對分層稀薄燃燒GDI發(fā)動機缸內(nèi)濃度場的研究分析

周 霞

（桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校，桂林 541004）

0 引言

隨著世界環(huán)境污染的日益嚴(yán)重和能源危機的不斷加劇，發(fā)動機的燃燒性能和尾氣排放數(shù)量逐漸成為人們研究的重點，使用燃燒率高、環(huán)境污染小的發(fā)動機也就逐漸成為各國政府和專業(yè)人士極力倡導(dǎo)的方式和目標(biāo)。GDI發(fā)動機在能源燃燒方面具有很大的優(yōu)勢和特點，它可以通過燃油的缸內(nèi)直接噴射、可變噴油定時和控制缸內(nèi)的氣流運動等方式實現(xiàn)GDI發(fā)動機的缸內(nèi)的稀薄燃燒。經(jīng)過實踐證明，與PFI發(fā)動機相比，其在提高燃油性能和降低污染排放等方面具有明顯的優(yōu)勢。尤其是在發(fā)動機排放標(biāo)準(zhǔn)逐漸嚴(yán)格的形勢下，GDI發(fā)動機必將迎來更大的發(fā)展機會。GDI發(fā)動機節(jié)能減排的目標(biāo)主要是通過分層稀薄燃燒實現(xiàn)的，而燃油效率和尾氣排放數(shù)量又主要受缸內(nèi)混合氣濃度場分布等因素的影響。因此，關(guān)于分層稀薄燃燒GDI發(fā)動機缸內(nèi)濃度場的研究就顯得非常重要了。

1 GDI發(fā)動機燃燒系統(tǒng)

GDI發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)是設(shè)計與開發(fā)的重中之重，因為它不僅要滿足不同負(fù)荷下分層燃燒的各種需求，還要對大負(fù)荷下的均質(zhì)預(yù)混進行綜合考慮，這就大大增加了GDI燃燒系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)的難度。目前，市場上比較成熟的燃燒系統(tǒng)主要有三種類型：

1.1 油束控制燃燒系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，燃油噴嘴在進行設(shè)計時，通常會保持與火花塞較近的距離，布置在氣缸的中間位置，以保證CDI發(fā)動機的火花塞處于燃油噴束的邊緣位置，這樣在燃油噴射過程中，可以使噴油器非常便捷的把燃油噴向火花塞電極。油束控制燃燒系統(tǒng)中的這種設(shè)計方法，能夠促進燃油混合氣能在氣缸固定空間范圍內(nèi)的分層，當(dāng)該空間范圍內(nèi)呈現(xiàn)稀薄混合型氣體時，仍可保證火花塞在周邊形成足夠高混合氣濃度供點火使用。但是燃油噴束與火花塞之間的過短距離，有時很難保證混合氣體形成所需要的時間，進而影響火花塞的使用性能和生命周期，如積碳、粘濕或者點火困難等。此外，所形成的可燃混合氣體的范圍相對有限，對著火的穩(wěn)定性是非常不利的，所以油束控制燃燒系統(tǒng)并沒有得到廣泛的使用。

1.2 氣流控制燃燒系統(tǒng)

該燃燒系統(tǒng)類似于臥式，進氣道采用水平方式，在發(fā)動機內(nèi)便于形成順向的翻滾氣流。在設(shè)計方面，保持了與火花塞的較遠(yuǎn)距離，但是在使噴油器對準(zhǔn)燃燒室的中心噴向火花塞時，并不直接噴向火花塞電極，而是通過油束與發(fā)動機缸內(nèi)氣流的相互作用，促進發(fā)動機在較大范圍內(nèi)的混合氣均質(zhì)化和充量分層，所以該類型混合氣的形成過程也被稱作“氣流引導(dǎo)法”。目前，已經(jīng)有不少品牌的發(fā)動機開始采用該方法進行燃燒系統(tǒng)的設(shè)計，如FEV、AVL等公布的開發(fā)方案，使用的就是這種氣流控制燃燒系統(tǒng)。

1.3 壁面控制燃燒系統(tǒng)

該燃燒系統(tǒng)的噴油嘴在設(shè)計過程中，同樣保持了與火花塞的較遠(yuǎn)距離，噴油器通常會被設(shè)計在進氣門的一側(cè)，火花塞則被設(shè)計在中間位置，進氣道呈立式，具有不同于其他系統(tǒng)的形狀和特點，這主要是為了逆滾流的形成，因為空氣被吸入進氣道后，會被強制性的順著氣缸壁進行向下流動，進而將相應(yīng)的燃油帶到火花塞周圍。直立的進氣道，必然會更加有利于氣流的吸入，能夠迅速提升充氣的速度，進而實現(xiàn)發(fā)動機功率提升的目的。在該系統(tǒng)中，容易在立式的進氣道中形成逆向的翻滾氣流，并在火花塞的有限空間內(nèi)形成滿足相關(guān)要求濃度的混合氣，進而實現(xiàn)在壓縮擠流過程中的高效燃燒。目前，尼桑、豐田、三菱等著名企業(yè)所開發(fā)使用的系統(tǒng)都是壁面控制燃燒系統(tǒng)。

2 GDI發(fā)動機稀薄燃燒方式

2.1 稀薄燃燒技術(shù)

稀薄燃燒技術(shù)有多種分類形式。如依據(jù)噴射形式上差異可以分為缸內(nèi)直噴和氣道噴射稀薄燃燒，依據(jù)發(fā)動機氣缸內(nèi)渦流的形式可以分為縱向和軸向分層稀薄。在燃油燃燒效率和尾氣排放等方面，PFI發(fā)動機整體上不如GDI發(fā)動機。GDI發(fā)動機稀薄燃燒技術(shù)主要涵蓋了稀薄燃燒、缸內(nèi)氣流控制、噴射點控制、噴霧及其壓力控制等。GDI發(fā)動機在設(shè)計噴油器的位置時考慮了多方面的因素，為了便于混合氣濃度場的合理分布，噴油器被安置在了燃燒室的內(nèi)部，這能夠有效避免其他因素對混合氣綜合質(zhì)量的不利影響，提高泵氣的利用效率，從而更容易達(dá)到稀薄燃燒的目的，這對提高CDI的經(jīng)濟效益、降低尾氣排放也是非常有利的。

配合燃燒室內(nèi)形成的擠流，壁面導(dǎo)向方式通過活塞頂部燃燒室的形狀將噴油器噴射的燃油導(dǎo)向氣缸上部流動，可以使混合氣在火花塞周圍形成。通過進氣道的導(dǎo)向作用以及氣流導(dǎo)向方式通過燃燒室結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計，可以在氣缸內(nèi)形成滾流和渦流，配合噴射時間達(dá)到混合氣濃度的理想分層與分布。在這種情況下，合理的位置可以實現(xiàn)火花塞順利點燃混合氣。噴霧導(dǎo)向方式配合氣缸內(nèi)的氣流特性，合理布置火花塞及噴油器噴射的相對位置實現(xiàn)稀薄燃燒。

2.2 GDI分層稀薄燃燒

通常情況下，缸內(nèi)直噴汽油機的啟噴壓力會選擇2MPa，一定強度的進氣渦流是通過螺旋氣道在CDI缸內(nèi)形成的，火花塞會沿氣流方向設(shè)計在噴油器下游的油束下方，如圖1所示。在缸內(nèi)氣流的作用下，噴油器順氣流噴射時噴霧偏向火花塞方向擴散，形成火花塞附近為濃混合氣的分層分布。對應(yīng)噴射時間控制點火時刻實現(xiàn)可靠著火，并向稀薄混合氣擴散燃燒，這時發(fā)動機壓縮比可提高到12。顯而易見，這對提高燃油的燃燒效率，節(jié)約燃油資源是非常有幫助的。

圖1 燃燒室

3 GDI發(fā)動機缸內(nèi)濃度場影響因素的研究

該部分以三菱直噴汽油機為例，對GDI發(fā)動機缸內(nèi)濃度場的影響因素進行相關(guān)分析。由于三菱GDI發(fā)動機的燃燒室的形狀非常特殊，采用的燃燒系統(tǒng)是壁面控制燃燒系統(tǒng)，火花塞被設(shè)計在中間位置，噴油器與火花塞保持了較遠(yuǎn)的距離，并被安裝在氣缸的一側(cè)。該系統(tǒng)的部分負(fù)荷是通過分層稀薄燃燒來實現(xiàn)的，氣缸內(nèi)混合氣濃度場的分布將會對發(fā)動機內(nèi)的燃燒產(chǎn)生一定的影響。其中，不科學(xué)的混合氣濃度場分布，將會導(dǎo)致燃燒過程中的淬熄現(xiàn)象或這局域范圍內(nèi)的燃燒惡化。因此，很有必要對噴油定時、噴射方向、滾流比等對混合氣濃度場分布產(chǎn)生影響的因素進行相關(guān)研究和分析，以更好的促進GDI發(fā)動機整體性能的改進。

1）噴油定時對分層稀薄GDI發(fā)動機缸內(nèi)濃度場的影響

根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，噴油定時對分層稀薄GDI發(fā)動機缸內(nèi)濃度場的影響是十分顯著的，所以我們必須充分重視噴油定時的選擇問題，這也是實現(xiàn)燃油高效燃燒的重要前提條件。在確定噴油定時時，我們既要給予燃油擴散和蒸發(fā)的充分時間，又必須保證火花塞周圍混合氣濃度場的均勻分布，因為噴油定時相對靠前時，燃油進行混合與蒸發(fā)的時間會逐漸變長，這時的混合氣的混合程度將會更加均勻和理想，但噴油定時太靠前會使得混合氣在整體上偏稀。反之，當(dāng)噴油定時被推后時，空氣與燃油蒸汽很難達(dá)到充分混合的效果，對稀薄燃燒是不利的。因此，要想充分達(dá)到稀薄燃燒的效果，最關(guān)鍵的就是要形成理想的分層混合氣濃度，當(dāng)噴油定時為上止點前70度時，混合氣的總體濃度會顯得過于稀??；噴油定時推后到上止點前40度50度時，則無法保證混合氣的混合時間，達(dá)到不空氣與燃油的最佳混合效果；而當(dāng)把噴油定時設(shè)置在60度左右時，分層混合氣的形成效果是最理想的，最有利于稀薄燃燒的實現(xiàn)。

2）滾流比對分層稀薄GDI發(fā)動機缸內(nèi)濃度場的影響

有的分析顯示，滾流比對分層稀薄GDI發(fā)動機缸內(nèi)濃度場的影響也是十分明顯的，會對分層混合氣的形成產(chǎn)生十分重要的影響。我們選取0－4五種情況下的滾流比進行研究時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選擇滾流比為0和1時，無法達(dá)到發(fā)動機缸內(nèi)空氣運動的理想強度，點火時刻混合氣還位于燃燒室凹坑的底部，很難保證燃燒的穩(wěn)定性；當(dāng)選擇滾流比為3和4時，則會因為滾流比偏高而使較濃的混合氣擴散到火花塞上方，也不利于實現(xiàn)理想的燃燒效果；當(dāng)選擇滾流比為2時，缸內(nèi)的滾流強度最合理的，便于理想的分層混合氣的形成，實現(xiàn)理想的燃燒效果。

3）噴射方向?qū)Ψ謱酉”DI發(fā)動機缸內(nèi)濃度場的影響

雖然汽油缸內(nèi)直噴需要選擇相對理想的噴油角度，這主要是為了便于理想混合氣在點火時刻形成于火花塞周圍，同時有利于混合氣在球型燃燒室附聚集，但是在設(shè)定缸內(nèi)滾流比為2，噴油定時為60BTDC的前提下，發(fā)現(xiàn)不同的噴射方向?qū)DI發(fā)動機缸內(nèi)濃度場的影響不夠顯著。但因為噴射方向?qū)Ψ謱酉”DI發(fā)動機缸內(nèi)濃度場的影響的研究比較復(fù)雜，也不可妄下結(jié)論，需要進一步的深入研究。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，為GDI發(fā)動機的高效節(jié)能提供了可能，通過相關(guān)技術(shù)和現(xiàn)代制造工藝的運用，可以對GDI發(fā)動機的燃油供給進行有效的調(diào)整，進而對噴油次數(shù)和噴油定時進行有效的控制，實現(xiàn)對缸內(nèi)濃度場混合狀態(tài)的分析和燃油分布的控制，在提高發(fā)動機燃油性能的同時，減少了汽車尾氣的排放數(shù)量，便于更好的保護生態(tài)環(huán)境。分層稀薄燃燒技術(shù)的研究和推廣，促進了GDI發(fā)動機經(jīng)濟效益和社會效益的提高，有利于發(fā)動機的長遠(yuǎn)發(fā)展與進步。

[1] 王海波. 分層燃燒GDI發(fā)動機燃燒過程的仿真研究[D].吉林大學(xué), 2009.

[2] 楊世春, 李君, 李德剛. 缸內(nèi)直噴汽油機技術(shù)發(fā)展趨勢分析[J]. 車用發(fā)動機, 2007, (05).

[3] 尤國棟, 蘇鐵熊, 盧志國, 蔡忠周, 王家雄. 基于數(shù)值模擬的柴油機進氣道預(yù)測設(shè)計研究[J]. 車輛與動力技術(shù),2008, (02).

[4] 唐娟, 任東軍, 張成濤. 內(nèi)燃機燃燒技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 內(nèi)燃機與動力裝置, 2009, (02).

[5] 張敏, 唐子雷, 邵毅明. 溶氣濃度對發(fā)動機燃燒影響的數(shù)值研究[J]. 北京汽車, 2009, (03).

[6] 周華, 張曉輝, 韓玉環(huán). 汽油機缸內(nèi)直噴稀薄燃燒技術(shù)(GDI)[J]. 客車技術(shù)與研究, 2007, (04).