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汽油機缸內直噴技術的研究現狀及技術難點
2019-10-24
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1、GDI發動機的技術現狀
1.1、燃油供給和噴射系統
現代的GDI發動機燃油供給系統均采用了精度高、響應快的柔性電控手段。高壓共軌噴射系統加電磁驅動噴油器被認為是滿足缸內靈活噴射要求的噴射系統之一。該系統由低壓輸油泵、燃油壓力傳感器、噴油壓力控制閥、高壓油泵、蓄壓燃油軌、噴油器等組成。
燃油噴射系統中，噴油器的結構形式對噴霧質量的影響很大。目前在GDI發動機上得到廣泛應用的是內開式旋流噴油器，只有一個噴孔，工作油壓為5.0-10MPa，其內部設有燃油旋流腔，它可以通過渦流比的選擇而實現較好的噴霧形態和合適的貫穿度的配合，且噴束方向便于調整，方便了在氣缸內的布置。
1.2、噴射模式
GDI發動機燃油噴射模式可以分為單階段噴射模式和多階段噴射模式。單階段噴射模式是指在中小負荷時，燃油在壓縮行程后期噴入，實現混合氣分層稀燃并采用質調節以避免節流閥的節流損失，從而使GDI汽油機達到與柴油機相當的經濟性；在大負荷和全負荷時，燃油在進氣行程中噴入氣缸，實現均質預混合燃燒，以保持汽油機升功率高的特點。多階段噴射模式是指在進氣行程中先噴入所需燃料的1/4，形成極稀的均質混合氣，其余燃料在壓縮行程后期再次噴入，形成分層混合氣。應用該技術可實現發動機從中小負荷到大負荷的平穩過渡，降低氣缸內的氣體溫度，抑制爆燃的產生。
1.3、燃燒系統
GDI發動機燃燒系統按噴油器和火花塞的相對位置和混合氣的組織形式可以有3種類型：(1)噴束引導法。燃油噴嘴靠近火花塞布置，火花塞位于燃油噴束的邊緣，這種方式的優點是確保當整個燃燒室內為稀薄混合氣時，火花塞周圍仍能形成可供點火的混合氣濃度。福特、本田公司生產的某些機型采用這種燃燒系統。(2)壁面引導法。燃油噴嘴遠離火花塞布置，利用特殊形狀的活塞表面配合氣流運動，將燃油蒸氣導向火花塞并在火花塞間隙形成合適濃度的混合氣，如三菱、豐田、日產等公司開發的機型。(3)氣流引導法。同樣是燃油噴嘴遠離火花塞，利用缸內有組織的氣流運動來達到上述目的。FEV、AVL公司開發的方案采取這樣的燃燒系統。
1.4、缸內空氣運動的組織
GDI發動機缸內空氣的運動有渦流、滾流和擠流。目前大部分GDI發動機應用渦流作為缸內空氣運動的主要形式，其特點是持續時間長，在缸內的徑向發散少，對保持混合氣的相對集中和分層有利，可以充分利用它來維持壓縮沖程中的混合氣分層。但利用渦流來促進油氣混合有一個操作范圍限制。此外，渦流比過高還會由于離心力的作用使油滴甩向缸壁，造成濕壁現象的增加。近年來，日本三菱汽車公司對滾流在GDI發動機中的應用做了大量的試驗研究，結果顯示，在壓縮行程的后期，滾流能夠有效地增加靠近缸壁處的氣體流動速度，從而可以促進粘附在缸壁上的油滴快速蒸發，也可利用滾流和活塞頂部的凹坑相配合將分層混合氣導向火花塞，控制油束碰撞和火焰傳播，從排氣側到進氣側的擠流還能提高燃燒速度。
2、存在問題及前景展望
制約GDI發動機發展的主要技術難點是排放問題。
1.1、燃油供給和噴射系統
現代的GDI發動機燃油供給系統均采用了精度高、響應快的柔性電控手段。高壓共軌噴射系統加電磁驅動噴油器被認為是滿足缸內靈活噴射要求的噴射系統之一。該系統由低壓輸油泵、燃油壓力傳感器、噴油壓力控制閥、高壓油泵、蓄壓燃油軌、噴油器等組成。
燃油噴射系統中，噴油器的結構形式對噴霧質量的影響很大。目前在GDI發動機上得到廣泛應用的是內開式旋流噴油器，只有一個噴孔，工作油壓為5.0-10MPa，其內部設有燃油旋流腔，它可以通過渦流比的選擇而實現較好的噴霧形態和合適的貫穿度的配合，且噴束方向便于調整，方便了在氣缸內的布置。
1.2、噴射模式
GDI發動機燃油噴射模式可以分為單階段噴射模式和多階段噴射模式。單階段噴射模式是指在中小負荷時，燃油在壓縮行程后期噴入，實現混合氣分層稀燃并采用質調節以避免節流閥的節流損失，從而使GDI汽油機達到與柴油機相當的經濟性；在大負荷和全負荷時，燃油在進氣行程中噴入氣缸，實現均質預混合燃燒，以保持汽油機升功率高的特點。多階段噴射模式是指在進氣行程中先噴入所需燃料的1/4，形成極稀的均質混合氣，其余燃料在壓縮行程后期再次噴入，形成分層混合氣。應用該技術可實現發動機從中小負荷到大負荷的平穩過渡，降低氣缸內的氣體溫度，抑制爆燃的產生。
1.3、燃燒系統
GDI發動機燃燒系統按噴油器和火花塞的相對位置和混合氣的組織形式可以有3種類型：(1)噴束引導法。燃油噴嘴靠近火花塞布置，火花塞位于燃油噴束的邊緣，這種方式的優點是確保當整個燃燒室內為稀薄混合氣時，火花塞周圍仍能形成可供點火的混合氣濃度。福特、本田公司生產的某些機型采用這種燃燒系統。(2)壁面引導法。燃油噴嘴遠離火花塞布置，利用特殊形狀的活塞表面配合氣流運動，將燃油蒸氣導向火花塞并在火花塞間隙形成合適濃度的混合氣，如三菱、豐田、日產等公司開發的機型。(3)氣流引導法。同樣是燃油噴嘴遠離火花塞，利用缸內有組織的氣流運動來達到上述目的。FEV、AVL公司開發的方案采取這樣的燃燒系統。
1.4、缸內空氣運動的組織
GDI發動機缸內空氣的運動有渦流、滾流和擠流。目前大部分GDI發動機應用渦流作為缸內空氣運動的主要形式，其特點是持續時間長，在缸內的徑向發散少，對保持混合氣的相對集中和分層有利，可以充分利用它來維持壓縮沖程中的混合氣分層。但利用渦流來促進油氣混合有一個操作范圍限制。此外，渦流比過高還會由于離心力的作用使油滴甩向缸壁，造成濕壁現象的增加。近年來，日本三菱汽車公司對滾流在GDI發動機中的應用做了大量的試驗研究，結果顯示，在壓縮行程的后期，滾流能夠有效地增加靠近缸壁處的氣體流動速度，從而可以促進粘附在缸壁上的油滴快速蒸發，也可利用滾流和活塞頂部的凹坑相配合將分層混合氣導向火花塞，控制油束碰撞和火焰傳播，從排氣側到進氣側的擠流還能提高燃燒速度。
2、存在問題及前景展望
制約GDI發動機發展的主要技術難點是排放問題。
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