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(jī)的不斷加劇，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能和尾氣排放數(shù)量逐漸成為人們研究的重點(diǎn)，使用燃燒率高、環(huán)境污染小的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)在能源燃燒方面具有很大的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，它可以通過燃油的缸內(nèi)直接噴射、可變噴油定時(shí)和控制缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)等方式實(shí)現(xiàn)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)的稀薄燃燒。經(jīng)過實(shí)踐證明，與PFI發(fā)動(dòng)機(jī)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(shì)。尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)逐漸嚴(yán)格的形勢(shì)下，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)必將迎來更大的發(fā)展機(jī)會(huì)。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排的目標(biāo)主要是通過分層稀薄燃燒實(shí)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(chǎng)分布等因素的影響。因此，關(guān)于分層稀薄燃燒GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)濃度場(chǎng)的研究就顯得非常重要了。

1 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)

GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)是設(shè)計(jì)與開發(fā)的重中之重，因?yàn)樗粌H要滿足不同負(fù)荷下分層燃燒的各種需求，還要對(duì)大負(fù)荷下的均質(zhì)預(yù)混進(jìn)行綜合考慮，這就大大增加了GDI燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)的難度。目前，市場(chǎng)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(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)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(dòng)機(jī)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(jì)方法，能夠促進(jìn)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(shí)，仍可保證火花塞在周邊形成足夠高混合氣濃度供點(diǎn)火使用。但是燃油噴束與火花塞之間的過短距離，有時(shí)很難保證混合氣體形成所需要的時(shí)間，進(jìn)而影響火花塞的使用性能和生命周期，如積碳、粘濕或者點(diǎn)火困難等。此外，所形成的可燃混合氣體的范圍相對(duì)有限，對(duì)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(jìn)氣道采用水平方式，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)便于形成順向的翻滾氣流。在設(shè)計(jì)方面，保持了與火花塞的較遠(yuǎn)距離，但是在使噴油器對(duì)準(zhǔn)燃燒室的中心噴向火花塞時(shí)，并不直接噴向火花塞電極，而是通過油束與發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣流的相互作用，促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)開始采用該方法進(jìn)行燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(jì)過程中，同樣保持了與火花塞的較遠(yuǎn)距離，噴油器通常會(huì)被設(shè)計(jì)在進(jìn)氣門的一側(cè)，火花塞則被設(shè)計(jì)在中間位置，進(jìn)氣道呈立式，具有不同于其他系統(tǒng)的形狀和特點(diǎn)，這主要是為了逆滾流的形成，因?yàn)榭諝獗晃脒M(jìn)氣道后，會(huì)被強(qiáng)制性的順著氣缸壁進(jìn)行向下流動(dòng)，進(jìn)而將相應(yīng)的燃油帶到火花塞周圍。直立的進(jìn)氣道，必然會(huì)更加有利于氣流的吸入，能夠迅速提升充氣的速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升的目的。在該系統(tǒng)中，容易在立式的進(jìn)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(jìn)而實(shí)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)整體上不如GDI發(fā)動(dòng)機(jī)。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)控制、噴霧及其壓力控制等。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)噴油器的位置時(shí)考慮了多方面的因素，為了便于混合氣濃度場(chǎng)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(duì)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(duì)提高CDI的經(jīng)濟(jì)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(dòng)，可以使混合氣在火花塞周圍形成。通過進(jìn)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(jì)，可以在氣缸內(nèi)形成滾流和渦流，配合噴射時(shí)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(shí)現(xiàn)火花塞順利點(diǎn)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(duì)位置實(shí)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(jī)的啟噴壓力會(huì)選擇2MPa，一定強(qiáng)度的進(jìn)氣渦流是通過螺旋氣道在CDI缸內(nèi)形成的，火花塞會(huì)沿氣流方向設(shè)計(jì)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(shí)噴霧偏向火花塞方向擴(kuò)散，形成火花塞附近為濃混合氣的分層分布。對(duì)應(yīng)噴射時(shí)間控制點(diǎn)火時(shí)刻實(shí)現(xiàn)可靠著火，并向稀薄混合氣擴(kuò)散燃燒，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比可提高到12。顯而易見，這對(duì)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(dòng)機(jī)缸內(nèi)濃度場(chǎng)影響因素的研究

該部分以三菱直噴汽油機(jī)為例，對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)濃度場(chǎng)的影響因素進(jìn)行相關(guān)分析。由于三菱GDI發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)的，氣缸內(nèi)混合氣濃度場(chǎng)的分布將會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǎng)分布，將會(huì)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(duì)噴油定時(shí)、噴射方向、滾流比等對(duì)混合氣濃度場(chǎng)分布產(chǎn)生影響的因素進(jìn)行相關(guān)研究和分析，以更好的促進(jìn)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的改進(jìn)。

1）噴油定時(shí)對(duì)分層稀薄GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)濃度場(chǎng)的影響

根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，噴油定時(shí)對(duì)分層稀薄GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)濃度場(chǎng)的影響是十分顯著的，所以我們必須充分重視噴油定時(shí)的選擇問題，這也是實(shí)現(xiàn)燃油高效燃燒的重要前提條件。在確定噴油定時(shí)時(shí)，我們既要給予燃油擴(kuò)散和蒸發(fā)的充分時(shí)間，又必須保證火花塞周圍混合氣濃度場(chǎng)的均勻分布，因?yàn)閲娪投〞r(shí)相對(duì)靠前時(shí)，燃油進(jìn)行混合與蒸發(fā)的時(shí)間會(huì)逐漸變長，這時(shí)的混合氣的混合程度將會(huì)更加均勻和理想，但噴油定時(shí)太靠前會(huì)使得混合氣在整體上偏稀。反之，當(dāng)噴油定時(shí)被推后時(shí)，空氣與燃油蒸汽很難達(dá)到充分混合的效果，對(duì)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(shí)為上止點(diǎn)前70度時(shí)，混合氣的總體濃度會(huì)顯得過于稀??；噴油定時(shí)推后到上止點(diǎn)前40度50度時(shí)，則無法保證混合氣的混合時(shí)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(shí)設(shè)置在60度左右時(shí)，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(shí)現(xiàn)。

2）滾流比對(duì)分層稀薄GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)濃度場(chǎng)的影響

有的分析顯示，滾流比對(duì)分層稀薄GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)濃度場(chǎng)的影響也是十分明顯的，會(huì)對(duì)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(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選擇滾流比為0和1時(shí)，無法達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的理想強(qiáng)度，點(diǎn)火時(shí)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(shí)，則會(huì)因?yàn)闈L流比偏高而使較濃的混合氣擴(kuò)散到火花塞上方，也不利于實(shí)現(xiàn)理想的燃燒效果；當(dāng)選擇滾流比為2時(shí)，缸內(nèi)的滾流強(qiáng)度最合理的，便于理想的分層混合氣的形成，實(shí)現(xiàn)理想的燃燒效果。

3）噴射方向?qū)Ψ謱酉”DI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)濃度場(chǎng)的影響

雖然汽油缸內(nèi)直噴需要選擇相對(duì)理想的噴油角度，這主要是為了便于理想混合氣在點(diǎn)火時(shí)刻形成于火花塞周圍，同時(shí)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(shí)為60BTDC的前提下，發(fā)現(xiàn)不同的噴射方向?qū)DI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)濃度場(chǎng)的影響不夠顯著。但因?yàn)閲娚浞较驅(qū)Ψ謱酉”DI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)濃度場(chǎng)的影響的研究比較復(fù)雜，也不可妄下結(jié)論，需要進(jìn)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(jìn)步，為GDI發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)用，可以對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油供給進(jìn)行有效的調(diào)整，進(jìn)而對(duì)噴油次數(shù)和噴油定時(shí)進(jìn)行有效的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)缸內(nèi)濃度場(chǎng)混合狀態(tài)的分析和燃油分布的控制，在提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油性能的同時(shí)，減少了汽車尾氣的排放數(shù)量，便于更好的保護(hù)生態(tài)環(huán)境。分層稀薄燃燒技術(shù)的研究和推廣，促進(jìn)了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的提高，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的長遠(yuǎn)發(fā)展與進(jìn)步。

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