英语原文共 17 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

缸内直喷压燃式汽油机的发展现状

摘要

在以往的研究中，汽油直接喷射压缩点火已经展示了它在提高燃油效率、降低氮氧化合物的排放、以及在降低使用91号汽油并超过速度负荷范围时的烟度的排放等方面的良好潜力。在当前工作,四缸1.8升引擎设计和制造基于大量的模拟和单缸发动机测试。这种发动机一般拥有一个单斜屋顶式的燃烧室、中置燃油喷射器、15：1的压缩比并且不会产生旋流和挤流。一种新的活塞被研发出来与该喷射系统相匹配。全新的喷射系统、气门机构、以及增压系统是关键技术的推动者。

发动机测功器试验分别在怠速、部分负荷以及满载的操作条件进行。对于所有操作状况,在部分预混合的压缩点火发动机操作没有模式切换和扩散燃烧控制条件下对发动机进行操作。在怠速和低负荷情况下，换气过程产生的热废气提供稳定的燃烧并且氮氧化物和烟度的排放分别控制在0.2克每千瓦时和0.1。其指示平均有效压力的变动系数要小于3%，并且在涡轮增压器的进气口处的废气温度要高于250℃。在转速为2000rpm以及平均有效制动压力位2bar的条件下测得其制动燃油消耗率为280g/KWh。在中负荷向高负荷转换过程中，再吸收环节没有进行，已经冷却下来的EGR系统产生低于目标值的氮氧化物、颗粒物以及燃烧噪声。进气歧管的绝对压力减小以致增压寄生效应最小化。在满载操作环境下，接近化学计量比的混合物与高达45%的再循环废气一起使用。在3000rpm条件下最大的平均有效制动压力可达20bar左右。对所有操作条件下,注入量和喷射正时的调节被用来控制混合物的分层和燃烧定相。

发动机系统的瞬态协同仿真旨在提升增压控制策略、EGR的控制策略、以及进气温度控制。在高负荷增长率的情况下，对真机进行初步的发动机瞬态试验，其结果显示发动机系统的瞬态协同仿真技术在良好控制方面有着出众的潜力。冷启动模拟也由一个进气空气加热策略进行管理。对真机的初步冷启动测试显示里其在室温下很好的冷启动的潜力。在标定发动机的完整的操作映射和进一步开发引擎控制系统方面还有更多的工作需要我们去做。

介绍

尽管目前世界各地都在做着许多的努力去提高内燃机的热效率。一个相对较为新颖的方法是由Kalghatgi 提出并由johansson第一个进行测试的汽油部分预混合压缩点火的方法。一种高辛烷值的燃料依靠高效率的废气再循环系统在一台增压柴油机压缩冲程的后期被注入。这个喷射过程是在燃烧开始之前完成的，这就使得燃料和空气的部分混合完成在热释放之前。这就使得发动机拥有非常低的燃油消耗、非常低氮氧化物排放并且颗粒物的排放得到准确的测量。一项对一种拥有对自燃有着高阻抗的类汽油性的燃料研究的早起工作就是在为部分预混合压缩点火技术做准备。这些燃料相对于高十六烷值燃料拥有更大的点火延迟，这给了他们更多的混合时间。汽油的高挥发性也帮助燃料和空气在喷射后的快速混合。Kalghatgi 指导说部分预混合压缩点火技术需要一些燃料和空气混合物的分层（“部分预混合但是没有完全混合”）实现点火和燃烧持续时间控制。自这些早起工作以后，许多研究人员已经进行了许多额外的发动机试验和模拟工作，这些工作对部分预混合压缩点火技术试验数据和经验的主体部分做出了巨大贡献。在壳牌(3、4、5、6),隆德(7、8、9、10),剑桥[11],威斯康辛大学麦迪逊分校(12、13、14、15、16),阿贡(17,18,19,20),清华[21],亚琛工业大学[22]一直进行各种使用类汽油燃料的柴油机的研究测试。在几乎所有情况下,柴油效率都是基于标准的。各种喷射器设计和活塞的设计也进行了优化并得到明显的改善。德尔福[23, 24, 25, 26, 27]报告了分别使用单、双、三注射策略的单缸发动机和多缸发动机的试验结果。

在改良过的的火花点火式发动机和改良过的柴油机上使用粗汽油燃料的试验也一直在进行。相对于当前市场上的汽油，粗汽油大大降低了汽油的辛烷值并且显著降低了处理成本。从一个长远的角度上讲，这项工作表明了部分预混合压缩点火技术与使用低辛烷值汽油的兼容性。

在使用一系列类汽油燃料进行测试时，部分预混合压缩技术已经展示了其在提高燃油效率、降低氮氧化物，降低颗粒物的排放等方面的潜力。然而，对于生产解决方案，依然存在着重大问题。由于使用部分预混合压缩技术的低温发动机的排气焓降低，以至于很难产生能够被增压系统所能接受的进气压力。所以，一个拥有强力的部分预混合压缩技术的实用动力总成系统是必要的，还包括相应的喷射器、气门、增压和排放系统。发动机还必须满足车辆安装要求以及满足冷启动和瞬态响应的要求。

作为美国能源部资助计划的一部分,德尔福一直在开发针对当前美国市场汽油的部分预混合压缩技术多缸发动机。这种发动机拥有4个气缸和1.8L的排量，并且其设计基于大量的模拟和单缸发动机测试。一个拥有类似于缸内直喷喷油器的多层互连延迟喷射策略被选中，这种策略不用使用预混合管理机制。这一方法由于不存在典型的爆震和提前点火限制使得可以采用一个更高的压缩比，能够达到15。使用部分预混合压缩技术的发动机在整个操作映射上运行“全时”[25]。没有燃烧模式的切换、扩散燃烧控制、或者火花塞的使用。德尔福使用了术语“汽油直喷压缩点火(GDCI)”来定义这种燃烧过程。

其中一个项目的目标是构建一个实用的GDCI发动机，以实现在使用当前市场上的汽油燃料时能够达到使用类柴油燃料时的燃油效率，并且在经过相应的氮氧化物和颗粒物的后处理后能够降低当氧化物和颗粒物的排放。表1列出了发动机测试和研发的初始指标。燃烧噪声电平（CNL）限制如图1所示。其他计划目标包括良好的瞬态负载响应和室温下冷启动。

在当前的工作中，分析和仿真工具被用来设计和制造一个新的多缸GDCI引擎。设计工具被用来设计d类车辆的动力系统的程序包。发动机测功器在一个范围的操作条件下进行了一系列的测试，包括初步标定映射。通过这些数据与已公布的汽油机、柴油机、混动发动机的的数据进行对比，竞争性评估制动燃油消耗率(BSFC)被提出。最后,积极瞬变高负载率的增加被模拟,然后测试真正的引擎。在不同环境温度下也对实体引擎冷启动性能进行了模拟和测试。

GDCI的概念和喷油策略

GDCI引擎概念结合柴油引擎技术和火花点火引擎技术中最好的部分。柴油发动机,压缩比高,没有进气节流,并且混合依赖于精益改善的比热比。在预混合压缩点火阶段，GDCI发动机采用一种全新的低温燃烧过程。在一个较低的喷射压力下，汽油的多重延迟喷射会很快的挥发并加速与空气的混合，尤其对直喷式汽油机。燃烧温度低,加上低运动和混合室面积减少导致减少热量损失。

GDCI燃烧室概念的示意图如图2所示。这种发动机拥有浅屋顶式燃烧室、中置喷射器、15:1的压缩比。为了支持混合物分层可控燃油喷射，这种发动机采用一种静态开放的燃烧室。在这种发动机中涡流、挤流被最小化,因为过度混合运动可能摧毁注入过程中形成的混合物分层。碗型的活塞设计与喷射系统和混合物的雾状特征相匹配。因为碗型是一个对称的形状，并且使用碗型的活塞将使得应力集中于气缸中心线和喷油嘴的轴线。GDCI注入策略是整个GDCI核心概念，如图3所描述。在图3中，轮廓的颜色显示模拟CO排放浓度。注射过程包含了在压缩冲程中单、双、三注射，分别为Q1、Q2和Q3所表示。每个注入始于Phi-T图的左上角(液体),并迅速蒸发和混合phi;小于2的燃烧(SOC)的开始。在SOC燃气混合分层实现稳定点火和热释放控制。缸壁润湿最小化和燃远离寒冷的区域（如活塞顶端和缸套）可能阻碍完全氧化。

理想的“分层线”是如图3所示，它代表的是理想的喷射过程。为了实现氮氧化物和颗粒物的同时低排放，燃烧必须发生在如图3所示的“盒子”（避免氮氧化物和颗粒物的生成的区域）区域。同时为了能够降低一氧化碳的生成，可以牺牲一点效率、燃烧也必须发生在该区域（0 lt;phi;lt; 1.2 1300 lt; T lt; 2200度k）。因此在大约抵达上止点附近的SOC点，燃烧室内所有的小块区域的Phi应该低于1.2左右。这个对应的顶部分层曲线如图3所示。由于负载集中部分强烈的降温冷却效应要远大于负载相对温和的部分，这部分的分层曲线是倾斜的。

对这种燃烧系统和喷油器的喷雾模型，使用喷雾室开发的测试数据进行了KIVA模拟测试。一个完整的360度网络与细网格是十分必要的,以准确把控喷射、混合、燃烧现象的重点。在2000 rpm的转速和11bar的指示平均有效压力(IMEP)时的双喷射测试结果如图4所示,b,c,d,e表示在各个曲柄位置。

这个KIVA模拟序列代表的喷油、GDCI燃烧的混合和燃烧过程。因为燃烧峰值发生在相对较低的气体的温度,它被称为低温燃烧。燃烧温度较低,是一个在减少通过汽缸衬套,活塞传热重要因素，并且对降低燃油消耗率和降低排放具有很大的帮助。

发动机描述

GDCI没有典型的燃烧爆震和提前点火意味着GDCI引擎为了提高燃油效率可以通过改进操作在高压缩比情况下使用91号汽油。出于这个原因,GDCI也是一个发动机精简化、加速、增压的不错选择，这是一个提高燃油经济性的良好策略。这是两个GDCI引擎在设计基础上的主要考虑。表2列出了引擎的基本规格。这是一种4气缸、1.8L排量的发动机，每个气缸拥有四个气门。孔、活塞行程，连杆长度分别为82mm、85.2mm、144.7mm。几何压缩比为15，这个引擎有与现代轻型柴油发动机相似的几何压缩比。第一个组装完成的GDCI引擎的照片如图5所示。

1.汽缸盖

将额定气缸压力达到200bar为研发目标的4气门气缸，它的气缸盖无疑将是一个全新的设计。研究者们进行了大量的分析工作来优化使用传统铝合金材料铸造的汽缸盖使其能够满足GDCI发动机的气缸密闭要求。一种新的多层钢头垫片是为了这个目的要求而开发出来的。喷射器是中置的，相对于气缸轴没有偏移或者倾斜。燃烧室拥有浅单斜屋顶式的顶部设计并且配备了专门的阀门用于清洗顶部表面。选择低屋顶角来实现高压缩比,同时保持低腔表面积和合理的阀门大小。进气口和排气口的开发则注重良好的流动特性,但不需要产生涡流、挤流或滚流。这是一个很大的优势并且根据气门升程的函数基准产生了在流动的工作平台上良好的进气流动效率。处于降低摩擦和紧凑结构的考虑，GDCI发动机采用双顶置凸轮轴和使用针状滚子随动件的II型气门机构。GDCI发动机不存在火花塞式汽缸但有规定的汽缸压力传感器。除了汽缸压力传感,基斯特勒公司垂直压力传感器被安装在气缸边缘。总的来说,汽缸非常紧凑,采用常规铝铸造方法,同时满足要求的结构要求。

2.活塞

GDCI的新活塞设计基于大量的KIVA模拟。碗状活塞和喷油器喷油特性与典型GDCI喷油正时相匹配。这导致相对于典型的柴油机GDCI显著降低了活塞面积和有更少的缸壁润湿倾向。碗状的活塞是对称的，位于气缸的轴线上。GDCI活塞的主要特点是如表3[27]所示。这种活塞、活塞销、活塞环的额定压力为200bar的气缸压力。相对于典型的轻型柴油机活塞，表面积,压扁区和窜漏区(定义为环结束差距和第二土地径向间隙)是显著降低的设计(宝马M57活塞作为参考)。对使用GDCI技术和基准形态的柴油机活塞的单缸发动机进行了连续测试，燃油消耗得到显著的改善，测量的几个速度负荷点如图6所示[27]。

3.喷油系统

作者之前的工作已经证明了通过喷油系统改进GDCI燃烧性能发展前景[23、24、25、26、27]。仿真工具被用来开发喷油器喷油特性,提供非常快速的燃油挥发、雾化率较低、同时提供必要的喷射速度(流量)。 在单缸引擎上设计实验用来确定最佳喷射时间、喷射量、各种喷油器和喷油压力设计。喷油压力的选择是在缸内直喷发动机成品的喷油压力范围内进行的。较低的注射压力可以减少喷油泵的寄生效应和燃油系统的成本。燃料泵被安装在汽缸的尾部,是由排气凸轮轴来带动工作的。泵轴拥有四扇叶片并且通过泄油阀的精准调节对共轨油压拥有极佳的控制效果。油轨拥有进口和出口以对油轨压力脉冲起到良好的抑制作用。喷油器驱动波形开发支持用于GDCI的多重延迟喷射策略。最为重要的是,系统能够为所有气缸提供精确的燃料喷射量。

4.配气机构

全时GDCI燃烧操作映射是通过在低负荷是排风换气(RB)和冷却EGR技术来实现的以满足更高的负载。重复吸入(RB)的实现在于使用废气气门系统,它在进气冲程提供了一种二级排气方式。它是一种有效的方法来从废气中吸收热量以提高混合物的温度。在低负荷时、进气压力为零或极低的情况下这些热量促进混合物的自燃。重复吸入也打破常规的泵循环(进气和排气阀门同时打开),大幅提高了排气温度。通过这种方式，一种一体化的氧化催化剂在低负载范围并且没有特殊保温措施并的情况下仍将保持一定的温度。气门系统是II型,无级变速机械系统提供重复吸排功能。这种气门机构具有良好的紧凑性与低摩擦特性。德尔福电动凸轮轴相位器是用来驱动排气气门和控制二级气门升程使其能够非常快的响应。图7显示配备电动凸轮轴相位器的引擎的前端。

5.增压系统

进气增压对于低温发动机来说是非常困难的，因为用于驱动涡轮增压器的排气焓非常低。对于中高负载的操作，GDCI需要增加EGR的冷却稀释电荷和维护适当的燃烧定相。这将对增压系统提出的更大需求。通过广泛的发动机模拟[26]测试，研究者们开发出了一个系统,这套系统在较低的压力寄生效应的情况下提供了必要的进气压力。图8显示了增压系统的示意图。这些增压系统都没有使用进气节流。整个系统包含了最紧凑的液冷的增压空气冷却器、良好的缸间气流均匀性和气门处较低流量限制。由于增压器是变容式设备由并且发动机驱动，所以增压系统的瞬态响应非常快。LPL-EGR系统也是如图8所示。废气从涡轮排出并通过一体化氧化催化剂来降低碳氢化物以及一氧化氮的生成和排放。废气此时已经相对冷却。EGR气流进入位于上游的EGR阀中的EGR冷却器。EGR冷却器在发动机冷却液的温度下运行防止

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[153158]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word