缸内直喷技术

燃油由喷嘴直接喷入缸内的技术

缸内直喷又称FSI(Fuel Stratified Injection)，即燃料分层喷射技术，将燃油由喷嘴直接喷入缸内。该技术可以进一步提高汽油机热效率与降低汽油机排放。这套由柴油发动机衍生而来的科技已经大量使用

工作原理

FSI技术采用了两种不同的燃烧模式,即均质然烧模式和分层燃烧模式。均质燃烧模式是指在进气行程后期向燃烧室内喷入燃油，在进气行程与压缩行程中完成与空气的充分混合，并在点火时刻使缸内形成较为均匀的混合气，确保稳定点火。分层燃烧模式是指在压缩行程喷入燃油，随着压缩行程的进行，燃油与空气混合，直至点火时刻，从火花塞处至缸壁，燃油浓度由浓到稀，保证有效点火，火焰传播也正常，从而提高燃油经济性。

直喷发动机燃油和空气混合主要有三种方式,即喷射引导、壁面引导和气流引导,具体见图中a、b、c 所示。发动机的喷油器设计在缸盖顶部,火花塞设计在发动机的侧面,此种方式称为喷射式引导,在火花塞周围易形成较浓的混合气,这种布置方式比较适合于分层稀薄燃烧,具有较好的燃油经济性。壁面引导方式是喷油器侧置,火花塞顶置,通过活塞顶部的特殊形状引导油束运动并与空气混合,此种方式可以在火花塞周围形成较大面积的可燃区域。气流引导方式同样采用喷油器侧置、火花塞顶置的形式,利用进气时形成的滚流强化油气混合。壁面引导方式和气流引导方式结构形式相似,多用于均质燃烧模式,可以由传统的 PFI 发动机转化而来,可以实现与 PFI 发动机共用燃烧室及缸盖毛坯,进而实现发动机的平台化和模块化。

技术优势

缸内直喷发动机与进气道喷射发动机相比有如下优势：

1、大负荷或全负荷工况时,缸内直喷发动机在进气行程中将燃油喷入燃烧室,由于油束的移动速度小于活塞的下行速度,使得油束周围的压力较低,燃油迅速扩散蒸发,进而形成均质燃烧混合气。

另外,燃油蒸发吸收热量使缸内温度降低,增强了抗爆震性能。因此缸内直喷发动机可以用较高的压缩比,提高了发动机的热效率，一般可提高至 11~14。另外由于缸内温度降低,提高了充量系数,可发出较大的功率。当发动机在低负荷运行时,在压缩冲程时刻进行燃油喷射,利用缸内滚流的运动促进油气混合,最后在火花塞电极附近形成适宜点火的油气,并且油气浓度在整个燃烧室内呈现梯度分布,可实现较大的空燃比,从而提高发动机的经济性。同时,分层燃烧模式使燃烧发生在燃烧室的中心区域,燃烧被周边的空气隔绝,降低了热量损失,进一步降低了燃油消耗率。

2、缸内直喷发动机在中、小负荷工况时采用分层燃烧模式,燃油浓度梯度呈现梯度分布,即在缸壁附近分布的大部分是空气,有效地防止了热量传递给缸体水套,提高了燃烧的热效率。

3、进气道喷射发动机在冷起动过程中,缸内温度低,油气蒸发不完全,致使实际喷油量远远超过了按理论空燃比计算得到的喷油量,而且在冷起动时易出现失火或不完全燃烧现象,使 HC排放增加。相反,缸内直喷技术发动机可以精确的控制每个循环的空气与燃油比例,结合分层燃烧直接起动技术,可以降低冷起动时的 HC 排放,瞬态响应好。

4、缸内直喷发动机采用质调节,根据各缸的实际需求进行燃油喷射,可减少各缸之间的差异,提高各缸均匀性,一般与进气道喷射汽油机相比缸内直喷发动机的各缸均匀性可以控制在 3%以内。

关键部件

气缸盖

气缸盖是 GDI 发动机的关键部件,尤其是缸盖中燃烧室部分及气道结构对气流运动、混合气形成、火焰传播等起着至关重要的作用。

进气管

对于采用分层燃烧模式的GDI发动机,为了增加进气充量及增强进气滚流,不但对进气管的管径、管长、谐振腔的容积有特殊的要求,而且往往增加可变滚流和可变管长等结构。这样不但进气管结构变得复杂,制造成本较高,而且性能开发和匹配标定的难度也较大。而对于同时采用涡轮增压的缸内直喷发动机来说,由于进气增压的作用,在发动机大部分工况下进气管内均为正压,一般可达 0.2MPa 左右,对进气管的强度要求高,同时发动机本体或整车需要另外增设真空泵满足系统对真空度的需求。

高压油泵

GDI 发动机的喷油压力一般在 10-15MPa 左右,以保证燃油雾化质量及合适的贯穿距离。高压油泵一般由安装在进气凸轮轴上的 4 山凸轮驱动,升程在 2.5-4mm 之间,升程对高压油泵的选择十分重要,直接影响着冷起动时直喷系统的建压时间,升程需根据发动机性能需求、滚轮挺柱寿命、驱动凸轮型线及制造工艺等因素综合设计,一般 3.5mm 左右的升程即可满足使用需求。

喷油器

喷油器是直喷系统的核心部件,喷油器在燃烧室内的布置方式、喷嘴结构形式、油束的喷雾形状都直接影响燃油的雾化、油气混合及燃烧过程,最后影响发动机的性能。另外喷油器喷嘴置于燃烧室内,受燃油品质量影响较大。如果燃油的油品质不好,燃烧不充分,极易生成积碳并堵塞喷嘴,影响喷雾质量及喷油器自身的寿命。

活塞

缸内直喷发动机的活塞顶面形状对燃烧室内气流的运动及混合气的形成有很大的影响,因此缸内直喷发动机都将活塞作为关键部件进行重点的设计和开发。无论是壁面引导、气流引导还是喷射引导,都需要特殊的活塞顶面凹坑相适应,从而达到较为理想的油气混合效果,形成油气浓度的均质分布或梯度分布,保证燃烧的顺利进行。

问题及难点

燃烧系统

燃烧系统的开发是 GDI 发动机开发的核心部分,如何提高容积效率,增强系统的抗暴性,并能够实现高效的、快速的燃烧,同时兼顾在分层燃烧模式和均质燃烧模式下的燃烧稳定性,对 GDI 发动机的燃烧室形状、喷雾形态及气流组织等方面提出了更高的要求。

燃油系统

GDI 发动机燃油喷射压力在 10-15MPa 左右,最大可达 20MPa,远高于 PFI 发动机 0.3-0.4MPa 的燃油喷射压力,对高压油轨的材料和可靠性要求较高。另外喷油器直接深入燃烧室内,工作温度在 500-1100℃,而喷嘴的孔隙为微米级,汽油中硫燃烧形成的硫酸盐类化合物及芳香烃燃烧不完全形成的黑色碳烟易堵塞喷嘴,影响雾化效果,加大喷油噪声。同时燃油系统压力高,各部件的磨损增加,导致润滑效果下降。

排放及后处理系统

GDI 发动机采用分层燃烧模式时,由于在压缩行程后期喷入燃油,燃油和空气没有足够的时间进行混合,使得燃油蒸发慢,同时形成的可燃混合气在燃烧室内分布很不均匀,存在部分区域的油气浓度偏大,进而在这些区域产生的 NOx 增加。另外,GDI发动机的大部分运行工况都处于部分负荷,燃烧经常在过量空气系数较大的条件下进行,导致排气中含氧量较多且排气温度较低,在中、小负荷时 HC、颗粒排放物增加,三元催化器达不到最佳的转化温度,对氮氧化物的转化效率低,难以满足严格的排放法规。

电控系统及标定

GDI 发动机对电控系统要求高,为了达到均质燃烧或分层稀薄燃烧所要求的喷雾质量、灵活的喷油定时和点火正时,实现不同燃烧模式下转矩的平顺过度,需采用精度高、响应快的柔性控制策略,开发和标定难度大,标定周期长,一般需要 8-10 个月。

增压系统

对于匹配有涡轮增压器的 GDI 发动机,进气经废气涡轮强制性增压后,压缩过程和燃烧时,燃烧室的温度和压力都会大幅增加,爆燃倾向增大,而降低压缩比又会造成燃烧不充分,性能指标下降;另外由于发动机转速高,空气流量变化较大,易造成涡轮增压器反应迟滞,致使低转速工况动力性不足,同时涡轮易积碳,增加噪声及影响可靠性。

不规则燃烧现象

采用增压直喷技术后,发动机的热负荷和爆发压力相比 PFI 自然吸气发动机有大幅提高,爆震倾向加大。同时也存在扩散燃烧现象和早燃现象,扩散燃烧引起碳烟排放,而早燃则引起破坏性更强的超级爆震,这些都需要在开发中引起关注。

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