汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)定研究

李明日

摘 要：本文首先介紹了汽油機(jī)直接噴射技術(shù)的發(fā)展歷史和技術(shù)特點(diǎn)。研究了FSI發(fā)動(dòng)機(jī)的粉塵燃燒模式、稀薄燃燒模式和均勻燃燒模式。介紹了汽油發(fā)動(dòng)機(jī)直接噴射技術(shù)在國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)中的應(yīng)用。未來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)石油產(chǎn)品將得到改善。

關(guān)鍵詞：缸內(nèi)直噴;FSI分層燃燒;均勻燃燒;應(yīng)用

1 前言

隨著汽油發(fā)動(dòng)機(jī)使用歧管噴射技術(shù)的逐漸發(fā)展，由于油價(jià)高，氣缸內(nèi)的粉塵直接噴射技術(shù)，環(huán)保要求也越來越嚴(yán)格，直接噴射燃燒效率非常高，燃料效率非常高，在1990年代開始返回。逐漸成為主流。缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的噴嘴設(shè)置在氣缸內(nèi)，汽油直接噴入氣缸內(nèi)與空氣混合。同時(shí)，在氣缸內(nèi)充分混合燃料和空氣，設(shè)計(jì)均勻，使燃料充分燃燒，熱效率更高。當(dāng)然，缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)也具有限制，并且對(duì)汽油和油的質(zhì)量敏感。

2 汽油機(jī)直接噴射技術(shù)的發(fā)展歷程

研制了一種直接噴射式汽油機(jī)并安裝在軍用快艇上。然而，由于未解決過熱問題，試驗(yàn)結(jié)果不令人滿意。在未來20年中，該技術(shù)的可行性得到了確認(rèn)，主要用于航空領(lǐng)域，一些德國(guó)公司，如寶馬、梅賽德斯-奔馳、博世、西門子等。還在增加研究和發(fā)展努力。1951年，博世在法蘭克福車展上展示了其兩沖程GutrodSuper600的缸內(nèi)直噴系統(tǒng)。同年，Goliath在其GP700模型上安裝了相同的噴射系統(tǒng)，并于1953年至1955年間投入批量生產(chǎn)。世界上第一輛跑車，奔馳300SL，其缸內(nèi)直噴四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)于1955年誕生。在比較試驗(yàn)之后，發(fā)動(dòng)機(jī)是燃料效率的，并且最大功率增加。在氣缸的直接噴射技術(shù)中，雖然本發(fā)明和大量生產(chǎn)也是非常燃料效率的，但是與相同時(shí)期相比逐漸形成的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的成本較高，并且在那時(shí)，汽油的價(jià)格較低。因此，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是多噴射的。該方法得到了廣泛的應(yīng)用，直接噴射技術(shù)的應(yīng)用也非常廣泛。工藝沒有成為鼓里的主流灰塵。然后，在汽油價(jià)格和排放法規(guī)的壓力下，缸內(nèi)直噴技術(shù)再次成為關(guān)注的焦點(diǎn)。在1996年，三菱公司開始開發(fā)1.8L直噴發(fā)動(dòng)機(jī)代號(hào)為4G93，最大輸出為110kW，最大扭矩為178Nm。在接下來的兩年中，日產(chǎn)VQ30DD和豐田D-4已開發(fā)。2000年，大眾開始將缸內(nèi)直噴技術(shù)應(yīng)用于汽車。2002年3月，在日內(nèi)瓦汽車展上展出了奧迪的第一代A21.6FS，采用直接噴射技術(shù)。奧迪品牌模式采用了FSI技術(shù)，但未能成功，隨后未通過。在2002年底推出的梅賽德斯-奔馳C200CGI轎車采用1.8升的CGI直接噴射式汽油機(jī)。許多公司在缸內(nèi)直噴系統(tǒng)中開發(fā)了不同的汽油名稱，例如Bosch的MotronicMed7汽油直接噴射系統(tǒng)、奧迪的FSI系統(tǒng)、Mercedes-BenzCGI系統(tǒng)和菲亞特的JTS系統(tǒng)。

3 汽油機(jī)直接噴射技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 優(yōu)點(diǎn)

由直接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)噴射到燃燒室中的高壓燃料以細(xì)霧的形式進(jìn)入。當(dāng)它蒸發(fā)時(shí)，它吸收熱量并冷卻圓柱體。其燃燒效率高，燃燒效率提高20%，比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒更多，減少了二氧化碳的產(chǎn)生。

3.2 缺點(diǎn)

對(duì)于缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，粉塵燃燒在技術(shù)上并不容易實(shí)現(xiàn)。由于汽油的自潤(rùn)滑性差，燃料噴射系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的磨損，以及油制造質(zhì)量的差異，國(guó)內(nèi)燃燒通常更加均勻。當(dāng)使用粉塵燃燒時(shí)，在廢氣中產(chǎn)生大量的氮氧化物。原有的三元催化轉(zhuǎn)化器不合適，有必要開發(fā)一種特殊的貧燃氮氧化物催化轉(zhuǎn)化器。最新的研究表明，與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，直接噴射式汽油機(jī)具有較高的顆粒物質(zhì)排放，汽油可以溶解積炭，缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)焦炭主要是在進(jìn)氣閥中形成的，因?yàn)閲娚淦髟谙喾吹姆较蛏稀＿M(jìn)入氣缸后，不能清除進(jìn)氣閥積炭。

4 汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)（FSI）混合物的形成原理

FSI是燃料粉塵噴射的縮寫，即粉塵燃料噴射技術(shù)[3]。FSI技術(shù)是改變傳統(tǒng)的供油方式。噴射器將缸內(nèi)的汽油直接噴射到氣缸中的可燃混合物中。FSI發(fā)動(dòng)機(jī)理論上具有至少兩種燃燒模式：粉塵燃燒和均勻燃燒。均勻燃燒模式進(jìn)一步分為均勻稀薄燃燒模式和均勻燃燒模式。均質(zhì)燃燒可被認(rèn)為是一種常見的燃燒方法。將燃料和空氣混合以形成一定濃度的可燃混合物?？梢曰旌虾腿紵嗤目杖急?。由于混合氣體長(zhǎng)時(shí)間形成，所以燃料和空氣充分混合，燃燒更加均勻，從而產(chǎn)生更大的輸出功率。在粉塵燃燒室中，混合物的空燃比適合于局部條件，并且火花塞周圍的混合物的濃度高于其它地方?；鸹ㄈ車幕旌衔锟梢钥焖偃紵⒋龠M(jìn)更遠(yuǎn)處的更稀混合物的燃燒。這種類型的燃燒被稱為“粉塵燃燒。”均勻燃燒，是指在高速和加速度下的高功率。粉塵燃燒的目的是在低速和低負(fù)荷下節(jié)省燃料。粉塵燃燒：燃燒效率高，節(jié)流損失小，燃料轉(zhuǎn)化率低，盡可能使用。在層流燃燒模式中，節(jié)氣門沒有完全打開，確保進(jìn)氣歧管中一定程度的真空（控制活性炭罐和EGR裝置）。此時(shí)，燃料噴射確定發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與進(jìn)氣和點(diǎn)火提前角無關(guān)。在進(jìn)氣過程中，閥門開度較大，減少了節(jié)流損失的一部分。進(jìn)氣過程的關(guān)鍵是安裝在進(jìn)氣歧管中的翻轉(zhuǎn)板，其打開（這是其工作方式，實(shí)際模型可能稍微不同），關(guān)閉下部進(jìn)氣歧管并加速流過它，形成與活塞頂部相同的進(jìn)氣渦流形狀?；旌蠂娚湔龝r(shí)和燃料噴射的形成對(duì)在60°至45°噴射檢查點(diǎn)之前凹坑頂部活塞、噴射燃料和進(jìn)氣渦流的混合具有最大的影響。當(dāng)曲柄角度為40°至50°以形成混合物時(shí)，其小于非點(diǎn)火混合物且大于均勻狀態(tài)。空燃比1.6～3。均勻稀薄燃燒模式：混合物長(zhǎng)時(shí)間形成，燃燒充分。通過精確的注射控制，可以降低混合物的濃度。點(diǎn)火時(shí)間一般較長(zhǎng)，燃油經(jīng)濟(jì)性好。進(jìn)氣過程與粉塵燃燒相同，燃料與空氣的混合時(shí)間延長(zhǎng)，形成均勻的混合物。由于燃燒在整個(gè)燃燒室中發(fā)生，點(diǎn)火時(shí)間要求并不像粉塵燃燒那樣高?？杖急却笥?。均質(zhì)燃燒方式：能充分發(fā)揮好的動(dòng)力響應(yīng)、高扭矩、高動(dòng)力特性。在進(jìn)氣過程中，加速器踏板確定節(jié)氣門的位置，并根據(jù)情況確定進(jìn)氣歧管被翻轉(zhuǎn)的位置。在中等負(fù)荷下，襟翼保持關(guān)閉，以產(chǎn)生強(qiáng)的流入旋風(fēng)，以燃料霧化和空氣混合物;在高速和重負(fù)載下，襟翼打開以增加進(jìn)氣，并且更多的空氣參與燃燒。在燃料噴射、混合物形成和燃料燃燒中，均勻燃燒和均勻稀薄燃燒基本上相同?？杖急?。這三種燃燒控制模式中的一些僅具有理論優(yōu)點(diǎn)。目前使用的是均勻燃燒的FSI發(fā)動(dòng)機(jī)。

5 汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

事實(shí)上，除了第9代本田Accord車型（如大眾）外，國(guó)內(nèi)CX-5車型還配備了直接噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，江淮、吉利等國(guó)內(nèi)品牌也參與了這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)。直接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的動(dòng)態(tài)性能和經(jīng)濟(jì)性非常好。顆粒過濾器的安裝解決了大量顆粒的問題。然而，由于使用渦輪增壓，工藝要求高，且價(jià)格和維護(hù)成本高于歧管噴射。今后，解決了技術(shù)問題，提高了國(guó)內(nèi)油品，很可能成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)件。均勻燃燒：在滿載時(shí)，燃料噴射與進(jìn)氣同步，燃料完全霧化，混合蒸汽均勻地填充到燃燒室中，這將完全燃燒并充分施加發(fā)動(dòng)機(jī)功率。在均勻燃燒中，空燃比與常規(guī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比相同，即，空燃比14.7∶1并且lambda值是1。燃料的蒸發(fā)冷卻混合物并消除爆震。也就是說，在均勻燃燒的情況下，可以同時(shí)獲得高功率輸出和扭矩值，同時(shí)減少燃料消耗。勒芒耐力可以證明，因?yàn)橛螒蚩偸翘幱诮y(tǒng)一的燃燒狀態(tài)。單模式直接噴射：原則上，奧迪FSI發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)由于使用了高壓稀薄燃燒技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過壓縮燃燒工作，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比必須為15.5∶1，從而汽油在高PR下自動(dòng)點(diǎn)火。壓力。高壓縮比是由于對(duì)高辛烷值汽油的需求造成的（國(guó)外的奧迪一般需要超過97個(gè)甚至更干凈的汽油），但目前國(guó)內(nèi)沒有很多加油站，不能保證國(guó)內(nèi)燃料的質(zhì)量。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這無疑對(duì)SER有一定的影響。車輛本身的不良?jí)勖?。另外，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇的油沒有達(dá)到足夠的辛烷值，則它可能導(dǎo)致汽車在沒有失速的情況下運(yùn)行并且產(chǎn)品壽命是短的?？紤]到在中國(guó)引入粉塵燃燒的風(fēng)險(xiǎn)，奧迪最終放棄了雙模式設(shè)置，僅保留了缸內(nèi)直噴單模均勻燃燒技術(shù)。

雙模式直接噴射：目前，在中國(guó)唯一的“粉塵燃燒”和“均勻燃燒”雙模式發(fā)動(dòng)機(jī)是通用汽車公司Cadillac的SidiCDI直接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)。SIMDI發(fā)動(dòng)機(jī)與FSI單模態(tài)直接噴射相比，具有粉塵燃燒和均勻燃燒兩種模式，實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒。所謂的稀薄燃燒是為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)混合物中的汽油含量。保持發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，油氣混合物較低，達(dá)到降低燃料消耗和排放的效果。由于在較低的燃料濃度下點(diǎn)火的困難，粉塵燃燒可以更好地解決這個(gè)問題。該方法首先點(diǎn)燃濃混合氣質(zhì)量，然后通過當(dāng)前點(diǎn)火能量繼續(xù)點(diǎn)燃所有混合氣，在稀燃條件下實(shí)現(xiàn)正常點(diǎn)火。為了獲得較小的點(diǎn)火能量，可以完全燃燒貧混合燃料以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

6 結(jié)束語

通常，GMCadillacSidi可以使用93號(hào)汽油，而奧迪FSI可以使用97號(hào)汽油。我們認(rèn)為，對(duì)于消費(fèi)者來說，這種差異在長(zhǎng)期成本方面是顯而易見的。奧迪FSI和凱迪拉克西迪帶來的新一輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)革命席卷了世界。從人類技術(shù)應(yīng)用的加速趨勢(shì)來看，直接注射技術(shù)在圓柱體中的普及趨勢(shì)可能不在明天，讓我們拭目以待。

參考文獻(xiàn)：

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