摘要:汽车技术诞生的百余年中,发动机作为核心一直在不断突破,但其技术更新远不如车型风格演变那样简便,往往十数年都难以有大的进展,就好像一些车型引以为豪的VVT可变正时气门技术,其实也已经是上世纪的产物。而近年来,欧美的汽油缸内直喷技术开始从实验室走向市场,由此带来的发动机第三次革命也诞生了迄今最牛的汽油发动机技术——缸内直喷。文中介绍了缸内直喷汽油机的性能特点、提出了燃烧理论空燃比的复合喷射燃烧技术,运用了废气再循环(EGR)分层技术。复合喷射通过稳压腔辅助喷射燃油和缸内直接喷射燃油,使缸内形成准均质混合气,以满足各种工况下缸内直喷汽油机对混合气的要求。
关键词:汽油机 缸内直接喷射 技术现状 难点
开发具有汽油机优点同时又具备柴油机部分负荷高燃油经济性优点的车用发动机是主要的研究目标。汽油缸内直喷(GDI)是提高汽油机燃油经济性的重要手段,近些年来,以缸内直喷为代表的新型混合气形成模式的研究与应用极大地提高了汽油机的燃油经济性。
1 缸内直喷技术的六大优势
由于燃油被精确的喷射于汽缸燃烧室内,也直接带来了6大好处。
1.1 节省燃油
现代发动机技术的趋势之一就是节约燃料,而缸内直喷技术可以大大提升燃油与空气混合的雾化程度与混合的效率,带来燃油的节约。采用缸内直喷技术的车型油耗水平可下降3％以上。
1.2 减少废气排放
人类对生存环境的重视也造就了环保发动机的不断诞生。缸内直喷发动机的高压燃油泵能提供高达120Pa的压力,确保燃料充分燃烧,最大程度的减少废气中的有害杂物。
1.3 提升动力性能
由于燃料的混合更充分,燃烧更彻底,也带来了燃料转化为动能的效率提升,直接推动了发动机动力性能的增加,同排量下,最大功率可提高15％。
1.4 减少发动机震动
发动机启停技术
由于缸内直喷技术允许更高的压缩比,缸内爆震情况的大大减少,对降低发动机低速情况下的震动也有明显的效果。
1.5 喷油的准确度提升
缸内直喷技术的关键就是电脑系统的精确控制。由于电脑系统会感知发动机缸内的实际工作情况,并会在瞬间完成对喷油量、喷油时间和压力的微调,保障发动机始终处于精确的喷油状态。
1.6 发动机更耐用
新技术不但提升效率,减少排放,更对发动机寿命的延长起到积极的作用。燃油被直接喷射于气缸内并迅速转化为能量,大大降低了传统发动机燃油依附于进气歧管而带来的损害。
2 复合喷射技术应用探讨
2.1 GDI发动机排放问题产生的原因
2.1.1 小负荷下UBHC的排放
GDI发动机的油气混合主要是喷雾和缸内的空气运动所致,而与冷启动时的低温关系不大,所以冷启动时无需过量供油。但是,在中小负荷的情况下,GDI发动机的UBHC排放量比较大,主要原因是:①GDI发动机采用的是分层稀薄燃烧,燃油在压缩行程后期喷入气缸,这样雾化时间不足,油气不能充分混合,故在燃烧室内出现了局部混合气过浓的现象;②大量的浓混合气集中在火花塞附近,使得火焰在蔓延时会因周围混合气过稀而熄灭;③稀薄燃烧会造成气缸内温度偏低,不利于UBHC化合物的继续氧化;④GDI发动机压缩比较高,残留在狭缝容积中的HC会因此而增加;⑤使用高废气再循环(EGR)率将导致燃料燃烧条件恶化;⑥GDI燃烧系统主要采用壁面引导法,该系统的喷雾易与活塞顶和缸壁发生碰撞,而缸壁的温度较低,从而导致燃油在着火前来不及完全蒸发而引起较多的HC排放。
2.1.2 NOx的排放
虽然GDI发动机采用了稀薄燃烧技术而使气缸内反应区的温度下降(从NOx的生成原理上来说是可以减少NOx的生成量的),但由于GDI发动机的混合气由浓到稀呈分层状态,所以不可避免地在空燃比为1附近出现了混合气偏浓的区域,这些区域的NOx排放量会增加,而较高的压缩比和较快的反应放热率也是引起NOx排放量升高的一个原因。此外,GDI发动机本质上是稀薄燃
烧的,所以它仍受到稀薄燃烧NOx催化转化问题的困扰。一般来说,GDI发动机大部分时间都处于非满负荷工况,NOx排放量约占总排量的1/2,发动机长期处于稀空燃比工况会导致废气排气中含氧量较大,排放温度较低,致使传统的三元催化器的转化效率不高,起燃困难,从而限制了NOx在GDI发动机上的应用。
2.2 复合喷射的技术原理
2.2.1 燃烧理论空燃比混合气
本文方案是在GDI上采用燃烧理论空燃比混合气,并保持其在化学计量比下工作。同分层稀燃GDI发动机相比,λ＝1的混合气燃烧发动机具有以下优点。
(1)燃烧过程不需要对分层充气和均质充气进行模式转换;缸内燃油蒸发冷却充气可以减小压缩行程放热损失,提高燃烧稳定性和EGR率,提高受爆震限制的压缩比;改用稀燃均质充气模式工作时系统无需修改。
(2)其控制系统比分层稀燃的更为简化,系统优化的灵活性更强。
(3)可与其他技术进行匹配,如增压,取消发动机怠速,采用直接启停、无级变速器(CVT)和混合动力技术。
(4)不需要稀燃NOx后处理系统,但可以使用三效催化器。与分层稀燃GDI发动机相比具有更低的NOx排放量,并能够在瞬态工况下降低NOx的排放量。综上所述,均质理论空燃比GDI发动机具有超低NOx排放的潜力,是GDI发动机的一个重要发展方向。
2.2.2 复合喷射的原理
复合喷射技术就是将发动机每次循环所需的燃油分为两部分进行喷射:一部分由进气道进入气缸,该燃油与空气形成均质稀混合气并分布在整个燃烧室中;另一部分由缸内喷嘴直接喷入气缸,该燃油会将火花塞附近的混合气适当加浓。
当点火区混合气浓度不能再增加但需要增大负荷时,可以增加均质混合气的浓度,直到均质化学计量比达到最大为止,这样不会出现混合气过浓区;当需要减小负荷时,可以减少均质喷油量,也可以减少分层喷油量,从而在负荷很低时保证不会出现混合气过稀区,以避免生成过多的HC。所以,在负荷由小到大直至满负荷时,都可避免出现过稀、过浓区,使排放得到改善。
利用复合喷射系统,通过对主、辅喷油时刻及喷油脉宽的精确控制,在气缸内可形成准均质分层理论空燃比混合气,以满足GDI在各工况下对混合气的要求。复合喷油方式中的两次喷油量的分配比例对发动机的经济性影响显著。辅助喷油量决定着燃烧室内大范围均质混合气的浓度,该浓度在组织方法上应注重雾化蒸发效果,以使均质程度尽量高。主、辅喷油共同决定着火花塞周围混合气的浓度,所以两次喷油量的控制要相当精确。
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