当前课程知识点：汽车发动机原理 > 第八章：汽油机的混合气形成与燃烧过程 > 8.7 汽油机缸内直喷与混合气形成 > Video
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
-0.1 总论
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-0.2 车用发动机的种类
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-1.1 示功图及其测取
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-1.2 四冲程发动机示功图分析
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-1.3 二冲程发动机示功图分析
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-1.4 性能指标分类与循环指示功
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-1.5 动力、经济性能指标与测定换算
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-1.6 影响动力、经济性能指标的环节和因素
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-第一章习题(计入课程成绩)--作业
-2.0 导论
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-2.1 燃料的分类
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-2.2 汽油、柴油的炼制
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-2.3 汽油的理化特性
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-2.4 柴油的理化特性
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-2.5 燃料构成与理化特性
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-2.6 汽油、柴油质量标准
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-2.7 燃料与发动机工作模式
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-2.8 工质主要热力参数
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-2.9 燃烧热化学
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-第二章习题(计入课程成绩)--作业
-3.0 导论
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-3.1 热力过程与热机循环的简化
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-3.2 理论循环分类及循环热效率
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-3.3 理论循环热力参数对热效率的影响
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-3.4 工质对循环热效率的影响
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-3.5 真实循环对热效率的影响
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-3.6 机械损失的构成
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-3.7 机械损失的测量方法
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-3.8 机械效率的影响因素
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-3.9 发动机的能量分配与转化效率
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-3.10 发动机的节能途径与技术
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-第三章：工作循环与能量利用--第三章习题(计入课程成绩)
-4.0 导论
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-4.1 四冲程发动机换气系统及换气过程
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-4.2 配气相位对发动机性能的影响
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-4.3 充量系数的解析式
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-4.4 进气阻力对充量系数的影响
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-4.5 其他因素对充量系数的影响
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-4.6 充量系数的速度特性
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-4.7 压力波及其传播特性
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-4.8 单缸机的进排气动态效应
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-4.9 多缸机的进排气动态效应与进气不均匀性
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-4.10 四冲程发动机增压系统及性能
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-4.11 二冲程发动机的换气过程与换气质量
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-第四章习题(计入课程成绩)--作业
-5.0 导论
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-5.1 发动机运行工况
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-5.2 发动机特性曲线分类
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-5.3 发动机速度特性
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-5.4 发动机负荷特性
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-5.5 发动机全特性
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-5.6 发动机外特性与整车动力性
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-5.7 发动机全特性与整车经济性
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-5.8 混合动力专用发动机及其运行特性
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-第五章习题(计入课程成绩)--作业
-期中考试（只有一次答题机会！）--期中测试题（占30%总分）
-6.0 导论
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-6.1 燃烧现象及其分类
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-6.2 可燃混合气的着火与着火理论
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-6.3 湍流及其在燃烧中的作用
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-6.4 均质混合气中的火焰传播
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-6.5 液体燃料的雾化
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-6.6 油滴的蒸发与燃烧
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-6.7 示功图与燃烧放热率
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-第六章习题(计入课程成绩)--作业
-7.1 柴油机燃烧过程分析
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-7.2 柴油机燃烧放热规律
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-7.3 柴油机燃油喷射系统
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-7.4 柴油机喷油过程
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-7.5 柴油机缸内气流运动
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-7.6 柴油机燃烧室的分类及其特性
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-7.7 柴油机混合气形成方式
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-7.8 柴油机粗暴燃烧与燃烧噪声
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-第七章习题(计入课程成绩)--作业
-8.1 汽油机燃烧过程分析
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-8.2 汽油机的不正常燃烧：爆燃和表面点火
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-8.3 汽油机的不规则燃烧：循环波动和各缸不均匀性
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-8.4 汽油机燃油喷射系统及其演变
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-8.5 非直喷汽油机燃烧室及其特性
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-8.6 汽油机进气道喷射与混合气形成
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-8.7 汽油机缸内直喷与混合气形成
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-第八章习题(计入课程成绩)--作业
-9.1 有害排放物种类及其危害
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-9.2.1 NO的生成机理
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-9.2.2 CO和HC的生成机理
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-9.2.3 PM和Soot的生成机理
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-9.3 有害排放物生成的影响因素
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-9.4 汽油机机内净化技术
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-9.5 柴油机机内净化技术
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-9.6 汽油机后处理技术
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-9.7 柴油机后处理技术
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-第九章习题(计入课程成绩)--作业
-10.1 燃烧模式及其分类
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-10.2 汽油机均质混合气压燃（HCCI）模式
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-10.3 柴油机均质混合气压燃（HCCI）模式
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-10.4 内燃机部分预混压燃（PCCI）模式
--Video
-10.5 均质混合气引燃（HCII）模式
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-10.6 天然气发动机
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-10.7 氢燃料发动机
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-10.8 二甲醚发动机
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-10.9 甲醇发动机
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-10.10 乙醇发动机
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-10.11 生物柴油发动机
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-第十章习题(计入课程成绩)--作业
-期末考试--期末测试题（占30%总分）
