現(xiàn)代汽車技術(shù)論文現(xiàn)代汽油發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀(編輯修改稿)
2025-07-10 07:18 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 濟(jì)性，因此，進(jìn)氣道噴射稀燃汽油發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)世后，能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更稀薄燃燒的缸內(nèi)直噴式分層稀燃汽油發(fā)動(dòng)機(jī) ，在1996 年就已進(jìn)入實(shí)用化階段，并很快得到了推廣應(yīng)用 (如圖 1） 西 安 交通大學(xué) 現(xiàn)代汽車技術(shù) （論文） 第 5 頁(yè) 圖 1 采用缸內(nèi)直噴的汽油機(jī)，在低負(fù)荷下是用質(zhì)調(diào)節(jié)來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，無(wú)泵氣損失，同時(shí)由于稀燃技術(shù)的運(yùn)用，減小了熱損失，在很大程度上改善了燃油經(jīng)濟(jì)性；高負(fù)荷時(shí)，則是在進(jìn)氣行程中就把燃油噴人氣缸，噴油量控制在理論窄燃比附近，經(jīng)與進(jìn)氣充分混合，形成均質(zhì)混合氣。采用直噴技術(shù)的汽油機(jī)一般同時(shí)采用渦輪增壓技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更好的動(dòng)力性。 缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)還包括燃油供給與噴射系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)GDI 燃油噴射和燃燒過(guò)程控制策略等。 GDI 燃油供給系統(tǒng)主要依靠高精度快速響應(yīng)的電控系統(tǒng)，燃油噴射系統(tǒng)則主要采用高壓共軌系統(tǒng)與電磁驅(qū)動(dòng)噴油器相結(jié)合的形式。燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，只有通過(guò)合理配置燃燒室形狀、燃油噴束、氣流運(yùn)動(dòng)等，特別是優(yōu)化活塞頂部的設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)在中小負(fù)荷時(shí)的分層稀薄和大負(fù)荷時(shí)的均質(zhì)預(yù)混的要求。 由于 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比相對(duì)較高，氣缸內(nèi)燃燒溫度整體較低，導(dǎo)致氣缸內(nèi)未燃 HC 不能完全被氧化，另外由于 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)在噴油時(shí)刻造成的缸內(nèi)濕壁現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致活塞腔、進(jìn)氣門底座、排氣門底座等區(qū)域燃燒不好，造成在中小負(fù)荷 時(shí) HC 排放較高。此外， GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷、冷起動(dòng)和工況轉(zhuǎn)換的狀況下尾氣顆粒物排放的質(zhì)量濃度和數(shù)量都高于傳統(tǒng)的進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)。 采用稀燃技術(shù)的增壓直噴汽油機(jī)對(duì)油品要求較高，國(guó)內(nèi)目前汽油中的烯烴含量及硫等有害物含量高，燃燒后易在燃燒室內(nèi)和噴嘴周圍形成膠質(zhì)和積碳，導(dǎo)致直噴式噴西 安 交通大學(xué) 現(xiàn)代汽車技術(shù) （論文） 第 6 頁(yè) 嘴功能失效。同時(shí)過(guò)高的成本也是直噴發(fā)動(dòng)機(jī)大面積推廣的主要障礙，稀燃的直噴汽油機(jī)λ 1， NOx在三元催化器中轉(zhuǎn)化率低，排放量高，需要采用專門的 NOx后處理裝置；噴射壓力的提高，需要采用精度更高的噴油器。這些均限制了汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)推廣。近年來(lái)， 不采用稀薄燃燒方式的所謂“化學(xué)計(jì)量比混合汽缸內(nèi)直噴技術(shù)”得到發(fā)展和普及，尤其是將缸內(nèi)直噴技術(shù)與渦輪增壓及可變氣門正時(shí)技術(shù)相結(jié)合的當(dāng)量比直噴增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。利用缸內(nèi)直噴的進(jìn)氣冷卻效果改善了動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，利用分層燃燒降低了冷態(tài) HC 排放，此外還由于氣門重疊的掃氣效果而具有低速扭矩大的優(yōu)勢(shì)。歐洲新開(kāi)發(fā)的缸內(nèi)直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用這種當(dāng)量比直噴技術(shù)或者完全以均質(zhì)混合汽運(yùn)行，雖然它們的節(jié)油效果稍遜色于稀薄分層燃燒，但是開(kāi)發(fā)成本低，實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定性好。 5 均質(zhì)壓燃技術(shù) HCCI 汽油和柴油都是從石油中提煉 出來(lái)的，它們性質(zhì)差別相當(dāng)大。汽油易引燃但自燃溫度高，相反，柴油自燃溫度低但難引燃。汽油機(jī)屬于預(yù)混合均質(zhì)燃燒，借助火花塞點(diǎn)燃。由于汽油特性和爆震等諸多因素的限制，汽油機(jī)只能采用較低的壓縮比，使熱效率比柴油機(jī)低得多。汽油機(jī)工況的調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在部分負(fù)荷工況，進(jìn)氣的空氣量較小，會(huì)產(chǎn)生泵氣損失，從而導(dǎo)致汽油機(jī)熱效率比柴油機(jī)低。 柴油機(jī)是依靠發(fā)動(dòng)機(jī)活塞壓縮到接近上止點(diǎn)時(shí)的高溫使燃?xì)庾匀贾穑瑢儆趪婌F擴(kuò)散燃燒。由于噴霧與空氣的混合時(shí)間很短，燃料與空氣的混合很不均勻，在高溫富氧區(qū)域產(chǎn)生大量的 NOx 排放 ，在高溫過(guò)濃區(qū)產(chǎn)生大量碳煙。提高汽油機(jī)熱效率，降低柴油機(jī)碳煙和 NOx排放一直是內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。人們希望通過(guò)結(jié)合汽油機(jī)和柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)解決上述問(wèn)題。均質(zhì)壓燃燃燒技術(shù)結(jié)合了傳統(tǒng)點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，采用預(yù)混合均質(zhì)混合氣、壓縮自燃著火的燃燒方式。它可以實(shí)現(xiàn)高熱效率（高壓縮比、減少泵氣損失）及超低的 NOx 和碳煙排放。 對(duì)于汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，燃燒技術(shù)的關(guān)鍵是提高汽油機(jī)熱效率，降低油耗。汽油機(jī)采用均質(zhì)壓燃可以取消或減小部分負(fù)荷和小負(fù)荷節(jié)氣門導(dǎo)致的泵氣損失，還可以提高壓縮比，此外，它還可以減少燃燒持續(xù)期長(zhǎng)造 成的損失。汽油機(jī)均質(zhì)壓燃在實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑上有兩種方案，其一是基于傳統(tǒng)氣道噴射汽油機(jī)技術(shù)方案，另一種是基于缸內(nèi)直噴的技術(shù)方案。缸內(nèi)直噴方案在混合氣濃度分層控制上有較大的靈活性，通過(guò)缸內(nèi)多次噴油技術(shù)實(shí)現(xiàn)混合濃度分層，但控制的難度更大。在中小負(fù)荷工況需要通過(guò)缸內(nèi)的殘余廢氣提高混合氣能量，使汽油混合氣可以壓燃，或采用壓燃與火花塞點(diǎn)火復(fù)合燃燒方式；在大負(fù)荷時(shí)可以采用外部廢氣來(lái)抑制燃燒反應(yīng)。因此，可變氣門技術(shù)是實(shí)現(xiàn)均質(zhì)燃燒的重要基礎(chǔ)。 HCCI 技術(shù)的理論效果雖然可觀，但目前仍停留在實(shí)驗(yàn)階段，一些技術(shù)難關(guān)亟需突破。 西 安 交通大學(xué) 現(xiàn)代汽車技術(shù) （論文） 第 7 頁(yè) 一 在燃燒時(shí)刻的控制上， HCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)靠汽缸的壓力和溫度自燃，油氣混合氣的密度，氣缸的溫度和壓力都需要進(jìn)行精確的檢測(cè)和控制，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的 ECU管理程序也要進(jìn)行相應(yīng)的加強(qiáng)。 二 由于 HCCI 的同時(shí)壓燃和放熱，瞬時(shí)間汽缸和活塞會(huì)受到強(qiáng)大的壓力，有可能會(huì)產(chǎn)生爆震的現(xiàn)象，所以必須提高混合氣的空燃比（高于傳統(tǒng)的 ： 1），這就需要 HCCI 在稀燃狀態(tài)下工作，排氣的溫度也比較低，使得發(fā)動(dòng)機(jī)較難采用渦輪增壓。以上這些都使得 HCCI 可能達(dá)到的最大負(fù)荷比典型的火花點(diǎn)燃式和直噴式柴油機(jī)低得多。另外，低排氣溫度對(duì)催化轉(zhuǎn)化器來(lái)說(shuō)也是 一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樾枰喈?dāng)高的溫度才能起動(dòng)氧化 /還原反應(yīng)。 三 由于 HCCI 發(fā)
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