難點(diǎn)是排放問(wèn)題。
1.1、燃油供給和噴射系統(tǒng)
現(xiàn)代的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)均采用了精度高、響應(yīng)快的柔性電控手段。高壓共軌噴射系統(tǒng)加電磁驅(qū)動(dòng)噴油器被認(rèn)為是滿足缸內(nèi)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(jié)構(gòu)形式對(duì)噴霧質(zhì)量的影響很大。目前在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛應(yīng)用的是內(nèi)開(kāi)式旋流噴油器，只有一個(gè)噴孔，工作油壓為5.0-10MPa，其內(nèi)部設(shè)有燃油旋流腔，它可以通過(guò)渦流比的選擇而實(shí)現(xiàn)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(diào)整，方便了在氣缸內(nèi)的布置。
1.2、噴射模式
GDI發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)荷時(shí)，燃油在壓縮行程后期噴入，實(shí)現(xiàn)混合氣分層稀燃并采用質(zhì)調(diào)節(jié)以避免節(jié)流閥的節(jié)流損失，從而使GDI汽油機(jī)達(dá)到與柴油機(jī)相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)性；在大負(fù)荷和全負(fù)荷時(shí)，燃油在進(jìn)氣行程中噴入氣缸，實(shí)現(xiàn)均質(zhì)預(yù)混合燃燒，以保持汽油機(jī)升功率高的特點(diǎn)。多階段噴射模式是指在進(jìn)氣行程中先噴入所需燃料的1/4，形成極稀的均質(zhì)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(yīng)用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)從中小負(fù)荷到大負(fù)荷的平穩(wěn)過(guò)渡，降低氣缸內(nèi)的氣體溫度，抑制爆燃的產(chǎn)生。
1.3、燃燒系統(tǒng)
GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)按噴油器和火花塞的相對(duì)位置和混合氣的組織形式可以有3種類(lèi)型：(1)噴束引導(dǎo)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(diǎn)是確保當(dāng)整個(gè)燃燒室內(nèi)為稀薄混合氣時(shí)，火花塞周?chē)阅苄纬煽晒c(diǎn)火的混合氣濃度。福特、本田公司生產(chǎn)的某些機(jī)型采用這種燃燒系統(tǒng)。(2)壁面引導(dǎo)法。燃油噴嘴遠(yuǎn)離火花塞布置，利用特殊形狀的活塞表面配合氣流運(yùn)動(dòng)，將燃油蒸氣導(dǎo)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(chǎn)等公司開(kāi)發(fā)的機(jī)型。(3)氣流引導(dǎo)法。同樣是燃油噴嘴遠(yuǎn)離火花塞，利用缸內(nèi)有組織的氣流運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到上述目的。FEV、AVL公司開(kāi)發(fā)的方案采取這樣的燃燒系統(tǒng)。
1.4、缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的組織
GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)空氣的運(yùn)動(dòng)有渦流、滾流和擠流。目前大部分GDI發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用渦流作為缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的主要形式，其特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在缸內(nèi)的徑向發(fā)散少，對(duì)保持混合氣的相對(duì)集中和分層有利，可以充分利用它來(lái)維持壓縮沖程中的混合氣分層。但利用渦流來(lái)促進(jìn)油氣混合有一個(gè)操作范圍限制。此外，渦流比過(guò)高還會(huì)由于離心力的作用使油滴甩向缸壁，造成濕壁現(xiàn)象的增加。近年來(lái)，日本三菱汽車(chē)公司對(duì)滾流在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用做了大量的試驗(yàn)研究，結(jié)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(dòng)速度，從而可以促進(jìn)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(dǎo)向火花塞，控制油束碰撞和火焰?zhèn)鞑ィ瑥呐艢鈧?cè)到進(jìn)氣側(cè)的擠流還能提高燃燒速度。
2、存在問(wèn)題及前景展望
制約GDI發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的主要技術(shù)難點(diǎn)是排放問(wèn)題。
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