基于汽油机缸内直喷技术的发展与排放研究

该文通过介绍汽油机缸内直喷(Gasoliine Direct Injection,GDI)技术的发展背景、技术特点、技术现状,在油价不断上涨压力下和汽车带来的污染日益严重,全球范围内对温室气体CO2排放控制的呼声不断高涨的条件下,满足排放要求,因此,提升燃油经济性则显得意义尤为重要。GDI今后研究工作的重点是排放的控制技术,同时展望了汽油机缸内直喷技术的发展。     

浅析汽油机缸内直喷技术

本文主要介绍了发动机缸内直喷技术,这套先进的发动机技术是目前最炙手可热的。文章主要从汽油缸内直喷结构、FSI发动机的工作原理、汽油缸内直喷的工作过程,充分说明了汽油机缸内直喷技术的先进性。     

汽油机缸内直喷周向分层燃烧系统的试验研究

开发了一台采用缸内直喷周向分层燃烧系统的汽油机，对喷嘴型式，火花塞与油束相对位置，供油提前角，喷油压力，进气涡流比，喷油泵柱塞直径和压缩比等燃烧系统的主要参数进行了优化，得到了发动机燃用汽油时的最优参数，采用缸内直喷周向分层燃烧系统后，汽油机的热效率与柴油机的大致相当。     

用三维计算研究喷油参数对汽油缸内直喷的影响

汽油缸内直喷已成为新一代汽油机提高经济性、降低排放的重要手段 .在这种新型燃烧方式中 ,喷雾过程是重要的影响因素 .文中以一台家用轿车三缸发动机为对象 ,进行缸内过程的三维模拟计算 .就喷油参数对汽油缸内直喷的影响进行了分析 ,研究了喷油定时与喷油角度的作用 .结果表明 ,选择适当的喷雾参数对缸内混合气的形成、燃烧的组织等具有重要意义     

机油消耗量对缸内直喷汽油机微粒排放影响规律的研究

缸内直喷汽油机以其出色的经济性和瞬态响应性能得到了市场的广泛认可,但其类似于柴油机的喷射特点决定了汽油缸内混合时间短、混合气局部过浓并使得其微粒生成的质量和数量增加;此外机油不可避免地参与燃烧也会影响微粒排放特性。为研究机油消耗量对缸内直喷汽油机微粒排放影响规律,本文采用DMS500粒径分析仪对一台GDI发动机不同机油消耗量条件下的微粒粒径分布特性进行研究。研究结果表明：改变油气分离器的状态可以显著改变GDI发动机的机油消耗量;怠速工况下机油消耗量增加会导致微粒生成质量和数量浓度显著升高;低速工况下,中低负荷时,机油消耗量增加,微粒的质量浓度增加;高负荷时影响不明显。中速工况下,机油消耗量对微粒排放影响不明显。     

控制参数对增压缸内直喷汽油机部分负荷下微粒排放特性的影响

为研究控制参数对缸内直喷(GDI)汽油机微粒排放特性的影响,在一台GDI汽油机上,当控制冷却液温度为(85±2)℃、点火正时为上止点前30°时,研究了部分负荷下喷油压力、喷油正时和过量空气系数对微粒的粒径分布特性和数量浓度排放的影响。结果表明,增大喷油压力,微粒数量浓度峰值及其对应的粒径均减小。发动机转速提高,微粒的总数量浓度升高;1 500r/min时的积聚态微粒排放高于核态微粒排放,2 000r/min和2 500r/min时核态微粒排放高于积聚态微粒排放。喷油正时为上止点前270°时,微粒排放最低;喷油正时为上止点前330°时容易形成较多较大尺寸的微粒,微粒数量浓度比其他喷油时刻高出一个数量级。增大过量空气系数,采用偏稀混合气可以降低微粒排放数量,采用浓混合气,核态微粒数量浓度高于积聚态微粒。该结果可为增压缸内直喷汽油机微粒排放特性研究提供参考。     

缸内直喷汽油机颗粒物粒径分布特性

采用DMS500快速颗粒取样分析仪对一台缸内直喷国Ⅳ汽油机进行了颗粒物粒径分布特性的试验研究．结果表明：缸内直喷汽油机排气颗粒物呈包括核态和积聚态颗粒物的双峰分布,仅怠速工况呈核态单峰分布．随转速升高,总颗粒物数浓度在部分负荷下逐渐降低,外特性先降低后升高;随负荷增加,总颗粒物数浓度在中、低负荷下逐渐降低,满负荷时急剧增加．随转速升高,核态颗粒物在部分负荷速度特性下数密度峰值逐渐降低,外特性下先降低后增加;积聚态颗粒物数密度峰值逐渐降低．随负荷增加,核态颗粒物数密度峰值在中、低负荷时逐渐降低,满负荷时增加;积聚态颗粒物数密度峰值在中、低负荷时先升高后降低,满负荷时最高．     

冷启动下米勒循环对缸内直喷汽油机混合气形成影响研究

以一台缸内直喷(GDI)汽油机为研究对象,进行发动机台架试验与一维仿真工作,为三维仿真模拟的冷启动工况提供可靠的边界与初始条件,并进行了相关验证。设计了进气门早关(EIVC)米勒循环气门升程型线,构建了米勒循环发动机模型,探究了米勒循环对缸内低温环境下的附壁油膜发展、喷雾场形成质量的影响。结果表明：米勒循环发动机在进气冲程后期缸内附壁油膜的质量均高于原机;在整个进气与压缩过程中,大部分的油膜以及厚油膜区域均集中在活塞凹坑。EIVC75米勒循环活塞顶部油膜铺展面积显著增大,凹坑周围油膜厚度明显降低;在压缩冲程中后期,由于缸内湍动能耗散较慢,促进了其附壁燃油蒸发;在点火时刻,EIVC60与EIVC75米勒循环较原机附壁燃油质量分别下降了28%、48%,可以有效避免“池火”现象,与此同时,原机的浓度场分布与EIVC60、EIVC75米勒循环相比具有较大差异,原机火花塞附近的当量比在0.8左右,而米勒循环发动机火花塞附近则形成了当量比为1.1～1.2的适宜点火的可燃混合气。     

缸内直喷汽油机高压油泵控制系统的设计

针对缸内直喷汽油机高压油泵工作噪声较大和高压油轨压力动态响应较慢的问题,通过对高压油泵溢流阀驱动电流的优化和泵油量控制策略的设计,使高压油泵工作噪声降低,动态响应时间缩短,当节气门开度由20%增大至50%、目标轨压由6.5 MPa阶跃至9.3 MPa时的动态响应时间仅为4s,表明该方法可行,对整个发动机燃油喷射控制系统的优化具有参考价值.     

汽油缸内直喷多孔喷油器喷雾碰壁特性试验

为了研究缸内直喷汽油机多孔喷油器的碰壁喷雾特性,建立了定容碰壁喷雾试验装置,对不同喷油压力和不同环境压力条件下的碰壁喷雾过程进行了拍摄,同时考虑壁面与喷嘴的距离和壁面倾角对碰壁喷雾特性的影响.结果表明:增加喷油压力可以使碰壁喷雾高度和半径增大,但是碰壁喷雾高度的增加率随喷油压力的增加而减小;随着环境背压的增大,碰壁喷雾高度和半径均减小,进一步增大环境背压,则碰壁喷雾高度增大;加大撞击壁面与喷嘴的距离和壁面倾角,碰壁喷雾高度和喷雾半径均增大,当壁面倾角进一步增大,碰壁液滴总动能减少,而且受到喷雾油束边缘的运动阻力,碰壁喷雾半径减小.     

可变气门升程对涡轮增压缸内直喷汽油机缸内流动特性的影响

采用数值模拟方法对不同最大进气门升程（MVL）下涡轮增压缸内直喷汽油机缸内气体的流动特性进行分析,以掌握变气门升程对缸内流动的影响规律．结果表明,MVL的减小使过进气门中心线的纵截面内的顺时针滚流增强。在120℃A时刻,MVL为7．7mm时截面内气体流动以逆时针滚流为主,而MVL为1．0mm时截面内气体流动以顺时针滚流为主;低MVL有利于进气初期缸内滚流比的提高,而在进气后期及压缩过程中,MVL为1．0mm时缸内滚流比明显低于MVL为7．7mm和4．0mm时的缸内滚流比;随着进气门升程的减小,湍流强度第一个峰值明显升高（MVL为7．7mm时峰值为0．54,而MVL为1．0mm时峰值达1．03）,但小MVL条件下湍流强度衰减较快,在压缩末期3种MVL下的湍流强度差别较小．     

耦合详细化学动力学的HCCI发动机工作过程三维数值模拟

将详细化学动力学的HCCI单区模型嵌入三维流体力学程序中，取代传统内燃机三维数值模拟中简化燃烧模型，利用详细化学反应动力学计算三维燃烧过程，建立三维CFD耦合详细化学反应动力学模型.生成了带复杂进气道的实际燃烧系统的贴体计算网格，建立了缸内直喷HCCI燃烧系统进气-喷雾-混合气形成-压缩-燃烧工作过程的模型.为满足模拟整个HCCI发动机物理化学过程（包括进气，压缩，喷雾，燃烧和排放）执行时间的要求，提出了一套能使计算工作量大为减少的详细化学反应动力学与三维CFD耦合的模拟策略，利用试验方法确定计算边界条件，预测了进气-喷雾-燃烧-排放的HCCI发动机工作过程，通过发动机台架试验对比验证了模型的准确性.     

缸内直喷灵活燃料发动机燃烧特性的研究

根据实测示功图,计算了发动机的燃烧放热规律,并系统分析了一台采用火花点火、缸内直喷、周向分层的燃烧系统灵活燃用甲醇、乙醇和汽油时发动机的燃烧特性.研究表明,缸内直喷灵活燃料发动机在燃烧过程中预混燃烧与扩散燃烧并存,燃烧循环变动小于6%;具有非常快的燃烧速率,上止点后曲轴转角为3°～6°时就可燃烧完50%的燃料,燃烧持续期在28°～37°曲轴转角范围内;甲醇的燃烧速率最快,汽油的燃烧速率在低负荷时比乙醇稍快,在高负荷时比乙醇慢.     

新型缸内直喷发动机滚流燃烧室设计与研究

为了获得更加节能、环保和高性能的汽油发动机,设计了一种适用于缸内直喷(GDI)发动机的新型滚流燃烧室,并将这种燃烧室应用于4G15缸内直喷发动机进行了实验研究.该燃烧室通过活塞顶上凸起面的作用,合理地组织了缸内气体流动.计算流体动力学(CFD)仿真分析表明,在不使用垂直向下滚流进气道的情况下,该燃烧室同样可以获得理想的滚流强度.实验结果表明,4G15发动机的稀燃极限可达25～27,其中17～19是效率最高的空燃比区间,该区间的效率较原机提高了10%左右.在理论空燃比的情况下,当废气再循环率(EGR)达到7%时,NOx排放的化学计量可以降低到无EGR情况的20%以下.     

浅析FSI燃油缸内直喷的优势

面对着世界资源的匮乏,世界环境的不断恶化,我们不能从根本上解决这个问题,但我们可以通过其它一些途径来缓解这个问题,本文从现在正在发展中的FSI技术提出了缓解这些问题的一种方法,如稀薄燃烧的节能和降低氮氧化物的三元催化器等。     

M15对增压直喷汽油机小负荷工况下燃烧和性能的影响

在一台缸内直喷汽油机上,针对M15(汽油中甲醇添加体积比例为15%)和M0(汽油中甲醇添加体积比例为0,即纯汽油)两种燃料,试验研究了点火提前角、喷油提前角和喷射压力等控制参数的调整对样机在小负荷、低转速下,燃烧、性能及排放的影响规律和影响差异。研究结果表明:相同喷射脉宽及控制参数条件下,M15汽油的最高燃烧压力比M0的低4%,但最高压力点对应的曲轴转角与M0基本相同。相同喷射脉宽下,燃用M15比燃用M0的发动机输出扭矩下降约10%左右,但燃油经济性有所提高,并分别存在一个点火提前角和喷油提前角,使得转矩最大、燃油消耗率最小,此点火提前角为20°CA(BTDC)、喷油提前角为300°CA(BTDC);而喷射压力对转矩和燃油消耗率影响较小。当使用M15燃料后,HC、CO和NO_x排放均比M0有所降低;M15和M0的HC、CO和NO_x排放均随点火提前角减小而减小;随喷油提前角的变化呈现不规律的变化;喷射压力对HC和NO_x排放的影响不很明显,而对CO呈波动状态。     

天然气缸内直喷发动机在不同喷射和点火时刻下的排放与燃烧特性

在一台缸内直喷火花点火天然气发动机上对不同喷射时刻和点火时刻下的微粒排放进行了试验研究,并对相关的燃烧和排放特性进行了分析.研究结果表明:随着喷油时刻和点火时刻的提前,发动机微粒排放增多;峰值粒径出现在29 nm附近,数量浓度达到1×107cm-3,而微粒的粒径分布没有发生太大变化;火焰发展期随着喷油时刻的提前而缩短,快速燃烧期在190°时达到最小值;随着点火时刻的提前,火焰发展期变长,快速燃烧期先减小后增大;NOx和HC排放均随喷油时刻和点火时刻的提前而增大.     

直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的燃烧特性

开展了缸内直喷火花点火发动机燃用天然气掺氢混合燃料燃烧特性和放热过程的试验研究．研究结果表明：在给定喷射脉宽条件下，天然气掺氢比小时，燃烧放热率低，当氢气的体积分数达到10％～18％后，对提高混合燃料发动机燃烧速率有明显效果；火焰发展期、快速燃烧期、燃烧持续期和放热率曲线型心位置对应的曲轴转角随掺氢比增加呈先增加后减小趋势，当氢气的体积分数达到18％时可以缩短火焰发展期、快速燃烧期和燃烧持续期，放热率曲线型心位置对应的曲轴转角靠近上止点；缸内最高燃烧压力、最高燃气平均温度、最大压力升高率和最高放热率随掺氢比的增加呈先减小后增加趋势；天然气掺氢燃烧特性在低转速时比在高转速时受掺氢比的影响大．     

用混合燃烧模型研究缸内直喷醇类燃料发动机的燃烧

通过引入湍流燃烧延迟系数，将单步不可逆反应模型和漩涡破碎燃烧模型结合在一起，建立了一个新的混合燃烧模型．利用混合燃烧模型对一台采用火花点火、缸内直喷、周向分层燃烧系统的醇类燃料发动机的燃烧过程进行了三维数值模拟，计算所得的缸内压力和燃烧放热速率与实验结果吻合良好．模拟结果表明，在缸内直喷醇类燃料发动机中，混合气能稳定地实现由浓到稀的周向分层，醇类燃料高的汽化潜热导致混合气温度较低，燃烧过程中预混燃烧与扩散燃烧并存，燃烧速率非常快．     

汽油机缸内直接喷射技术

由于能源枯竭和环境污染情况日益严重,即使是多点燃油喷射这样的技术也不能满足人们的要求了,于是更为精确的燃油喷射技术诞生了,那就是汽油机缸内直接喷射技术。本文将对汽油机缸内直接喷射技术的类型、结构原理、存在问题等进行简要的论述。