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同学们好

这节课我们学习

汽油机燃油缸内喷射与混合气形成

缸内直喷汽油机

也就是GDI汽油机它的燃料

是直接喷入燃烧室

从喷油到点火是

混合气形成的时间

显然

其混合气形成的时间

要少于进气道喷射汽油机

由于GDI发动机的喷油时刻

可以灵活控制

既可以在进气冲程早喷

形成相对均匀的混合气

如图a所示

也可以在压缩冲程晚喷

形成分层的混合气

如图b所示

GDI发动机的燃油喷射压力

一般为40～200bar

远高于进气道喷射汽油机

其喷雾索特平均粒径

约为10～30μm

也远小于进气道喷射喷雾的

索特平均直径

GDI发动机有旋流式

多孔式以及外开式

三种不同形式的喷嘴

它们的喷雾形态如图所示

旋流喷嘴喷射时

燃油在喷孔内

被引导作旋流运动

由于离心力和喷射双重作用

燃油喷雾呈现中空圆锥形

极薄液膜的特殊形状

如图a所示

并伴有旋转运动

也称螺旋伞喷

这种喷雾形态的喷雾贯穿距离

与背压关系不大

比常规的多孔喷雾

具有更快的扩散混合速度

很好地弥补了GDI发动机混合气

形成时间短于进气道喷射汽油机的

不利因素

但随着背压增加

也就是空气密度升高

喷雾锥角会明显减小

造成伞状喷雾收缩

以及混合速度变慢

容易形成较高的

局部混合气浓度

因此旋流喷嘴适合于

形成分层混合气

多孔喷嘴

如图b所示

各个喷束在贯穿距离内

是彼此分开的

油束方向由喷嘴设计决定

喷雾散开角度不受背压影响

贯穿距离随背压增大而略微变小

多孔喷嘴主要不足是

喷孔容易结焦堵塞

为了获得好的喷雾质量

需要比旋流喷嘴更高的喷射压力

外开式喷嘴的喷雾锥角可以很大

如图c所示

其喷雾锥角几乎与背压无关

而喷雾贯穿距离受背压的影响很大

在喷雾锥的外缘形成环状回流区

有利于混合气形成

并具有好的重复性

外开式喷嘴最大的优点是

喷孔自洁性好

不容易结焦堵塞

但燃油喷雾质量不及旋流式

和孔式喷嘴

缸内直喷汽油机依据混合气浓度

可以分为两大类

一类是分层稀燃缸内直喷汽油机

另一类是均质化学计量比

缸内直喷汽油机

两者的燃油喷射控制策略

与混合气形成有较大差异

下面分别进行介绍

首先介绍分层稀燃缸内直喷汽油机的

燃油喷射与混合气形成

在分层稀燃模式中

混合气可以用多种方式

从燃油喷雾区输送到火花塞附近

燃油在此过程中要充分气化

并适当与空气混合

因此要保证一定的输送距离

和混合时间

以避免未气化的燃油液滴浸湿火花塞

以保证着火时

在火花塞周围形成合适的混合气

混合气控制方式的主要影响因素是

火花塞位置

燃烧室形状

以及缸内气流运动

根据这些影响因素

缸内直喷汽油机稀燃混合气形成模式

可以分为喷雾引导

壁面引导和空气引导三大类

如图所示

(1) 喷雾引导

喷雾引导一般将喷油器中置

火花塞紧靠喷油器

主要依靠喷雾将燃料输送到

火花塞附近形成可燃混合气

分层混合气主要取决于燃料喷雾特性

对缸内空气运动要求不高

可燃混合气团被空气

或空气/废气包围

以获得低的传热损失

点火的最佳位置是

喷雾锥外层很薄的区域

为了提高雾化质量

以避免燃油润湿火花塞

导致的火花塞过热产生积炭污染

通常采用高压

一般是200bar左右孔式喷油器

在大负荷时

采用中心布置喷油器

和紧凑性燃烧室可以获得良好的

均质混合气并减少湿壁

相比于其他直喷系统混合气形成方式

喷雾引导系统对喷油器的喷雾质量

提出了很高的要求

当然

喷雾引导模式对降低排放

和油耗的潜力也是最好的

代表了未来的发展方向

(2) 壁面引导

壁面引导一般采用火花塞中置

喷油器侧置离火花塞保持一定距离

依靠燃烧室壁面将燃油输送到

火花塞附近形成可燃混合气

一般通过一个特殊设计的活塞凹坑

来输送混合气到火花塞附近

然而

在发动机运行中仅靠活塞凹坑

形状难以达到满意的混合气输送效果

因此

还需要特殊设计气流运动

来支持合理的混合气形成

气流运动带走壁面油膜处的浓混合气

使之输送到火花塞附近

为了避免喷雾碰壁油膜效应

导致的高HC排放

尤其在冷启动工况

需要对燃油喷雾

活塞形状和气流运动三者

进行合理匹配和优化

(3) 空气引导

空气引导一般火花塞中置

喷油器侧置平喷

或朝火花塞方向喷油

主要依靠气流运动将燃油

输送到火花塞附近形成

可燃混合气

由于避免了壁面油膜

这种系统在降低HC排放方面

有很大的潜力

但在低速时气流运动太弱

不足以输送混合气到火花塞附近

因此

可以通过节流来提高气流运动强度

但这样会增加泵气损失

当然

已有的GDI发动机混合气形成方式

并非都能很清晰地

列入上述三个主要形式

目前通过组合各种喷雾形态

结合不同的气流运动形式

比如涡流 滚流 逆滚流等等

出现了一些不完全一样的

缸内直喷燃烧系统

接下来

我们介绍日本三菱汽车公司

一款典型的GDI发动机

三菱汽车公司于1996年

在世界上最先推出了

商品化的GDI发动机

其结构和主要设计参数如图所示

与传统的进气道喷射4G93汽油机相比

采用了很有特色的立式进气道

以保证高的滚流和充量系数

为提高喷油雾化质量

采用了旋流式喷嘴

喷射压力为50bar左右

燃烧室形状为单坡屋顶型

以及曲面活塞凹坑

混合气形成方式

属于壁面和空气引导相结合的类型

通过滚流 伞状喷雾

以及燃烧室形状的合理配合

引导燃油向火花塞方向运动

最终在火花塞周围形成

适合点燃的偏浓混合气

三菱公司的GDI发动机

相对于同系列的进气道喷射汽油机

性能改善效果如图所示

可以在空燃比为40以上的

稀燃条件下稳定工作

它的转矩波动很小

中小负荷时的油耗比化学计量比工作的

进气道汽油机节油35%

见图a所示

同时

在空燃比40的稀燃条件下

NOx可降低60%以上

如果同时采用30%的EGR

NOx将降低90%左右

如果再采用还原吸附型NOx催化剂

则NOx可降低97%

如图b所示

由于采用稀燃方式

并能保证燃烧稳定性

怠速时的稳定工作转速

可由750r/min降低到600r/min

怠速节油40%

见图所示c

事实上

分层混合气模式

一般只在GDI发动机

中小负荷区域运行

此时节气门全开

燃油在压缩冲程晚期喷入缸内

通过控制喷油量改变空燃比

来控制发动机的负荷

属于质调节方式

而在中高负荷区域

需要由分层模式

切换到均质混合气模式

此时燃油在进气冲程早期喷入缸内

形成均质混合气

保持混合气浓度不变

通过节气门控制进气充量

或者是混合气量来控制发动机的负荷

属于量调节方式

图给出了三菱GDI发动机

两种混合气模式的工作区域

以及模式切换过程中发动机转矩

节气门位置和空燃比的变化情况

这幅图给出了三菱GDI发动机

与常规进气道喷射汽油机

在不同负荷条件下的节油效果对比

显然

GDI发动机在部分负荷分层稀燃工况下

展示出了明显的节油效果

这主要得益于稀燃

可以大幅度提高循环热效率

质调节

也就是节气门全开

可以大幅度降低泵气损失

以及汽油缸内直喷蒸发吸热

减轻了爆燃倾向从而增加压缩比

提高了循环效率

这三方面的因素使得GDI发动机

部分负荷节油效果显著

怠速节油甚至可达40%

但是

当GDI发动机处于

均质混合气化学计量比附近运行时

其节油效果只有5%左右

因为此时稀燃和节气门全开

带来的益处没有了

只有燃油直接喷到缸里

减少爆震倾向

提高压缩比带来的节油好处

尽管GDI发动机具有突出的节能优势

但是为了在稀燃工况下

降低NOx满足严格排放法规限值

需要采用稀燃吸附还原催化剂

该后处理技术要求燃料中的

硫含量非常低

此外还需要采用缸内后喷

富油燃烧产生还原氛围去除NOx

此时GDI发动机的节油效果打折扣

稀燃NOx后处理成本也居高不下

鉴于分层混合气稀薄燃烧方式

难以解决NOx排放问题

2000年以后采用化学计量比

以及均质混合气工作模式的

GDI发动机

逐渐成为GDI发动机产品化的主流

均质当量比GDI发动机

通过进气冲程缸内早喷燃料

形成均质混合气后火花点火

保持各种工况都在

化学计量比附近条件下工作

可以利用现有高效低成本的

三效催化剂

可以满足严格排放法规限值要求

由于燃油直喷雾化吸热

使得缸内温度降低

充量系数提高2%～3%

爆燃倾向的降低

可以使压缩比提高1～2个单位值

从而可获得5%左右燃油经济性改善

均质化学计量比GDI发动机

最主要的好处是

避开了稀燃NOx催化剂

和全工况混合气模式切换控制等难题

产品综合成本合理

从而提高了产业化的可行性

均质化学计量比GDI燃烧系统

一般采用双直进气道

喷油器布置在进气侧的进气道下方

火花塞布置在燃烧室中心顶部

活塞顶部设计为平顶或带浅凹坑形

见图a所示

这种燃烧系统布置形式

有利于发动机缸盖整体设计

喷嘴温度较低

同时可以避免缸内喷射

对火花塞的润湿

均质化学计量比GDI燃烧系统

也可采用喷油器中置的方案

如图b所示

这种方案的好处是

燃油喷雾不易与进气门

和气缸壁碰撞

对喷射时刻限制小

稀释润滑油的机会也相对较小

尤其适合于喷雾引导的燃烧系统

但由于喷油器和火花塞

同时布置于气缸顶部

空间狭小

气缸盖设计复杂程度提高

同时

由于喷嘴工作温度较高

导致容易结焦积炭

影响工作的可靠性

汽油机缸内直喷混合气形成过程

与喷油时刻

喷雾形态

气流运动和燃烧室形状相关

下面详细解析均质化学计量比

GDI发动机的混合气形成过程

及其控制策略

如图所示

燃油在进气行程上止点后

80°CA附近进行缸内喷射

过早的喷射容易撞击活塞表面

而过晚的喷射又

不利于油气充分混合

燃油持续期视不同的工况

和喷射压力而定

油束喷射后受到周围气流作用

而不断雾化混合

由于GDI喷嘴通常

采用较高的喷射压力

油束出口速度大

贯穿能力强

有利于燃油雾化

但其大的喷雾贯穿距

也容易发生液滴撞击气缸壁面

或活塞顶面

造成对缸壁的机油稀释

或者HC排放增加

因此在燃烧系统设计时

通常保证在缸内形成较强的

滚流避免喷雾碰壁

进气门开启期间缸内形成滚流

绕顺时针方向旋转

而燃油从进气侧与缸壁成一定角度

大约45°喷出

在滚流的作用下

油束被卷向进气侧气缸内壁

从而防止燃油直接撞击气缸壁面

造成润滑油稀释

同时

在滚流作用下促使燃油

更大范围地在缸内散布

加快气化以及与空气混合速度

到进气下止点时

缸内混合气浓度呈现

近气侧和活塞顶较浓

排气侧和燃烧室顶较稀的分布

进气门关闭后

活塞上行压缩

燃油与空气仍在滚流的作用下

在缸内顺时针方向旋转

并不断趋于宏观均匀

随着活塞继续压缩

缸内滚流被压扁 破碎

最终形成湍流

促进了燃油与空气的微观混合

在点火时刻前

缸内形成了基本均匀的

化学计量比混合气

通用公司2008年推出的

GDI发动机采用

均质化学计量比燃烧模式

其燃烧系统中喷油器在进气侧布置

火花塞是中心布置

如图所示

该GDI发动机采用了高压多孔喷嘴

并对喷孔数目

喷射方向以及活塞顶形状

进行了优化设计

从混合气形成

爆燃容忍度

充量系数

以及防止碰壁稀释润滑油等方面

改善了发动机的性能

并且配合对进气系统的优化

采用了11.3的高压缩比

最终实现了比传统进气道喷射汽油机

全负荷的功率提高了15％

燃油经济性改善了8%左右

关于汽油机缸内喷射

与混合气形成就介绍到这里

同学们 再见