缸内直喷与分层燃烧技术详解.docx

缸内直喷与分层燃烧技术
王成润
（上海理工大学,上海市 200093）
摘 要：本文介绍了一种现代内燃机新技术，缸内直喷与分层燃烧。介绍了这种技术的实现原理与目前国内外发展与应用现状。由于其突破了传统内燃机对空燃比的严格要求，因此在保持发动机动力性的同时很好地兼顾到了节能减排的目的，缸内直喷与分层燃烧技术在未来会有很好地前景。
关键词：缸内直喷 分层燃烧 节能减排
中图分类号：TK419 文献标识码：A
Direct Injection (GDI) and Stratified Combustion
Wang Chengrun
（university of shanghai for science and technology, shanghai 200093,China）
Abstract : This article introduces a kind of new technology of modern engine, direct injection( GDI) and stratified combustion. This article introduces the principle of this technology and the development in the world. Because it breakthough the strict request of tradition engine, so it can keep the dynamic and at the same time cut emissions. This technology will have a good prospect.
Key words: gasoline direct injection ; stratified combustion ; energy conservation and emissions reduction
0引言
近些年来，随着人们生活水平的提高，社会汽车保有量也成倍增加，汽车走进寻常百姓家，在它为我们带来生活便利的同时，许多反面问题也日益凸显出来。首先，随着人们对环境保护和节约能源的关注日益增强，汽车作为能源消耗和城市排放污染的大户，它的这些问题如今得到越来越多的重视。其次，环境恶化也迫使各国政府不断制定出越来越严格的排放法规以减轻排放，改善环境。那么如何在保证不损失动力性的前提下提高燃油利用率，减少尾气排放便成为现代汽车企业普遍关注的问题。本文就现代内燃机节能减排新技术——缸内直喷与稀薄燃烧技术作简单的介绍与探讨。
1 缸内直喷
1.1传统内燃机燃油喷射形式
汽车发展一百多年来，其发动机技术也随着时代不断改进。由传统的化油器式到后来的单点电喷，逐步发展到多点电喷。这些油气混合形式的改变也在很大程度上改善了发动机的性能，提高燃油利用率。在缸内直喷技术出现之前，混合气都是在气缸外部形成的，有的是在节气门处——即化油器式和单点电喷，有的是在进气歧管中形成——亦即现在最普遍采用的多点电喷。在电子控制技术不断的演进之下，引擎控制系统得以透过绵密的感知器网路，随时监控引擎运作的状况，即时调整供油量，使得新鲜空气与燃料的比例，能保持在最佳的14.7:1之下，让所提供的燃油都能达成最佳的燃烧效果，自然亦能输出最大的动力。但这样的设定，亦代表着，燃油的使用有著一定的物理极限，将无法进一步降低。面对人口越来越多、石油越来越少的状况，歧管喷射系统遇到了瓶颈，即便电脑控制的精度越来越高、喷油嘴的雾化效果越来越好、甚至将每一汽缸的喷油独立。但种种更为精密的控制，仍无法满足新时代的要求。于是一种新的燃油喷射形式便出现了，这就是缸内直喷技术。
1.2 缸内直喷定义
缸内直喷式汽油机GDI（Gasoline Direct Injection）是指汽油直接喷射到气缸内使之燃烧具有高精度控制燃烧过程的发动机。当燃油直接喷入到气缸内，可以自由控制燃烧室内的燃油分布，并利用直立式进气道与弯曲顶面活塞形成的空气流动，使气缸内混合气分层分布。由此获得在传统发动机中不可达到的空燃比40:1，实现超稀薄混合气稳定燃烧。
1.3缸内直喷发动机构造
高压喷油系统可以说是直喷发动机最关键的系统，与以前油气在进气歧管内混合，然后被负压吸入发动机不同，直喷发动机是用高压喷油嘴将燃油喷入汽缸，由于汽缸内压力已经很大，因此需要喷油系统具备更大的压力。高压喷油系统主要可以分为发动机控制模块（ECM）、高压油轨、高压油泵和喷油嘴四部分，其中ECM主要采集发动机数据，按照预定程序控制喷油时机和喷油量，从而实现最高燃烧效率；而高压油泵则主要负责燃油的加压，高压油轨主要起均衡各喷油嘴喷射压力的作用，而最终的喷油任务则由喷油嘴来执行。此外，还有多个传感器提供燃油压力等信息，确保整个系统的高效率。高压油泵则是燃油加压的关键环节，在低压油泵将燃油送到高压油泵之后，高压油泵可以将汽油加压到十余兆帕的压力（这是普通汽油泵压力的三四十倍），并将其送入油轨。高压油泵通常是由凸轮轴带动，内部则有双头或者三头凸轮加压（如福特ECOBOOST系列发动机的“9号凸轮”）。在高压油泵上还集成了电子油轨压力调节器（FRP），它是一个由ECM控制的电磁阀，ECM以脉冲宽度调制的方式控制油压调节器，油压调节器控制着高压燃油泵的进口阀，从而控制燃油压力，当驱动线路失效时，高压油泵进入低压模式，发动机仍可应急运行。经过油泵加压之后，汽油进入高压油轨，在高压油轨稳定压力后，由于油轨和燃烧室之间存在压力差，高压油泵动作之后汽油即喷入汽缸内。喷嘴内部还有电磁阀，可以实现对喷油量和时机的控制。[1]
1.4缸内直喷发动机控制方式
按照可燃混合气形成的控制方式，缸内直喷方式又可分为油束控制燃烧、壁面控制燃烧和气流控制燃烧三类。1）在油束控制燃烧系统中，燃油喷射器安置在燃烧室中央，火花塞安置在喷油器附近，油束控制对空气的利用率依靠油束的贯穿深度保证，而后者则受喷油器的喷油压力控制。这种方式可以在低负荷的分层燃烧实现良好的燃油经济性，而当发动机处于中高负荷工况时，ECM调节高压油泵压力，使油束贯穿深度增大，从而实现均质加浓燃烧。2）在壁面控制燃烧系统中，喷油器和火花塞相隔较远，喷油器把燃油喷入活塞凹坑中，然后依靠进气流的惯性将油气混合送往火花塞。为了避免喷油器的温度过高，一般安置在进气门侧，活塞凹坑开口对向进气门侧，油气混合后直接流向火花塞。这种类型形成混合气的时间较长，易于形成较大区域的可燃混合气。3）在气流控制燃烧系统中，利用轮廓特殊的活塞表面形状形成的缸内气流和油束相互作用。此种系统不是把油雾朝活塞的凹坑喷射，而是朝火花塞喷，特殊形状的进气道与喷油器呈一定的夹角，给混合气在汽缸内一定的回旋力，汽缸内形成的气流使油气不是直接喷向火花塞，而是在汽缸内形成涡流围绕火花塞旋转。这样就使大部分工况都能实行恰当的混合气充量。[2]
2 分层燃烧
2.1 分层燃烧定义
分层燃烧，这是一种超脱常规活塞式发动机的燃烧作功状态，是活塞式发动机的理想燃烧境界。分层燃烧有许多种形式，在比较接近常规的活塞式发动机中是指：在火花塞点火的那部分区域是一团较浓的混合气，而其它周边区域则是较稀的混合气或是纯粹空气，以此来实现电火花的可靠点燃和时间控制。这种燃烧状态的混合气浓度内外层次不一样，因此叫分层燃烧。[3]目前国外各大汽车公司都有自己的稀燃技术，其共同点都是利用缸内涡流运动，使聚集在火花塞附近的混合气最浓，先被点燃后迅速向外层推进燃烧，并有较高的压缩比。
2.2 分层燃烧的实现方式
正是有了本文上半部分提到的缸内直喷技术，分层燃烧才能得以实现，分层燃烧主要是通过控制混合气的浓度分布来实现的，其在火花塞附近混合气比较浓，空燃比约 为12～13，保证可靠的点火，在其余大部分区域混合气较稀，空燃比在20以上。目前分层燃烧的实现方式主要有两种，一种是利用气流运动（主要是涡流）使混合气浓度分布不同，实现分层燃烧。另外一种是采用燃油喷射器二次喷射，从而实现燃油浓度的分层。第一种一般是采用立式吸气口方式，从气缸盖的上方吸气的独特方式产生强大的下沉气流。这种下沉气流在弯曲顶面活塞附近得到加强并在气缸内形成纵向涡旋转流。在高压旋转喷注器的作用下，压缩过程后期被直接喷注进气缸内的燃料形成浓密的喷雾，喷雾在弯曲顶面活塞的顶面空间中不是扩散而是气化。这种混和气被纵向涡旋转流带到火花塞附近，在火花塞四周形成较浓的层状混和状态。这种混合状态虽从燃烧室整体来看十分稀薄，但由于呈现从浓厚到稀薄的层状分布，因此能保证点火并实现稳定燃烧。但是这种分层方式需要设计较好的活塞顶面，从而引导气流运动。因此这种方式较少使用。另外一种分层燃烧的实现方式是采用燃油喷射器二次喷施的技术，进气冲程中随着活塞下行，燃油喷射器第一次喷射出少量燃油，使燃油随着活塞的运动在汽缸中形成均匀的稀混合气。在压缩冲程中当活塞快上行至上止点时，燃油喷射器第二次喷油，这时使火花塞附近形成较浓混合气，此时火花塞跳火点燃其附近的浓混合气，火面逐步向外扩散点燃稀混合气，从而实现分层燃烧。
2.3 分层燃烧的优缺点
分层燃烧在一些车型上应经得到应用，这种燃烧方式有许多优点。首先，能使有效的燃油发挥出最大的效率，使汽油机燃烧室内的燃烧更加完全，不但大大地降低了汽油机的燃油消耗率，也大大地改善了汽油机的尾气排放。其次，取消节流降低了泵气损失，燃油蒸发引起了缸内温度的降低，提高了汽油机可工作的压缩比；并且燃油在进气行程中对进气的冷却，提高了充气效率等。这些优点可以使发动机的燃油经济性提高25%左右。
当然，分层燃烧技术还存在一些不足。首先，成本高。由于稀薄燃烧系统的结构较为复杂，对喷油系统的要求也相当严格，使喷油系统的结构也较为复杂，由此使制造成本明显增加。其次，NOX排放量增加。我们知道在高温富氧环境下NOX排放量会增加，虽然利用分层燃烧可以较传统均质燃烧模式气缸内温度更低，但是由于空燃比相当高，燃烧室内氧气含量增多，从而使NOX的生成增加。另外由于排放温度较低，这就使得三元催化器的转换效率下降，不利于NOX的转化。还有一点是理想的分层燃烧很难实现，分层燃烧火焰从浓区传播到稀区时往往容易熄灭，形成大量未燃碳氢，同时由于缸内温度偏低，不利于未燃碳氢在燃烧后期的继续氧化。
3 缸内直喷和分层燃烧技术国内外发展现状
3.1奥迪TFSI发动机
提到缸内直喷发动机，我们就不得不想到大名鼎鼎的大众TFSI（Turbo-charging Fuel Stratified Injection）发动机，这款发动机采用涡轮增压+缸内直喷+分层燃烧技术，实现了降低油耗，提高动力性的要求。这款发动机主要应用于奥迪车上，但实际上引入国内的奥迪只保留了缸内直喷和涡轮增压并未采用分层燃烧技术。因为本文中提到由于分层燃烧会使NOX的生成增加，所以必须引入一套NOX的转化器，这就要求燃油中S的含量较低，但由于目前我国燃油中S含量较高的问题，这一技术暂未得到使用。
3.2 其它缸内直喷分层燃烧发动机
除了大众以外，国外许多汽车厂商也都有自己的缸内直喷分层燃烧发动机，例如本田的2.0L i-VTEC发动机，实现空燃比最高达到65:1，形成超稀薄燃烧。三菱汽车的GDI发动机空燃比也达到40:1的较高水平。我们国内自主品牌比亚迪最近也推出了一款配备于最新车型速锐的1.5TI发动机，这款发动机采用缸内直喷+分层燃烧+涡轮增压技术，可以看到我们自主品牌的也在不断进步 。
4 结语
尽管现阶段由于各种因素分层燃烧技术在国内不能得到广泛应用，但我们相信随着电控技术的提高，国内油品质量的提升以及三元催化装置转化效率的增快，缸内直喷分层燃烧发动机会有非常好的前景。它的应用实现了发动机在兼顾动力性的同时又达到节能减排的目的，适应目前国内外倡导的高效低耗的趋势。
参考文献
[1] 高 剑,蒋德明,黄佐华等. 缸内直喷(GDI)汽油机燃油喷雾和分层燃烧的数值研究[J].内燃机学报, 2005,第23卷第4期,298-298.
[2] 周　华，张晓辉，韩玉环. 汽油机缸内直喷稀薄燃烧技术（GDI）[J]. 客车技术与研究,2007,第4期，28-30.
[3] 刘　鑫. 汽油机缸内直喷(GDI)稀薄燃烧技[J]. 交通科技与经济,2011,第1期，99-100.