汽油直喷（精选7篇）
汽油直喷 篇1
目前人们对汽车的使用性能要求越来越高, 已经不满足于进气歧管多点喷射技术, 为了进一步达到节能、高效、环保, 工程师研制出了更加精准的燃油喷射技术, 这种技术就是缸内直喷技术。
缸内直喷就是将高压燃油喷嘴安装于气缸盖上, 直接将燃油喷入气缸内与空气混合。其特点主要是油耗低、升功率大, 且压缩比高达12, 功率与扭矩大大提高, 与同排量的一般发动机相比, 它的功率与扭矩提高了10%。为了增加效率, 更加准确的控制燃油与空气的结合, 缸内直喷技术在进气歧管喷射基础上优化了燃油系统结构, 喷射压力也得到相应提高, 燃油颗粒雾化更细, 除此之外还消除了缸外喷射各种的缺点。各种结构的优化设计, 以及对于压力、位置、进气流的精确控制, 使油气混合更加精确, 也进一步提高了效率, 此技术借鉴了柴油机的特点, 故有人认为缸内直喷式汽油发动机是将柴油机的形式移植到汽油机上的一种创举。
1 结构
直喷式汽油发动机关键结构主要有以下部件:气缸盖、进气管、高压油泵、喷油器、活塞。
发动机最为关键的部分是气缸盖, 缸盖中最关键的部分燃烧室对混合气体以及气体流动和火焰的燃烧作用最大。
进气管为发动机进气部分, 对采用分层燃烧模式的发动机来说, 需要严格控制进气管的直径、长度以及谐振腔的容积, 而且可变滚流量和可变管长等结构也要进行增加, 以达到增加气流量和滚流量的效果。因此, 进气管的设计难度大幅增加, 结构以及制造成本都会上升。由于进气增压的作用, 涡轮增压缸内直喷发动机进气歧管大部分情况下压力都为正值, 一般压力可达0.2 MPa左右, 为满足系统的真空度要求, 进气管的强度要求更加严格, 而且发动机本身还要额外增加真空泵。
高压油泵是由安装在进气凸轮轴尾端的凸轮来进行驱动, 最为重要的就是升程的选择, 这直接影响机器冷启动直喷建压时间, 一般在2~4ms之间。而升程则需要根据凸轮的的型线、发动机的使用要求以及制造所需工艺等条件来进行综合考虑。
直喷系统的核心部件是喷油器, 喷油器对发动机的各种性能影响最大, 其在缸内的位置、结构形式、形状以及方向都对燃油的雾化和混合程度以及燃烧的充分度产生最直接的影响。另外喷油器受油品质量影响, 质量差的油品, 由于掺杂其它物质或者纯净度不够, 极易形成积碳对喷油器造成堵塞, 进而影响发动机性能, 并对喷油器的寿命造成极大的影响, 故直喷发动机对油质要求较高, 一般使用97号汽油, 且需要定期保养, 维护费用较高。
直喷发动机一般将活塞当做关键部件来进行研究和设计, 因为其对缸内的气流以及气体的形成等方面影响巨大。但是为达到油气充分混合, 油气的浓度进一步均匀分布, 从而使燃烧更加充分和彻底, 达到更高效率, 无论是使用哪种引导方式, 都需要特殊的活塞顶面凹坑适应。
2 工作原理
不同于进气歧管, 多点电喷只是通过电脑采集曲轴、凸轮轴位置等发动机各信号从而控制喷油嘴将汽油喷入进气歧管后形成可燃混合气再送入气缸。缸内直喷又被叫作FSI (Fuel Stratified Injection) , 是一种燃烧分层喷射技术, 这种技术代表着传统汽油引擎发展的一个方向, 目前已被广泛运用。传统的汽油发动机喷嘴与燃烧室有一定距离, 这段距离由进气歧管导入, 因此汽油不能与空气很快混合彻底, 并且一些燃油会吸附在进气管壁上, 时间一长甚至造成积碳, 直喷系统可以较大的改善这种现状。FSI就是开发用来改善传统汽油发动机供油方式不足的缸内直喷技术, 其采用一种类似柴油发动机的技术, 通过一个能提供高达100bar的活塞泵, 用电磁喷射器以接近毫秒的精度将汽油直接喷入气缸内部的燃烧室中, 并在燃烧室中形成漩涡, 使油气充分混合、燃烧。
大众汽车公司的TSI发动机所采用燃油直喷技术是当今行业中技术最为先进、也是最为成熟的直喷技术, 在同等排量的发动机中, TSI动力性与经济性得到超强的结合, 尤其是与DSG变速箱的搭配号称“黄金搭档”, 价格相对也比较经济, 在汽油发动机的发展中起着引领作用, TSI即在FSI的基础上增加了进气涡轮增压装置。
3 设计技术
直喷技术的精髓所在, 是通过使用一个活塞泵来提供燃油充分混合所需的高达100 bar以上的巨大压力, 用电磁喷射器将高压汽油喷入气缸。由于燃烧室内形状的特殊设计, 喷油嘴在极短时间内, 通过巨大压力, 直接将燃油注入燃烧室中, 这一时间的把控必须最恰当, 此时燃烧室内由于压力以及特殊形状的设计, 将会使油气产生巨大漩涡, 进一步对油气进行混合, 以达到燃烧更加充分的目的。一些高浓度的混合气体充分散瘀在火花塞附近, 而一些稀薄油气则分散在高浓度混合气周边外围区域, 这样一来, 点火系统工作时, 火花塞周围浓郁气体极易点燃, 在点燃的同时, 周边区域的稀薄气体同时也被迅速点燃, 如此一来便可实现稀薄燃烧。
我们仍以大众TSI发动机为例, TSI发动机与目前其他传统汽车的发动机有以下区别:与歧管喷射的原理不同, 在喷油方面, TSI发动机配备了更为高级的供油系统, 进排气凸轮轴连续可调装置可以改变配气相位, 由于单活塞高压泵的共轨高压喷射系统可以提供极为精确的燃油, 而且生成非常适合发动机点火的工作压力, 汽油则通过喷油器直接以高压喷入气缸内部, 缸内的特殊设计以及极为精准的计算使其压缩比得到了大大的提高, 从而造就了这种先进的能够在市场独领风骚的新型发动机。在进气方面, 大众的新型TSI发动机使用先进的进气控制翻板阀来控制气体的需求量, 进一步增加了发动机充气的效率, 对功率也进一步进行提升, 使得发动机的性能更加先进。
4 维修技术
汽油直喷系统的主要故障集中在三个方面: (1) 燃油系统压力不正常故障 (包括偏高或偏低) 。故障现象又包括发动机无法启动、动力不足及输出转速受限和发动机的运转声音大等, 其原因主要是有低压油路压力不足, 高压油路压力偏低或偏高等引起的; (2) 喷油嘴喷油不良的故障。故障现象有怠速不稳, 加速时汽车偶尔发冲, 其原因主要是由喷油嘴喷油不畅而导致喷油量不足、不喷油和喷油嘴卡滞滴漏等问题引起; (3) 汽油品质差导致的故障。故障现象有怠度不稳、加速不畅、尾气排放灯亮。由于直喷发动机对油品的要求较高, 使用汽油的品质不良而造成发动机早燃、爆震等故障。
5 结语
该文以大众TSI为例, 从结构、工作原理、设计技术、维修技术上对汽车发动机直喷技术作了简要分析。目前, 石油等非再生资源由于发掘开采过多, 已经越来越稀少, 人们对汽车充分燃烧率的要求也越来越高, 在这种环境下, 直喷技术也得到越来越广泛的发展。这种技术的发展, 对国内外的发动机也带来一场革命性的风暴, 代表着未来发动机的方向, 在以后一段时间内将得到蓬勃发展, 并将广泛应用于汽车行业。
摘要：近年来, 随着汽车产量的不断增加, 能源、环境、安全问题的日益严峻, 人们对汽车发动机技术的研究在不断探究, 汽油发动机直喷技术就是将汽油升为高压后直接喷入气缸内与空气混合的技术。其工作效率得到了很大提高, 并有效降低油耗、提高发动机功率。汽油在气缸中混合的更加均匀, 点火燃烧将更加充分, 达到更高效率的能量转化, 进一步达到提高功率、节能、环保的目的。:该文主要从结构、工作原理、设计技术、维修技术上对汽油发动机直喷技术进行分析, 并导入大众汽车TSI发动机为案例进一步详细阐述。
关键词：直喷技术,发动机,TSI
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浅谈汽油机缸内直喷技术 篇2
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
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汽油直喷 篇3
缸内直喷汽油机缸内的气流运动对燃油雾化、混合气形成以及燃烧整个过程有着重要的作用,并直接影响着发动机的性能和排放水平[1]。可变涡流直喷汽油机利用气道和气门产生较强的进气流动,使缸内形成大尺度的轴向气流来阻止燃烧,使发动机动力性、经济性得到改善[2,3,4],其中绕气缸中心线垂直方向旋转的大尺度涡旋,称为滚流。研究表明,较大的滚流强度可以加快缸内的燃油雾化速度,有助于在点火时刻形成浓度均匀的混合气[5];滚流强度与点燃时刻火花塞间隙处的紊流水平存在关联性,合适的滚流强度有助于促进混合气快速而稳定地燃烧[6]。
本文利用粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)系统对一台四气门缸内直喷发动机可变滚流进气系统进行稳态测量,分析总结了滚流调节阀不同状态下气缸轴线平面和水平方向平面的缸内流场分布规律,可为直喷汽油机可变滚流燃烧系统设计提供参考依据。
1 可变滚流进气道滚流调节原理
图1是直喷汽油机可变滚流进气系统示意图。可变滚流进气系统由装有滚流调节阀的进气管以及带挡板的进气道组成。进气滚流调节阀安装在进气道末端,设计为簸箕形,由集成在进气管上的真空元件控制其开启,进气挡板安装在发动机缸盖进气道内,为平板设计。当滚流调节阀关闭时,如图2a所示,缸内产生一定强度的滚流;当滚流调节阀开启时,如图2b所示,进气道流通面积增大,有利于增大进气量。
(a)滚流阀关闭 (b)滚流阀开启
2 实验平台
2.1 PIV粒子图像测速实验平台
直喷汽油机可变滚流进气系统稳态实验平台如图3所示,系统主要由可变滚流稳态进气系统、粒子图像测速(PIV)系统、粒子发生器以及漩涡气泵组成。可变滚流稳态进气系统如图4a所示,主要由缸盖、气门调节器、石英管、压力表,稳压箱组成。为了测量气缸内部气流运动,采用与气缸内径相同的石英管模拟缸孔;稳压箱底部设有玻璃视窗用于对气缸内部水平截面的气流进行测量;气泵最大流量为170m3/h,配备交流变频器可在最大流量范围内调节空气流量。
PIV系统主要由片光源系统、图像采集系统、同步系统和控制平台组成。片光源系统以双腔谐振脉冲式激光器为光源,单脉冲最大能量为260mJ,脉冲频率为1～15Hz。图像采集系统采用分辨率为2048pixel×2048pixel的CCD相机,以12位灰度识别示踪粒子,最大采集速度为17帧/秒。
图4所示为速度场测量区域示意。其中竖直测量截面为经过气缸轴线的对称轴平面,如图4a所示。本文研究的四气门汽油机进气系统呈现轴对称特点,研究该平面的流场分布有助于掌握可变滚流进气系统的气流运动特点[7,8],竖直测量截面为长72mm、高度为110mm的长方型区域;水平测量区域为直径为82.5mm的圆形区域,直径与发动机缸径相同。
2.2 发动机主要参数及实验条件
本文的研究对象是一台增压四气门缸内直喷汽油机,发动机参数见表1,滚流比为缸盖稳流气道实验台测量值。为了研究不同参数对可变滚流进气系统的影响,设定不同实验工况对稳压箱压力、进气门升程以及滚流阀开启状态进行调节:其中进气门升程选取大开度h=8mm、中开度h=6mm以及小开度h=2mm;滚流阀选取开启、关闭状态;参考AVL公司发动机气道实验台标准,在滚流阀开启时,进气门大开度和中开度选择稳压箱相对压力为-2000Pa;相同气门升程下保持气泵功率不变,得到滚流阀关闭状态的稳压箱相对压力;进气门升程选择小开度时,关闭滚流阀对稳压箱的相对压力影响不大,气泵功率设定值与气门大开度时一致,具体实验工况设定见表2。
3 PIV测量结果及分析
3.1 测量截面内速度场平均值的获取
为了减小随机误差的影响,本文对每个工况均采样250次瞬态测量值,然后经过平均得到平均测量值,图5a所示为竖直平面速度场瞬态测量值;图5b所示为经过250次瞬态测量值平均化的竖直平面速度场平均值。从图5可以明显看出气流速度的分布特点,气流沿右侧排气门下方缸壁速度较大,气门下方进气流速较小。
3.2 气缸轴线平面上的流场分布
图6、图7所示为进气门在大开度h=8mm时,滚流阀开启、关闭状态下的缸内速度场分布。不同滚流阀状态下的缸内速度场分布差别较大,滚流阀打开时,缸内气流沿两侧缸壁流下,其中右侧的流动速度较大,中上部存在气流速度较低区域;滚流阀关闭时,气缸右侧的气流达到最大,其余区域的气流流动速度较慢,说明滚流阀关闭时,进气流从沿缸孔两侧流动逐渐改变为主要沿右侧排气门下方流动,流动区域减小,同时流动速度增大。
图8、图9所示为进气门在中开度h=6mm时,滚流阀不同状态下的缸内速度场分布。与大开度时的气流状态相似,滚流阀关闭时大部分气流从测量截面右侧流下,同时气流速度明显增大。
图10、图11所示为进气门在小开度h=2mm时,滚流阀不同状态下的缸内速度场分布。在小开度时,气流主要在右侧下方缸壁附近流动,尽管稳压箱相对压力增加到-4300Pa,但流速总体偏小,最大值仅有14m/s,主要原因是较小的气门升程增大了进气节流作用。在进气门开度小时,滚流阀关闭时速度分布与滚流阀开启时基本相似,表明在进气门开度小时,关闭滚流阀对进气流动的影响很微弱。
图12、图13所示分别为在y=74.75mm的水平测量截面上,垂直方向和水平方向的速度分量分布。图中规定垂直方向上速度分量向上为正,水平方向上速度分量向右为正。
如图12所示,在滚流阀打开时,在垂直方向上缸内气流的速度向下,并呈现出两侧速度大、中间速度小的特点,表现为气流从进气门两侧流入,气门下方的速度最小。如图13所示,在测量截面的右侧,气流水平方向速度向左,绝对值较大,最大值达到10m/s左右;在测量截面的左侧,气流水平速度方向向右,最大值为5m/s。总体来看,气缸左侧的气流指向右下方,右侧气流指向左下方,在气缸内部分别形成逆时针和顺时针的两个大尺度滚流。在中开度h=6mm时,右侧水平速度绝对值明显大于大开度h=8mm时的测量值,表明顺时针滚流趋势更明显。
滚流阀关闭时,左侧截面内的水平速度分量基本上在零左右,只有右侧截面指向左侧的水平速度。同时测量截面左侧的轴向速度方向向上,右侧的轴向速度方向向下,最大值可以达到40m/s,是滚流阀开启时的两倍,表明缸内出现了较强的顺时针方向的气流运动趋势。
图14、图15所示分别为y=74.75mm的水平测量截面上,水平和垂直方向的脉动速度分量。当滚流阀关闭时,两个方向的速度脉动值在较大的区域内都小于滚流阀开启状态时的速度脉动值,主要的原因是这时大部分气流均从测量截面右侧流入,左侧气流运动速度较小,两侧气流相互碰撞、挤压较少,导致速度的脉动变化较小。在进气过程中气流间的相互作用越小,进气流动的能量损耗越小,越有利于在压缩过程后期仍保持较高的进气动能[9,10]。
3.3 气缸水平切面上的流场分布
滚流阀的状态变化对气缸水平截面的速度场分布也有较大影响。图16～图19为进气门升程h=8mm和h=6mm时的水平截面流场分布图。
可以看出,在不同进气门升程下,气缸水平截面上流场基本呈左右轴对称分布。在滚流阀打开时,整个水平截面区域内气流速度较平均,最大可达到13m/s,当滚流阀关闭时,水平截面区域内仅有上部区域存在较强的气流运动区域,速度可达到11m/s,下部区域的速度值均保持较低流速,仅有3m/s。这与竖直截面内滚流阀对速度场分布的作用相似,滚流阀关闭使得气流主要在排气门一侧的气缸内流动,进气侧的气流速度很小。
4 结论
(1)缸内直喷汽油机可变滚流系统通过滚流阀的开启与关闭改变缸内气流运动状态,缸内空气运动主要是绕气缸轴线垂直方向旋转的滚流运动。
(2)滚流阀打开时,气流沿进气门、排气门两侧缸壁流下;滚流阀关闭时,缸内高速气流区域减小,进气门侧的流速减弱,排气门侧的流速明显增强,出现了较强的顺时针方向的气流运动趋势。
(3)滚流阀关闭时,大部分气流从排气门侧流入,气流相互碰撞、挤压的过程较少,使缸内气流速度脉动值在较大的区域内都小于滚流阀开启状态时的速度脉动值。
(4)气门处于小开度时,进气节流较大,改变滚流阀状态对改变缸内进气流动的影响很微弱。
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汽油直喷 篇4
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
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汽油机缸内直喷的特点及应用分析 篇5
当前, 随着能源资源的短缺, 环境问题越来越突出, 人们对环境的保护越来越重视, 国家对环境保护的要求越来越严格, 汽车作为现代的一种重要的交通工具, 人们对其关注度也越来越高。从改革开发到现在, 我国汽车保有量不断增加, 汽车排出的污染物所占的比例也越来越高, 因此, 如何降低汽车的排放物已经成为当下汽车技术研究的一个重要课题。发动机供油系统作为发动机的一个重要组成部分, 就是发动机的唯一食物。当前, 随着科技的发展, 汽车的各项技术也在不断的改良, 相对于在排气部分进行改良, 把废气中的污染物进行还原催化的被动式降低污染物的含量, 通过改进发动机的喷油技术更能体现出发动机的动力性和燃油经济性。
1 汽油机缸内直喷技术的发展
1996年, 日本三菱公司率先成功研制出汽油直喷发动机, 缸内直喷技术 (也称为GDI) 得到了快速的发展, 目前, 丰田、福特、奔驰、日产、奥迪、本田、雷诺、别克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。安装于气缸内的燃油喷器直接将燃油喷入气缸内, 并在气缸内与空气形成混合气。由于燃油喷射压力的提高, 使燃油雾化更加优良, 使混合气的比例更加合理, 从而使一些在进气管喷射存在的缺点消失, 因此缸内直喷越来越广泛应用于汽油车特别是高端品牌的豪华车的发动机上。
2 缸内直喷系统的构成
缸内直喷系统的主要组成部件有:燃油箱、电子燃油泵、燃油滤清器、燃油量调节电磁阀、燃油压力调节阀、高压燃油泵、高压燃油管、燃油分配管、燃油压力传感器、燃油压力调节电磁阀和高压喷射电磁阀 (喷油嘴) 。
电子燃油泵 (低压燃油泵) 把燃油从油箱输送到高压燃油泵, 高压油泵由发动机凸轮轴驱动, 将低压燃油泵输入的燃油压力由约0.35MPa增高到8MPa~12MPa, 并送往燃油分配管, 充满各缸喷油器的油腔。当ECU命令喷油器的电磁线圈通电时使针阀打开, 汽油通过喷嘴喷入气缸。
3 缸内直喷系统的特点
缸内直喷有以下特点:
1) 由于汽油直接喷射, 使缸内充量得到冷却, 可以使用较大的压缩比, 部分负荷燃油消耗率可以降低;
2) 与缸外喷射系统汽油机相比, 由于提高了燃油雾化质量和降低了泵气损失, 功率可以增加;
3) 缸内汽油直接喷射发动机可大幅降低CO2、CO、HC及NOx的排放。缸内直接喷射发动机比一般喷射发动机能够更省油及输出功率高的原因如下:低负荷时, 利用层状气体分布, 压缩行程末期喷射的燃料被进气涡流及活塞顶部的球形曲面保持在火花塞附近, 为易于点燃的最佳混合气, 而周围则为空气层, 整个燃烧室内的超稀薄空燃比仍能稳定燃烧, 达到省油效果;
4) 怠速转速可设定在较低值。进气行程就开始喷油, 燃料汽化的吸温冷却效果, 使空气密度增加, 可提高容积效率, 故比一般喷射发动机的输出功率高;
5) 直接喷入汽缸中燃油的汽化作用, 降低空气温度, 发动机不易爆震。
4 缸内直喷系统存在的问题
1) 稳定性燃烧控制, 汽油直喷发动机采用分层燃烧, 其在不同层面混合气浓度有差别, 因此要控制不同层面的混合气稳定燃烧具有相当大的难度;
2) 控对密封元件的要求更高, 由于缸内直喷系统是建立在高油压的前提下的, 因此对系统件中各元件的冲击也相当大, 尤其是密封圈;
3) 对喷油嘴的要求更高。不同于传统的进气歧管喷射, 缸内直喷发动机的喷油嘴是直接安装在气缸内, 由于缸内温度高、压力时高时低、混合气的烧烧不充分等等因素的存在, 因此, 喷油嘴应当有良好的耐高温性并配有具有一定耐高温能力的密封件。
5 缸内直喷发动机的应用
1) 缸内直喷发动机在本田车上的应用
2003年, 通过融合动力性能优异的DOHC i-VTEC发动机所独有的中心喷射系统, 本田车开发出了首个汽油直喷发动机“2.0L DOHC i-VTEC I发动机”, 其实现了低油耗、清洁尾气排放, 以及高率性能的高度结合。
“DOHC i-VTEC I”气缸内直喷式汽油发动机, 由于是采用了高度智能化版本的VTEC发动机, 因此它的气门动作可以停止, 获得了对气门进行的最佳控制, 同时喷油器安装在气缸的中心位置并结结气体流动而设置的活塞模型, 使发动机实现了超稀薄燃烧, 在实现动感行驶的同时达到了低油耗。
2) 缸内直喷发动机在别克车上的应用
2010年别克新君威2.0T引进了了缸内直喷发动机, 将燃油的喷射控制点尽可能地靠近点燃位置来获得更为优秀的燃烧效率。通过直喷技术与涡轮增压的配合, 2.0T最大功率提升到162千瓦, 与老款君威想比较, 实现了惊人的50%提升。其主要参数如下表。
6 结论
虽然发动机缸内直喷技术在其发展的过程依然存在这样或那样的问题, 例如生产成本、制造工艺、燃烧控制等, 但在当前环境污越来越引起人们的重视, 国家的法律法规对汽车尾气排放越来越严格, 要求越来越高, 能源危机越来越严重, 燃油价格越来越高等等因素都为缸内直喷发动机的发展提供了动力, 缸内直喷发动机必将最终取代进气歧管喷射发动机成为车辆的标准配置。
摘要：随着能源危机的日益加剧和排放法规的日益严格, 汽车发动机的动力性和燃油经济性越来越受到重视, 因此, 如何用最少的油跑最远的路已成为现代汽车发展的一个新思路。本文主要从燃油供给系统方面谈一下汽油机缸内直喷的特点及应用。
关键词：缸内直喷,汽油发动机,特点,高压油
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[3]杨世春, 等.缸内直喷汽油机技术发展趋势分析.车用发动机, 2007 (5) :10.
汽油直喷 篇6
高压燃油泵是GDI系统的核心部件, 与传统的进气道喷射 (PFI) 系统相比, GDI系统配合增压技术以及发动机小型化可改善燃油经济性达15%, 提升动力与扭矩并降低排放。为了应对日益严格的排放标准, 汽车需要采用小型化的涡轮增压发动机来减少二氧化碳排放量和油耗, 汽油直喷是实现这一目标的关键促成技术。
“GDI的应用市场正在迅速增长:从2010年全球约500万台发动机到2020年预期3 700万台发动机。这意味着2020年全球大约半数汽油发动机都将采用GDI技术。”德尔福汽油发动机管理系统业务部全球副总裁昆仑凯文 (Kevin Quinlan) 表示, “随着GDI系统在中国的投产, 德尔福为本地市场带来了世界领先的技术, 同时进一步增强了德尔福中国的本地化制造和工程能力。我们在技术上的不断投入, 深化了德尔福对中国及亚太地区客户的本地化支持, 使我们能够为客户提供更具性价比的解决方案。”
直喷式汽油机缸内浓度场数值模拟 篇7
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
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