缸内直喷汽油机复合燃烧技术

第44卷 第7期2010年7月

西 安 交 通 大 学 学 报

JOURNALOFXI ANJIAOTONGUNIVERSITY

Vol.44 !7Jul.2010

缸内直喷汽油机复合燃烧技术

牟江峰,刘德新,舒歌群

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,300072,天津)

摘要:针对缸内直喷汽油机(GDI)存在的主要排放未燃HC和NOx问题,提出了燃烧理论空燃比的复合喷射燃烧技术,运用了废气再循环(EGR)分层技术.复合喷射通过稳压腔辅助喷射燃油和缸内直接喷射燃油,使缸内形成准均质混合气,以满足各种工况下GDI对混合气的要求.在负荷由小到大直至满负荷的范围内都可避免出现过稀区、过浓区,这利于燃烧并减少HC排放;利用在进气管上设计的独特的废气通道,通过滚流分层充气方法,将进气冲程再循环的废气和油气分层,以形成废气 油气 废气馅饼状分层,从而提高了废气再循环率,降低了NOx排放.两种技术的结合,可以解决GDI发动机存在的主要排放问题.实验证明:复合燃烧系统与EGR分层充气技术的有效结合,可以在各种工况下降低NOx排放,降低量为61%;可以降低冷启动时的HC排放,降低量至少为50%.

关键词:缸内直喷;理论空燃比;进气歧管;复合燃烧;废气再循环中图分类号:TK411+.29 文献标志码:A 文章编号:0253 987X(2010)07 0014 05

ACompoundCombustionTechnologyforGasolineDirectInjectionEngine

MOUJiangfeng,LIUDexin,SHUGequn

(StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract:Acombustiontechnologywithstoichiometricair fuelratiousingcompoundinjectionandexhaustgasrecirculation(EGR)stratificationwasproposedtosolvetheproblemofunburnedHCandNOxemissioningasolinedirectinjection(GDI)engines.Thequasi homogenouschargecanbeformedbycompoundinjectiontechnique,i.e.,plenuminjectionandcylinderdirectinjec tion,toreducetheHCemission.Adoptingtheuniquedesignoftheexhaustpassageintheintakemanifold,therecirculatedexhaustgasandfuelcanbestratifiedintheintakestroketoachievethehigherEGRrate,leadingtothelowerNOxemission.TheexperimentalresultsshowthattheNOxemissionunderalloperatingconditionsandtheHCemissionduringcold startcoulddecreasebyupto61%and50%,respectively,withthecombinationofthecompoundcombustionsystemandtheEGRtechnology.

Keywords:gasolinedirectinjection;stoichiometricair fuelratio;airintakemanifold;compound

combustion;exhaustgasrecirculation 缸内直喷发动机以其经济性上的优势成为目前汽油机发展的主要研究方向之一.但是,由于所需的稀燃催化剂尚未成熟,因而造成了NOx排放量高、分层稀燃混合气难以控制、中小负荷未燃碳氢(UB HC)较高等问题.从总体上讲,稀燃缸内直喷汽油机

(GDI)发动机的这些排放要高于传统的工作在化学计量比下的三元催化剂的气道喷射汽油机.鉴于

上述问题,从2000年以后,欧洲开始采用以均质混合气和理论空燃比(均质当量比)为特征的技术路线.这条技术路线的难点是,需在很短的时间内形成

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收稿日期:2009 12 08. 作者简介:牟江峰(1981-),男,博士生;刘德新(联系人),男,副教授. 基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2006AA110108).

第7期 牟江峰,等:缸内直喷汽油机复合燃烧技术

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均质混合气,否则进气冲程中喷射的燃油容易润湿缸壁,从而引发HC排放升高等问题.

为了解决冷启动及中小负荷下的HC排放,本文提出了复合燃烧技术方案.该方案将在带预热的进气歧管稳压腔内设置一个辅助低压喷油器,并与缸内直喷高压主喷油器联合作用.在启动和怠速工况下,仅由进气管稳压腔上的辅助喷油器供油,这样燃油不仅有充足的气化时间,而且有良好的加热条件,因而在启动工况下无需喷油加浓.在其他工况下,稳压腔上的辅助喷油器提供一部分具有理论空燃比的燃油,由于气化混合时间充足,所以该喷油器可以提供优质均质混合气,以保证火花塞远端不会发生熄火现象;缸内主喷油器提供的另一部分燃油在火花塞处形成了较浓的混合气,这利于火核形成传播,从而解决了GDI易出现的混合气局部过浓、过稀带来的排放问题.

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燃烧的,所以它仍受到稀薄燃烧NOx催化转化问题的困扰.一般来说,GDI发动机大部分时间都处于非满负荷工况,NOx排放量约占总排量的1/2,发动机长期处于稀空燃比工况会导致废气排气中含氧量较大,排放温度较低,致使传统的三元催化器的转化效率不高,起燃困难,从而限制了NOx在GDI发动机上的应用.

1 2 复合喷射的技术原理

1 2 1 燃烧理论空燃比混合气 本文方案是在GDI上采用燃烧理论空燃比混合气,并保持其在化学计量比下工作.同分层稀燃GDI发动机相比, =1的混合气燃烧发动机具有以下优点.

(1)燃烧过程不需要对分层充气和均质充气进行模式转换;缸内燃油蒸发冷却充气可以减小压缩行程放热损失,提高燃烧稳定性和EGR率,提高受爆震限制的压缩比;改用稀燃均质充气模式工作时系统无需修改.

(2)其控制系统比分层稀燃的更为简化,系统优化的灵活性更强.

(3)可与其他技术进行匹配,如增压,取消发动机怠速,采用直接启停、无级变速器(CVT)和混合动力技术.

(4)不需要稀燃NOx后处理系统,但可以使用三效催化器.与分层稀燃GDI发动机相比具有更低的NOx排放量,并能够在瞬态工况下降低NOx的排放量.

综上所述,均质理论空燃比GDI发动机具有超低NOx排放的潜力,是GDI发动机的一个重要发展方向[7].

1 2 2 复合喷射的原理 复合喷射技术就是将发动机每次循环所需的燃油分为两部分进行喷射:一部分由进气道进入气缸,该燃油与空气形成均质稀混合气并分布在整个燃烧室中;另一部分由缸内喷嘴直接喷入气缸,该燃油会将火花塞附近的混合气适当加浓.

复合喷射技术方案如下.

(1)启动工况下无需喷油加浓.缸内喷油采取不均匀喷射方式,2个缸稀燃,2个缸加浓,排气经催化器氧化后生热,使得催化器迅速升温,而冷启起动的未燃HC排放量可进一步降低.

(2)在其他工况下,由进气道进入的一部分优质均质混合气来保证火花塞远端不会发生熄火现象,由缸内喷油器提供的另一部分燃油形成火花塞处较浓的混合气,这样利于火核形成和传播,从而解决了

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1 复合喷射技术

1 1 GDI发动机排放问题产生的原因1 1.1 小负荷下UBHC的排放 GDI发动机的油气混合主要是喷雾和缸内的空气运动所致,而与冷启动时的低温关系不大,所以冷启动时无需过量供油.但是,在中小负荷的情况下,GDI发动机的UBHC排放量比较大,主要原因是: GDI发动机采用的是分层稀薄燃烧,燃油在压缩行程后期喷入气缸,这样雾化时间不足,油气不能充分混合,故在燃烧室内出现了局部混合气过浓的现象;#大量的浓混合气集中在火花塞附近,使得火焰在蔓延时会因周围混合气过稀而熄灭; 稀薄燃烧会造成气缸内温度偏低,不利于UBHC化合物的继续氧化;%GDI发动机压缩比较高,残留在狭缝容积中的HC会因此而增加;&使用高废气再循环(EGR)率将导致燃料燃烧条件恶化; GDI燃烧系统主要采用壁面引导法,该系统的喷雾易与活塞顶和缸壁发生碰撞,而缸壁的温度较低,从而导致燃油在着火前来不及完全蒸发而引起较多的HC排放[4].

1 1 2 NOx的排放 虽然GDI发动机采用了稀薄燃烧技术而使气缸内反应区的温度下降(从NOx的生成原理上来 …… 此处隐藏：8810字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……