GDI发动机研究

GDI发动机研究概况李,刘圣华,宫艳峰(西安交通大学汽车工程系,陕西西安710049摘要:介绍GDI(gasolinedirectinjection发动机的燃烧机理和进气道、高压油泵以及喷油器等的结构。与传统发动机相比,GDI发动机在节能与环保两个方面都具有PFI(portfuelinjection无法达到的优越性。关键词:GDI发动机;燃烧;比较中图分类号:TK401文献标识码:A文章编号:1000-6494(200602-0004-03ASurveyofGDIEnginesLIYu,LIUSheng-hua,GONGYan-feng(DepartmentofAutomotiveEngineering,XianJiaotongUniversity,Xian710049,ChinaAbstract:ThispaperdescribesthecombustionprincipleofGDIenginesandtheespecialstructureofairalley,highpressureoil-pumpandnozzle,etc.Comparingwithtraditionalengines(PFI(portfuelinjection,GDIenginesshowincomparableadvantages.Keywords:GDI;engine;combustion基金项目:国家973项目资助(2001CB209206作者简介:李(1976-,男,陕西周至人,助理工程师,在读硕士研究生,主要从事柴油机清洁代用燃料的研究。0前言由于环境污染日益严重,能源危机愈演愈烈,因而汽车使用低污染节能发动机一直是政府和专业人士的目标。因此,降低发动机的排放、提高其燃油经济性也就成为目前内燃机工作者的当务之急1。改善燃烧室内的火焰燃烧过程和采用新型的代用燃料或燃料添加剂则是解决以上问题的常用办法。作为一种新型的稀薄燃烧方式2,GDI发动机3综合了压燃式发动机与点燃式发动机的优点,通过燃油的缸内直接喷射、可变喷油定时和控制缸内的气流运动等方式实现了缸内的稀薄燃烧,使发动机无论在燃油经济性还是在降低排放等方面都表现出比PFI(portfuelinjection发动机更大的发展潜力。因此,GDI发动机从20世纪90年代4问世以来就一直受到人们的广泛关注。1GDI发动机的燃烧特点GDI发动机是电控汽油喷射发动机的一种,常用的PFI发动机是把汽油喷射到进气门上,如图1所示,因此在喷油与油气混合气进入燃烧室之间要有一段时间延迟。而GDI发动机是把汽油直接喷射到气缸内,因此并不存在PFI发动机喷油延迟的问题。根据发动机工况的不同,GDI的燃烧过程可分为均质稀燃和分层稀燃两种模式。中小负荷时,燃油在压缩行程后期喷入气缸,通过喷油器、气流及燃烧室的合理配合,在火花塞附近形成较浓的可燃混合气,如图2所示,在远离火花塞的区域,形成稀薄分层混合气,其最大空燃比可达到30~40。大负荷或全负荷时,燃油在进气冲程早期喷入气缸,形成当量比为1左右的均质混合气进行燃烧。控制缸内混合气的形成和分布是实现分层燃烧的关键5。只有在点火瞬间将合适浓度的混合气引导到火花塞附近才能实现稳定的点火,同时,保证混合气在空间的连续分布,才能实现火焰的连续传播,从而保证燃烧的稳定性。如果在火花塞附近的混合气过浓,会使混合气不能完全燃烧,从而生成大量的不完全燃烧产物(如碳烟。更为严重的是,不完全燃烧会使发动机在上止点附近的放热率下降,从而导致发动机功率下降,油耗降低。另外,混合气的空燃比也不能超出稀燃的极限,如果在混合气的周围有过稀的混合气或有过稀的混合气脱离了主要混合区域,都会使汽油机燃烧困难或熄火,从而引起HC的排放升高。根据以上分析可知,要使GDI发动机的分层混合气能够稳定燃烧,必须具备以下两个条件6:第2期2006年4月内燃机InternalCombustionEnginesNo.2Apr.2006图1PFI发动机与GDI发动机燃烧系统比较图2GDI燃烧系统的分类a.火花塞周围必须要有随时间和空间稳定分布的混合气,一般火花塞附近混合气的空燃比在10~207之间比较适合点燃。b.组织精确的涡流比,形成混合气在燃烧室内的轴向和径向分层,以获得稳定燃烧所需的稀薄混合气。根据混合气形成方式的不同,GDI发动机的混合方式可分为喷射引导、壁面引导和气流引导三种,如图2所示。喷射引导受燃烧室形状及气流运动较小的影响,但是喷嘴与火花塞的距离不易把握。气流引导主要靠缸内的涡流及滚流将混合气引导到火花塞,而对缸内的气流运动组织则是发动机设计的一个难点。壁面引导对喷油嘴的要求不高,且容易将混合气引向火花塞,因此目前应用较多。2GDI发动机的技术特点最早对GDI的研究要追溯到19世纪50年代的德国,但由于当时内燃机整体发展水平还比较低,对GDI发动机的研究因得不到足够的技术支持而告失燃油喷射及可变气门正时技术的应用,才使得GDI有了突破性的进展,日本三菱汽车公司于1996年首先完成了对GDI的开发。随着技术的不断完善,GDI发动机也越来越受到人们的推崇。一般要实现GDI发动机的燃烧,必须具备以下几个特点8:a.直立布置的进气道设计见图1。这种结构设计使发动机在进气冲程中获得强烈的进气气流,在气流流入到燃烧室以后又会进一步形成强烈的滚流运动,为GDI发动机的燃烧作好准备。b.高压油泵9:GDI发动机所使用的喷油器的喷油压力一般在5MPa左右。与汽油机常用的EFI系统0.3~0.4MPa的喷油压力相比,这样的喷油压力可以保证汽油及时雾化和有合适的贯穿距离。c.高压涡流式喷油嘴:为了使汽油能与空气形成易于点燃的可燃混合气,除了油泵以外,GDI发动机专门设计了可以精确控制油量和喷油定时的电磁式喷油嘴。油嘴与燃烧室的良好配合可以保证在火花塞附近提供可供燃烧的混合气。d.凹坑形的活塞顶面设计:活塞顶面的凹坑与第2期李等:GDI发动机研究概况5燃烧室内的空气形成滚流,引导混合气顺利地到达火花塞顶。e.根据不同的发动机工况,利用电控喷射系统选择不同的喷油模式,以满足发动机不同负荷工况下对喷油定时的要求。3GDI发动机较传统汽油机的优势电喷式汽油机按燃油喷射位置可分为两种形式:进气道喷射(PFI和缸内直喷(GDI。进气道喷射发动机当进气门关闭时将燃油喷在各缸进气门的背面,进气冲程中油气混合物进入气缸。在冷启动过程中,由于蒸发不完全,燃油会在进气道、进气门背部形成油膜和油坑。实际喷入的燃油量远远超过了按化学当量比计算得到的喷油量,因此发动机在冷启动的4~10个循环中会出现失火或部分燃烧的现象10,使HC排放显著增加。相反,直喷式汽油机避免了进气道湿壁现象的问题,而且喷油泵可以精确控制发动机的喷油量,使发动机在2个工作循环之内就能顺利启动,提高了发动机的瞬时响应速度,同时也降低了发动机冷启动时的HC排放。进气道喷射发动机的负荷变化是依靠节气门调节混合气的进气量。尽管节气门控制对PFI发动机来说已是成熟的技术,但节气门所引起的泵气损失是不可避免的,这也是汽油机热效率较柴油机低的一个原因。相反,直喷式汽油机不是依靠节气门调节混合进气量来调节负荷,而是改变发动机的喷油量来改变缸内空燃比以实现发动机负荷的变化,这就提高了GDI发动机在部分负荷时的热效率11。进气道喷射发动机在不采用辅助的助燃方法组织稀燃时,其空燃比最大可以达到27,超过这一界限,发动机工作会不稳定,HC排放增加12。要超过这一极限,必须使用缸内直喷的方法,通过充量分层,使发动机在部分负荷时的空燃比达到30~40,燃油经济性改善高达30%左右,而且可以大大降低发动机的怠速转速。此外,由于直喷式发动机直接将燃油喷至气缸,消除了燃油供给的滞后效应,故当发动机在减速时可以停止喷油,从而提高了燃油经济性。燃油的汽化潜热可以降低混合气的温度和容积,从而影响着发动机的充气效率和爆震趋势。对进气道喷射发动机而言,由于燃油是喷在进气歧管内的,燃油的蒸发主要依赖于进气道和进气门等热源对油膜的热传递,因而不能显著地冷却充质。而对缸内直喷式汽油机而言,燃油直接喷入到气缸,可,在大负荷工况下,燃油在压缩冲程开始便喷入燃烧室内,GDI发动机的输出功率较PFI发动机高出10%左右。不同的喷射定时影响着燃烧室表面到充质的传热率。在进气冲程中喷油,增加了缸壁对充质的热传递,这样燃油蒸发对最终充质温度的冷却效果就变差了。在压缩冲程中喷油,喷油之前由于空气温度较高,缸壁对空气的传热率降低,这样当燃油喷入时,燃油蒸发对充质的冷却效果保持的时间较长,因而在点火时刻燃气温度较低,最终降低了爆震趋势。4GDI发动机存在的一些问题虽然GDI发动机在动力性、经济性及排放方面有很多PFI发动机所无法比拟的优点,但是GDI燃烧本身仍有很多不足之处需要改进。a.GDI发动机的喷油器放在气缸内,由于喷油压力低,喷孔没有自洁作用,因此很容易结垢,从而使喷雾特性变坏,喷油量减少,使发动机的燃烧恶化,影响发动机的功率输出和排放。b.GDI的火焰在快速传播的同时,会出现部分火焰熄灭的现象,这就会使HC的排放增加,另外,缸内壁面的燃油附着、着火延迟等情况也会使HC的排放增加。c.由于气缸内混合气的浓度和温度分布不均匀,NOx在高温区生成较多,而高空燃比造成的氧含量过高,又使对NOx的处理难度增加。d.理论上GDI发动机可以不采用节流阀,但实际生产的GDI发动机都应用了适度的节流作用,因为轻度的节流和EGR可以降低HC的排放。但节流又会导致功率的损失,虽然EGR对NOx的降低有帮助,但过多的EGR又会使稀薄燃烧恶化。e.传统的三元转换器只能在空燃比为14.7附近内的小范围内工作,显然已不适合稀薄燃烧。f.发动机不同负荷的喷油时刻相差较大,发动机各种负荷的平滑过渡也有待进一步解决,成品发动机的成本较高,目前也很难大量占有市场。5展望作为一种新型的燃烧方式,GDI发动机有着广阔的发展前景,对解决能源危机和环境污染会起到很大的作用。同任何一项新兴技术一样,目前尚处于发展阶段的GDI还有很多缺点和不足,但是随着研究的深入和一些相关技术的发展,GDI发动机很有可能取代PFI发动机。6内燃机2006年4月在软氮化工艺中是不允许出现的,只是为了作金相检查,才将试样进行300回火1~2h,使其针状Fe4N析出。从图1~图3中可以观察到,氮化处理时间对渗氮层深度影响极大。如表层相区(白亮层在不同时间段所获得的渗层厚度是不相同的。当氰酸根浓度控制在33%~36%时,白亮层在2h内增加较快,超过3h后,除扩散层有所增加外,白亮层基本上不增加,而其白亮层中开始出现须状或点状微孔。若氮化处理时间不足1h时,则白亮层很浅甚至没有。当氮化处理时间在2h内,其表层致密能保持在1~2级。超过3h后,表层致密性降到3级。根据曲轴的服役条件,我们认为氮化后表层致密度控制在1~2级为最佳,超过3级将降低其疲劳强度。因此,我们将基盐软氮化温度控制在570左右,氰酸根(CNO-浓度控制在33%~36%,软氮化时间控制在2~3h是合理的,能使曲轴表面获得致密度较好的氮化合物层及较深的扩散层。实践表明,按上述软氮化工艺操作,表面化合物层(白亮层可达到30~40m,扩散层能达到0.85~1.10mm。5结论基盐液体软氮化工艺与以尿素为主的液体软氮化工艺相比,在相同的处理温度与时间条件下,基盐处理的氮化层深度远远超过以尿素处理的氮化层深度,而其化合物层(白亮层的致密性也明显提高。另外,基盐液体软氮化属于环保新工艺,对人体健康不构成威胁。其氮化后的工件再经氧化复合处理后,不仅能保留其渗氮层的耐磨、抗疲劳性能,还能使氮化工件表层形成耐腐蚀性能良好的Fe3O4薄膜,而且还能将工件带入氧化浴中的微量氰盐氧化成无毒的碳酸盐,因而清洗水可直接排放,符合环保要求。目前,该工艺应用情况良好,无论是经济效益或社会效益都是不可估量的。参考文献1汪明伟.无氰液体软氮化的应用J.热加工工艺,1985,(5:54-55.2史美堂.金属材料及热处理M.上海:上海科学技术出版社,1979:154.3