２０１１年１ １月 农机化研究 第１ １期 缸内直喷汽油机旋流喷射喷雾特性影响因素的分析研究 王艳华 ，李云清 ，李 波 ，李天蕾 （１．北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 １００１９１；２．中北大学机电工程学院，太原０３００５１； ３．中国汽车技术研究中心，天津３００１６２；４．国家专利局实用新型审查部，北京 １００１９１） 摘要：为了研究影响缸内直喷汽油机高压旋流喷嘴喷雾特性的因素，对高压旋流喷射初始阶段运动进行了理 论分析研究，确定了影响初始喷雾旋流体运动的无量纲参数。通过试验改变空心旋流体内外压差、初始旋流强 度、旋流体油膜厚度，发现喷雾特性呈不同的变化趋势。随着旋流体内外压力差的增大，喷雾锥角明显减小而贯 穿度变化不大；旋流强度增加，喷雾贯穿距离明显增加，而喷雾锥角变化不大；增加旋流体初始厚度，可以使喷雾 在自由空间中外形尺寸增加。 关键词：高压旋流喷射；无量纲参数；压力差；旋流强度；油膜厚度 中图分类号：ＴＫ４１１ ．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－１８８Ｘ（２０１１）１１－０２０６－０５ ０ 引言 缸内直喷汽油机与传统化油器式汽油机相比，在 燃油经济性、排放指标和启动加速性能等方面都有显 著改善，所以在轿车上得到了广泛应用，成为现今汽 油机研究热点。ＧＤＩ汽油机采用高压旋流喷嘴比较 多，但是如何控制喷雾结构是发动机科研工作者最关 心的问题。 国内外对ＧＤＩ高压旋流喷射进行了大量的实验 和模拟来分析喷雾特性。高压旋流喷嘴的原理就是 把燃油的强旋转动量转化为轴向和径向动量。Ｒｏｓ— ｓｅｌｌａ Ｒｏｔｏｎｄｉ等人通过定容室和实际发动机实验，对 ＧＤＩ高压旋流喷射初始破碎和二次破碎进行了模拟研 究…。在前人的研究分析中，其主要有两种趋向：一 是建立定容燃烧室的喷雾实验和数值模拟分析相结 合 ；二是对ＧＤＩ发动机缸内流场和混合气浓度场 的分布进行研究 ｊ。前人的研究主要针对雾化特性 和喷雾破碎过程的数值模拟，并且是以无旋流运动为 计算前提，而对雾化原因的理论分析较少，这里通过 对高压旋流喷射初始阶段的运动进行分析研究，确定 和分析影响喷雾特性的主要因素。 １ 高压旋流喷射初始阶段的运动分析 在喷嘴内部液体的流动特性主要决定于喷嘴结 构，液体流动的速度决定于喷嘴内部旋流槽的总流通 收稿日期：２０１０－１２—３０ 基金项目：国家自然科学基金项目（５０３７６００３） 作者简介：王艳华（１９７８一），女，太原人，讲师，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｘｋｉ２００５＠ １２ＵＣ．ｅｄｕ．ｃｎｏ 面积 。高压旋流喷射为空心旋转流体。高压旋流 喷射形成的空心旋转流体在模拟计算过程中一般分 为３个阶段：旋流油膜的形成、油膜初次破碎和雾化。 这里主要分析旋转流体初始阶段运动对后期雾化过 程的影响。高压旋流喷射旋流体模型如图１所示。 图１ 商压旋流喷射旋流体模型 Ｆｉｇ．１ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｈｅｅｔ ｃｏｎｔｏｕｒ 以喷嘴出口处的液体为研究对象，忽略外界扰 动、气体粘性力及重力的影响；假定为恒定流，空间对 称分布，根据伯努力方程、能量守恒，采用柱坐标的Ｎ —ｓ方程，则液体径向速度方程为 一等＋ ＯｕＷ＝一 Ｐ ｄｒ＋ （ ＋÷ 一 ）——一——十——＝一——一十 Ｉ— 十————一 ｌｄｒ ｒ ｄ ＼ ｒ ｒ ｄｒ ｒ ， （１） 运动微量在圆周方向满足扭矩为 ｒ＝ｒｏｙ０ （２） 由连续性方程得出径向速度为 ・２０６・
汽车发动机缸内直喷工作原理
汽车发动机缸内直喷技术是近年来迅速发展的一个重要创新。这项技术通过将燃油直接喷射到汽车发动机缸内，以提高燃烧效率和动力输出。在本文中，我们将深入探讨汽车发动机缸内直喷的工作原理，并对其优点和应用进行全面分析。
1. 汽车发动机缸内直喷的基本原理
1.1 燃油喷射系统
1.2 气缸压力控制
1.3 气缸喷射时间控制
2. 汽车发动机缸内直喷的优点
2.1 燃烧效率提高
2.2 排放污染降低
2.3 动力输出增强
3. 汽车发动机缸内直喷的应用场景
3.1 高性能汽车
3.2 环保型汽车
3.3 高海拔地区使用
4. 我对缸内直喷的观点和理解
1. 汽车发动机缸内直喷的基本原理
1.1 燃油喷射系统
汽车发动机缸内直喷采用高压喷油器将燃油直接喷射到气缸内。燃油经过高压喷油器，被分散成微小的颗粒，形成均匀的雾化状态，以便更好地与空气混合。燃油喷射系统需要精确控制喷油量和喷油时间，以确保燃料完全燃烧。
1.2 气缸压力控制
为了实现缸内直喷，发动机缸内需要较高的压力。这可以通过提高燃油喷射器的工作压力来实现。高压喷油器将燃油以高压喷射到气缸内，与进气的新鲜空气迅速混合。
1.3 气缸喷射时间控制
缸内直喷需要准确控制喷油时间，以确保燃油和空气在适当的时间内混合。Ecu通过精确的传感器测量进气量、发动机转速、油门位置等参数，以计算出合适的喷油时间。
2. 汽车发动机缸内直喷的优点
2.1 燃烧效率提高 通过缸内直喷可以实现更好的燃烧效率。燃料直接喷射到气缸中，与新鲜的空气混合，形成更为均匀的混合气。这种混合气在点火时更容易点燃，从而提高了燃烧效率。燃烧效率的提高意味着能量的更充分利用，能够使车辆在同样的燃料消耗下获得更好的动力输出。
2.2 排放污染降低
缸内直喷技术能够更好地控制燃料的喷射和燃烧过程，进而实现排放污染的降低。通过喷油时间和喷油量的精确控制，可以使燃料更充分地燃烧，减少未燃烧的排放物质的产生。燃油直接喷射到气缸中也减少了进气道中的积炭沉积，减少了发动机的污染。
浅谈汽油发动机缸内直喷技术的利与弊
【摘要】20世纪90年代以来，日益严峻的能源和环境问题使得人们在追求车用汽油机良好动力性的同时，对汽油机的燃油经济性和排放提出了越来越高的要求。为此，近年来世界各大汽车公司和科研机构相继开发了许多发动机新技术。其中缸内直接喷射技术已成为车用汽油机一个十分重要的发展方向，随着电子控制技术的进步，各国都加大了对汽油机缸内直接喷射技术的研究。本文将对汽油发动机缸内直喷技术的利与弊进行分析探讨。
【关键词】汽油机，缸内直喷
一、缸内直接喷射汽油机的特点
缸内直喷的关键在于产生与传统发动机不同的缸内气流运动状态，通过相关先进技术使喷入汽缸的汽油与空气形成一种多层次的旋转涡流，因此缸内直喷采用了立式进气道、弯曲顶面活塞、高压旋转喷射器等技术。图1为三菱公司开发的直喷式发动机结构图。采用很有特色的立式进气道，通过来自上方的强大下降气流，形成与以往发动机相反的缸内空气流动一纵向流动即滚流。弯曲顶面活塞利用活塞顶的凸起形状，增强了滚流强度，再通过高压旋转喷射器喷射出雾状汽油，在压缩行程后期的点火前夕，被气体的纵涡流融合成球状雾化体，形成一种以火花塞为中心，由浓到稀的层状混合气状态。这样，从总体上看，虽然混合比达到40：1，但聚集在火花塞周围的混合气却很浓，很容易点火燃烧。
二、缸内直接喷射汽油机存在的问题
这种汽油机现存的问题首先是排放方面的何题，主要体现在下列几个方面： （1）中小负荷工况未然碳氢的排放较多。其可能的原因是燃油喷雾碰到活塞顶和缸壁的机会较多，采用分层混合气时引起火焰由浓区向稀区的熄灭，或缸内温度偏低，不利于未燃碳氢后燃等。
（2）NOx排放较多。因为分层燃烧时将不可避免地在火花塞附近出现混合气局部过浓或浓混合气区域过大的状况，这些区域恰恰是高温区域，使NOx生成增加，较高的压缩比和放热率也将导致大负荷工况NOx增多。另外，稀燃时由于排气中始终处于氧化氛围，使NOx的还原比较困难。
缸内直喷和燃油分层喷射
缸内直喷技术和燃油分层燃烧技术的关系很多人都知道，分层燃烧技术和缸内直喷技术一直是相关联的。那是不是说缸内直喷就必须采用分层燃烧呢？还是说分层燃烧必须采用缸内直喷？其实都不是，分层燃烧的真正目的是可以实现较稀混合气的点燃，而设计缸内直喷的主要目的则是为了实现稀薄燃烧，因此二者走到了一起。而发动机的稀薄燃烧技术是为了让混合气更加充分燃烧，达到减低油耗和排放的目的。
那么分层燃烧实际上就成了这一技术的手段，而相辅相成的，要实现分层燃烧，必须基于缸内直喷，对于缸外喷射的发动机，是无法实现分层燃烧的。稀薄燃烧的目的是为了省油，而省油说起来会很简单，少喷油不就行了嘛！但是少到什么程度才合适，才能在保障动力性能不受太大影响的前提下，实现燃烧效率的最优化呢？我们知道燃油和空气的混合比是14.7：1，当混合气体的浓度比超过理论空然比，我们假设达到了25：1，这时油的浓度很低，会很难点燃，光靠提高点火能量还是不够的。
但是我们设想一下，如果此时在火花塞附近的燃油浓度较高，能达到理论空燃比的燃油浓度，那么此时这团较浓的混合气是很容易被点燃的。而如果用这个较浓的混合气去点燃其他的混合气，显然也是很容易的，这就是分层燃烧。如果采用分层燃烧，就可以实现在很低的燃油浓度下，实现发动机的正常运转。而从上面的分析我们可以看出，实现分层燃烧的前提就是气缸内的混合气体不均匀化，只在靠近火花塞的区域内达到或超过理论空燃比值。可能这样说会有点难理解，那么我们打个比方。在一个玻璃杯中装满水，假设杯子是气缸，水就是被吸入的空气，如果这时滴入几滴墨水到水里，我们可以很清楚的看到，墨水还没来得及被水稀释，杯口处的水已经慢慢变色，但杯底部却还是没有受到影响，依然清澈。发动机的分层燃烧，其实就和这很相似。杯中的清水是在进气行程中吸入的新鲜口空气，墨水就是燃油。 如果是采用缸外喷射的发动机，燃油喷射在进气歧管里，我们看看会是怎样的情况。我们知道喷油和进气是同在吸气行程内完成的，在进气门打开活塞向下运动时，缸内会形成一个很大的负压，油气混合物这时被吸进来后会在缸内形成很多涡流，这些涡流会使燃油和空气得到充分的混合，也就是说进入气缸的混合气已经经过了较充分的混合，点燃这种已经充分混合的稀薄混合气就会变得非常困难，因为它们无法实现分层，自然也有无所谓分层燃烧了。继续用上面打的那个比方，就等于我们已经将墨水滴入自来水管中，这样杯子接到的水就已经是被均匀染色的了。所以我们现在知道，只有缸内喷射，才能实现分层燃烧。
