缸內(nèi)直噴技術(shù)的應(yīng)用

吳　堅　劉巨江　林思聰　李鈺懷（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院　廣東　廣州　511434）

缸內(nèi)直噴技術(shù)的應(yīng)用

吳堅劉巨江林思聰李鈺懷
（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院廣東廣州511434）

摘要：以一臺1.5TGDI發(fā)動機(jī)為研究對象，介紹了缸內(nèi)直噴技術(shù)在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用情況，缸內(nèi)直噴技術(shù)可以改善燃油經(jīng)濟(jì)性、提高扭矩功率輸出、降低排放水平。

關(guān)鍵詞：缸內(nèi)直噴掃氣兩次噴射起燃

引言

隨著排放與油耗法規(guī)的日益嚴(yán)格，渦輪增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)小型化技術(shù)受到各主機(jī)廠的重視[1]，配合可變氣門正時技術(shù)（VVT），可以顯著提高發(fā)動機(jī)的動力性與燃油經(jīng)濟(jì)性[2]。直噴技術(shù)可以通過燃油蒸發(fā)時的氣化潛熱來降低缸內(nèi)溫度，抑制了爆震的發(fā)生，因此可以進(jìn)一步提高壓縮比。高壓縮比、高增壓成為當(dāng)今直噴發(fā)動機(jī)研究的熱點(diǎn)[3]。

1　研究對象

研究對象為廣汽研究院自主開發(fā)的1.5TMPI與1.5TGDI兩款發(fā)動機(jī)。

GDI發(fā)動機(jī)相對MPI發(fā)動機(jī)變化點(diǎn)如下表所示。

表1　GDI發(fā)動機(jī)相對MPI發(fā)動機(jī)的變化點(diǎn)

2　燃油經(jīng)濟(jì)性提升

中小負(fù)荷工況采用較小的軌壓進(jìn)行燃油單次噴射，減小高壓油泵消耗的扭矩。GDI發(fā)動機(jī)活塞表面的凹坑設(shè)計，減少了小負(fù)荷工況燃燒初期由活塞帶走的熱量，加上壓縮比的提高，提高了熱效率。大負(fù)荷工況采用較大的軌壓并進(jìn)行兩次噴射，噴射起始相位控制在進(jìn)氣沖程初期活塞下行至60°CA時，由于噴油結(jié)束相位距離壓縮上止點(diǎn)較遠(yuǎn)，有充足的時間讓燃油蒸發(fā)汽化以及完成油氣混合，在缸內(nèi)形成均質(zhì)的混合氣[4]。燃油蒸發(fā)汽化時吸收熱量降低了缸內(nèi)溫度，對爆震產(chǎn)生了抑制作用。因此可以采用較大的點(diǎn)火提前角，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，而且負(fù)荷越大，噴出的燃油越多，蒸發(fā)吸熱效果越明顯，油耗降低幅度越大。油耗改善效果如圖1所示，在2000 r/min、1.7MPa BMEP時，燃油消耗率下降25 g/（kW·h），經(jīng)濟(jì)性改善達(dá)9.2%。

3　動力性提升

全負(fù)荷工況為了實(shí)現(xiàn)大扭矩高功率輸出，適當(dāng)提高了進(jìn)、排氣凸輪包角，同時采用了更大壓氣機(jī)尺寸的渦輪增壓器，以達(dá)到提高增壓壓力增加進(jìn)氣量的目的。

3.1低速扭矩改善

由于采用了較大尺寸的渦輪增壓器，轉(zhuǎn)動慣量的增加使得在低轉(zhuǎn)速段會出現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)速偏低增壓壓力不足的情況。為了提高低轉(zhuǎn)速段扭矩，進(jìn)氣門盡量提前開啟，排氣門盡量延遲關(guān)閉，使得進(jìn)、排氣門重疊角非常大。在氣門疊開期間，由于進(jìn)氣道壓力比排氣道壓力高，實(shí)現(xiàn)了掃氣功能，可由新鮮空氣將缸內(nèi)殘余廢氣掃出燃燒室，甚至有部分新鮮空氣直接排出氣缸進(jìn)入到排氣歧管。這部分新鮮空氣在排氣岐管匯合處中與其他缸排出的廢氣混合在一起，進(jìn)行了氧化反應(yīng)放出熱量，進(jìn)一步提高了進(jìn)入渦輪的排氣能量，從而能提高渦輪轉(zhuǎn)速與增壓壓力，最終提高了發(fā)動機(jī)的充氣效率與扭矩。

采用燃油兩次噴射策略，噴射起始相位在進(jìn)氣沖程初期活塞下行至60°CA時，這部分燃油的飛行方向與進(jìn)氣滾流運(yùn)動方向相同，對缸內(nèi)滾流運(yùn)動起到了很大的加強(qiáng)作用。配合高滾流的進(jìn)氣道設(shè)計，在進(jìn)氣沖程產(chǎn)生了非常強(qiáng)烈的滾流運(yùn)動，滾流可以較好地保持到壓縮上止點(diǎn)，并在壓縮上止點(diǎn)時破碎為眾多小尺度的渦，能夠極大地提高湍動能[5]，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，如圖2所示，燃燒持續(xù)期縮小1°CA至4°CA。同時噴射到缸內(nèi)的燃油蒸發(fā)吸熱，依據(jù)燃料的蒸發(fā)汽化潛熱推算缸內(nèi)氣體溫度下降約21℃，對爆震產(chǎn)生了明顯抑制作用，可以采用較大的點(diǎn)火提前角。從而也大大地提高了熱效率。

如圖3所示，在1000 r/min至1500 r/min，GDI發(fā)動機(jī)充氣效率明顯高于MPI發(fā)動機(jī)的充氣效率。尤其是1000 r/min，采用掃氣功能的GDI發(fā)動機(jī)的充氣效率比MPI發(fā)動機(jī)的充氣效率高出25.5%，扭矩高出46 N·m；而1250 r/min時，充氣效率高出14%，扭矩高出66 N·m。受益于掃氣功能的作用，GDI發(fā)動機(jī)的最大扭矩對應(yīng)轉(zhuǎn)速可以下降至1250 r/min。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1700 r/min時，輸出扭矩可達(dá)到260 N·m。

圖3　低轉(zhuǎn)速扭矩與充氣效率

3.2高速功率提升

由于采用了較大的渦輪增壓器，因此在發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速段增壓器的增壓壓力得到提升，5000 r/min時由0.189MPa提高至0.209MPa，配合進(jìn)、排氣凸輪包角的加大，帶來了進(jìn)氣量的明顯提升，5000r/min時由419 kg/h增加至464 kg/h，增加了10.7%，如圖4所示。

圖4　高轉(zhuǎn)速進(jìn)氣壓力與進(jìn)氣量

在額定功率轉(zhuǎn)速，采用燃油單次噴射策略，噴射起始相位在進(jìn)氣沖程初期活塞下行至40°CA時，通過對油束落點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，保證了油束不會碰到缸套與活塞表面，避免造成機(jī)油稀釋與碳煙的生成。由于油氣混合有較充足的時間可在缸內(nèi)形成均質(zhì)的混合氣。

4　排放性提升

在催化器起燃工況下采用排氣門提前關(guān)閉，進(jìn)氣門推遲開啟的控制策略，排氣門提前開啟可以減少工質(zhì)膨脹做功，提高排氣能量，從而提高排氣溫度；進(jìn)氣門推遲開啟，配合排氣門關(guān)閉正時，減小了進(jìn)、排氣門重疊角可以最大程度減小內(nèi)部EGR，提高燃燒穩(wěn)定性，從而可以采用非常遲的點(diǎn)火正時。

采用兩次燃油噴射，第一次燃油噴射在壓縮沖程初期，在缸內(nèi)形成較稀的均質(zhì)混合氣，可以減少HC排放；第二次燃油噴射在做功沖程靠近壓縮上止點(diǎn)附近，噴油結(jié)束相位距離壓縮上止點(diǎn)70°CA，噴出40%的燃油，這部分燃油噴出時活塞距離上止點(diǎn)的距離較小，噴出的油霧落在活塞上面的凹坑，并反射至火花塞附近，在火花塞附近形成較濃的混合氣，使得火花塞跳火時可以可靠點(diǎn)燃混合氣，并快速燃燒掉火花塞附近的較濃混合氣。隨著活塞下行逐漸燃燒較稀的混合氣，因此可以最大限度地推遲點(diǎn)火角而不至于使發(fā)動機(jī)熄火[6]。

由于點(diǎn)火正時極其靠后，且排氣門開啟提前，燃燒后的高壓氣體用于膨脹做功的部分非常少，絕大部分能量都通過排氣排出汽缸，因此需要加大進(jìn)氣量以獲得足夠維持發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的能量，同時也帶來了更加多的排氣能量；這樣的雙重作用更加提高了排氣熱通量，加速了催化器起燃。

臺架試驗(yàn)結(jié)果顯示，在1200（r·min-1）/100 kPa的催化器起燃工況下，HC的濃度為359×10-6，HC的排放量僅為4.75 g/（h·L），而排氣溫度為878℃，催化器中心溫度為757℃，熱通量達(dá)到6.26 kW/L。

5　結(jié)論

GDI發(fā)動機(jī)相對MPI發(fā)動機(jī)可以改善燃油經(jīng)濟(jì)性、提高扭矩功率輸出、降低排放水平。

對于小負(fù)荷工況燃油經(jīng)濟(jì)性的提升主要在于壓縮比提高帶來熱效率的提高以及活塞表面凹坑設(shè)計對燃燒初期熱量損失的減少作用。對于中大負(fù)荷工況燃油經(jīng)濟(jì)性的提升主要依靠缸內(nèi)燃油蒸發(fā)汽化吸收熱量，降低了缸內(nèi)溫度，對爆震產(chǎn)生抑制作用，因此可以采用較大的點(diǎn)火提前角，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

低速扭矩的提升得益于掃氣功能的實(shí)施，掃除缸內(nèi)殘余廢氣，降低缸內(nèi)溫度，可以提高充氣效率；同時油霧飛行方向配合高滾流進(jìn)氣道設(shè)計，提高了缸內(nèi)滾流運(yùn)動，加上更加明顯的蒸發(fā)汽化吸熱效果，大大提高了燃燒放熱效率。高速功率提高主要依靠凸輪包角的加大與渦輪增壓器的加大，大大提高了進(jìn)氣量。

排放的改善主要利用兩次噴射分層燃燒帶來燃燒穩(wěn)定性的提高與點(diǎn)火提前角的推遲，使排氣熱通量明顯提升、排放量明顯下降。

參考文獻(xiàn)

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4信曦，丁寧，張小矛，等.二次噴射對直噴增壓汽油機(jī)油氣混合與燃油濕壁影響的研究 [C].中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會燃燒凈化節(jié)能分會2013年學(xué)術(shù)年會.保定：中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會燃燒節(jié)能凈化分會，2013

5周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)（第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

6王新顏，謝輝，李之華，等.凹坑活塞設(shè)計對直噴汽油機(jī)缸內(nèi)油氣混合及分布影響的仿真研究[C].中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會燃燒凈化節(jié)能分會2013年學(xué)術(shù)年會.保定：中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會燃燒節(jié)能凈化分會，2013

中圖分類號：TK417+.11

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）02-0054-03

收稿日期：（2015-03-06）

作者簡介：吳堅（1967-），男，博士，教授級高級工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)燃燒。

The Application of Gasoline Direct Injection Technology

Wu Jian，Liu Jujiang，Lin Sicong，LiYuhuai
GACAutomotive Engineering Institute（Guangzhou，Guangdong，511434，China）

Abstract：In this paper，the application of gasoline direct injection（GDI）technology is presented based on the research on a 1.5TGDIengine.GDI technology can improve the fuel economy，torque and power，and reduce theemission.

Keywords：GDI，Scavenging，Twin injection，Lightup