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轿车发动机节能新方法—汽油机稀薄燃烧和发动机柴油化

2011-01-13 3页 pdf 108KB 111阅读

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轿车发动机节能新方法—汽油机稀薄燃烧和发动机柴油化 天 津汽车 轿车发动机节能新方法——汽油机稀薄 燃烧和发动机柴油化 付鲁华 苏 水 刘 莹 (天津大学) (河北工业职业技术学院) (天津市汽车研究所) 摘要 介船了轿车用发动机节靠的.f方法——汽油机#薄燃烧和发动机采油化.详细地毂速了汽油机赛观释碍 燃烧的关链技术和轿车用发动机柴油化的技术特点 .指 出汽油机稀薄燃烧置发动机采油化是轿车发动机节能的t挂措】i邑 和 手段 。 瓿词 轿车 节能 稀薄燃烧 柴油机 l 前言 汽车工业是国民经济的支柱产业。随着 人们生活质量的提高 ,我国轿车...
轿车发动机节能新方法—汽油机稀薄燃烧和发动机柴油化
天 津汽车 轿车发动机节能新——汽油机稀薄 燃烧和发动机柴油化 付鲁华 苏 水 刘 莹 (天津大学) (河北工业职业技术学院) (天津市汽车研究所) 摘要 介船了轿车用发动机节靠的.f方法——汽油机#薄燃烧和发动机采油化.详细地毂速了汽油机赛观释碍 燃烧的关链技术和轿车用发动机柴油化的技术特点 .指 出汽油机稀薄燃烧置发动机采油化是轿车发动机节能的t挂措】i邑 和 手段 。 瓿词 轿车 节能 稀薄燃烧 柴油机 l 前言 汽车工业是国民经济的支柱产业。随着 人们生活质量的提高 ,我国轿车拥有量越来 越多 ,轿车在给人类的生活 、工作带来方便 的同时,也给人类的生活、生存环境带来 了 有害的影响。如轿车的能耗问和废气污染 问题等 汽油机由于结构轻巧,比功率太 、动 态响应好、噪声振动小 、微粒排放低等特点 , 被广泛用于轻型、轿车动力,但由于传统的 汽油机循环热效率较低 .因此轿车发动机的 经济性较差 。为了改善轿车发动机的经济 性.汽油机采用稀薄燃烧和发动机柴油化 , 已经成为各个轿车发动机生产厂家的重要 手段。本文详细地介绍了轿车发动机采用汽 油机稀薄燃烧及发动机柴油化的节能技术 特点。 2 轿车用汽油机稀薄燃烧实现技术 2.1 稀薄燃烧及其实现技术 稀薄 燃烧 技术就 是发 动机在 空燃 比 A/F大于理论空燃 比的情况下燃烧。这样 , 燃料就可以燃烧完全 ,同时汽油机的有害排 放物 cO、HC、N。r和 o 都较少。由于稀 薄燃烧时燃烧室内的主要成份为 和 N2, 它们的比热比较小 ,多变指数 ^较高 ,因而 热效率高 ,燃油经济性好,实现稀薄燃烧技 术的关键是点火瞬时在火花塞处形成易于 着火的浓混合气 ,空燃比 A/F=l2一l3.5. 其余处为稀的混合气 。提高稀薄燃烧能力根 本在于缩短火焰发展期和燃烧持续时问。由 于采用稀薄燃烧 .使火焰传播速度变慢 ,因 此 ,应采取相应的措施来促进缸内混合气分 层及加快火焰的传播 ,提高燃烧速度 ,减小 燃烧循环波动率。 2.2 缸外进气道喷射稀薄燃烧汽油机 缸外进气道喷射稀薄燃烧汽油机中,必 须使燃油喷射和气流运动相结合 。依进气流 动形式分涡流分层和滚流分层两种技术。涡 流进气可实现混合气在缸内轴向分层 。在一 个气门或两个气门不对称进气时 ,充量在缸 内将形成斜轴涡流。混合气分层 的控翻因 素,一个是进气涡流 ,一个是 喷油时刻控 制。涡流起维持混合气分层的作用 .喷油时 刻决定着浓混合气区在缸内的位置。一般认 为,进气行程初期喷油 ,燃油随进气进人缸 内首先分布于燃烧室下部 ,随着活塞的运动 而逐渐成为均匀混合气;在进气行程后期喷 油,浓混合气将占据燃烧室上部空间直至着 火。稀燃极限与喷油时刻关系很大 。只有在 进气行程的某一区间内结束喷油,才能得到 理想的混合气分层而燃用稀混合气。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2001年 第 2期 18本三菱公司利用进气道喷射燃油先 后成功地在 3、4气门发动机上实现 了发动 机缸内滚漉分层稀燃 MW (Mitsubishi— Vertical—Vortex)[6川 系统 。初期的 Mw 系统 ,燃油由双进 气门的其 中一个气道提 供 ,火花塞布置在正对供油进气门进气流动 下游 ,混台气在滚流轴线方向上出现浓稀分 层 。火花塞附近有适于着火的混合气浓度 , 但此种不能将火花塞布置在缸盖上的 燃烧室中心 ,仅用于 2进 l排的 3气门汽油 机。随后三菱公司在 4气门汽油机上 ,在两 个进气道内对称布置立式隔板 ,在两个隔板 之间喷油,使混合气在缸内滚流轴线方向上 形成稀 一浓 一稀馅饼状 3层分布 ,且为 了增 强滚 流, 了特殊的凸顶活塞 。日本 的 Horie K等人 利用开发的变 涡流 系统 vTEC—E机构和精确的 A/F控制系统成 功地开发出一种 4气门稀燃发动机 ,使发动 机高速区应用直气道和两气门工作,使充量 系数大 ,低速区一个进气 门工作构成缸内涡 流并控制进气冲程的喷油定 时产生轴向分 层进气,使燃油梢耗率降低 l0%,达到美国 LEV排放。国内有些科研院所和大学 通过进气道内的进气运动和喷油情况很好 地实现了缸外进气道喷射稀薄燃烧 ,A/F 达副 20以上 2.3 缸内喷射稀燃汽油机 缸外进气道喷射汽油机在不采用辅助 的助燃方法组织稀燃时,其空燃比 A/F存 在上限 (A/F=27),与缸外进气道燃油喷 射稀燃汽油机相比,缸内喷射稀燃汽油机具 有泵气损失和传热损失小、充气效率和抗爆 性高 、动态响应好等特点 ,被誉为 21世纪车 用汽油机的主要动力。 18本丰田公司 D一4 汽油直喷发动机 H 就是利用缸内涡流实现 稀燃的缸内直喷汽油机,它的进气道由一个 具有 SCV(Sw~rl—Control—Valve)阀的单 边螺旋气道和一个直气道组成。活塞顶部有 一 渐开线型的燃烧室凹坑。高压旋漉喷嘴位 于气道下方且采用了可变气门定时 VVT— i系统、电子控制节气门和 吸藏还原型 NOx催化器。通过直气道内 SCV阀的关闭 和开启井配合不同时刻喷油(小负荷燃油在 压缩行程后期喷油实现分层稀燃 ,中负荷燃 油在进气和压缩行程分两次喷射实现弱分 层燃烧 ,大负荷燃油在进气行程喷油实现均 匀混台燃烧 )达到中小负荷及大负荷不同燃 烧模态的转变。 18本三菱公司的 GDI发动 机 是利用缸内滚流实现稀燃的典型的直 喷发动机。其缸内空气运动采用了直立气道 形成的逆滚流方式。喷油器布置在进气道一 侧以防止燃油被加热,降低缸内燃烧温度。 火花塞布置在中间,活塞顶面为带有球形凹 坑的活塞井配台不同时刻喷油(小负荷时压 缩行程后期喷油实现稀燃模态,大负荷时压 缩行程初期喷油 实现均质稀燃模态 )实现 两种工作模态的转变。除此外,德国大众汽 车公司的 FSI(Fue1一Stratification.Injection) 发动机 ,由于采用 了直接喷射技术 ,在部分 负荷区域,发动机靠一股非常强大的、作为 均匀的混合气体不再能点燃的气流推动。燃 油混台气被集 中在位于燃烧室 中央的火花 塞周围,而燃烧室的周边部分则充斥着纯空 气 ,燃烧只在燃烧室 中央进行 ,四周被隔绝 的空气包 围,减少了热量的散失 ,发动机油 耗减少 l5%,使汽油车发动机的百公里耗 油量达到低于 5 L,极大地提高 了汽车的经 济性。将一次循环供油量分两吹喷人气缸不 仅可以拓宽稀燃范围,而且可以抑{6I爆燃的 发生。日本的首藤登志夫等人ll 利用压缩行 程前、终了进行两次(二次)喷油获得了宽广 的分层稀气混台气燃烧,在中等负荷与理想 预混合燃烧相比热消耗率降低 30%,NO 降低 50%左右。然而 ,由于汽油机的燃烧效 率比柴油机低(柴油机的压缩 比远大于汽油 机的压缩 比),要想实现汽车发动机的百公 维普资讯 http://www.cqvip.com 天津汽车 里耗油量不大于 3 L的 目标,必须采用柴油 机技术。 3 轿车用柴油机实现技术 柴油机 由于具有高的压缩 比而使其燃 烧热效率比汽油机大,因而具有较低的燃油 消耗率。早先的柴油机仅用于中、重型卡车, 轿车用柴油 机 ,在 90年代末才在欧洲 出 现。其主要原 因是由于柴油机燃烧过程粗 暴,混合气形成时间短 ,因此不能达到轿车 发动机所需的升功率和高速适应性。踟 年 代末 ,运输能力的增长,不仅造成 了严重的 环境污染,同时也使矿物性燃油消耗剧增。 90年代初期,由于降低油耗 (同时降低 CO2 排放量)的驱动 ,在欧洲形成了一股 3 L轿 车热,美国于 1992年也成立了新一代车辆 联合体 (PNGV),目标为每加仑燃油行驶 128 km,此与欧洲要求一致。众所周知,与 汽油机相比,柴油机的燃油消耗比汽油机低 20%~40%。不仅如此,而且当发动机离开 最佳工况点运行时 ,柴油机的效率下降没有 汽油机那样大,特别是在部分负荷工况运行 时,汽油机具有较大的节流损失 ,柴油机比 汽油机的节能效果更为显著。轿车用柴油机 早在十几年前就被认为是可行的。由于直喷 式柴油机特别是中、小型直喷式柴油机的高 速适应性、升功率和燃烧噪声等性能不能令 人满意,因此轿车上最早用柴油机多为非直 喷式涡流室式柴油机。90年代后.由于柴油 机直喷技术的进步 ,特别是多气门技术、高 压喷射 、可变涡轮增压技术等的应用极大地 提高了直喷柴油机的高速适应性 和升功 率。为了进一步降低柴油机燃烧噪声,改善 柴油轿车的运转平顺性,在柴油机上采用了 预喷射、靴形喷油规律、双弹簧喷油器等技 术措施,使轿车领域应用直喷柴油机越来越 广。目前欧洲柴油轿车比例已占45%以上 . 我国有些科研单位 已开始 了柴油机 TDI技 术的研究,相信几年以后,我国柴油轿车将 14· 会越来越多。 德 国大众 汽车公 司 的 1.9 L、 1.2 L TDI柴油机 ,采用 了许多最新技术 ,如高 压喷射、进气中冷、涡轮喷嘴几何形状可变 的涡轮增压器 、EGR、全电子控制及尾气催 化系统等 不仅使柴油机尾气排放达到欧 II标 准 ,而且经济性 比同功率 汽油机低 30%以上。通越柴油机本身工作过程的优化 和与配合的新型直接档变速箱和停车起步 系统及运用先进的空气动力学技术使风阻 系效 由0.32降至 0.29,极大地提高了发动 机的经济性 ,综合结果使轿车百公里耗油量 达到 3 L以下。真正成为经济型的豪华轿车。 4 结束语 节 能与 环保是轿 车发动机 永恒 的 主 题。汽油机采用稀薄燃烧技术不仅可以降低 油耗 ,而且可以改善轿车汽油机的排放特 性。而欲想使轿车能耗进一步降低,如轿车 百公里油耗 3 L以下 ,必须采用柴油直喷技 术即 TDI技术。国外在轿车领域 已大量推 广应用 TDI技术 ,我国应在此方面迎头赶 上 ,使我国的轿车节能水平上一个新的台 阶。 参 考 文 越 1 首藤登志夫等 直喷式分层进气发动机的燃烧、排放 特性【J】.国外 内燃机 .1995(5) 2 开创柴油机的新时代系剜讲座 .Diesel Inititive Sem- iniar大众汽车公司研讨会 【c】.1999 3 Kaoru Horie.e【al The Development of a High Fuel Economy and High Performance Four—Valve Burn Engine[C] SAE 920455.1992 4 Jun Harada.el a1.Deve]oprrtent of~rect Injection Gamline Engine[Cj SAE 970540.I997 5 Y.1wamoto. et a1.Deve]oprnent of Gasoline Direct Injection Engine[C].SAE 970541.1997 6 Yasuhiko.1wamoto.Yoshiaki.Danno.et a【The 1 5 liter Vertical Vortex Engine[C]SAE 92o670 1992 7 Kuwah~ra K. et a1.Optimization of in— Gy]inder Flow and M ixing for a C.ertter Spark Four V~lve Engine Employing the Concept of Barte r Stratifiea- tion【C】SAE 940986.1994 (收稿 日期 :200l一04—20) 维普资讯 http://www.cqvip.com
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