第1章 汽车发动机[95页]

2020/5/3
第1章 汽车发动机
1.1 汽油机直喷技术 1.2 新型柴油机燃烧及排放控制技术 1.3 发动机控制新技术 1.4 新型燃烧系统
1.1 汽油机直喷技术
汽油缸内直喷技术发展概况： 汽油发动机缸内直喷的工作方式，早在20世纪50年代德国的Benz300SL 车型、60年代的MAN-FM系统、７０ 年代美国Texaco的TCCS系统和Ford的 PROCO系统就曾经采用过。 20世纪90年代以后，缸内GDI 发动机的研究和应用得到快速的发展。 由于在排放、燃烧稳定性、燃油品质、性能及可靠性等方面的问题限制 了GDI发动机的普遍使用。使用GDI技术完全替代PFI技术目前仍然存在一些技 术难题。国内外的公司和研究机构也都在积极地开发设计新型直喷发动机。
1.1 汽油机直喷技术
汽油缸内直喷发动机分类及产品： 缸内直喷汽油发动机喷油嘴安装在燃烧室内，其典型结构如图1-1所示， GDI发动机的工作过程如图1-2 所示。燃油直接喷注在燃烧室内，空气则通过 进气门进入燃烧室与汽油混合成混合气被点燃做功，这种形式与直喷式柴油机 相似，因此有人认为缸内直喷式汽油机是将柴油机的形式移植到汽油机上的一 种创举。
普通高等教育规划教材
QICHE XINJISHU
汽车新技术
（第二版）
史文库 编 著
2020/5/3
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汽车发动机 自动变速器 转向 悬架 制动 汽车NVH
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图1-3 PFI发动机与GDI发动机燃烧系统比较
1.1 汽油机直喷技术
缸内直喷技术应用中存在的问题：
1.1 汽油机直喷技术
GDI发动机燃烧系统： １)喷束引导：燃油喷嘴靠近火花塞，窄间距布置，喷油器安装在汽缸中 央，火花塞紧靠燃油喷嘴位于燃油喷束的边缘，喷油器直接将燃油射向火花塞 的电极。 ２)壁面引导：使用特殊形状活塞表面，同时优化涡流和滚流之间的平衡， 控制喷射到活塞表面的燃油传输方向即可控制分层燃烧。 ３)气流引导：采用接近水平的进气道，在缸内产生顺向的滚流。
1.2 新型柴油机燃烧及排放控制技术
达到欧Ⅲ排放标准的柴油机主要采用改善燃烧过程的技术措施如下: (１)电控燃油喷射系统。 (２)直喷燃烧室。 (３)四气门结构。 (４)废气再循环(ＥＧＲ)。 (５)增压中冷及可变截面增压器。 ( ６)燃油品质的提高。
1.2 新型柴油机燃烧及排放控制技术
新型低温燃烧控制技术： 分类：第一类，着火时刻与喷射时刻无关，而完全由化学反应动力学决 定。第二类，燃烧相位的控制与喷油时刻耦合。
图1-1 GDI发动机结构
图1-2 GDI发动机工作示意
1.1 汽油机直喷技术
表1-1总结了G DI发动机的类型和 定义。表中前5种按 照燃烧系统的形式 分类，后3种按照控 制策略进行了分类。
表1-1
1.1 汽油机直喷技术
汽油直喷技术与气门口喷射技术的比较： 传统汽油机使用气门口喷射(PFI)与汽油直喷的主要区别在于混合气形成 策略不同。 如图1-3所示。
1.2 新型柴油机燃烧及排放控制技术
柴油机技术发展现状：
推广柴油机是提高热效率和降低温室气体排放的有效途径之一，此外， 柴油机在ＨＣ和ＣＯ 排放上也具有汽油机无法比拟的优势，市场不断地扩大 是柴油机发展的动力，满足市场需求，是促使柴油机各项技百度文库发展的首要因素， 各项排放法规阶段性的强制实行，是促使柴油机技术不断更新换代的最重要因 素，近年来柴油机的各项技术发展十分迅速，采用先进的柴油机控制技术，即 使不使用排放后处理系统，已完全可以使柴油机排放达到欧Ⅲ排放标准。
1.2 新型柴油机燃烧及排放控制技术
柴油机达到国Ⅲ，采用如下具体措施： (１)进气温度必须通过加强中冷来加以冷却或辅助ＥＧＲ，以降低ＮＯｘ 的排放。 (２)欧Ⅱ发动机的机械燃油喷射系统必须换为电控高压燃油喷射系统。 (３)电控技术可以实现各工况点的优化，以降低ＮＯｘ 和颗粒物的排放， 同时较高的喷射压力将会进一步降低颗粒物的排放。 (４)优化燃烧室形状，与燃油喷注相匹配。
图１-７ 在Φ-Ｔ 平面 上柴油机的传统燃烧模 式与两种低温燃烧模式
1.2 新型柴油机燃烧及排放控制技术
１)均质充量压燃燃烧 其主要观点是在着火前形成一种理想的均质稀薄混合气，通过提高压缩 比，采用ＥＧＲ、进气加温和增压等手段来提高缸内混合气的温度和压力，使 汽缸内的高度稀释的预混合气可以实现多点同时着火。 ２)柴油机浓混合气无烟燃烧 柴油机浓混合气无烟燃烧是在理论空燃比甚至是更浓的混合气条件下， 通过大量的冷ＥＧＲ(６０％或者以上)来保持油束内的温度低至无微粒生成， 但是对高ＥＧＲ 率的需要限制了其只能在低负荷区域应用，而且ＥＧＲ 的增 加使ＨＣ 和ＣＯ 排放以及燃烧效率下降。 ３)ＭＫ 燃烧 Ｋｉｍｕｒａ 发现使用大量的ＥＧＲ、高涡流比和推迟喷油可以同时降 低ＮＯｘ 和炭烟排放。
图1-4 三种燃烧系统结构
1.1 汽油机直喷技术
GDI发动机的发展趋势： GDI发动机的发展面临排放、稳定燃烧控制、燃油经济性提高、性能可靠 性、控制复杂性等方面的挑战。GDI发动机的燃烧技术将按照图1-5所示的四 个方向发展。
图1-5 GDI发动机的燃烧技术发展趋势
1.1 汽油机直喷技术
GDI发动机燃烧系统： １)采用λ ＝1的均质混合气燃烧方式：采用过量空气系数λ ＝1的均质混 合气燃烧方式的主要优点是能够采用目前PFI发动机上广泛使用的三元催化器， 可以避免使用稀燃NOx催化转化器，使其排放能够达到越来越严格的排放法规。 ２)采用分层充气或均质(λ ＝1)充气涡轮增压技术：通过提高进气压力、 提高空气利用效率来减小发动机的尺寸是提高发动机经济性的有效途径，传统 的PFI发动机由于受到爆震的限制和涡轮增压器响应滞后等因素的影响，使得 汽油机涡轮增压技术没能迅速发展。 ３)优化燃烧系统扩大分层稀燃区域：GDI发动机分层稀燃区域可以实现 节油20％ ~25％,可以优化GDI发动机燃烧技术采用新一代喷射引导型燃烧系 统，扩大分层稀薄燃烧范围，进一步提高GDI发动机的经济性。 ４)实现GDI发动机的HCCI燃烧：在HCCI的燃烧过程中，理论上是均匀混 合气完全压燃、自发燃烧、没有火焰传播过程，这样可以阻止NOx和微粒的生 成，同时能够实现较高的燃油经济性。