對分層稀薄燃燒GDI發動機缸內濃度場的研究分析

周 霞

（桂林航天工業高等專科學校，桂林 541004）

0 引言

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

1 GDI發動機燃燒系統

GDI發動機的燃燒系統是設計與開發的重中之重，因為它不僅要滿足不同負荷下分層燃燒的各種需求，還要對大負荷下的均質預混進行綜合考慮，這就大大增加了GDI燃燒系統設計與開發的難度。目前，市場上比較成熟的燃燒系統主要有三種類型：

1.1 油束控制燃燒系統

在該系統中，燃油噴嘴在進行設計時，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。油束控制燃燒系統中的這種設計方法，能夠促進燃油混合氣能在氣缸固定空間范圍內的分層，當該空間范圍內呈現稀薄混合型氣體時，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，對著火的穩定性是非常不利的，所以油束控制燃燒系統并沒有得到廣泛的使用。

1.2 氣流控制燃燒系統

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

1.3 壁面控制燃燒系統

該燃燒系統的噴油嘴在設計過程中，同樣保持了與火花塞的較遠距離，噴油器通常會被設計在進氣門的一側，火花塞則被設計在中間位置，進氣道呈立式，具有不同于其他系統的形狀和特點，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，進而實現發動機功率提升的目的。在該系統中，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形成滿足相關要求濃度的混合氣，進而實現在壓縮擠流過程中的高效燃燒。目前，尼桑、豐田、三菱等著名企業所開發使用的系統都是壁面控制燃燒系統。

2 GDI發動機稀薄燃燒方式

2.1 稀薄燃燒技術

稀薄燃燒技術有多種分類形式。如依據噴射形式上差異可以分為缸內直噴和氣道噴射稀薄燃燒，依據發動機氣缸內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發動機整體上不如GDI發動機。GDI發動機稀薄燃燒技術主要涵蓋了稀薄燃燒、缸內氣流控制、噴射點控制、噴霧及其壓力控制等。GDI發動機在設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部，這能夠有效避免其他因素對混合氣綜合質量的不利影響，提高泵氣的利用效率，從而更容易達到稀薄燃燒的目的，這對提高CDI的經濟效益、降低尾氣排放也是非常有利的。

配合燃燒室內形成的擠流，壁面導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。通過進氣道的導向作用以及氣流導向方式通過燃燒室結構形狀設計，可以在氣缸內形成滾流和渦流，配合噴射時間達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火花塞順利點燃混合氣。噴霧導向方式配合氣缸內的氣流特性，合理布置火花塞及噴油器噴射的相對位置實現稀薄燃燒。

2.2 GDI分層稀薄燃燒

通常情況下，缸內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缸內形成的，火花塞會沿氣流方向設計在噴油器下游的油束下方，如圖1所示。在缸內氣流的作用下，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。對應噴射時間控制點火時刻實現可靠著火，并向稀薄混合氣擴散燃燒，這時發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，節約燃油資源是非常有幫助的。

圖1 燃燒室

3 GDI發動機缸內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發動機缸內濃度場的影響因素進行相關分析。由于三菱GDI發動機的燃燒室的形狀非常特殊，采用的燃燒系統是壁面控制燃燒系統，火花塞被設計在中間位置，噴油器與火花塞保持了較遠的距離，并被安裝在氣缸的一側。該系統的部分負荷是通過分層稀薄燃燒來實現的，氣缸內混合氣濃度場的分布將會對發動機內的燃燒產生一定的影響。其中，不科學的混合氣濃度場分布，將會導致燃燒過程中的淬熄現象或這局域范圍內的燃燒惡化。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生影響的因素進行相關研究和分析，以更好的促進GDI發動機整體性能的改進。

1）噴油定時對分層稀薄GDI發動機缸內濃度場的影響

根據相關研究發現，噴油定時對分層稀薄GDI發動機缸內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，當噴油定時被推后時，空氣與燃油蒸汽很難達到充分混合的效果，對稀薄燃燒是不利的。因此，要想充分達到稀薄燃燒的效果，最關鍵的就是要形成理想的分層混合氣濃度，當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薄；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，達到不空氣與燃油的最佳混合效果；而當把噴油定時設置在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。

2）滾流比對分層稀薄GDI發動機缸內濃度場的影響

有的分析顯示，滾流比對分層稀薄GDI發動機缸內濃度場的影響也是十分明顯的，會對分層混合氣的形成產生十分重要的影響。我們選取0－4五種情況下的滾流比進行研究時發現，當選擇滾流比為0和1時，無法達到發動機缸內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，很難保證燃燒的穩定性；當選擇滾流比為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，也不利于實現理想的燃燒效果；當選擇滾流比為2時，缸內的滾流強度最合理的，便于理想的分層混合氣的形成，實現理想的燃燒效果。

3）噴射方向對分層稀薄GDI發動機缸內濃度場的影響

雖然汽油缸內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，但是在設定缸內滾流比為2，噴油定時為60BTDC的前提下，發現不同的噴射方向對GDI發動機缸內濃度場的影響不夠顯著。但因為噴射方向對分層稀薄GDI發動機缸內濃度場的影響的研究比較復雜，也不可妄下結論，需要進一步的深入研究。

4 結束語

綜上所述，隨著現代科學技術的不斷發展與進步，為GDI發動機的高效節能提供了可能，通過相關技術和現代制造工藝的運用，可以對GDI發動機的燃油供給進行有效的調整，進而對噴油次數和噴油定時進行有效的控制，實現對缸內濃度場混合狀態的分析和燃油分布的控制，在提高發動機燃油性能的同時，減少了汽車尾氣的排放數量，便于更好的保護生態環境。分層稀薄燃燒技術的研究和推廣，促進了GDI發動機經濟效益和社會效益的提高，有利于發動機的長遠發展與進步。

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