直喷汽油机

直喷汽油机（通用7篇）

直喷汽油机 篇1

汽油机缸内直喷技术是我国汽油机在燃烧理论及相关结构中划时代的变革, 它可以实现汽车低油耗、低污染的设想, 是目前被广泛认可的领先技术。现阶段, 汽油机缸内直喷技术已经被人们广泛认可, 同时还覆盖绝大多数的车型, 尤其是燃料电池等新型动力更是被普遍应用, 随着科技水平的不断发展, 缸内直喷技术也将会越来越成熟, 因此需要对其进行深入研究。

1 汽油机缸内直喷技术的发展过程和应用现状

汽油机缸内直喷技术出现在20 世纪20 年代, 那一时期主要被应用在军事领域中, 这项技术发展到20 世纪50 年代后才真正得以实现。只是由于燃油价格的降低, 再加上电控技术受到阻碍, 影响了汽油机缸内直喷技术的发展。到20 世纪70 年代, 福特公司开发出一种新系统, 这项系统主要采用分层燃烧技术来完成, 最终因电控技术不够完善以及成本较高, 这项系统也没能得到发展。

自20 世纪90 年代开始, 由于各个国家开始注重环境保护, 严格控制能源的消耗, 各汽车企业开始进一步开发汽油机缸内直喷技术。其中, 三菱公司在1996 年开发出具有汽油机缸内直喷技术的自然吸气式发动机, 并将其安装在轿车内, 这款发动机具有动力强、油耗少的特点。1998 年丰田公司推出D4 直喷系统, 这个系统可以直接应用在SZ与ZN系列的发动机上, 到2005 年后还可以应用在3GRFSE的发动机上, 随后丰田公司又开发出了D4-S直喷技术, 这个技术可以应用到2GR-FSN发动机上, 该系统可以实现燃烧控制等要求。2006 年奔驰公司推出直喷技术CGI, 同时在2010 年又推出一款新的汽油机缸内直喷技术Blue Direct, 这项技术可以提高燃烧效率和排放水平。随着科技水平的不断提高, 各种汽车公司也开始相继推出自己的汽油机缸内直喷技术。

2 汽油机缸内直喷技术的工作过程

对于直喷发动机来说, 高压喷油系统是其最为重要的系统, 它与之前的吸入发动机不同, 直喷发动机是在高压喷油嘴的作用下把燃油喷入到气缸内, 因为气缸中本身就具有较大的压力, 所以喷油系统一定要具备更大的压力才可以。

在直喷发动机中, ECM是所有先进内燃机的重要组成部分, 这一部分包含很多环节, 只要缺少其中一个环节, 都没有办法实现量产装车。当前ECM这项技术已经成为国外企业的专利, 并且已经非常成熟。而高压油泵是燃油加压的重要环节, 低压油泵把燃油运送到高压油泵后, 高压油泵可以加大汽油的压力, 然后再将其送到油轨中。通常情况下, 高压油泵都是由凸轮轴带动起来的, 在凸轮轴的内侧有双头或者三头凸轮进行加压。

油泵加压后, 汽油会进入高压轨中, 待高压油轨稳定后, 因油轨与燃烧内之间有一定的压力差, 所以高压油泵在动作后才能喷入到气缸内。另外, 在喷嘴内还有一电磁阀, 这个电磁阀可以很好地控制喷油量, 它在控制过程中对精度有很高的要求, 再加上工作环境的不断变化, 在控制时对它的可靠性要求也相继提高。

除了发动机的喷油系统外, 其他零部件也需要为汽油缸直喷技术做出相应的设计, 这样才能提高发动机的效率, 特别是活塞顶部的设计尤为重要。按照可燃混合气所形成的控制方式, 汽油机缸内直喷技术可以分为油束控制燃烧、壁面控制燃烧和气流控制燃烧三种。其中, 在油束燃烧控制系统中, 要把喷油器安装到燃烧室的中心位置, 并把火花塞安放到喷油器附近, 这种安放模式可以达到良好的燃油经济性, 一旦发动机处在高负荷状态时, ECM可以调节高压油泵的压力, 从而增加油束的融入深度, 使其达到均质加浓燃烧的目的。在壁面控制燃烧系统中, 由于喷油器和火花塞的距离相隔较远, 喷油器将燃油喷入到活塞中后, 就可以根据惯性把油气混合运送到火花塞中。为了降低喷油器的温度, 应该将其安放到进气门侧, 这种类型的混合气比较容易形成较大面积的可燃混合气。

3 颗粒物形成的因素

颗粒物的排放过程极其复杂, 它主要由碳烟、可溶性有机物、硫酸盐和添加剂组成。对于汽车发动机来说, 其颗粒物排放主要是空气-燃油混合不均匀, 从而造成燃烧不完全, 在高温的状态下氧化而形成。

通常情况下, 发动机在燃烧时所形成的颗粒物大体可以分为三种模式, 分别是核泰模式、聚集模式和粗模式。除此之外, 颗粒物还分为两个评价指标, 分别是PM和PN。在EUROV排放法规中, 柴油机和汽油机都是既限制了PM的生成量, 又限制了PN的生成量。以往的进气道喷射汽油机因具有良好的油气混合, 因此所排放的颗粒较少, 但是目前直喷汽油机因燃油喷入缸内, 从而在燃烧时产生了较多的颗粒物。在电喷控制中, 燃油多次喷射控制策略来减少直喷汽油机颗粒物的排放。经过多次的试验可以了解到, 运用两次喷射或者更多次的喷射策略, 可以很好地减少直喷汽油机颗粒物的排放, 并且还可以有效降低发动机暖机过程中的PM值, 主要原因还是采用多次喷射策略, 在保证喷油量稳定的同时, 减少了喷油持续期。

4 结语

在以上的分析中我们了解到, 为了满足当前我国排放法规的要求, 就必须要提高GDI汽油机燃油的经济性, 并减少GDI汽油机的排放量, 这也将是未来内燃机研究工作的方向。虽然现阶段GDI汽油机仍面临许多难度, 但是随着科学技术的提高、研究工作的深入、控制手段的完善以及排气后技术的进步, GDI汽油机的燃油经济性、排放特点和其他环节都将会得到相应提升。总之, 新能源汽车在还没有完全普及前, 汽车机缸内直喷技术必将是未来的发展主流, 同时也将成为车用动力的主导产品。

摘要：近几年, 由于我国能源与环境问题越来越严重, 导致汽车在节能减排上受到了各种法律法规的限制。因此, 世界各地为了解决这一现状, 纷纷开发了许多新技术, 其中汽油机缸内直喷技术就可以很好地解决这些问题。本文将重点介绍汽油机缸内直喷技术, 因为这套领先技术是当前最炙手可热的技术, 相信在未来技术的发展进程中, 它的应用前景会更加广阔。

关键词：汽油机,缸内直喷,技术

参考文献

[1]冯渊, 居钰生, 范圣耀.汽油机缸内直喷技术发展的分析与研究[J].小型内燃机与摩托车, 2010, 39 (5) :92-95.

[2]张中杰.汽油机缸内直喷技术及其应用前景[J].北京汽车, 2013:37-41.

[3]柯志鹏.汽油机缸内直喷的特点及应用分析[J].科技传播, 2014 (上) :103.

汽油机缸内直喷技术探析及应用 篇2

1 高压喷油系统

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。

2 高压油泵

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。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, 其控制精度要求很高, 同时由于喷嘴的位置从进气歧管移到了汽缸内, 工作环境和温度都发生了很大变化, 对其可靠性的要求也大大提高。

除开喷油系统之外, 其他发动机部件也要为直喷做出相应的设计, 才能确保发动机的高效, 尤其是活塞顶部的设计非常关键。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。

在油束控制燃烧系统中, 喷油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。

由于直喷发动机的工作温度更高, 因此对缸体强度和冷却系的要求也更高一些。在保证强度的前提下, 更多的新型直喷发动机采用了散热更好的铝合金缸体, 同时还采用了强化的冷却系统, 保证发动机更高的热效率。

3 缸内直喷技术的优势

供油系统采用缸内直喷设计的最大优势, 就在于燃油是以极高压力直接注入于燃烧室中, 因此除了喷油嘴的构造和位置都异于传统供油系统, 在油气的雾化和混合效率上也更为优异。加上近来车上各项电子系统的控制技术大幅进步, 计算机对于进气量与喷油时机的判读与控制也愈加精准, 因此在搭配上缸内直喷技术以使得发动机的燃烧效率大幅提升下, 除了发动机得以产生更大动力, 对于环保和节能也都有正面的帮助。

还有, 缸内直喷科技也并非无所不能, 因为从经济层面来看, 采用缸内直喷的供油系统除了在研发过程必须花费更大成本, 在部品构成复杂且精密的情况下, 零组件的价格也比起传统供油系统来得昂贵, 采用缸内直喷的发动机除了材质上的讲究, 就连活塞、燃烧室也都经过特别设计。因此这些也都是未来缸内直喷发动机尚待克服的要素。

4 缸内直喷技术的应用

近几年, 环境污染问题日趋显著, 能源危机愈趋严重, 因此, 如何降低发动机的排放以及如何提高燃油经济性已经成为现在内燃机工作者亟待解决的问题。现在, 很多汽车所采用的汽油机都是进气道多点喷射型的, 因为在进气道的地方, 在混合气形成的过程中, 汽油不能实现雾化的完全性, 因此造成混合气的质量不好, 使得发动机无法充分燃烧, 而且造成冷起动排放的现象, 同时燃油的经济性欠佳。汽油缸内直接进行喷射 (GDI) 以及进气道喷射 (PFI) 是两种截然不同的方式, 把汽油直接喷射到气缸中, 采取一定的控制手段, 可实现发动机的燃油经济性的大大提升, 同时动力性能大大提升, 并且会产生明显的经济效益和社会效益, 应用前景及其广阔。从目前状况来看, 三菱, 丰田, 福特, 奔驰, AVL, FEV等许多国外汽车公司以及研究机构都开发了比较成熟的GDI机型以及相应的产品。

摘要：在经历了化油器、单点电喷、多点电喷技术阶段之后, 油气混合技术终于进入了直喷时代, 越来越多的车型开始采用直喷发动机。本文从缸内直喷技术中的关键技术谈起, 对其进行了一定的探析, 进而对缸内直喷技术的优势以及应用进行了相应的分析。

关键词：缸内直喷技术,高压喷油系统,高压油泵

参考文献

[1]蒋坚, 高希彦.直喷式汽油机的开发[J].内燃机工程, 2004.1.[1]蒋坚, 高希彦.直喷式汽油机的开发[J].内燃机工程, 2004.1.

[2]蒋坚, 高希彦.汽油缸内直喷式技术的研究与应用[J].内燃机工程.2003.5.[2]蒋坚, 高希彦.汽油缸内直喷式技术的研究与应用[J].内燃机工程.2003.5.

[3]武和全, 姜水生, 高国珍.汽油机缸内直喷的研究现状与发展[J].江西能源.2005.3.[3]武和全, 姜水生, 高国珍.汽油机缸内直喷的研究现状与发展[J].江西能源.2005.3.

直喷汽油机 篇3

关键词：缸内直喷,应用现状,预燃,超级爆震

0前言

近年来,随着能源与环境问题的日益严峻,各国在汽车节能减排方面都制定了严格的限制性法律法规,给各大车企带来了强大的压力。例如针对2015年的CO2排放标准,中国的限值为161g/km,相当于7L/km的油耗,美国和日本为155g/km,而欧盟则低至130 g/km。要满足这些法律法规的要求,各车企在对传统内燃机的结构进行优化,加强尾热利用,发展新型循环内燃机等方面加大研发投入的同时,大力发展电动汽车、燃料电池汽车等新型能源汽车。但是这些新技术都存在各种各样的问题,不能全面投入应用。例如传统发动机的尾热利用,新型循环发动机、燃料电池都存在关键技术未能突破,不能普及,电动汽车技术相对成熟,但是电池的续航里程短,寿命不长,回收困难,而且需要充电,在传统热电占主导地位的今天,也不能从根本上做到节能减排,存在许多争议,同样不能普及。因此目前能够普及的、真正能够应用的,还是对传统内燃机进行结构改造,增压直喷以高升功率、低油耗、低排放、低质量的优势得以大量应用

1 增压直喷发动机的应用现状

1.1 增压直喷发动机的发展历程

汽油机的缸内直喷技术最早起源于20世纪的50年代,Benz公司最先将该技术应用到300 SL车型,20世纪70年代福特公司PROCO系统也采用缸内直喷的喷射方式,这些早期的技术主要应用在每缸两气门、使用碗形活塞的传统发动机上,其燃油喷射系统也是从柴油发动机上照搬而来,使用柴油机的机械泵和喷油器,其经济性接近非直喷的柴油机,但是因为采用机械的喷射系统,喷油时刻不能随发动机负荷变化,高的烟度排放限制了空气的利用效率,再加上当时制造技术等条件的限制,机械油泵受到转速范围的限制,汽油机高速功率未能发挥出来,因此动力性、排放等均不理想,未能普及应用。

20世纪90年代,由于制造技术的进步,能够加工精度更高、质量更稳定的零部件,再加上发动机电喷控制技术的应用,发动机的喷油时刻和喷油量能够得到精确控制。早期直喷机的控制、排放难题得以解决,汽油直喷的各种优点再次被人们想起,1996年日本三菱公司率先推出了搭载直喷汽油发动机的概念车。其后,丰田、通用、宝马、大众等国际汽车大鳄们先后推出了直喷发动机,大众于2000年将其FSI直喷发动机装在了Lupo车型上,首次将汽车的百公里油耗降到了5L以下,达到4.9 L/100 km[1]。

1.2 增压直喷发动机的应用现状

1.2.1 直喷发动机应用范围

美国权威汽车杂志Ward's Autoword根据在北美发售的车型,每年评选十佳发动机,在2012年和2013年的Ward十佳发动机中,各有七款发动机应用了缸内直喷技术[2,3]。虽然这些发动机是在北美市场销售的,但是由于北美市场的特殊性,赢得了北美市场和Ward的认可即是获得了世界的认可,可见直喷发动机在世界市场范围内的地位。

大众汽车作为直喷发动机是应用最全面的车企,目前几乎全系列的车型均已使用直喷发动机,凭借TSI系列发动机在市场竞争中取得了优势地位,特别是在中国市场。据有关网站统计,2013年6月销量排名前两位的车型分别为大众朗逸和速腾,销量分别为2.5万和2.4万余辆,其FSI系列发动机已成为直喷发动机的典型代表。此外通用、福特、奥迪、日产等各大国外车企在售车型中,直喷发动机占有非常大的比重,而且还取得了卓越的市场表现。我国自主品牌中,奇瑞G6、比亚迪思锐等车型也搭载了自主的直喷发动机,但由于自身技术水平和品牌效应的限制,并未取得较好的市场认同度。但各自主车企均在大力开发具有自主知识产权的直喷发动机,如奇瑞的第三代系列发动机,北汽、长城等正在开发的系列直喷发动机,相信很快就会上市。

从当前搭载直喷发动机的车型来看,由于直喷发动机单机成本相对较高的原故,主要集中在中高端车型上,如Ward十佳发动机中的奥迪3.0 L机械增压DOHC V6直喷发动机主要应用在A6L,A8,Q7等车型上,福特2.0 L排量Ecoboost DOHC L4发动机主要装在蒙迪欧致胜、沃尔沃S80L、路虎极光和沃尔沃S60等车型上。当前中国的中高端市场,由外资或合资车企占据,他们同时掌握着成熟的直喷发动机技术,这也成为直喷发动机只搭载在中高端车型上的另一个原因,自主车企正在有条不紊地开发自己的直喷发动机,并将在今后一两年内集中推向市场。到那时,直喷发动机将会出现在自主车企所在的中、低端市场,实现直喷发动机在各级细分市场的普及。

1.2.2 直喷发动机的技术现状

直喷发动机的关键技术无疑正是燃油喷射和控制方式,目前主流的燃油直喷系统由高压油泵、高油油轨、喷油器等关键部件组成,高压油泵由凸轮轴驱动,为保证精确的输出油压,减少发动机转速的影响,一般内置流量控制,精确调节油压,最高输入油压可达15 MPa,工作温度范围为-40～120℃。高压油轨使喷射压力稳定,保障了各缸喷射的一致性,同时采用多孔喷油器,配合高的喷射压力,很好地实现了燃油和空气的混合、雾化。当前成熟的电子控制技术加上高精度的喷油器,可精确地控制喷油量和喷油时刻,甚至可以实现单个循环二次或多次喷射,更好地改善了燃烧过程。在发动机的辅助技术上,采用成熟的增压技术、可变气门正时技术配合缸内直喷来挖掘发动机的最大潜能。而在发动机结构方面,为保证发动机轻量化,同时应对直喷发动机高负荷对缸体强度和散热性能的挑战,高压铸造的铝合金气缸体被广泛地应用。

国外市场很多直喷发动机实现了分层燃烧,更加优秀地发挥了直喷发动机的低油耗优势,但是由于国内燃油品质的限制,很多成熟的直喷发动机在中国市场出现问题。因此目前国内市场在售的直喷机型普遍为均质燃烧,自主车企正在研发的直喷发动机也是均质燃烧形式。但是尽管如此,直喷发动机的动力性优势还是非常明显,图1统计了2012年北京车展展出的各直喷机型升功率和升扭矩情况。

由图1可以看出,直喷发动机的升功率最大可超过80 kW/L,升扭矩最大超过170 N·m/L。而在油耗方面,大众朗逸搭载1.4 LTSI直喷发动机,工信部100 km综合油耗达到5.7 L,市郊工况更是达到了4.8 L。在排放控制方面,不论是正在市场销售的还是自主品牌正在研发的,均能达到欧Ⅳ的标准,甚至达到欧Ⅴ,且具备提升到欧Ⅵ的潜力。

2 增压直喷发动机的问题

直喷发动机在广泛应用的同时,同样也存在一些技术性问题,阻碍直喷性能的发挥,特别是对自主品牌车企来说,研发能力和技术积累与合资车企还存在一定的差距。这些问题对直喷发动机的上市时间和质量品质具有严重影响。

2.1 排放问题

直喷发动机虽然以其特有的工作方式,CO2排放较传统发动机低,但是因为火焰是从浓混合气区域向稀处传播,特别是火花塞周围的混合气浓度更高,致使局部燃油不能完全燃烧,HC、炭烟等颗粒物增加。同时缸内喷射、湿壁情况较传统发动机严重,这些未与空气充分混合的燃油,燃烧不充分,进一步加剧了HC和颗粒物的增加。在中低负荷,缸内温度偏低,不利于HC和颗粒物的进一步氧化,需要通过催化处理后才能排至大气。且未燃的颗粒部分附着在缸壁或通过活塞漏气进入曲轴箱,加速了机油的氧化,机油发黑,加剧发动机磨损,因此直喷机需要抗氧化性能更好的机油。图2展示了某直喷机型使用的机油粘度随运行时间的变化,因为较多的炭烟等颗粒物进入机油,导致粘度随运行时间的增加和增大。

直喷发动机NOx排放同样是一个不容忽视的问题,由于火焰传播路径上的混合气浓度不同,必定存在温度较高的区域。在这个区域极易生成NOx,直喷机相对较高的压缩比和较高的反应放热率,也会引起NOx升高,特别是对于分层燃烧模式,空燃比很高,高温富氧的环境为NOx生成提供了条件。因此对于分层燃烧系统需要加特效的转化装置对NOx进行处理。而国内直喷发动机多为均质燃烧,NOx生成相对较少,因此普遍没有对其进行特别的处理。

2.2 噪声问题

直喷发动机因为其特有的燃油喷射模式,噪声水平较普通进气道喷射发动机有较大差异。传统发动机使用低压供油,燃油泵安装在油箱内,泵本身的噪声水平就很低,在加上燃油箱的隔音处理,噪声很小。而直喷发动机采用两极燃油泵,低压燃油泵同样安装在燃油箱内,而特有的高压油泵安装在发动机本体上,一般采用机械驱动,依靠柱塞的压缩输出高压燃油,噪声很大。由于高达10 MPa的喷油压力,喷油噪声同样也较传统气道喷射发动机恶劣。通过对一款自主品牌正在研发的缸内直喷发动机进行NVH测试,我们发现在怠速工况,由喷油系统引起的“嗒嗒”声几乎掩盖了其它所有的噪声。在市场对驾乘舒适性要求越来越苛刻的今天,必须对直喷发动机喷油系统带来的噪声加以重视,对喷油系统进行噪声方面的特别处理。针对上述的自主品牌直喷发动机,我们通过调整高压油泵的控制策略,并对压油泵和喷油器进行隔音处理,噪声水平得到了极大的改善

此外主流的直喷发动机都配有增压器,无论是涡轮增压器还是机械增压器,由增压器带来的噪声也不容小觑。

2.3 预燃问题

预燃是混合气在火花塞点火之前即着火燃烧的一种异常燃烧现象,该现象引起发动机产生爆震,直喷机由预燃引起的爆震非常强烈,缸内爆发压力瞬间可以达到15 MPa,对发动机极具破坏力,因此称之为“超极爆震”。直喷机的预燃现象多发生在低速大负荷,具有极强的随机性、偶发性,图3显示了预燃发生时的缸内爆发压力情况,图4显示了易出现预燃现象的工况。直喷机的预燃现象有别于普通气道喷射发动机的预燃,所产生的超级爆震也与普通爆震不同,普通爆震可以通过各种手段加以抑制,但是直喷机使用推迟点火等普通爆震的控制方式,却无法消除预燃引起的超级爆震现象。

预燃引发超级爆震的机理,还没有定论,再加上其随机性的发生,至今没有找到彻底消除这种现象的方法,严重限制了直喷机功率密度的提升。其发生机理,目前遍认为是由汽油、机油组成的混合液滴因复杂的、物理和化学的反应而在火花塞点火之前自燃引起的。综合各方研究结果显示,以下各种因素对预燃有影响:

a.汽油品质。

和普通爆震一样,低辛烷值的汽油更易导致预燃,有研究表明,在同一发动机上保持相同的功率,使用93号汽油比使用97号汽油产生的预燃次数要多。同时燃油的挥发性也对预燃有一定的影响,使用存放6个月以上的旧燃油产生预燃的次数是使用新油的约10倍,主要原因是旧油中的易挥发组份因挥发减少,导致试验时未充分混合燃油液滴过多、过大,使预燃增加[4]。

b.发动机动力性。

减小发动输出扭矩,可降低缸内爆发压力和缸内温度,抑制预燃产生的环境,可有效降低预燃次数。目前牺牲发动机动力性,减少预燃次数是一条非常有效的手段,被广泛采用,如何平衡这个矛盾成为研发关键。

c.发动机工作温度。

目前普遍研究认为,高发动机水温可降低预燃次数,其根本原因被认为是发动机水温越高,燃油与机油越不易沉积,减少了液滴的数量。

d.发动机排气阻力。

排气阻力越小,燃烧废气排出越顺畅,可以降低缸内温度,减弱预燃产生的条件,可以降低预燃出现机率。

e.机油影响。

经试验表明,在抑制预燃产生方面,合成机油较矿物油好,新机油较旧机油好,因为机油是组成产生预燃液滴的一部分,但是具体是什么因素产生的影响目前还没有定论。

f.轨压影响。

试验证明,减小轨压,预燃次数增多,原因是轨压越小,喷雾效果越差,燃油与空气混合越差,液滴数量越多,体积越大,预燃越剧烈。

3 增压直喷发动机的发展趋势

目前汽油机的缸内直喷,已被车企和市场普遍认可,但是其燃油利用效率还不是太高。前述提到的自主品牌某直喷发动机燃油利用效率不是30%,而美国DOE制订的目标是,到2014年乘用车发动机效率提高25%～40%,达到50%的目标,远期目标为60%,欧洲的远期目标为70%。因此要达到这个目标,现有的缸内直喷是远远达不到要求的,还有很多工作做。发动机的尾热占有非常大的比重,今后在直喷基础上。加上尾热利用装置将是提高发动机效率的一个有效途径,另外继续减小发动机的摩擦损失,改善燃烧技术,优化分层燃烧也是一条重要途径。

4 结论

缸内直喷目前已得到普遍认可和应用,并将覆盖大多数车型,在燃料电池等新型动力得到普及应用之前,将是重要的车用动力形式,且随着技术的发展,缸内直喷技术也将更加成熟,现有的问题将得以有效解决,燃料利用效率也将越来越高。

参考文献

[1]耿文娟,袁银南,居钰生.汽油机缸内直喷技术控析[J].小型内燃机与摩托车,2010,39(3):24-26.

[2]刘雅坤.榜样的力量-2012沃德十佳发动机[J].世界汽车,2012,(3).

[3]包崇美.身怀绝技-2013沃德十佳发动机[J].世界汽车,2013,(2).

[4]李元平.平银生,尹琪.增压缸内直喷汽油机早燃及超级爆震试验研究[J].内燃机工程,2012,33(5):63-66.

直喷汽油机 篇4

直接喷射技术在柴油机燃油系统中已经运用多年, 这种喷射技术过去较少应用在汽油发动机上, 但由于其带来的众多优点最近几年成为内燃机技术研究的热点。目前三菱、丰田、福特、Nissan、Isuzu、奔驰、Mazada、奥迪、本田、Fiat、雷诺等许多国外汽车公司和研究机构都开发了比较成熟的GDI机型和产品[1]。

所谓汽油直接喷射系统GDI (Gasoline Direct Injection) , 也称为汽油机直接喷射技术, 在这种发动机中汽油直接喷射入发动机燃烧室。为做到这一点, 利用特别设计的喷油器将燃油供入到汽缸的高温高压环境中。

2 GDI的优点

2.1 实现稀薄空燃比, 更省油和环保

在发动机低负荷运行时, GDI可以使发动机以非常稀薄的空燃比运转 (35:1左右) 。发动机在大负荷工况运行时, 系统提供接近于理论空燃比的混合气。由于能够以非常稀的空燃比运转, 所以发动机的燃油经济性提高了近30%, 也减少了尾气的排放。

2.2 提供了更高的容积效率和压缩比

GDI将燃油直接喷入气缸还提高了容积效率, 因为进气歧管和进气口只需向气缸输送空气, 又由于GDI降低了发动机的爆震趋势, 因此可以在使用较低辛烷值汽油时采用更高的压缩比, 这两个因素都能提高发动机的功率和转矩, 同时保持燃油的经济性。

2.3 可以随时喷射燃油, 燃烧更充分

利用GDI可以随时喷射燃油, 而不只是在进气门打开时才能喷射。在压缩行程向做功行程过渡期间喷油器就可以喷射两次, 当发动机电子控制单元ECU认为运转工况可能会影响燃油完全燃烧时, 通过两次喷射可促进燃油完全燃烧。

3 GDI的工作机理

大多数行驶状态下, GDI发动机都以稀燃模式和分层进气运转, 使得油耗下降。处于该模式时, 在压缩行程后期将要点火时喷射燃油。当发动机处于大负荷或者以高速运转时, 则在进气行程内喷射燃油, 使得汽缸中的空气燃油混合气分布均匀且温度更低, 也减少了发动机爆震的可能性。

当燃油喷入汽缸内时, 压力会很高 (通常为2.76~10.34MPa) , 在此压力下, 燃油喷入汽缸是达到蒸汽状态, 喷油器向即将点火的火花塞周围喷入少量但分布精确的燃油, 即仅在火花塞周围区域内有空气和燃油开始燃烧, 燃烧室其余部分充满的是空气或再循环的废气。

由发动机驱动的装在燃油箱内的电动高压燃油泵向喷油器供给高压燃油, 发动机电控单元ECU控制每个汽缸的喷油时刻与点火时刻。

4 GDI的问题

GDI的问题主要体现在排放性上, 某些情况下甚至比传统进气道喷射汽油机的排放性还要差, 主要体现以下几个方面[2]:

4.1 排放控制问题

由于分层混合气浓度不是均匀分布, 存在较浓混合气区域, 在这些区域中局部燃烧温度较高, 导致NOx的排放增加, 同时总体混合气较稀, 三元催化器不能充分发挥作用;分层混合气外边界较稀的区域容易发生火焰熄灭, 使得小负荷工况下HC排放增大。

4.2 稳定燃烧控制问题

GDI发动机的分层充气稀燃区域的稳定燃烧控制难度较大, 部分负荷分层稀燃和大负荷均质燃烧模式转变时的所需要控制也十分复杂;为了降低NOx的排放, GDI发动机采用较高EGR率, 而且喷油嘴沉积物增加, 也增加了稳定燃烧控制难度。

4.3 燃油经济性问题

燃油缸内直喷需要较高供油压力, 提高喷油压力和油泵回流会增加发动机机械磨损, 喷嘴、油泵驱动增加电流消耗, 催化器的快速起燃和再生补偿也加大了燃油消耗。

4.4 性能和可靠性问题

相对PFI发动机, GDI发动机喷嘴沉积物和积炭增多, 由于提高了系统的压力, 降低了燃油的润滑性, 增加了供油系统的磨损;由于使用较稀的混合气, 缸套的磨损增加, 进气门和燃烧室的沉积物也增加。

4.5 控制复杂性问题

GDI发动机从冷起动到全负荷各种工况需要复杂的供油和燃烧控制, 并需要复杂的排放控制策略, 同时也增加了系统优化的难度。GDI发动机要求复杂的供油系统硬件, 需要高压油泵和更复杂的控制系统。

5 GDI的改进

5.1 开发新型稀燃催化器, 控制N O x排放

虽然GDI发动机稀燃能够降低NOx的排放, 但是仍达不到三元催化器降低NOx排放的90%, 国内外正在加紧研发稀燃催化器, 但目前在整个发动机工作区域NOx转化效率仍低于三元催化器。

5.2 研究降低GDI微粒排放的办法

GDI的微粒排放在小负荷、过渡工况和冷启动时比传统的进气道喷射汽油机有较大增加, 其形成的主要原因可能是因为局部过浓混合气或未蒸发的液态油滴扩散燃烧所导致, 同时缸内温度过低也会形成排放微粒, 具体原因还需深入的研究。

5.3 采用分层充气或均质充气涡轮增压技术

通过提高进气压力、提高空气利用效率来减小发动机的尺寸是提高发动机经济性的有效途径, GDI发动机小负荷时不使用节气门, 进气量相对较大, 涡轮增压器转速高, 使得GDI发动机在瞬态工况能够实现快速响应随负荷变化引起的涡轮增压变化。[3]

5.4 进一步优化燃烧系统扩大分层稀燃区域

提高燃油经济性是扩大GDI发动机市场占有率的重要因素。GDI发动机在分层稀燃区域可以节省燃油20%~25%, 通过进一步优化GDI发动机燃烧环境, 采用新的喷射引导型燃烧系统, 扩大分层稀燃的范围, 最终提高GDI的燃油经济性。[4]

5.5 实现GDI发动机的HCCI燃烧

HCCI (Hom oge ne ous Charge Com pre s s ion Ignition) 的意思是“均质充量压燃”, 由于GDI发动机分层稀燃混合气的不均匀分布, 在燃料较稀的高温区会产生大量NOx, 而在混合气较浓的区域容易产生碳烟。而HCCI的燃烧过程, 理论上是均匀混合气完全压燃、自燃、无火焰传播过程, 可以限制NOx和碳微粒的产生, 可达到欧Ⅵ以上的排放法规要求。[5]

6 总结和展望

当前, 提高燃油经济性和降低尾气排放的实际需要迫使汽车开发厂家提升电喷发动机的技术含量, 其中GDI即缸内直喷式汽油机技术是一个重要可选方案。

当前的GDI缸内直喷汽油机, 尽管其燃油经济性已达到非直喷式柴油机水平, 但高精度和复杂的电控技术装备使得开发制造成本高昂, 其推广应用速度主要取决于市场对汽车节能迫切需要。同时GDI也需要通过稀燃催化剂的开发等手段来降低尾气排放, 从而满足国内外对尾气排放越加严格的法律法规要求。

摘要：本文首先介绍了汽油机缸内直喷系统GDI的基本概念和采用GDI发动机带来的优点, 然后详细介绍了GDI的工作原理, 紧接着指出了目前GDI发动机所存在的问题, 并进一步给出了今后GDI发动机需要改进的五个具体方向;最后对全文进行了总结和展望。

关键词：GDI,汽油机缸内直喷,缸内直喷技术

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直喷式汽油机缸内浓度场数值模拟 篇5

汽油机缸内直喷可以获得优秀的发动机性能, 已成为一种发展趋势, 但实现的难度很大, 特别是缸内混合气浓度的合理分层, 以便有效实现点火并抑制爆燃等技术难度很大。因此, 对其缸内浓度场的数值模拟将是有效的技术手段[1]。

1模拟发动机和喷油器

以1E50FM的AX-100型摩托车发动机为基础发动机, 对其进行数值模拟。发动机的结构和气口布置如图1所示。

图2为不同喷油脉宽下喷油压力随喷油持续时间的变化曲线。可见, 随着驱动脉冲宽度的增大, 喷油量近似线性增加。该喷油器为轴针外开式环型伞喷嘴, 喷孔环外径为3.8 mm, 几何锥角为23°, 升程为0.2 mm;这种结构可以看作无限个放射性分布喷孔的多孔喷嘴, 沿着喷雾锥面的周向燃油均匀分布。由于它在轴向动量的基础上加上了很强的径向动量, 因而使得燃油进入燃烧室时能够形成一个空心环锥形的油束, 燃油的雾化程度得以提高, 油束也更加趋向轴向对称。该油束喷雾锥角为60°, 喷雾分布厚度为15°。喷油液滴的索特平均直径为30～90 μm。

2计算模型的建立

2.1计算模拟区域的选择

为了充分模拟直喷式二冲程汽油机的扫气和喷油过程, 计算必须在排气口开启前开始 (排气口开启角为99 °CA ATDC) , 故数值模拟计算始点定为95 °CA ATDC。活塞向下运动, 历经自由排气、扫气、强制排气、喷油器喷油、油气混合阶段后, 活塞再上移火花塞开始点火。由试验数据可得, 火花塞点火时刻为上止点前25 °CA左右, 因此, 计算终点定为25 °CA BTDC结束, 即计算过程为95 °CA ATDC～335 °CA ATDC, 历经240 °CA, 计算步长定为0.5 °CA, 每次模拟计算得到480组数据。本文采用FAME程序中的手动创建结构网格。图3为创建的分析网格。

2.2初始条件和边界条件的确定

本文分别选取两种代表性的发动机工况的流场特性进行研究。工况1:低负荷工况, 曲轴转速为2 000 r/min, 节气门开度级别为6级 (相当于13 %) ;工况2:高负荷工况, 曲轴转速为5 000 r/min, 节气门全开 (100 %) 。喷油量和喷油持续时间都取试验值。在工况1下, 喷油量为3.3 mg/cycle, 喷油初速为30 m/s, 喷油持续时间为1 ms;在工况2下, 喷油量为4.5 mg/cycle, 喷油的初速为150 m/s, 喷油持续时间为0.7 ms。

3数值模拟结果及分析

3.1低负荷工况下混合气浓度分布

3.1.1 不同喷油定时的影响

保持喷油器中心轴线和气缸中心轴线夹角 (喷雾方向) 为15°, 喷油定时分别为120、95和70 °CA, 研究不同喷油定时对混合气浓度分布的影响。图4为低负荷工况不同喷油定时下, 25 °CA BTDC时刻的缸内流场当量比。

从图4a可看出, 在上止点前25 °CA时刻 (火花塞点火时刻) , 缸内燃油浓度与化学计量当量比分布基本一致。此时在燃烧室顶端处混合气浓度最高, 沿着燃烧室向下, 混合气浓度逐渐变稀, 不在化学计量当量比内的混合气所占的区域比较多。这部分气体由于浓度过稀, 达不到着火最低界限, 因此混合气不能完全燃烧;而且可燃气体当量比最高处并不位于火花塞位置的区域, 因此不能形成较好的分层燃烧。另外, 虽然喷油器是在排气口尚未关闭时开始喷油, 然而在燃油传播过程中, 并无燃油随空气直接流出排气口。这与燃油喷雾的贯穿距离有关, 在活塞从120 °CA BTDC运行到99 °CA BTDC过程中, 喷雾的贯穿距离还不足以使液滴传播到排气口而造成逸出。喷雾的贯穿距离由喷油压力决定, 因此对于直喷式二冲程汽油机而言, 并不是喷油压力越高越好, 高喷射压力有利于燃油的雾化, 但同时也增加了油束的贯穿度, 造成湿壁现象, 使排放恶化;而较低的喷射压力则可以避免此类问题, 并且可以减少油泵负荷、系统准备时间和喷油器噪声, 从而延长燃油系统的工作寿命。

图4b是喷油定时为95 °CA时, 缸内流场当量比的分布, 这是排气口刚关闭不久开始喷油的情况。从燃油传播过程可看出, 混合气最浓部分在缸内一股强大漩涡带动下, 在点火时刻恰好移动到火花塞区域, 此处当量比达到1.59, 而沿着这个区域混合气逐渐变稀, 尽管总体上混合气仍比较稀, 但却容易保证形成火核并顺利传播。因此在排气口关闭不久开始喷油, 不仅避免了燃油短路, 而且缩短了燃油的扩散时间, 有利于实现较好的分层稀燃。

图4c是喷油定时为70 °CA时, 缸内流场当量比情况, 这时燃油喷射比较迟, 活塞接近上止点。从流场速度变化过程可看出, 燃油启喷时, 燃烧室内的两股漩涡促使喷雾直接向燃烧室底部的凹坑处流动, 加上喷油较迟, 活塞此时运动速度相对较快, 燃油来不及传播就被挤压在燃烧室底部的凹坑内, 坑壁则阻挡燃油进一步的流动, 而在壁面上形成很浓的混合气。这是因为燃油未蒸发而以液滴形式积聚。此处混合气的当量比>2, 超过着火最高界限而不能完全燃烧, 造成燃烧恶化。可见, 喷油时刻太迟, 使空气与燃油的混合时间大幅度缩短, 燃油以液滴形式存在, 在缝隙处形成有害油膜。

3.1.2 不同喷雾方向的影响

图5为喷油定时为95 °CA、不同喷雾方向时, 25 °CA BTDC时刻缸内流场当量比情况。图5a是喷雾方向为45°时缸内流场当量比情况。在燃油传播过程中, 形成一个更强大的漩涡, 该漩涡对燃油传播影响很大。正是这一靠右侧的漩涡促使燃油流向燃烧室底部, 在底部缝隙处积聚的燃油液滴形成油膜, 难以实现良好燃烧。

图5b是喷雾方向为75°时缸内流场当量比情况。在喷油初始时刻, 喷雾直接朝向燃烧室左下角, 燃油未像图5a被积压在燃烧室底部, 而是顺利传向燃烧室顶部, 在火花塞区域, 形成当量比接近化学计量当量比的可燃混合区域, 但分层效果不如喷雾方向为15°的好。可见, 精确选择喷雾方向对于实现良好燃烧很重要, 本系统采用15°喷雾方向可获得较好的效果。

3.2高负荷工况下混合气浓度的分布

图6为高负荷工况下, 喷雾方向为15°, 喷油定时分别为180、160、140 °CA时, 25 °CA BTDC时刻缸内流场当量比。图6a为喷油定时180 °CA时的情况, 此时活塞处于下止点。从流场变化情况可看出, 在喷油初始时刻, 燃烧室内的气体从扫气口朝排气口以强大的顺时针滚流流动。进一步的研究表明:不论何种燃烧室形状, 都会产生同样的滚流流动动力特性。因此可以得出一个对于小缸径二冲程发动机而言很重要的结论:无论喷射油束的动量是高或低, 油束都应该朝着与扫气过程中产生的高强度滚流运动的反方向喷射。这也是该系统中喷油器放在排气口一侧, 朝着扫气口喷油, 而背对着排气口的原因。此外, 在喷油过程中, 一部分燃油通过排气口直接逸出, 造成排放恶化, 虽然在火花塞点火时刻燃烧室内形成了比较均匀的混合气, 但由于燃油泄漏, 混合气浓度过稀, 大部分区域当量比达不到着火最低界限, 混合气无法顺利燃烧。

图6b为喷油定时为160 °CA的情况, 即在活塞过下止点后不久开始喷油。虽然此时是在排气口尚未关闭就开始喷油, 但在喷油过程中并无燃油从排气口逸出, 避免了燃油泄漏。从图6b可看出, 在火花塞点火时刻, 燃烧室内混合气的分布比较均匀, 当量比都在1附近, 能较为顺利地实现高负荷均质稀燃。

当在高负荷工况下推迟喷油, 选择在140 °CA开始喷油时, 缸内流场当量比如图6c所示。从燃油的传播情况可看出, 燃油没有足够时间来充分扩散, 在火花塞点火时刻, 燃烧室内混合气的分布不均匀, 效果比图6b喷油时刻获得的燃烧室流场分布情况要差些, 难以实现有效的均质燃烧。

4结论

(1) 对于小缸径二冲程发动机, 无论喷射油束的动量是高或低, 油束都应该朝着与扫气过程中产生的高强度滚流运动的反方向喷射。喷油器中心线与气缸中心线成15°夹角时有利于点火和分层燃烧。

(2) 从喷油时刻对混合气浓度分布影响可知, 低负荷时在排气口关闭不久 (95 °CA BTDC) 、高负荷时在下止点后不久 (160 °CA BTDC) 喷油可实现较好的分层燃烧。

(3) 对于直喷式二冲程汽油机而言并不是喷油压力越高越好。

摘要：对直喷式二冲程汽油机缸内浓度场进行了数值模拟, 选取两种代表性的发动机工况, 采用球顶燃烧室, 改变喷油定时和喷雾方向, 研究它们对燃烧室内混合气浓度分布的影响。通过仿真分析得到:喷油定时和喷油方向对缸内浓度场分布有很大影响。当喷油器的中心轴线与气缸中心轴线的夹角为15°的喷油方向, 喷油定时在低负荷选择95°CA、高负荷选择160°CA时, 可以在火花塞附近形成有利于点火的混合气浓度, 在整个燃烧室形成有利于分层燃烧的浓度场分布。

关键词：内燃机,数值模拟,直喷式汽油机,浓度场,喷油定时

参考文献

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直喷汽油机 篇6

1 GDI发动机气门积碳现象

与PFI发动机相比, GDI发动机气门积碳的故障征兆相似, 但冷机时积碳对发动机起动性能影响程度相对较小。因为燃油在缸内喷射, 被积碳吸附的燃油量极小。某四缸GDI发动机的气门积碳情况见图1。该发动机只行驶了约50 000 km, 已在气门的背部与气门杆结合的圆弧面上部, 沿气门杆圆周均匀堆积一层黑亮沉积物, 与PFI发动机气门积碳相比, 在部位、外形上都比较接近, 但外观上后者更干燥。

2 气门积碳的成因

2.1 红外光谱分析对比

为了解GDI发动机气门积碳的生成物质与PFI发动机气门积碳间的区别, 进而探讨其成因与影响因素, 对两种积碳进行红外吸收光谱分析, 如图2所示是两种发动机气门积碳样本的红外光谱分析结果。结果显示, 两种积碳的主要物质成分相近, 但PFI发动机样本中多了一些特征峰, 如波数值750, 1 200, 1 600, 3 400 cm-1等位置, 表明PFI发动机气门积碳中还存在一些其他的有机物。其中波数在3 650~3 200 cm-1范围内, 为羟基伸缩振动, 在PFI样本中较明显。而GDI发动机样本中曲线平缓, 说明汽油 (烃类) 胶质对PFI发动机气门积碳影响大, 但它并非GDI发动机气门积碳的主要形成成分。

2.2 生成机理

通常认为发动机气门积碳是在发动机停机时, 进入进气门前的汽油在热浸状态下挥发, 汽油的蜡质和胶质逐渐沉积在气门杆上, 结合润滑油的沉积物, 在发动机工作的高温作用下, 进一步氧化缩合成沥青质和油焦质等复杂混合物, 同时粘附其他部分盐类、灰砂、金属屑等燃烧生成物形成积碳[1]。GDI发动机由于汽油直接喷入缸内, 气门积碳主要物质来源于润滑油的沉积物, 小部分来自汽油蒸发物及EGR (废气再循环系统) 中浓缩的挥发性物质和颗粒物[2]。润滑油和汽油蒸发物由以下途径产生:一是曲轴箱废气, 内含大量润滑油和汽油蒸发物;二是气门油封处沿气门杆渗漏的机油;三是发动机在排气上止点时, 存在气门重叠, 部分燃烧混合物会倒流进入进气管。GDI发动机由于燃烧模式特点, 存在局部过浓混合气区域, 会产生较多的颗粒物 (碳烟) , 还有其他盐类等燃烧产物, 易吸附在气门杆胶质上, 最终形成积碳。

3 气门积碳影响因素

3.1 气门表面温度

气门表面温度是气门积碳形成的重要影响因素之一, 它会影响到积碳的成分、形状、位置及生成速度等。当气门温度非常高时, 气门弯曲面上的积碳会减少, 并沿气门杆上移[3]。国外Paul.W等研究表明, 气门积碳形成速度最快的温度是在230℃左右。当温度低于200℃和高于350℃时, 积碳沉积速度会明显减小[4]。因为低温时, 油料残余物化学结焦过程缓慢, 而在非常高温时, 油料会在炽热的气门上形成油膜的蒸汽层, 使传热受阻, 油滴的温度不易升至沸点而挥发, 因此也难以生成积碳。

3.2 机油的特性

机油成分非常复杂, 是GDI发动机气门积碳主要生成来源, 其成分和性能调配对积碳状况影响很大。已有实验表明, 高黏度的机油比低黏度机油产生积碳量减少, 因为对燃烧室和气门油封的密封性而言, 高黏度机油能减少曲轴箱废气量和气门杆处机油渗漏量。如果机油的基础油具有较高的沸点, 也会在进气门弯曲面形成保护膜, 降低传热, 减少积碳生成。值得注意的是, 在机油添加剂对积碳影响的研究文献中, Shi-wai Steve Cheng提出对PFI发动机而言, 机油清净剂、分散剂等会不同程度促进气门积碳生成[5]。S.W.Morris等研究则显示, 在机油中加入的清洁剂, 能减少GDI发动机气门积碳, 其试验表明随着清洁剂增多, 气门积碳的量会相应减少[6]。

3.3 发动机结构与控制

发动机的气门油封会影响机油在气门杆的泄漏量, 而活塞环、气缸的配合与完整状况以及PCV系统结构, 会影响曲轴箱废气量大小。如PCV的油气分离装置进行优化设计, 能减少进入进气道的润滑油量, 从而降低气门积碳。

GDI发动机燃烧系统, 包括进气道、喷油器、燃烧室、火花塞布置等结构特点, 以及调整喷油与燃烧模式、喷油压力、点火正时等参数的控制策略对发动机燃烧状况起关键作用, 会影响到发动机温度、碳烟生成量等积碳因素。

颗粒物对积碳有部分影响, 抑制碳烟形成的措施也很多。进气道设计显著影响缸内气流速度分布、湍流运动及优质混合气形成。喷油器的喷雾锥角、贯穿距、油滴尺寸、布置位置等影响到喷雾撞壁程度以及形成不同的壁面油膜, 进而产生不同的排放生成物。燃烧室结构会影响喷雾撞壁发生以及喷雾撞壁后发展、油膜形成及蒸发, 而活塞顶油膜形成和浓混合气均会导致积碳组成物质颗粒物 (碳烟) 的产生[7]。随着点火定时延迟, 核态和积聚态颗粒物峰值数密度均逐渐降低, 颗粒物总数量浓度逐渐下降[8]。

3.4 汽油性能

虽然汽油不是GDI进气门积碳主要的影响因素, 但因部分混合气回流, 曲轴箱废气等都有汽油成分直接接触到进气门促进积碳生成。汽油中的烯烃具有热不稳定性, 容易被氧化后形成胶质, 因此如果烯烃含量过高, 就易形成气门积碳。从颗粒物生成角度考虑, 含铅汽油燃烧产生的铅化物, 汽油中的硫产生的硫酸盐以及其他不完全燃烧的杂质, 都是碳烟的组成物[9]。此外汽油及其添加剂还会影响油底壳中的机油成分, 进而会影响进气门沉积物[10]。

4 针对气门积碳的对策

针对GDI发动机气门积碳的应对措施, 从作用原理上可从两方面考虑:一是抑制其生成, 二是积碳生成后的清理。在实施阶段考虑, 可分为在发动机设计开发方面与应用层面的措施。

4.1 发动机设计的优化

在GDI发动机开发设计中, 采用先进的燃烧技术优化燃烧系统, 匹配进排气道、燃烧室和喷雾系统, 改进其协同配合工作能力, 可降低碳烟的生成。

改进喷油器或采用新型喷油器, 提高喷油压力以及优化喷油时刻等都可降低直喷汽油机颗粒物排放。采用喷油器多次喷射策略, 能保证喷油量不变的条件下, 缩短了喷油持续期, 进而降低了喷雾撞壁, 显著降低发动机暖机过程中PM/PN值[10]。增加喷油压力可以降低发动机碳烟产生, 这主要是增加喷油压力改善了喷雾液滴粒径, 较小的粒径的喷雾液滴更加易于雾化和蒸发。

发动机冷却液温度会影响到气门表面温度, 从而影响气门积碳的生成。发动机温度也是气缸内混合气形成及燃烧过程的重要影响因素之一, 会影响颗粒物的生成。因此采用先进的热管理系统有助于灵活控制冷却液温度, 确保直喷汽油机的燃烧效率, 降低积碳与碳烟的形成。

4.2 发动机应用方面改进

4.2.1 改良燃油与润滑油性能抑制积碳生成

从GDI发动机工作过程分析, 机油是气门积碳的主要影响因素, 其基础油成分、性能及添加剂直接影响进气门积碳的形成。适当提高机油的黏度, 能减少气门油封的机油渗漏, 提高缸壁与活塞环的密封性, 减少混合气的窜气。另外研究合适的添加剂配比, 提高机油沸点, 减少机油的挥发性物质, 增加机油安定性及抗氧化性能, 添加适量的清洁剂等, 都能减少曲轴箱废气, 降低气门积碳生成量。

针对GDI发动机的积碳, 提高汽油稳定性, 降低汽油烯烃含量, 增加有效的汽油清净剂能降低积碳的生成量[9]。汽油添加剂作用机理仍然是降低汽油中的胶质, 抑制烯烃向胶质转化, 增加燃油清洁性, 抑制碳烟生成等。国外试验显示, 目前应用在PFI发动机的大多数汽油添加剂会增加GDI发动机进气门积碳, 需要针对性地进行研发, 如Lubrizol公司专为GDI发动机生产的添加剂则会减少进气门积碳[11]。

4.2.2 定期清理气门生成的积碳

进气门积碳形成后, 定期进行养护清理是目前常见的方法。一般积碳较严重时, 需将进气歧管拆除, 进行人工机械清除, 再辅以积碳清洗剂喷洗即可清理干净。当气门积碳未明显成形时, 在发动机保养过程中定期进行进气系统的清洗, 可有效防止进气系统沉积物的积聚。

GDI发动机与PFI发动机进气门积碳主要物质成分的色谱定量分析结果见图3。从色谱图数据看出, 两种物质的组分有一定区别:PFI发动机样本里面有四个峰, GDI样本里有两个峰, 即PFI气门积碳物质复杂一些 (与红外光谱分析得到的结果相符合) 。但GDI发动机积碳物质中的两种成分都可以在PFI发动机样本内体现, 因此当前应用在PFI发动机的进气系统积碳清洗剂等对GDI发动机的气门积碳应有一定清洗效果。

5 结论

GDI发动机进气门积碳的主要影响因素是气门表面温度和机油的化学性质。汽油通过曲轴箱废气和气门重叠时回流的混合物等途径对气门积碳产生一定的影响, 同时汽油会影响到GDI发动机颗粒物的生成, 进而影响积碳。

对GDI发动机零件的材料、结构和控制策略的改进, 减少机油渗漏量和曲轴箱废气量, 优化其发动机燃烧技术和冷却系统的温度来控制颗粒物生成, 通过机油添加剂和汽油添加剂提高机油及汽油的化学性能等, 都是减少气门积碳生成量的有效途径。

摘要：针对在用汽油直喷发动机出现的气门积碳现象, 对比缸内直喷汽油机与进气道喷射汽油机气门积碳组分与成因的差异, 分析了缸内直喷汽油机进气门积碳的主要形成机理、影响因素和生成途径, 其中气门表面温度、机油的物理和化学性能起了关键作用。在上述分析基础上, 探讨了在发动机设计与应用层面减少进气门积碳的措施。

关键词：汽油发动机,汽油直喷,进气门沉积物,积碳,添加剂

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直喷汽油机 篇7

缸内直喷发动机不同于气道喷射的发动机, 需要增加高压油泵使燃油达到一定的压力, 根据整机布置要求, 需要在凸轮轴上布置一个油泵凸轮以满足要求。油泵凸轮升程的精确性直接影响高压油泵的性能, 进而影响发动机的性能。油泵凸轮的失效模式有点蚀、裂纹、折叠等, 我们主要针对油泵凸轮点蚀失效模式进行分析及整改。

1 油泵凸轮失效模式描述

某发动机在进行200 h冷热冲击试验后拆机发现, 凸轮轴油泵凸轮中一个桃尖发生点蚀, 具体见图1。

2 油泵凸轮点蚀失效模式原因分析

根据发动机油泵凸轮结构和因果分析图, 从各个方面对油泵凸轮点蚀的可能原因进行分析, 具体见图2和图3。

通过以上分析可知, 导致油泵凸轮点蚀的主要原因有:

a.凸轮轴毛坯缺陷、加工缺陷、材料问题。

b.油泵挺柱质量问题。

c.油泵凸轮热处理问题。

2.1 凸轮轴毛坯、加工、材料检测

2.1.1 凸轮轴毛坯状态排查

对供应商库存的凸轮轴毛坯状态进行排查:油泵凸轮毛坯升程可以满足加工余量的要求。在加工过程中不会发生凸轮轴加工不到位的情况。

2.1.2 凸轮轴成品状态排查

对库存的凸轮轴状态进行排查:凸轮轴中油泵凸轮没有加工不到位的情况。

2.1.3 凸轮轴材料排查

对点蚀的凸轮轴进行取样, 并对其与图纸要求一致性进行材料成分检测, 结果见表1。

根据以上排查情况分析, 凸轮轴毛坯、加工、材料无问题, 不是造成油泵凸轮轴点蚀的主要原因。

2.2 油泵挺柱产品质量检测

该发动机油泵凸轮与油泵挺柱直接接触, 油泵挺柱的合格性直接影响了油泵凸轮的磨损状态, 故需要对油泵挺柱的产品质量进行检测分析。

2.2.1 油泵挺柱接触表面检测

对油泵挺柱接触表面进行检测分析, 具体见表2。

根据以上的检测数据分析, 油泵挺柱表面各关键特性满足设计要求, 油泵挺柱表面硬度不是造成油泵凸轮点蚀的原因。

2.2.2 油泵挺柱化学成分检测

对油泵挺柱的化学成分进行检测分析, 具体见表3。

根据以上的检测数据分析, 油泵挺柱化学成分满足要求, 油泵挺柱化学成分不是造成油泵凸轮点蚀的原因。

根据以上排查情况分析, 油泵挺柱本身无产品质量问题, 属于合格产品, 油泵挺柱不是造成油泵凸轮点蚀的主要原因。

2.3 油泵凸轮热处理分析

油泵凸轮本身的热处理直接影响了油泵凸轮的特性, 如果热处理不合格会影响油泵凸轮的磨损状态, 故需要对油泵凸轮的热处理情况进行检测分析。

2.3.1 淬火层检测

对油泵凸轮的淬火层深度进行检测分析, 见图4, 具体检测数据见表4。

根据以上的检测数据分析, 油泵凸轮经过了淬火处理, 而且淬火层深度满足要求, 油泵凸轮淬火层深度不是造成油泵凸轮点蚀的原因。

2.3.2 金相组织检测

对油泵凸轮的金相组织进行检测分析, 见图5, 具体检测数据见表5。

根据以上的检测数据分析, 油泵凸轮金相组织满足设计要求, 油泵凸轮金相组织不是造成油泵凸轮点蚀的原因。

2.3.3 表面硬度检测

对油泵凸轮表面的硬度进行检测分析, 见图6, 具体检测数据见表6。

根据以上的检测数据分析, 油泵凸轮表面硬度低于设计值近2倍, 严重不符合设计要求。油泵凸轮表面硬度不满足要求, 在发动机运行过程中, 油泵凸轮耐磨性能不足, 故油泵凸轮表面硬度不合格是造成油泵凸轮点蚀的一个主要原因。

2.4 油泵凸轮点蚀失效原因确认

通过以上原因分析, 初步判断该机型油泵凸轮点蚀失效的主要原因是油泵凸轮表面硬度不符合设计要求。

3 整改措施及效果验证

3.1 整改措施

要求凸轮轴供应商对其产品质量进行整改, 并提供满足设计油泵凸轮表面硬度要求的凸轮轴产品。

3.2 效果试验验证

将供应商提供整改后的样件进行随机抽样, 并在同一台发动机台架上进行300 h交变负荷试验, 试验结束后对油泵凸轮表面状态与整改前进行对比, 具体见图7。

通过整改前后的凸轮轴磨损状态进行对比, 更换合格油泵凸轮表面硬度的凸轮轴无异常磨损, 在正常范围内。

4 结论

通过对发动机油泵凸轮点蚀的可能原因进行综合检测分析, 最终分析出油泵凸轮表面硬度不合格是造成油泵凸轮点蚀失效的主要原因。通过对油泵凸轮表面硬度的整改和试验验证, 验证了上述结论, 有效解决了油泵凸轮点蚀失效问题。

摘要：针对某机型发动机高压油泵凸轮 (以下简称油泵凸轮) 异常磨损失效问题, 运用质量工具因果分析图, 从微观和宏观对零部件及系统设计的合理性进行分析, 最终分析出油泵凸轮磨损的主要原因, 提出整改措施, 并通过试验验证整改措施。

关键词：直喷汽油机,油泵凸轮,失效分析,整改措施

参考文献

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