新型薄燃汽油燃燒模式的研究

新型薄燃汽油燃燒模式的研究

隨著能源供求量的增加，人們更加重視汽車燃料的燃料經(jīng)濟(jì)性，采取了許多有效措施。其中，薄焦汽油工具的使用是提高汽油工具油耗的重要手段。所謂稀薄燃燒指的是發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際空燃比大于理論空燃比的情況下的燃燒,它可以使燃料的燃燒更加完全,同時(shí),輔以相應(yīng)的排放控制措施,汽油機(jī)的有害排放物CO、HC……,將大大地減少,汽油機(jī)稀薄燃燒包括進(jìn)氣道噴射稀燃系統(tǒng)(PFI:HighPressureInjection)、直接噴射稀燃系統(tǒng)(GDI:GasolineDirectInjection)和均質(zhì)混合氣壓燃系統(tǒng)(HCCI:HomogeneousChargeCompressionIgnition)。近年來,國外各大汽車廠商都在積極研究開發(fā)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)技術(shù)GDI。其中日本三菱公司于1996年應(yīng)用傳統(tǒng)渦旋式噴油器和逆向滾流技術(shù),成功地開發(fā)了第一套商業(yè)用GDI系統(tǒng);德國大眾于2000年向市場投放了FSI(FuelStratifiedInjection)型缸內(nèi)直噴汽油機(jī);2001年標(biāo)致雪鐵龍開發(fā)了HPI,缸內(nèi)噴射系統(tǒng)。豐田公司推出D-4型直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)。相比而言,國內(nèi)對汽油機(jī)缸內(nèi)直接噴射技術(shù)的研究起步晚,存在較大的差距。1燃油系統(tǒng)優(yōu)化傳統(tǒng)的汽油機(jī)在空燃比達(dá)到15,甚至更高以后,就可能出現(xiàn)點(diǎn)火困難或不點(diǎn)火現(xiàn)象,反而使發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)降低、排放惡化。為了實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒,必須使燃燒室內(nèi)形成分層氣流,使火花塞周圍形成較濃的混合氣,在遠(yuǎn)離火花塞處則形成較稀的混合氣,為了達(dá)到上述要求,該公司對汽油機(jī)主要做了如下改動(dòng):(1)進(jìn)氣道由傳統(tǒng)形狀改為螺旋式,在進(jìn)氣口處設(shè)置蝶形渦流閥,使氣流形成較強(qiáng)的渦流,流動(dòng)更為合理,有利于火花塞點(diǎn)火及火焰的迅速傳播。(2)采用無級調(diào)節(jié)氣門定時(shí)系統(tǒng)“VVT-i”,可改變進(jìn)氣門定時(shí)角20°,以滿足不同工況、不同轉(zhuǎn)速下的進(jìn)排氣效應(yīng),從而保證汽油機(jī)在各種工況下都能穩(wěn)定地工作。(3)加裝燃燒壓力傳感器。汽油機(jī)的壓縮比在提高到10以上時(shí),為了防止汽油機(jī)出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象,在燃燒室內(nèi)加裝了燃燒壓力傳感器,使燃燒室內(nèi)的燃燒狀態(tài)及時(shí)反饋到ECM(電子控制器),ECM根據(jù)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)對噴油及點(diǎn)火進(jìn)行調(diào)整,使汽油機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)均保持在最佳狀態(tài)。(4)采用大口徑噴油器,通過提高燃油系統(tǒng)壓力,使燃油能在設(shè)定時(shí)刻準(zhǔn)確無誤地充分噴入燃燒室內(nèi)。(5)氧傳感器的重新研究開發(fā)。為了保證燃燒的穩(wěn)定性,稀薄燃燒系統(tǒng)對進(jìn)氣渦流的組織、噴油定時(shí)和各工況下的空燃比控制都提出了嚴(yán)格的要求。目前,安裝有三元催化轉(zhuǎn)換器的車用汽油機(jī)一般采用氧傳感器進(jìn)行閉環(huán)反饋控制,即將發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比控制在當(dāng)量空燃比附近,來保證三元催化轉(zhuǎn)換器的正常工作。而稀薄燃燒要求對各工況下的目標(biāo)空燃比進(jìn)行調(diào)節(jié),其目標(biāo)空燃比并不僅僅在當(dāng)量空燃比附近,因而必須采用測量范圍較寬的新型氧傳感器,通過PID(比例-積分-微分)調(diào)節(jié)來對空燃比進(jìn)行閉環(huán)反饋控制。(6)目前,日本豐田、三菱、本田,美國福特,德國奔馳等許多國外汽車公司和研究機(jī)構(gòu)都開發(fā)了比較成熟的缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)(GDI)機(jī)型和產(chǎn)品。這些缸內(nèi)直噴機(jī)型,除了福特、Fiat、lsuzu等生產(chǎn)的少數(shù)機(jī)型仍采用單一的均質(zhì)預(yù)混燃燒模式外,大都根據(jù)汽油機(jī)的不同工況而采用了不同的混合燃燒模式。廣泛使用的是內(nèi)開式螺旋噴油器,中小負(fù)荷區(qū)域,通過壓縮行程后期噴油和燃燒系統(tǒng)的合理配合,形成分層稀薄快燃的混合氣;而在大負(fù)荷和全負(fù)荷工況下,通過在進(jìn)氣行程中較早地把燃油噴入氣缸,在點(diǎn)火時(shí)刻形成預(yù)混燃燒的均質(zhì)混合氣。也有如豐田、三菱的某些GDI機(jī)型采用兩段噴射技術(shù),即把燃油分2次分別在進(jìn)氣和壓縮行程中噴入氣缸,形成界于兩者之間的混合氣,可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷從中小區(qū)域向大負(fù)荷區(qū)的平穩(wěn)過渡,并可以降低缸內(nèi)的氣體溫度,從而抑制了爆燃的發(fā)生,增加了功率的輸出。2薄燃燒優(yōu)勢2.1內(nèi)直噴式汽油3gd稀薄燃燒系統(tǒng)能使有效的燃油發(fā)揮出最大的效率,使汽油機(jī)燃燒室內(nèi)的燃燒更加完全,不但大大地降低了汽油機(jī)的燃油消耗率,也大大地改善了汽油機(jī)的尾氣排放。缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)(GDI)超稀薄空燃比的利用和工作方式的改變有不少優(yōu)點(diǎn),如取消節(jié)流降低了泵氣損失,燃油蒸發(fā)引起了缸內(nèi)溫度的降低,提高了汽油機(jī)可工作的壓縮比;燃油在進(jìn)氣行程中對進(jìn)氣的冷卻,提高了充氣效率等。這些優(yōu)點(diǎn)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性提高25%左右,動(dòng)力輸出也比進(jìn)氣道噴射的汽油機(jī)增加了將近10%。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)除了溫室氣體CO2排放較少外,由于其冷卻啟動(dòng)迅速快捷,很少需要冷啟動(dòng)加濃,因而可以大幅度降低冷啟動(dòng)時(shí)未燃碳?xì)?UBHC)的排放。2.2薄燃燒2.2.1成本高由于稀薄燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,對噴油系統(tǒng)的要求也相當(dāng)嚴(yán)格,使噴油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜,由此使制造成本明顯增加。2.2.2液壓缸內(nèi)偏濃區(qū)域會(huì)導(dǎo)致nox的增加NOx雖然采用了較稀的空燃比,因氣缸內(nèi)的反應(yīng)溫度較低而降低,但由于分層混合氣由濃到稀將不可避免地出現(xiàn)過量空氣系數(shù)為1附近的偏濃區(qū)域,會(huì)導(dǎo)致這些地方的NOx生成增加。另外,較高的壓縮比和較快的反應(yīng)放熱率也會(huì)引起NOx的升高。一般來說,缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)在稀空燃比工作條件下造成的富氧氣氛使得傳統(tǒng)的三元催化轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)化效率降低,同時(shí)排氣溫度較低也不利于它的起燃,限制了它在缸內(nèi)直噴汽油機(jī)上的應(yīng)用。稀燃催化劑的開發(fā)將直接影響到GDI發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放問題的解決。3薄燃燒技術(shù)汽油機(jī)稀薄燃燒包括進(jìn)氣道噴射稀燃系統(tǒng)(PFI)、直接噴射稀燃系統(tǒng)(GDI)和均質(zhì)混合氣壓燃系統(tǒng)(HCCI)。3.1稀燃汽油點(diǎn)火和點(diǎn)火中混合氣分層分布普通汽油機(jī)工作時(shí)保證可靠點(diǎn)火所對應(yīng)的空燃比為10~20,與此相比,稀燃汽油機(jī)的空燃比要大得多。為了保證可靠點(diǎn)火,點(diǎn)燃式稀燃汽油機(jī)在點(diǎn)火瞬間火花塞周圍必須形成易于點(diǎn)燃的空燃比為12.0~13.5的混合氣。這就要求混合氣在氣缸內(nèi)非均質(zhì)分布。而要實(shí)現(xiàn)混合氣的非均質(zhì)分布,必須使混合氣在氣缸內(nèi)分層?；旌蠚夥謱又饕揽繗饬鞯倪\(yùn)動(dòng)結(jié)合適時(shí)的噴油實(shí)現(xiàn)。進(jìn)氣道噴射稀燃系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)氣流在氣缸內(nèi)的流動(dòng)形式不同,可分為渦流分層和滾流分層2種。3.1.1空氣壓縮器的使用方法主要體現(xiàn)在一定的基礎(chǔ)上這種燃燒方式一般是通過對進(jìn)氣系統(tǒng)的合理配置,使缸內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流運(yùn)動(dòng)。該渦流的軸線與氣缸中心線大體一致,形成沿氣缸軸線的渦流運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)氣沖程初期,隨著活塞向下運(yùn)動(dòng),缸內(nèi)形成較強(qiáng)的渦流。通過控制噴油時(shí)刻使噴油器在進(jìn)氣后期噴油,進(jìn)人氣缸的燃油大部分就保持在氣缸的上部,氣缸內(nèi)的強(qiáng)渦流起到維持混合氣分層的作用,氣缸內(nèi)將形成上濃下稀的分層效果,火花塞周圍有較濃的混合氣。這樣形成的渦流在壓縮后期雖然隨著活塞的上行逐漸衰減,但渦流的分層效果仍可大體一直保持到壓縮上止點(diǎn),有利于點(diǎn)火燃燒。不難看出,在這種燃燒系統(tǒng)中影響稀燃效果的主要因素是缸內(nèi)渦流的強(qiáng)度和噴油定時(shí)。一般說來,渦流越強(qiáng),缸內(nèi)混合氣上下混合的趨勢就越弱,分層效果保持得就越好。噴油定時(shí)和噴油速率決定了缸內(nèi)混合氣在流場中的空間分布以及濃度梯度。稀燃極限與噴油定時(shí)關(guān)系很大,只有在進(jìn)氣行程的某一區(qū)間內(nèi)結(jié)束噴油,才能得到理想的混合氣分層。當(dāng)前的稀燃汽油機(jī)普遍采用多進(jìn)氣門結(jié)構(gòu),在空氣運(yùn)動(dòng)方面,即使以渦流為主的稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)也不采用單純的渦流運(yùn)動(dòng),而是在中高負(fù)荷時(shí)采用渦流,在低負(fù)荷時(shí)采用渦流控制閥等可變進(jìn)氣技術(shù)在缸內(nèi)形成斜軸渦流。這種稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)的代表是豐田公司的進(jìn)氣道噴射第三代稀燃系統(tǒng)、本田公司的VTCE-E以及馬自達(dá)公司的稀燃系統(tǒng)。豐田第三代稀燃系統(tǒng)和馬自達(dá)稀燃系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是都采用渦流控制閥(SCV)來調(diào)節(jié)渦流的強(qiáng)度,采用1個(gè)直氣道和1個(gè)螺旋氣道組織空氣運(yùn)動(dòng)。在低負(fù)荷時(shí),SCV關(guān)閉獲得強(qiáng)的渦流;在高負(fù)荷時(shí),SCV打開獲得斜軸渦流,促進(jìn)燃油與空氣的混合。3.1.2滾流方案的確定滾流是指氣流的旋轉(zhuǎn)中心線與氣缸的軸線垂直。滾流分層多用于進(jìn)氣道對稱布置的多氣門發(fā)動(dòng)機(jī),尤其是蓬頂形燃燒室、對稱進(jìn)氣的4氣門發(fā)動(dòng)機(jī)。通過合理配置進(jìn)氣系統(tǒng),可以促使?jié)L流運(yùn)動(dòng)的形成。當(dāng)進(jìn)氣門升程較小時(shí),進(jìn)氣流在缸內(nèi)的流動(dòng)紊亂,有規(guī)律的流動(dòng)不明顯。此時(shí)存在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸相互平行而垂直于氣缸軸線的渦團(tuán),一個(gè)在進(jìn)氣門下方靠近進(jìn)氣道一側(cè),另一個(gè)在進(jìn)氣道對側(cè),大致位于排氣門下方,此為非滾流期。當(dāng)氣門升程加大時(shí),位于進(jìn)氣道對側(cè)的渦團(tuán)突然加強(qiáng),進(jìn)而占據(jù)整個(gè)燃燒室,與此同時(shí)另一個(gè)渦團(tuán)逐漸消失,此為滾流產(chǎn)生期。隨著氣門升程的加大和活塞下移,滾流不斷加強(qiáng)。在進(jìn)氣行程下止點(diǎn)附近滾流達(dá)到最強(qiáng),此為滾流發(fā)展期。壓縮行程屬滾流的持續(xù)期。在壓縮行程后期,由于燃燒室空間扁平,不適于滾流發(fā)展而遭破壞。在上止點(diǎn)附近,滾流幾乎被壓碎而成為小尺度的湍流,此為破碎期。滾流的生命周期短,點(diǎn)火后將很快在燃燒過程中消失。正是由于滾流在上止點(diǎn)附近破碎為湍流,將進(jìn)氣流動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為湍動(dòng)能,才有利于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高。日本三菱汽車公司利用進(jìn)氣道噴射燃油先后成功地在3氣門和4氣門發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)了缸內(nèi)滾流分層稀燃(MVV)系統(tǒng)。初期的MVV系統(tǒng),燃油由雙進(jìn)氣門的其中一個(gè)氣道提供,火花塞布置在正對供油進(jìn)氣門的進(jìn)氣流下游,混合氣在滾流軸線方向上出現(xiàn)濃稀分層,火花塞附近有適于著火的混合氣濃度。但此種方案不能將火花塞布置在氣缸蓋上的燃燒室中心,加大了火焰的傳播距離,僅用于二進(jìn)一排的3氣門汽油機(jī)。后來,三菱公司研制出了適用于4氣門發(fā)動(dòng)機(jī)的滾流分層稀燃系統(tǒng),在4氣門汽油機(jī)的進(jìn)氣道內(nèi)對稱布置兩個(gè)立式隔板,在兩個(gè)隔板之間噴油,使混合氣在缸內(nèi)滾流軸線方向上形成稀、濃、稀的夾層分布,這樣可以充分發(fā)揮火花塞中心布置的優(yōu)勢。3.2噴油系統(tǒng)的改進(jìn)進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)在不采用助燃方法組織稀燃時(shí),其空燃比超過27非常困難。但直接噴射稀燃系統(tǒng)超過這一界限卻非常容易。與缸外進(jìn)氣道噴射稀燃汽油機(jī)相比,缸內(nèi)噴射稀燃汽油機(jī)具有泵氣損失小、傳熱損失小、充氣效率高、抗爆性好及動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)。日本三菱汽車公司開發(fā)的GDI發(fā)動(dòng)機(jī),是利用缸內(nèi)滾流實(shí)現(xiàn)稀燃的典型直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。與原PFI方式的4G93原型機(jī)相比,4G93GDII3l的空燃比由10.5提高到12.0,燃油噴射壓力提高到5.0MPa,大約是進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射方式的15倍。為了控制進(jìn)人氣缸的空氣運(yùn)動(dòng),采用了近似直立的進(jìn)氣道使缸內(nèi)形成強(qiáng)烈的逆向滾流,利用彎曲頂面的活塞進(jìn)一步加強(qiáng)逆向滾流。噴油器布置在進(jìn)氣道一側(cè),火花塞布置在中間,活塞頂面形狀與噴油時(shí)刻配合,可以形成兩種不同的稀燃模式。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷時(shí),燃油在壓縮沖程后期噴向活塞曲頂,碰撞到曲頂壁面后反彈向火花塞,只在火花塞附近形成較濃的混合氣,實(shí)現(xiàn)了氣缸內(nèi)由濃到稀的滾流分層,形成了滾流分層稀燃模式。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷時(shí),燃油在壓縮沖程初期噴人缸內(nèi),形成了均質(zhì)稀燃模式。日本豐田汽車公司開發(fā)的D4直噴式汽油機(jī),空燃比為10.0,噴油壓力為8.0~13.0MPa,能夠?qū)崿F(xiàn)空燃比為50的超稀薄燃燒。它利用缸內(nèi)渦流實(shí)現(xiàn)稀燃,進(jìn)氣道由一個(gè)單邊螺旋氣道和一個(gè)具有渦流控制閥(SCV)的直氣道組成。活塞頂部有一漸開線型的燃燒室凹坑,高壓旋流噴嘴位于氣道下方,采用可變氣門定時(shí)VVT-i系統(tǒng)、電控節(jié)氣門和吸藏還原型NOx催化器。通過直氣道內(nèi)SCV閥的關(guān)閉和開啟并配合不同時(shí)刻噴油,實(shí)現(xiàn)在不同的工況下有不同的燃燒模式。小負(fù)荷時(shí),在壓縮沖程后期噴油,實(shí)現(xiàn)分層稀燃;中等負(fù)荷時(shí),在進(jìn)氣和壓縮沖程分兩次噴油,實(shí)現(xiàn)弱分層燃燒;大負(fù)荷時(shí),在進(jìn)氣沖程噴油,實(shí)現(xiàn)均質(zhì)混合燃燒。發(fā)動(dòng)機(jī)超稀薄空燃比的利用和工作方式的改變有不少優(yōu)點(diǎn),如絕熱指數(shù)增加和傳熱損失較少,取消節(jié)流降低了泵吸損失,燃油蒸發(fā)引起缸內(nèi)溫度降低,提高了汽油機(jī)可工作的壓縮比,燃油在進(jìn)氣沖程中對進(jìn)氣的冷卻提高了充氣效率,使得它的燃油經(jīng)濟(jì)性一般可以提高25%左右,動(dòng)力輸出也比進(jìn)氣道噴射的汽油機(jī)增加了將近10%。另外,它提高的瞬態(tài)響應(yīng)能力、精確的空燃比控制、快速的冷起動(dòng)和減速快速斷油能力及潛在的系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化能力,都顯示了它比進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)優(yōu)越。GDI采用分層稀薄燃燒技術(shù)雖然較大幅度地提高了部分負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性,但還存在著以下的不足,從而影響其推廣使用。3.2.1排放速度比傳統(tǒng)的三效汽油差的進(jìn)氣道更快3.2.1.燃燒系統(tǒng)故障(1)理想的分層在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)上不可能實(shí)現(xiàn),分層燃燒火焰從濃區(qū)傳播到稀區(qū)時(shí)往往容易熄滅,形成大量未燃碳?xì)?高于常規(guī)汽油機(jī)數(shù)倍);(2)商品化的GDI產(chǎn)品,其燃燒系統(tǒng)主要采用了壁面引導(dǎo)組織混合氣的形式,容易導(dǎo)致燃油噴到活塞頂和氣缸壁上。由于活塞頂和缸壁的溫度偏低,容易造成汽油在著火前來不及完全蒸發(fā),形成較多的未燃碳?xì)涞呐欧?(3)大空燃比工作條件下造成缸內(nèi)溫度偏低,不利于未燃碳?xì)湓谌紵笃诘睦^續(xù)氧化;(4)其他設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的混合氣混合不充分和火焰延遲,也會(huì)造成火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?使得未燃碳?xì)渑欧派摺?.2.1.化學(xué)計(jì)量比造成nox生成增加(1)分層混合氣由濃到稀分布,將不可避免地出現(xiàn)化學(xué)計(jì)量比附近濃度的混合氣,其正是NOx容易生成的區(qū)域,造成局部NOx生成增多;(2)較高的壓縮比和較快的反應(yīng)放熱率也使得NOx生成比常規(guī)汽油機(jī)高。3.2.1.fi汽油的增加在低負(fù)荷、過渡工況和冷起動(dòng)的情況下GDI的顆粒排放比傳統(tǒng)的PFI汽油機(jī)有較多的增加,但仍比柴油機(jī)要低一個(gè)到幾個(gè)數(shù)量級。其形成的主要原因可能是因?yàn)榫植康貐^(qū)過濃的混合氣或類似柴油機(jī)的液態(tài)油滴擴(kuò)散燃燒所引起,并且缸內(nèi)溫度低也造成了顆粒氧化不完全。3.2.2nox稀燃催化劑GDI適用的NOx稀燃催化劑開發(fā)尚未成熟,使得商品化的GDI難以滿足歐美嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。這主要是因?yàn)?(1)稀薄燃燒造成排氣中氧含量較多,因?yàn)樵诟谎醐h(huán)境下難以對NOx進(jìn)行還原反應(yīng),造成NOx稀燃催化劑開發(fā)工作本身比較困難;(2)目前開發(fā)的NOx稀燃催化劑轉(zhuǎn)化效率對燃油含硫量比較敏感,要求嚴(yán)格控制燃油中的含硫量,對油的品質(zhì)提出了較高的要求;(3)分層稀薄燃燒造成排氣溫度偏低,影響了NOx稀燃催化劑的轉(zhuǎn)化效率。3.2.3按工況區(qū)分生產(chǎn)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)(1)部分負(fù)荷下,分層稀薄燃燒對汽油蒸汽在缸內(nèi)的分布要求很高,需要對缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)、噴霧特性、燃燒室形狀、點(diǎn)火時(shí)刻和噴油時(shí)刻等進(jìn)行嚴(yán)格控制和優(yōu)化匹配,對汽油噴霧和空氣的混合運(yùn)動(dòng)認(rèn)識不足更加大了設(shè)計(jì)開發(fā)難度;(2)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)要同時(shí)兼顧部分負(fù)荷和大負(fù)荷下混合氣的不同要求,在全工況范圍內(nèi)進(jìn)行性能優(yōu)化,需要的電控邏輯設(shè)計(jì)比較復(fù)雜;(3)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的噴霧質(zhì)量比進(jìn)氣道汽油機(jī)高,但比柴油機(jī)低。汽油的物性不同于柴油,因此GDI發(fā)動(dòng)機(jī)需要開發(fā)自己適用的噴油系統(tǒng),而不能照搬原有的電控進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)或柴油機(jī)的噴油系統(tǒng),電控噴油系統(tǒng)成本較高。從以上的分析看出,這些商品化的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn),有很多是因?yàn)椴捎昧朔謱酉”∪紵Ｊ綆淼摹睦碚撋现v,均質(zhì)混合燃燒模式可以避免上述分層燃燒帶來的排放較高和燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜的特點(diǎn)。因此,均質(zhì)壓燃稀薄燃燒HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的研究得到了廣泛的關(guān)注,有可能解決分層稀薄燃燒GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn),同時(shí)大幅度地降低汽油機(jī)的燃油消耗率。3.3hcci發(fā)動(dòng)機(jī)早在20世紀(jì)30年代,人們就認(rèn)識到均質(zhì)混合氣壓縮自燃的燃燒方式在汽油機(jī)上存在,但它一直被認(rèn)為是一種異常燃燒現(xiàn)象而被抑制。HCCI燃燒方式的出現(xiàn),有效地解決了傳統(tǒng)均質(zhì)稀薄點(diǎn)燃燃燒速度慢的缺點(diǎn),是有別于傳統(tǒng)的汽油機(jī)均質(zhì)點(diǎn)燃預(yù)混燃燒、柴油機(jī)非均質(zhì)壓燃擴(kuò)散燃燒和GDI發(fā)動(dòng)機(jī)分層稀薄燃燒方式的第4種燃燒方式。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)利用的是均質(zhì)混合氣,但它不同于常規(guī)汽油機(jī)的單點(diǎn)點(diǎn)火方式,它通過提高壓縮比、采用廢氣再循環(huán)、進(jìn)氣加溫和增壓等手段提高缸內(nèi)混合氣的溫度和壓力,促使混合氣進(jìn)行壓縮自燃,在缸內(nèi)形成多點(diǎn)火核,有效維持了著火燃燒的穩(wěn)定性,并減少了火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和燃燒持續(xù)期。它與柴油機(jī)燃燒方式的不同在于:柴油機(jī)在著火時(shí)刻燃油還沒有完全蒸發(fā)混合,進(jìn)行的是擴(kuò)散燃燒方式,燃燒速率主要受燃油蒸發(fā)及與空氣混合速率的影響,而進(jìn)行HCCI燃燒的混合氣在著火以前已經(jīng)均勻混合,進(jìn)行的是預(yù)混燃燒模式,它的燃燒速率只與本身的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有關(guān)。從已有的文獻(xiàn)報(bào)道來看,HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)有以下的優(yōu)點(diǎn):(1)燃燒的優(yōu)點(diǎn)在于它可以同時(shí)保持較高的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。一方面,它采用均質(zhì)燃燒混合氣,保持了原汽油機(jī)升功率高的特點(diǎn);另一方面,它取消了節(jié)流損失,設(shè)計(jì)的壓縮比高,采用多點(diǎn)同時(shí)著火的燃燒方式使得能量釋放率較高,接近于理想的等容燃燒,熱效率較高,保持了柴油機(jī)部分負(fù)荷下燃油經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。如1996年豐田汽車公司研究的HCCI汽油機(jī),壓縮比提高到17.4,空燃比設(shè)計(jì)值為33~44。研究表明,它的缸內(nèi)平均指示壓力與GDI汽油機(jī)和柴油機(jī)相當(dāng)(圖1),其燃油消耗率水平甚至超過直噴柴油機(jī)水平(180g·kW/h~200g·kW/h),并且隨著進(jìn)氣溫度的提高,HCCI的燃燒稀燃界限可拓寬至空燃比為80以上。(2)HCCI燃燒方式可以同時(shí)降低NOx和碳煙。它通過設(shè)計(jì)較稀的混合氣空燃比或利用再循環(huán)的廢氣控制把燃燒溫度降低在1800K以下,并且由于它以均質(zhì)稀燃混合氣方式工作,有效地抑制了NOx和碳煙的生成,幾乎做到了無煙燃燒。(3)由于HCCI燃燒只與本身的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān),它的著火和燃燒速率只受燃油氧化反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制,受缸內(nèi)流場影響較小,同時(shí)均質(zhì)預(yù)混的混合氣組織也比較簡單,因此,在發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)施HCCI燃燒模式可以簡化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于對HCCI燃燒速率和著火時(shí)刻的控制。由于車用發(fā)動(dòng)機(jī)的工況多變,要想在各工況點(diǎn)都獲得較好的燃燒和排放特性,則必須對HCCI燃燒進(jìn)行控制。如果HCCI燃燒控制的較好,則發(fā)動(dòng)機(jī)可在拓寬的大空燃比范圍內(nèi)進(jìn)行高效穩(wěn)定的燃燒,循環(huán)波動(dòng)壓力小,工作柔和;如果HCCI燃燒組織的不好,則容易出現(xiàn)爆震或失火,發(fā)動(dòng)機(jī)的性能變差。HCCI燃燒的著火時(shí)刻主要受到混合氣本身化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響,受負(fù)荷、轉(zhuǎn)速的影響較小,因此不能通過常規(guī)的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等反饋信號來加以控制,只能通過試驗(yàn)手段間接測量,獲取經(jīng)驗(yàn)。有文獻(xiàn)報(bào)道著火始點(diǎn)的控制策略如(圖2)所示,但目前還沒有單獨(dú)的切實(shí)可行的方法控制HCCI燃燒始點(diǎn),需要綜合采用兩種或多種控制方法。還有學(xué)者通過數(shù)值模擬方法進(jìn)行HCCI燃燒始點(diǎn)控制的研究,但由于燃油火焰前的氧化反應(yīng)機(jī)理還未完全清楚,這類工作只是定性的與試驗(yàn)取得了一致,還無法實(shí)際應(yīng)用于指導(dǎo)HCCI燃燒始點(diǎn)的控制。對于HCCI燃燒速率的控制策略,由于HCCI燃燒反應(yīng)較快,因此一般采用較大的空燃比或較高的EGR率來減緩燃燒速率,以防爆震的發(fā)生,但同時(shí)使得發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的平均指示壓力難以達(dá)到較高的水平,這就使HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)容易受到失火、爆震、功率等的限制,可操作范圍不寬。目前,柴油機(jī)上正進(jìn)行著把HCCI應(yīng)用于大負(fù)荷的研究,而汽油機(jī)上HCCI燃燒的發(fā)展方向是開發(fā)混合燃燒模式系統(tǒng),以便適用于不同工況的需要。4燃油系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)氣道噴射式(PFI)和缸內(nèi)直噴式(GDI)。其主要差別在于混合氣的準(zhǔn)備過程不一樣。進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)將燃油噴在各缸進(jìn)氣閥的背面,進(jìn)氣沖程中油氣混合物進(jìn)入氣缸。在冷起動(dòng)過程中,由于蒸發(fā)不完全,燃油會(huì)在進(jìn)氣道、進(jìn)氣閥背部表面形成油膜和油坑,實(shí)際噴入的燃油量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了按化學(xué)當(dāng)量比計(jì)算得到的噴油量,在發(fā)動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)的4~10個(gè)循環(huán)中出現(xiàn)失火或部分燃燒的現(xiàn)象,HC排放顯著增加,因此對進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)而言,在美國FTP排放測試中最初的90s內(nèi)產(chǎn)生HC總量90%的情況是常見的事。相反,直噴式汽油機(jī)避免了進(jìn)氣道濕壁現(xiàn)象的問題,為燃油的精確計(jì)量提供了方便,相應(yīng)地降低了冷起動(dòng)過程中HC的排放量,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)速度,發(fā)動(dòng)機(jī)基本上在第2個(gè)工作循環(huán)就能正常運(yùn)轉(zhuǎn)起來。進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的另一個(gè)局限性在于負(fù)荷的變化依靠節(jié)氣門的調(diào)節(jié)。盡管節(jié)氣門控制對PFI發(fā)動(dòng)機(jī)來說已是成熟的技術(shù),但它帶來的熱動(dòng)力損失是相當(dāng)大的。任何利用節(jié)氣門來調(diào)節(jié)負(fù)荷的系統(tǒng)都會(huì)面對這種寄生泵吸損失,并且會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷時(shí)熱效率降低。相反,直噴式汽油機(jī)可以不再使用節(jié)氣門來調(diào)節(jié)負(fù)荷,而是利用缸內(nèi)空燃比的變化來達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的工況要求,這一工作原理提高了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)的容積效率,燃油經(jīng)濟(jì)性隨之得以改善。進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)在不采用輔助的助燃方法組織稀燃時(shí),其空燃比存在上限(α=27),超過這一界限,發(fā)動(dòng)機(jī)工作會(huì)不穩(wěn)定,HC排放增加。要超過這一極限,必須使用缸內(nèi)直噴的方法,通過充量分層,使發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)α達(dá)到40~50,即利用缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)(渦流或滾流)與噴油時(shí)刻相配合,讓火花塞點(diǎn)火時(shí)附近有濃的可燃混合氣,而缸內(nèi)其他部分則為稀混合氣或純空氣。(圖3)是一臺日本三菱直噴式汽油機(jī)在轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。由于應(yīng)用分層燃燒,空燃比可達(dá)40,燃油經(jīng)濟(jì)性改善30%;(圖4)列出幾項(xiàng)主要影響因素。據(jù)稱裝配此發(fā)動(dòng)機(jī)的三菱“格蘭特”在日本10~15工況循環(huán)中燃油耗比傳統(tǒng)裝用PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車下降了35%,怠速工況因燃燒穩(wěn)定下降了40%,從而允許較低的怠速轉(zhuǎn)速。與進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)相比,直噴式汽油機(jī)需要克服缸內(nèi)壓力,因此一般供油系統(tǒng)的壓力較高(5~10MPa),這樣使得進(jìn)入氣缸的燃油可以得到較好的霧化,典型的霧化尺寸大約為16μmSMD,而進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的大約為120μmSMD。此外,由于直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)直接將燃油噴至氣缸,消除了燃油供給的滯后效應(yīng),故當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在減速時(shí)可以停止噴油,從而提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。眾所周知,燃油的潛熱可以用來降低混合氣的溫度和容積,從而影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率和爆震趨勢。對進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)而言,由于燃油是噴在進(jìn)氣歧管內(nèi)的,燃油的蒸發(fā)主要依賴于進(jìn)氣道和進(jìn)氣閥等熱源對油膜的熱傳遞,因而不能顯著地冷卻充質(zhì)。對缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)而言,燃油以較細(xì)的霧化顆粒形式進(jìn)入氣缸,從周圍的空氣中獲得熱能,因而可以有效地起到冷卻充質(zhì)的目的。不同的噴射定時(shí)影響著燃燒室表面到充質(zhì)的傳熱率。在進(jìn)氣沖程中噴油,增加了缸壁對充質(zhì)的熱傳遞,這樣燃油蒸發(fā)對最終充質(zhì)溫度的冷卻效果就變差了;在壓縮沖程中噴油,噴油之前,由于空氣溫度較高,缸壁對空氣的傳熱率降低,這樣當(dāng)燃油噴入時(shí),燃油蒸發(fā)對充質(zhì)的冷卻效果得到了較好的保持,因而在點(diǎn)火時(shí)刻燃?xì)鉁囟容^低,最終降低了爆震趨勢。5進(jìn)行hcci燃燒在現(xiàn)代對稀薄燃燒的研究中,各大汽車生產(chǎn)商都將目標(biāo)放在缸內(nèi)直噴汽油機(jī)GDI或者均質(zhì)混合氣壓燃系統(tǒng)HCCI的研究上,即是稀薄燃燒研究的方向。但是由以上的分析知道,這兩種稀燃技術(shù)都有各自不容忽視的優(yōu)缺點(diǎn)。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)比GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷下的燃油經(jīng)濟(jì)性更好,NOx排放更低,但它由于燃燒控制難,難以使HCCI燃燒方式拓展到大負(fù)荷情況;而GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射靈活,混合氣組織的可調(diào)范圍寬,容易實(shí)現(xiàn)不同燃燒方式之間的快捷轉(zhuǎn)化,但采用分層稀薄燃燒又帶來燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難,排放也有所惡化。因此,如果