混合喷油系统在汽油机上的应用

混合喷油系统在汽油机上的应用汽油机燃油供给系统经历了化油器时代、电控单点喷射时代、电控多点喷射时代，再到现在的缸内直喷系统时代，为了进一步改善发动机的动力性、经济性和排放性能以及怠速的稳定性、加速平顺性和冷机起动性，在一些先进的发动机上采用了进气道多点顺序喷射和缸内直喷配合使用的混合喷油系统，本文章首先分析进气道多点顺序喷射和缸内直喷的优缺点，之后分析应用混合喷油系统技术的一款发动机。1进气道多点顺序喷射和缸内直喷的优缺点1.1进气道多点顺序喷射方式介绍进气道多点顺序喷射方式结构如下图1所示：图1进气道多点顺序喷射结构简图图2进气道多点顺序喷射部件图进气道多点顺序喷射系统在每个气缸的进气歧管内安装一个喷油器，发动机电控系统根据曲轴转速传感器和凸轮轴转速传感器的信号，判断气缸的工作进程和相位，以此对各喷油嘴的喷油动作进行精确控制。而日产公司在1.6升HR16型号发动机则采用了双喷油嘴技术，即对于每缸的每个进气门都配备一个喷油器，其结构简图如下图3所示，在喷油量的控制上，相比于传统的一个气缸对应一个喷油嘴来看，精准度会更高。图3日产双喷油器系统简图与以往相比，喷出的雾状燃料颗粒的直径缩小约60%，因此极大地提高了燃烧的稳定性，在降低碳氢化合物排放量的同时，该系统使得燃油不充分燃烧量大大减少，从而使发动机的燃油经济性提高了四个百分点。1.2缸内直喷喷射方式介绍缸内直喷喷射方式结构如下图4所示图4缸内直喷方式结构图图5缸内直喷方式部件图缸内直喷系统分为高、低压两部分，低压部分与歧管喷射系统相同，也是汽油泵将汽油从油箱中抽出，经过滤芯过滤后送抵高压油泵处，此时油管内的压力几乎与歧管喷射系统相同，经过高压油泵之后，它可以将汽油压力加压到上百Bar甚至更高，随后燃油通过油轨到达各气缸的喷油嘴，在发动机电控系统的控制下适时适量喷入各个气缸。1.3进气道顺序多点喷射系统与缸内直喷喷射方式的比较相对于进气道喷射系统，缸内直接喷射在部分负荷下，燃油在压缩行程后期喷入气缸内，实现分层稀薄燃烧，大负荷与全负荷下，燃油在进气行程中喷入气缸，实现均质燃烧，同时由于燃油的汽化潜热影响，可以增加汽油机的抗爆性，从而可以增加压缩比，因此缸内直接喷射的汽油机拥有更高的燃油经济性。但在排放特别是NOX排放方面还存在一定问题，稀燃时产生的NOX难以用传统的三元催化器消除，为了控制排放，不少原本具有分层稀薄燃烧模式的发动机，也变为全部工况均质燃烧。据有关资料显示，直喷汽油机的进气门处由于曲轴箱窜气引入的影响，更容易出现积碳的情况。图6缸内直喷方式造成的气门积碳从实现部件上，油泵,管路,喷嘴都需要承受高压,技术难度大,产生故障的概率高.缸内直喷技术另一个难题是燃烧室内的涡流控制,稀薄的混合气不容易点燃,需要更加精确的混合气流动方向以及浓度层次的控制,保证点火可靠性.而传统的进气道喷射从技术上更容易解决,喷射系统无需承受缸内的巨大压力,所以喷油泵以及喷嘴等的设计制造上技术都比教成熟,成本较低.但是燃料无法充分燃烧,存在气门后的油膜问题，因此燃油经济性较直喷系统差。2运用混合喷射技术的发动机介绍正是由于进气道喷射与缸内直喷技术各自的优缺点，一些发动机厂采用了混合喷射的技术，进一步提高发动机的动力性、经济性和排放性能，比较有代表的是丰田的2GR-FSE发动机。2.1丰田的发动机混合喷射系统称为D-4S，结构简图如图7所示，图72GR-FSE发动机混合喷射系统简图发动机型号2GR-FSE排量（L）3.456气缸直径（mm）94行程（mm）83缸心距（mm）105.5气缸排列V6气门传动机构4气门，双顶置式凸轮轴链传动，滚轮摇臂可变气门定时机构双VVT燃油喷射系统进气道喷射+缸内直喷压缩比11.8最大功率（kW/rpm）234/6400最大扭矩（Nm/rpm）380/480090%最大扭矩的转速范围2000-6500排放标准J-SULEV升功率（kW/L）67.71表12GR-FSE发动机基本参数2.2混合喷射技术对该款发动机动力性的影响通过运用混合喷射技术，并结合大流量气道和新开发双扇形油束，取消了涡流控制阀,因此降低了进气阻力,充分发挥了缸内直喷的优势,改善了全负荷性能在发动机整个转速范围内其扭矩比进气道喷射提高了7%左右，如图8所示图8相对于进气道喷射发动机扭矩改善的效果2.3混合喷射技术对该款发动机经济性的影响由于采用了诸如应用D一4S系统改进燃烧、提高压缩比以及降低摩擦等技术措施,使得最低比油耗降低到了230g/kWh或更低水平,同时达到了l0L/100km(10-15工况)一流的整车燃油经济性.2.4混合喷射技术对该款发动机排放性的影响图9D-4S对启动时HC排放的影响通过采用D-4S系统，启动时的HC排放降低了50%左右。2.5混合喷射技术的控制模式喷射方法D一4S系统在计算出每循环所需的喷油量之后,根据不同工况的运行状况,或采用单纯的缸内直喷运行或采用两种系统组合运行,并将喷射控制到适应行驶工况所要求的最佳喷油率,以最大限度地发挥缸内直喷和进气道喷射各自的优势。图10缸内直喷和进气道喷射的比例(1)全负荷工况区缸内直喷被用于全负荷工况区,因为它能够充分利用喷入气缸汽油的汽化潜热来改善充气效率,同时由于降低了缸内充量的压力和温度,能够达到最大限度控制爆震的效果。(2)部分负荷工况区改变缸内直喷和进气道喷射的比例能够在某一个比例下获得比单独应用任何一种喷射方式更好的扭矩波动和燃油经济性。此外,随着负荷的变动,喷射比例应该优化以适应负荷的变化。对空燃比分析的试验研究结果表明,30%缸内直喷能获得比100%进气道喷射更均匀的空燃混合气,并且在火花塞周围区域具有稍浓的混合气,因此着火滞后期缩短,燃烧速度加快,从而改善了燃烧。在统计出所有行驶工况的最佳喷射比例后就能够转化成喷射比例脉谱图。同时,由于减少了缸内直喷喷油器的积碳,因此能够确保其头部温度只有150℃或更低。(3)冷起动工况区虽然起动后能够利用凸轮轴传动的高压燃油泵来建立起缸内直喷供油系统中的燃油压力,但是因为起动时不大可能建立起所必需的燃油流量,难以达到足够的燃油压力,因此直到缸内直喷供油系统中的燃油压力达到预先规定值之前只实行进气道喷射。正如图12所示,这样就能够改善起动时油束油滴直径,降低起动时的HC排放量。此外,由于高怠速期间包含着起动后催化转化器的预热过程,因而此时转换到按比例进行缸内直喷,使扭矩波动和HC排放都得到优化。