缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)教案

1、缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)教案一、傳統(tǒng)汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)的缺陷：1、汽油機(jī)功率采用進(jìn)氣管節(jié)流的變量調(diào)節(jié)，無(wú)法達(dá)到變質(zhì)調(diào)節(jié)的精確性。2、噴油嘴離燃燒室有一定的距離，汽油與空氣的混合情況受進(jìn)氣氣流的影響較大，并且微小的汽油顆粒會(huì)吸附在管壁上而不能充分利用。3、空燃比必須在著火界限內(nèi)，熱效率低，若稀混合氣工作則熱效率可提高，空燃比采用20與27較14.7時(shí)熱效率相應(yīng)提高8%與12%。3、排氣污染嚴(yán)重（HC,CO,NOX），一般汽油機(jī)的混合比范圍正是排放較高的范圍，空燃比達(dá)到23以上就可以實(shí)現(xiàn)低排放。二、稀薄燃燒： 這就是稀薄燃燒是指將過(guò)量空氣系數(shù)從1左右提高到且遠(yuǎn)超過(guò)1.1的水平，空然比可達(dá)25：1，甚至可達(dá)到40

2、：1（如三菱GDI）可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗并改善CO2排放。（過(guò)稀的混合氣會(huì)給燃燒帶來(lái)麻煩，主要的問(wèn)題有點(diǎn)燃困難、燃燒不穩(wěn)定、催化轉(zhuǎn)化器的NOx轉(zhuǎn)化效率下降等問(wèn)題。） 稀薄燃燒只是在部分負(fù)荷工況范圍實(shí)行稀薄燃燒，啟動(dòng)、怠速、加速和全負(fù)荷都不能實(shí)行稀薄燃燒。三、實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒的兩個(gè)條件1、稀薄燃燒技術(shù)需要很強(qiáng)的點(diǎn)火能量。可采用提高壓縮比或采用多極火花塞或雙火花塞結(jié)構(gòu)2、稀薄燃燒技術(shù)需要空氣能跟汽油充分混合。如采用垂直進(jìn)氣道等結(jié)構(gòu)三、稀薄燃燒系統(tǒng)的形式1、 均質(zhì)稀混合氣燃燒： 這種燃燒方式主要是通過(guò)提高壓縮比、改進(jìn)點(diǎn)火系統(tǒng)以及加強(qiáng)混合氣的紊流等來(lái)實(shí)現(xiàn)的。有代表性的幾種均質(zhì)稀混合氣燃燒系統(tǒng)有梅型火球燃燒室

3、、射流燃燒室等。 MAN燃燒系統(tǒng) 射流燃燒室2、 分層稀混合氣燃燒： 這種燃燒方式主要是通過(guò)控制混合氣的濃度分布來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其在火花塞附近混合氣比較濃，空燃比約 為1213，保證可靠的點(diǎn)火，在其余大部分區(qū)域混合氣較稀，空燃比在20以上。分層充氣燃燒系統(tǒng)主要有三種：1） 直噴式分層燃燒系統(tǒng)： 如Texaco公司的TCCS、Ford公司的PROCO及日本Satoshi Kato等人提出的OSKA2. ）分隔式燃燒室分層燃燒系統(tǒng)： 如本田公司的CVCC3. ）軸向分層燃燒系統(tǒng)： 如美國(guó)M. R. Showalter首先提出充量軸向分層的概念，隨后A. A. Quader等人對(duì)軸向分層充氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了進(jìn)

4、一步的研究。三菱公司則推出了基于這一概念的4氣門(mén)滾流分層發(fā)動(dòng)機(jī)。天津大學(xué)提出的在5氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)上采用進(jìn)氣道二次噴射亦很好地實(shí)現(xiàn)了該方式的稀燃，并取得了較好的效果。 TCCS燃燒系統(tǒng) 本田CVCC燃燒系統(tǒng)3、 混合燃燒： 混合燃燒方式是將發(fā)動(dòng)機(jī)分為高負(fù)荷和低負(fù)荷區(qū)，在低負(fù)荷區(qū)使用分層燃燒，在高負(fù)荷區(qū)仍然利用常規(guī)燃燒。1995年三菱公司研制成功的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了混合燃燒。三菱公司GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷區(qū)的空燃比達(dá)到3040，高負(fù)荷區(qū)的空燃比為1314。 三菱的GDI燃燒系統(tǒng) 豐田的GDI燃燒系統(tǒng)GDI燃燒系統(tǒng)1、 混合氣生成的形式：1、 油束控制： 錐型油束直接將燃油送往火花塞，在油束控制的燃燒

5、系統(tǒng)中，噴油器安置在氣缸中央，火花塞必須布置在噴油器附近，油束的空氣利用率依靠油束的穿透深度保證。油束和火花塞相距太近，可供混合氣生成利用的時(shí)間太短，液態(tài)燃料會(huì)潤(rùn)濕火花塞，縮短火花塞壽命。該系統(tǒng)未能投入批量生產(chǎn)。 油束控制 壁面控制2、 壁面控制燃燒系統(tǒng)： 在壁面控制的燃燒系統(tǒng)中，噴油器和火花塞相隔較遠(yuǎn)，噴油器將油束噴到活塞凹坑中，然后油氣流將燃油送往火花塞。為了避免溫度過(guò)高，噴油器不應(yīng)布置在排氣側(cè)而應(yīng)在進(jìn)氣側(cè)，活塞凹坑的開(kāi)口也指向進(jìn)氣側(cè)。3、 氣流控制燃燒系統(tǒng)： 在氣流控制的燃燒系統(tǒng)中，利用輪廓分明的缸內(nèi)氣流與油束相互作用，在發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分工況范圍內(nèi)都能實(shí)行恰當(dāng)?shù)某淞糠謱印?、依靠燃油噴霧的

6、噴霧控制方式 第2、3種方式有可能行程壁面油膜，是造成HC排放高的主要原因。后一種方式則與噴霧特性和噴射時(shí)間關(guān)系密切，但控制起來(lái)比前兩種要困難。2、 GDI結(jié)構(gòu)原理：1、 使用垂直的進(jìn)氣管。 進(jìn)氣歧管改垂直式進(jìn)入汽缸,這樣的設(shè)計(jì)可改善進(jìn)氣增壓的效果。 左邊:GDI直立式進(jìn)氣歧管，反向回漩氣流。 右邊:傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)進(jìn)氣方式2、 高壓的燃油噴射。 改用可以達(dá)到5Mpa的高壓汽油壓力，3、 噴油嘴能形成高壓.漩式的霧狀。4、 活塞形狀采用有凹凸的曲面。 活塞表面是呈凹凸的曲面，這些的改變使GDI發(fā)動(dòng)機(jī)能使用超稀薄燃油(40:1)，且點(diǎn)火情況良好。燃油經(jīng)高壓后“呈現(xiàn)霧狀”，且油汽運(yùn)方式都有改善,克

7、服稀薄燃燒的點(diǎn)火不易、發(fā)動(dòng)機(jī)爆震與NOx過(guò)高的問(wèn)題。(是由由于高壓供油且汽流的卷動(dòng)方式配合活塞頂端的凹凸曲面,在壓縮形成后，使得被噴入汽缸內(nèi)的燃料經(jīng)微?；笮纬煞菙U(kuò)散的噴霧狀，然而在活塞頂部空間氣化而這些混合氣被回漩帶到火花塞附近,使得稀薄油氣在火花塞附近濃度足夠,整個(gè)汽缸混合氣也可以足夠到燃燒的比例。）5、 根據(jù)工況不同的需求，采用三種不同正時(shí)的供油模式。1） 低于120km/h時(shí)： 在時(shí)速低于120km/h以下,使用40:1的超稀薄燃燒，由于供油正時(shí)接近在壓縮行程的末期，空氣密度極高，供給少量燃油即可，再配合GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的其他特殊構(gòu)造，可以避免爆震或點(diǎn)火不易的問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超稀薄燃燒。2）

8、 高于120km/h時(shí)： 高動(dòng)力輸出模式，使用進(jìn)氣行程供油，跟傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相同，能輸出較高的功率。燃油在進(jìn)氣行程時(shí)供油，可提供冷卻氣缸的作用。此模式的空燃比為30:1.3） 起步或再加速時(shí)： 在轉(zhuǎn)速突然升高時(shí)，由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比高達(dá)12.5:1，為防止發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)爆震，在此工況下采用輔助噴油和主噴油兩段供油模式。A、輔助噴油：在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)氣行程時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)進(jìn)行一次噴油，噴油數(shù)量不大，空燃比為60:1這部分少量的汽油會(huì)氣化揮發(fā)吸收熱量，從而降低氣缸內(nèi)的溫度，氣缸內(nèi)混合氣密度增大，所以這次噴油的后果在給氣缸降溫的同時(shí)還可以提高進(jìn)氣密度，讓更多的空氣進(jìn)入到氣缸，而且能確保汽油跟空氣均勻的混合。B

9、、主噴油：當(dāng)活塞到達(dá)壓縮行程上止點(diǎn)，在火花塞點(diǎn)火之前，會(huì)有一定量的汽油再次被噴出，這次噴油為主噴射。此時(shí)火花塞附近有最濃的混合氣，以便點(diǎn)火，空燃比為12:1.進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力。 進(jìn)氣與壓縮形程各噴油一次 GDI燃燒系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)分層混合氣燃燒和均質(zhì)混合氣燃燒，其中最核心的是分層燃燒。 FSI發(fā)動(dòng)機(jī) FSIFuel Stratified Injection，燃料分層噴射技術(shù)，就是“缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)”，“直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)”1、 特點(diǎn)：1、將燃油直接噴入燃燒室，不再需要節(jié)氣門(mén)，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱損失，從而增大了輸出功率并降低了燃油消耗。2、最大地優(yōu)化了進(jìn)氣混合效率，增加了火花塞點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和輸出

10、，同時(shí)增加了15%的經(jīng)濟(jì)性，為降低排放奠定了基礎(chǔ)。二、工況模式：分層充氣模式均質(zhì)稀混合氣模式均質(zhì)混合氣模式三、控制原理：1、分層充氣模式1）在低速或中速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)節(jié)氣門(mén)為半開(kāi)狀態(tài)，進(jìn)氣歧管翻板封住下進(jìn)氣道, 使空氣運(yùn)動(dòng)就加速，吸入的空氣呈旋轉(zhuǎn)狀進(jìn)入氣缸并撞擊活塞頂部，由于活塞頂部制作成特殊的形狀從而在火花塞附近形成期望中的渦流。2） 當(dāng)壓縮過(guò)程接近尾聲時(shí)，少量的燃油由噴油器噴出，形成可燃?xì)怏w。通常噴油開(kāi)始于約上止點(diǎn)前60°，結(jié)束于約上止點(diǎn)前45°，燃油被噴射到燃油凹坑內(nèi)噴油時(shí)刻對(duì)混合氣的形成影響較大，混合氣形成只發(fā)生在40°50°曲軸角之間，如小于這個(gè)范圍將

11、無(wú)法點(diǎn)燃混合氣，大于這個(gè)范圍將成為均質(zhì)充氣模式。空氣-燃油比=1.6 - 33）這種方式可充分提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速較低，負(fù)荷較小時(shí)除了火花塞周?chē)枰纬蓾舛容^高的油氣混合物外，燃燒室氣體地方只需要空氣含量較高的混合氣即可。在燃燒時(shí)只有混合好的氣霧被點(diǎn)火燃燒，混合好的氣霧周?chē)臍怏w起隔離作用，缸壁熱損耗小，使熱效率提高。4） 節(jié)氣門(mén)不能完全打開(kāi)，因?yàn)榭偸堑帽３忠欢ǖ恼婵眨ㄓ糜诨钚蕴抗扪b置和廢氣再循環(huán)裝置）發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的扭矩大小只取決于噴油量， 在這里吸入的空氣量和點(diǎn)火角并沒(méi)有多大意義。2、 均質(zhì)稀混合氣模式1） 進(jìn)氣與分層充氣相同，節(jié)氣門(mén)打開(kāi)，進(jìn)氣歧管翻板關(guān)閉。2）燃油約在點(diǎn)火上止點(diǎn)前

12、300° 時(shí)噴入（吸氣行程），混合氣形成可用時(shí)間較長(zhǎng)。Ø 空氣-燃油比約 = 1,553） 燃燒發(fā)生在整個(gè)燃燒室內(nèi)，點(diǎn)火時(shí)刻可自由選擇。3、 均質(zhì)模式1） 節(jié)氣門(mén)按照油門(mén)踏板的位置來(lái)打開(kāi)，進(jìn)氣歧管翻板根據(jù)工作點(diǎn)來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉，在中等負(fù)荷和轉(zhuǎn)速范圍時(shí)為關(guān)閉狀態(tài)。噴油、混合氣形成和燃燒與均質(zhì)稀混合氣模式是一樣的。2）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，節(jié)氣門(mén)完全開(kāi)啟，大量空氣高速進(jìn)入氣缸形成較強(qiáng)渦流并與汽油均勻混合，從而促進(jìn)燃油充分燃燒，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。 電腦不斷根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況改變注油模式，始終保持在最適宜的供油方式，提高了燃油的利用效率和發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，同時(shí)改善了排放。四、優(yōu)點(diǎn)1、分層充氣模式和均質(zhì)稀薄充氣模式中的節(jié)氣門(mén)脫開(kāi)狀態(tài)在此操作模式中，Lambda 值處于1,55和3 之間。這樣節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度更大并且吸入空氣時(shí)遇到的阻力也較小。2、 稀薄模式在分層充氣模式中發(fā)動(dòng)機(jī)在Lambda 值在1,6 至3之間運(yùn)行；在均質(zhì)稀薄模式中發(fā)動(dòng)機(jī)在Lambda 值約1,55 的狀況下運(yùn)行。3、氣缸壁熱損耗較小，在分層充氣模式中燃燒僅發(fā)生在火花塞的周?chē)鷧^(qū)域，所以氣缸璧上的熱量損耗較小并且熱效率也提高了。4、 高廢氣再循環(huán)時(shí)的均質(zhì)模式，在均質(zhì)充氣模式中由于存在強(qiáng)烈的充氣運(yùn)動(dòng)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)的兼容性最大可達(dá)到25%。為了在廢氣再循環(huán)率較低時(shí)能吸入相同容量