燃油直噴燃燒技術(shù)
互聯(lián)網(wǎng) xjm82395219邢 汽車構(gòu)造維修 2008-08-17
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汽油直噴燃燒技術(shù)(GDI)就能夠?qū)?nèi)燃機(jī)的燃料效率提高20％。這一新技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用起源于30年代，但長(zhǎng)期以來沒有得以發(fā)展，只是到了近兩年，由于電子技術(shù)和其它系統(tǒng)的性能的提高，才使這種新概念有所作為。 目前，一些汽車制造商正在將GDI技術(shù)投入實(shí)際的制造應(yīng)用過程。例如Mercury Marine公司就針對(duì)其大型發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)出了一個(gè)采用雙重空燃直噴燃燒系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)。從1996年起日本的三菱公司也開始了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)工作，西門子和雷諾兩公司也聯(lián)手致力將GDI技術(shù)應(yīng)用于雷諾的Megane汽車上。同時(shí)，Delphi也宣布將和Orbital發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司共同投資開發(fā)一種火花塞和燃油直噴混合的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)只需要一個(gè)通往汽缸燃燒室的孔。 開發(fā)直噴技術(shù)的最初想法是由于在大多數(shù)的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比可以調(diào)節(jié)到比用化學(xué)計(jì)算法得出的14.7:1更稀薄的狀態(tài)，而不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能造成負(fù)面的影響。然而其局限性卻是這樣的，稀薄混合氣體很難點(diǎn)燃，而且還會(huì)隨之產(chǎn)生相應(yīng)的排放物，其主要成分是氮氧化合物（NOX）。 采用直噴技術(shù)后，燃油以細(xì)微滴狀的薄霧方式進(jìn)入汽缸，而不是以蒸汽的方式。這也就意味著當(dāng)燃油霧滴吸收熱量變?yōu)榭扇颊羝麜r(shí)，實(shí)際上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸起到了冷卻的作用。這種冷卻作用降低了發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)辛烷的需要，所以其壓縮比可以有所增加。而且正如柴油一樣，采用較高的壓縮比可以提高燃料的效率。 采用GDI技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它能夠加快油氣混合氣體的燃燒速度，這使得GDI發(fā)動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)的化油器噴射發(fā)動(dòng)機(jī)相比，可以很好地適應(yīng)廢氣再循環(huán)工藝。例如，在三菱的發(fā)動(dòng)機(jī)上，當(dāng)?shù)∷龠\(yùn)轉(zhuǎn)過程中如果發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不穩(wěn)定，則發(fā)動(dòng)機(jī)可以以40:1的空燃比很平穩(wěn)地運(yùn)行（如果采用了廢氣再循環(huán)EGR技術(shù)，那么發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比可以提高到55:1）。 決定一種非常稀薄的混合氣體的關(guān)鍵是能否找到一種可靠的點(diǎn)燃它的途徑。這就要求在火花塞間隙附近混合氣的濃度足夠大，以便能點(diǎn)燃。由于火焰的焰心要比火花塞的間隙尺寸大得多，一旦燃燒之后火焰就會(huì)向燃燒室內(nèi)的稀薄氣體區(qū)域擴(kuò)散。早期的GDI的開發(fā)工作著重于研究能夠在炙熱狀態(tài)下，長(zhǎng)時(shí)間工作點(diǎn)燃可燃物的兆點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)。雖然這個(gè)系統(tǒng)發(fā)出的炙熱的、較大的火花能夠很容易地將稀薄混合氣體點(diǎn)燃，然而由火花塞發(fā)出的熱量卻大大降低了火花塞電極的使用壽命。 采用計(jì)算機(jī)來模擬進(jìn)出燃燒室的燃料和空氣流的情況是一項(xiàng)突破性的技術(shù)。燃燒室和活塞的形狀、噴油脈沖的能量和方向、活塞和發(fā)動(dòng)機(jī)熱量的運(yùn)動(dòng)情況都會(huì)影響油氣混合物霧滴的位置。這項(xiàng)技術(shù)采用了關(guān)鍵性的計(jì)算機(jī)技術(shù)來確定空燃流的情況以及空燃噴射器的最佳位置以及火花塞的相關(guān)參數(shù)。 兩個(gè)基本的系統(tǒng) 當(dāng)這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于GDI時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)基本的系統(tǒng)，它們分別是HPDI 和 LPDI。HPDI系統(tǒng)依靠高壓（100巴或100個(gè)大氣壓力）來迫使燃料進(jìn)入已經(jīng)充滿空氣的燃燒室。在雷諾的IDE發(fā)動(dòng)機(jī)中，西門子采用了一個(gè)三活塞的燃油泵來產(chǎn)生燃料噴射所需的高壓。同時(shí)，由于采用了電磁控制的閥門，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)需要確定進(jìn)、排氣門的正時(shí)時(shí)間。 Orbital公司的低壓直噴系統(tǒng)（LPDI）是對(duì)兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于汽車制造的技術(shù)的進(jìn)一步完善和改進(jìn)。采用LPDI系統(tǒng)后，一定量的燃油被噴射到位于油氣混合氣噴射裝置頂部的氣室內(nèi)。一個(gè)皮帶或凸輪傳動(dòng)的空氣壓縮機(jī)用來向空氣噴射裝置提供大約6.5巴的壓力。當(dāng)空氣噴射裝置的線圈被啟動(dòng)后，空氣壓力就會(huì)使燃油和空氣進(jìn)入到燃燒室中。這個(gè)系統(tǒng)發(fā)生作用的關(guān)鍵是進(jìn)入到燃燒室中的燃料流應(yīng)該是呈現(xiàn)易燃狀態(tài)。該系統(tǒng)的一個(gè)很主要的特點(diǎn)是由于燃料沒有處在非常高的壓力下，所以也就不需要使用特殊的燃油泵，燃油供油裝置產(chǎn)生開裂和泄漏的危險(xiǎn)性也小得多。 HPDI 和 LPDI這兩個(gè)系統(tǒng)都面臨著挑戰(zhàn)。一是燃油的噴射模式必須十分精確，以便能夠以成層的方式正確地將燃料進(jìn)行分配。在HPDI系統(tǒng)中，這意味著需要更高的噴射壓力和更快的噴射速度。西門子公司宣稱它目前正在研究高達(dá)200巴壓力的燃油噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有能夠在半毫秒內(nèi)點(diǎn)火的高精度的噴射裝置。 要獲得較滿意的燃空混合氣分層就意味著燃燒室和活塞頂部的形狀都是非常關(guān)鍵的。這需要對(duì)每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)使用計(jì)算機(jī)造型和廣泛的測(cè)試來確定其最終的形狀。這也即是說GDI技術(shù)并不能簡(jiǎn)單地捆綁于現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)上。汽缸和活塞需要進(jìn)行變動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制系統(tǒng)的硬件也需要改進(jìn)。 和傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵相比，HPDI系統(tǒng)所需的燃油泵有很大的區(qū)別。傳統(tǒng)的電動(dòng)燃油泵需要讓燃油流經(jīng)泵體來保持冷卻和潤(rùn)滑。而另一方面，高壓HPDI系統(tǒng)的燃油泵卻采用了與燃油流隔離開的液壓泵組件。為了降低在如此高的壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生泄漏的可能性，將這兩部分的功能隔離開是很有必要的。PSA標(biāo)致/雪鐵龍公司和西門子公司已經(jīng)組成了一個(gè)合資公司來專門為歐洲市場(chǎng)生產(chǎn)這種新型的燃油泵。 讓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒非常稀薄的油氣混合氣體也就意味著其每個(gè)燃燒沖程燃燒的燃料量更少，因而產(chǎn)生的功率也就更小。三菱公司的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)通過采用雙重模式的燃燒系統(tǒng)突破了這個(gè)局限性。對(duì)于在正常情況下的諸如城市市區(qū)的低負(fù)載駕駛工況，燃油在壓縮沖程延遲噴射，這一點(diǎn)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣。這種方式提供了一種極稀薄的油氣混合物分層，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)來自不同的發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器的信息探測(cè)到駕駛員希望在高負(fù)載或高車速下操縱汽車時(shí)，噴射脈沖就會(huì)提前在進(jìn)氣沖程進(jìn)行噴射。 這種技術(shù)允許發(fā)動(dòng)機(jī)使用正常的空燃比。其關(guān)鍵是發(fā)動(dòng)機(jī)的電子系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)確定燃油應(yīng)在何時(shí)以何種方式噴射。 GDI技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響 GDI技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放具有很重要的影響。你可以想像得到，當(dāng)較少的燃料在一個(gè)富氧的環(huán)境中燃燒時(shí)，HC和CO的產(chǎn)生量肯定會(huì)大大減少。另一方面，氮氧化物NOX的產(chǎn)生則是個(gè)問題。為了避免這個(gè)問題的發(fā)生，三菱的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)采用了30％的EGR比率，并采用了一個(gè)新型的稀薄NOX氣體催化器。這種催化器是一種儲(chǔ)藏型的設(shè)備，它能夠在需要的情況下吸收多余的NOX，然后將HC排放物引入那部分的催化轉(zhuǎn)換器而重新起作用。由于這個(gè)裝置位于三元催化器的前面，所需要的用于多余的NOX催化的HC的量在此處應(yīng)該引起注意。 這項(xiàng)新技術(shù)至少需要采用好幾個(gè)傳感器才能夠起作用。人們開發(fā)出了一種新型的傳感器來探測(cè)多余的NOX的水平，這種傳感器在很多方面與傳統(tǒng)的氧傳感器很相似，只不過它的固體電極采用了不同的材料，而且它采用了兩室的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的氧傳感器對(duì)于采用非化學(xué)計(jì)量法得出混合汽體不起作用，所以在這里還需要一些其它的東西。一種被開發(fā)用于ULEV發(fā)動(dòng)機(jī)的被稱為UEGO分線性氧傳感器在這種空燃比的情況下能夠良好地工作，并被用于三菱公司的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中。 正如你所知道的那樣，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)與目前車輛上廣泛裝備的傳統(tǒng)的進(jìn)油口燃油噴射的發(fā)動(dòng)機(jī)有很大的不同，而且這種新型的發(fā)動(dòng)機(jī)毫無疑問將在不遠(yuǎn)的將來得到應(yīng)用。事實(shí)上，豐田公司的混合動(dòng)力轎車Prius上已經(jīng)裝備了一臺(tái)這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)，而且福特、通用和克萊斯勒公司都正在對(duì)這種新型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研制。一個(gè)積淀了70年的概念正在逐步變?yōu)閷?shí)用的產(chǎn)品，這就是讓人值得稱道的地方。而所有這一切都要?dú)w功于車載的傳感器和電子控制系統(tǒng)，以及最終使該項(xiàng)技術(shù)浮出水面的計(jì)算機(jī)建模系統(tǒng)。 |
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