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缸内汽油直喷稀薄燃烧技术

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缸内汽油直喷稀薄燃烧技术 第 4期 2O06年 8月 内燃机 Internal Combustion Engines No.4 Apr.2O06 摘要:介绍了非均质进气、缸内直喷稀薄燃烧技术,分别介绍了三种统一式和三种分隔式缸内直喷稀燃系统。采用 该技术可在保持动力性指标的同时,还具有很好的燃油经济性,使有害排放大大降低。 关键词:稀薄燃烧;非均质分层进气;缸内直喷式燃烧方式;预燃室式燃烧方式 中图分类号:TK411 文献标识码:A 文章编号:1000—6494(2oo6)o4—0035—04 Lean Combust...
缸内汽油直喷稀薄燃烧技术
第 4期 2O06年 8月 内燃机 Internal Combustion Engines No.4 Apr.2O06 摘要:介绍了非均质进气、缸内直喷稀薄燃烧技术,分别介绍了三种统一式和三种分隔式缸内直喷稀燃系统。采用 该技术可在保持动力性指标的同时,还具有很好的燃油经济性,使有害排放大大降低。 关键词:稀薄燃烧;非均质分层进气;缸内直喷式燃烧方式;预燃室式燃烧方式 中图分类号:TK411 文献标识码:A 文章编号:1000—6494(2oo6)o4—0035—04 Lean Combustion Technology in Direct Injection Gasoline Engines ZHOU Yu—ming1 。 删 Jian —li’,LIU Jia—quan2 (1.Chongqing College of Science and Technology,Chongqing 400042。China; 2.N0rd1 China Oilfield Co.。Renqiu 06250o,China) Abstract:This paper introduces lean combustion technology i‘n non—uniform gas inlet and direct injection gasoline engine.It also introduces separately three—in—one and three separate lean combustion systems.The technology can not only keep its index of dy~ nie response but also has better fuel economy,which can reduce harmful emissiom greatly, Key words:lean combustion;non--Ulliform layer gas inlet;combustion in direct injection gasoline engine;comb ustion in precom— bustion eha//lber 目前使用的汽油电喷系统大都是将燃油喷入进 气管,即进气管喷射(PFI),且多采用多点喷射系统 (MPI),可使汽油机的动力性、经济性得到很大改善。 为使 CO,HC和 NOx等有害排放降低,可与三效催化 转化器相配,但会牺牲经济性。此外也存在诸如在 小负荷工况下,因采用进气节流方法进行量的调节, 使泵气损失增加,燃烧恶化,油耗增加,有害排放加 大;冷启动时,混合气加浓 ,CO和 HC排放增加,而此 时催化转化器的温度较低,不能发挥有效的净化作 用等问题。随着对节能要求和对有害排放量限制的 提高(到 2008年,欧洲轿车的 HC排放要求减少到 140 g/km),要求汽油机能兼顾节能和降低排放。稀 薄燃烧能满足这个要求。 缸内直喷式燃烧方式(GDI,Gasoline Direct Inj~c. tion)汽油机既具有柴油发动机低燃料消耗的特点, 又具有汽油机高输出的优势 ,改变了油气混合机理, 冷启动时不再需要过量供油,而且可采用稀薄分层 燃烧技术及采用无节流或小节流的变质调方式避免 节气门的节流损失,可有效降低 HC等有害排放。由 于直喷时油滴蒸发主要依靠从空气中吸热而不是从 壁面吸热,混合气温度和体积将下降,提高了充量系 作者简介:周玉明(1946一),男,教授 ,主要研究方向: 内燃机废气排放控制、内燃机节能。 收稿日期:2005—11—07 数,缸内直喷汽油机的爆燃倾向也大为降低,可采用 高压缩比,在保持动力性指标的同时,具有很好的燃 油经济性(可使油耗降低约 3%)。 缸内直喷大多采用稀薄燃烧系统。 1 稀薄燃烧 按燃烧供给方式,可将稀薄燃烧分为均质和非 均质两种。 1.1 均质预混合方式 所谓稀薄燃烧是指空燃比A/F大于理论空燃比 14.7时的燃烧。但在实际使用中为保证各缸不失 火,混合气不能太稀,其空燃比的稀限为 17:1,所以 将空燃比大于 17的燃烧视为稀薄燃烧。 化油器式和大部份进气道喷射汽油机一般只能 在空燃比小于 25的范围内工作,且采用均质预混合 方式。 此种方式的空燃比限制在以化学当量比为中心 的狭窄区域内,即空燃比小于 25的范围内工作,其 本身存在燃油经济性较差和自身排放高的缺点: a.为保证所要求的空燃比,只能用进气管节流 的方式对混合气充量进行调节。由于节流会引起较 大的泵气损失,造成低负荷时的燃油经济性较差。 b.由于缸内充满均质的易着火和燃烧的混合 气,容易产生爆燃,因而不能采用高压缩比,使热效 瓣 ~ 一 撼 ~ “ .| .. .; l| .. =: ★ . 舟 . ¨ 丹 舟 矗 {: .=: ★ 舟 .舟 -u ~ “ 冉 哼: 舟 冉 ★ ★ 舟 ¨ _.| 矗 舟 女 舟 ☆ 舟 古 ★ 去 ☆ ’=n _:n |:一 山¨ .:=: n “ .;¨ ^¨ _| |. ¨ 矗 ★ ¨ 0 : 士 古 二: .¨ .¨ 太 七 ¨ ★ . l| 维普资讯 http://www.cqvip.com · 36 · 内燃机 2O06年 8月 率较低。 c.浓混合气的比热容较低,也使热效率较低。 在化学计量比附近燃烧,NOx排放较高。 1.2 非均质分层进气 由于均质预混合方式的缺点,目前,分层进气 (分层燃烧)发动机作为稀薄燃烧中的非均质燃烧是 实现稀薄燃烧的主要方式。 一 般汽油机工作范围的空燃比正是排放高的范 围。随着空燃比的增加,由于混合气过稀,火花塞周 围微小点火体内的燃料量太少,产生的热量不足以 聚集形成火焰,均质混合气难以点燃且燃烧速度减 慢,会造成燃烧不稳定,使油耗和 HC排放上升。传 统发动机供给各缸的混合气成份不均匀,在汽油机 中只要形成火焰,在火焰的传播过程中,即使是相当 稀的混合气,也能正常燃烧。为了提高稀燃界限,可 采用分层充气燃烧,以保证在空燃比大于 20的条件 下在火花塞周围形成易于着火的较浓的可燃混合气 (空燃比在 12~13.5),而在周边区域和燃烧室的大 部份区域是较稀混合气或空气。在浓稀之间,有从 浓到稀的各种空燃 比混合气,以利于火焰的传播。 因此,燃烧室中混合气浓度有组织地分成各种层次, 故称为分层进气(分层燃烧)发动机。 分层燃烧的汽油机可稳定在空燃比为 20~25 的范围内工作,分层燃烧缸内直喷机空燃比的稀限 已提高到 40以上。在小负荷工况下不需要关小节 气门来限制进气量,基本上避免了发动机换气过程 中的泵气损失。在高空燃比情况下,由于混合气物 性的改变,绝热指数增加,传热损失减少,发动机的 热效率可进一步提高。由于汽车发动机经常在小负 荷工况下工作,可使其平均油耗降低 15% ~20%左 右,NOx也显著降低。 为使发动机在燃用稀混合气时工作稳定可靠, 必须同时做到:控制燃烧过程,使之实现快速燃烧; 改善供给系混合气制备与分配;改进或强化点火系。 分层进气燃烧室可分为统一式和分隔(预燃室) 式两大类。美国的德士古 TCCS和福特 PROCO以及 日本三菱 MCP属于统一式;日本的本田 CCVC和丰 田TGP以及德国的波舍尔 SKS和大众 PCI则属于预 燃室式。 2 缸内直喷式燃烧方式 缸内直喷是将燃料直接喷入燃烧室,即统一式, 往往同时采用稀燃系统。这里介绍三种缸内直喷稀 燃系统。 2.1 福特 PROCO稀燃系统 美国福特公司的 PROCO(PI1嚼 Combustion Process,程序化燃烧过程)是 GDI稀燃方式中应用较 早的系统,如图 1所示。 其层状燃烧采用统一式汽油直接喷射,利用螺 旋气道形成涡流,汽油由喷油器直接喷入燃烧室内, 喷油器两侧各装有一只火花塞,在火花塞附近分层 为浓混合气,利用涡流和滚流进行油气混合。喷油 随负荷提前,使混合气近于均匀。 管 图 1 福特 PROCO燃烧系统 燃油在缸内雾化要吸收热量,使混合气温度下 降,充量提高,并可使用较高压缩比(£=15)。低速 时功率可增加 5%~10%,部份负荷和怠速时的油耗 可分别降低 5%和 12%。与进气管单点喷射相比, NOx和冷启动 HC排放降低。可在空燃比为 25的条 件下工作。 2.2 三菱 4G系列缸内直喷稀燃发动机 图2是三菱公司 GDI发动机结构图,其燃烧室 形状与丰田D一4发动机相近,在火花塞周围形成浓 混合气。它采用了旋流式广角度喷油器(但其喷油压 图2 三菱公司 GDI发动机结构图 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 4期 周玉明等:缸内汽油直喷稀薄燃烧技术 · 37 · 力比D一4发动机低,只有 5.0 MPa),使油气混合达 到最佳;采用了很有特色的立式进气道,以保证高度 的滚流(纵涡)及充气系数,从而达到最佳的缸内气 流控制;采用了顶面弯曲的活塞,对燃烧非常有利。 2.3 丰田D一4稀燃系统 图3为丰田公司开发成功的 D一4缸内直喷式 稀燃发动机的系统图。 图 3 丰 田 D一4缸 内直喷式稀燃 发动机 该系统具有如下特点: a.进气道上装有电子涡流控制阀(E—SCV),可 形成不同角度的斜向进气涡流,促进缸内混合气的 形成。 b.燃烧室为半球屋顶形,活塞顶部有唇形深皿 凹坑,与进气涡流旋转方向及高精度的喷油时间和 喷油方向控制配合,在火花塞周围形成较浓的易点 燃的混合气区域。 c .采用高压(8~13 MPa)旋流喷油器,可实现高 度微粒化(喷雾粒度小于 5 pan)喷射,以抑制扩散燃 烧所产生的黑烟。 d.灵活的电喷系统,可对不同工况采用不同的 燃烧方式,以保证所有工况下都能稳定燃烧。在低 速及部分负荷时,在压缩后期喷油,形成明显的分层 燃烧;在高速及大负荷时,进气行程就开始喷油,以 形成均质化学计量比燃烧;而在此之间,则有弱分层 燃烧和均质燃烧两个区域。 e.为了控制分层燃烧的 NOx的产生,采用了电 控 EGR系统。 f.带有宽域氧传感器、紧凑耦合三效催化器和 吸附还原型稀燃主催化器。根据装有该发动机的轿 车的工况实验,油耗可降至l7.4 km/l,比传统汽油机 轿车节油35%。 由于采用了稀燃方式并能保证燃烧安定性,怠 速时的稳定工作转速可降低到 600 r/min,由此可节 油40%。由于稀燃界限扩大,较以化学计量比工作 的普通汽油机节油 35%。在空燃比为 40的稀燃条 件下,NOx排放可降低 60%以上,采用 EGR后降低 约 90%,而采用选择还原型稀燃催化剂后 NOx排放 降低 97%。 3 预燃室式 所谓预燃室式是将燃油直接喷入预燃室,这里 介绍三种系统。 3.1 波舍尔 SKS燃烧系统 波舍尔 SKS燃烧系统系德国波尔舍(Porsche)厂 研究成功的分层进气的燃烧系统。该系统用预燃室 喷油来代替化油器,以三级燃烧为特征:点火并形成 火焰核心,要求小部分混合气由电火花点燃后产生 的化学反应所发出的热量大于其表面散失的热量, 因此点火点应在稳定即无涡流的区域,否则不易点 燃混合气;大部分燃料燃烧,需要强烈的涡流以使燃 烧迅速完成;后续燃烧,需要足够的过量空气以保证 完全燃烧。 图4即波舍尔 SKS燃烧系统的燃烧室。火花塞 在点燃室内,火花塞区域内无强烈涡流,便于形成火 焰核 预燃室内为浓混合气,活塞位于压缩上止点 时,预燃室及其喷口附近的主燃室部分以等容燃烧, 产生强烈的涡流,进而点燃主燃室内的稀混合气(过 量空气系数为 1.5~3.0)。主燃室内的混合气在膨 胀行程中的燃烧是在接近于等温下进行的,这就可 达到所希望的低爆发压力,降低 NOx排放量,较高的 膨胀温度使未燃烧的 HC与 CO氧化。主燃烧室内 的稀混合气在进气系统中形成(采用K型Bosch汽油 喷射),预燃室没有清扫,留有大量残余废气,在进气 行程时,高压喷射泵把燃料直接喷入预燃室,到压缩 行程时,主燃室的稀混合气有一小部分被挤入预燃 室,最后在预燃室形成浓混合气。试验证明,预燃室 混合气浓度在过量空气系数 0.4—1.2时可点燃起 火,而在 0.7附近则最为稳定。 试验表明,预燃室容积小于燃烧室总容积的加%, 喷焰通道细小对废气排放有利,但功率损失加大。 进气 图 4 波舍尔 SKS燃烧系统简图 3.2 德国大众PCI系统 德国大众的 PCI型预燃室喷油发动机的预燃室 是球型,其容积是燃烧室容积的 25%,无扫气,由高 压油泵供油。主燃室由化油器供给稀混合气,进气 维普资讯 http://www.cqvip.com · 38 · 内燃机 2OO6年 8月 道产生涡流。预燃室有一绝热环,由于预燃室温度 高,加之汽油喷射,冷启动和暖车时的污染低。试验 表明,当预燃室的空燃比为 11:1、总的空燃比为 18:1 时最好。如再配一稀的热反应器,可进一步降低 HC,净化效果最好。 3.3 日本丰田TGP系统 TGP(Turbulence Generating Pot,紊流发生罐)燃烧 系统,是因副燃烧室所起作用相当于紊流发生罐而 得名。 其燃烧室的构造特点是火花塞放在副燃烧室人 口的喷孔处,如图5所示。 图 5 丰 田 TGP燃烧室构造 该系统要使稀薄混合气或 EGR混合气稳定燃 烧必须做到以下几点:在火花塞间隙处有一适合点 火的混合气流速;能在 TGR内形成足够的涡流;有一 个适当的喷出速度和喷出时间。 为获得更好的稀薄混合气燃烧条件,采取两项 措施:改进点火系统,使火花塞间隙扩大到 1.0 Bill, 提高点火线圈容量,加强点火能量;采用二极管接 地,以提高可靠性和为防止低负荷时返流,减小气门 重叠角。在相同试验条件下,不同空燃比时的 NOx 排放均比传统发动机低。这是因为NO的生成速度 与温度呈指数关系增大。由于 TGP初期燃烧迅速, 缩短了初期燃烧部分混合气在高温下的滞留时间, 抑制了 NOx的生成量。其次,由于 TGR的喷流,加 速了初期燃烧部分与未燃烧部分混合气的混合,减 少了初期燃烧温度因受后期燃烧的绝热压缩而造成 的温度升高。另外,由于燃烧室内的强力流动,助长 了初期燃烧时向壁面放热。 由于采用稀薄燃烧并和 TGP喷流搅拌混合气, 加强了完全燃烧,也减少了 HC和 CO的生成。 4 几种稀燃系统的实验比较 缸内直喷通过组织进气涡流和采用相应的喷油 器,使缸内的混合气浓度形成梯度分布,易实现混合 燃烧,可根据不同的负荷采用不同的燃烧方式。在 提高发动机动力性的同时,燃油的经济性也较好,同 时使有害排放大大降低。 几种稀燃发动机装车试验的结果见表 1: 表 1 几种稀燃发动机装车试验结果 注:表中 CO,HC,NOx的单位为 g/kin;油耗的单位为 L/ 100 km。 [参考文献] [’1] 周玉明.内燃机废气排放及控制技术[M].北京:人民交 通出版社,2001. [2] Kasedorf J.Benzineinspfitzung[M].Vogel—Fach—buch, 1989. [3] 王建昕,等.汽车排气污染治理及催化转化器[M].北 京 :化学工业出版社,2OOO. (上接第 34页) 要想获得满意的加工效果,夹持钻头的夹具性 能至关重要。如果钻夹具达不到所要求的刚性,即 使获得了驱动钻头的功率,也不能进行有效的切削。 先进的钻夹具可获得很小的钻孔公差,尽管多数钻 削加工不需要太高精度,但仍有些钻削加工的精度 要求仍较高。最近,有了用于精密钻削加工的新型 的刀夹具系统,这是一种新型的热装夹紧工具系统, 这种刀夹具不用紧固螺钉装夹刀柄,也不用螺母和 垫片固定刀具,由于在夹具的一侧无紧固螺钉,因此 不会引起振动,所以刀具和夹具从一开始就具有 良 好的动态平衡,使钻削可在平衡状态下更好地进行 高速加工。这种夹具的孔比切削刀具稍小,用一个 感应线圈加热夹具前端,热膨胀使夹具孔胀开,将切 削刀具插人,当夹具冷却后,刀柄四周在冷却压缩效 应下即可产生足够的刀具夹持力。 为了提高切削速度和延长刀具寿命,许多用户 已将短锥柄、高速主轴和小型金刚石刀片应用于实 际加工。使用尖形刀具可使刀具寿命更长,减少刀 具的更换次数,最大限度地增加每把刀具的孔加工 数。空心短锥柄能使刀具安装公差达到 0.00013 inn 或更小,可用于高速加工。汽车和航天工业对空心 短锥柄需求量较大。 维普资讯 http://www.cqvip.com
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