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汽油直喷发动机的研究

2015-10-24 11:08:36点击:

汽车“心脏”的一场变革―――汽油直喷的研究与发展现状

  面对日益严格的汽车尾气排放法规,作为传统动力的汽油机是否到了该退出历史舞台的时候了呢汽油直喷技术的出现,使得汽油发动机的发展进入了一个崭新的时代,并有望取代传统的汽油机和柴油机,成为未来汽车的理想动力。

  一、汽油直喷发动机的优越性能简称GDI,是近年来国外内燃机技术研究与开发的热点。传统的汽油发动机是将汽油喷射到进气管中,与空气混合后再进入气缸内燃烧,而GDI发动机是将汽油直接喷入气缸,利用缸内气流和活塞表面的燃料雾化与空气形成混合气进行燃烧。与常规汽油机相比,GDI具有很好的工作稳定性,同时低温起动得到了明显的改善,能实现分层燃烧,燃油经济性大大提高,其油耗可达到涡轮增压直喷(TDI)柴油机的水平,且省略了涡轮增压装置,省却了复杂的高压喷射系统。GDI发动机能采用稀燃技术,空燃比可达40甚至可达100:1,使得功率和扭矩均高于传统汽油机,油耗、噪声及二氧化碳的排放量都较低。GDI发动机工作的均匀性、瞬时反应性和起动性等都比传统汽油发动机有较大的改进,随着汽油直喷技术的不断成熟和完善,其它优越性能将进一步表现出来,发展潜力还很大。因此,各国都在大力开发这种技术先进、性能优异的GDI发动机。

  二、汽油直喷发动机的发展过程汽油直喷发动机可谓花开在德国,果却熟于日本。早在50年代,德国就有直喷二冲程汽油机出现,甚至还装到声名显赫的SL级奔驰轿车上,但是由于当时这种发动机的运转性能差,汽车几乎无法开,废气问题也较为严重,所以很快就销声匿迹了。后来日本三菱公司于1996年研制成功GDI发动机,并将之安装在并于同年8月投放日本汽车市场。1997年装备同样发动机的中进入西欧市场,该发动机的排量为1.8L,功率为88kW,百公里耗油量为5L左右。三菱公司计划在最近几年将其生产的汽油机全部改成汽油直接喷射。三菱公司的成功表明,汽油直接喷射是可行的,废气中NO高的问题可用废气再循环及加装催化裂化转换装置来解决。

  与传统的间接喷射汽油机相比,GDI无论在油耗还是在排气净化方面都取得了巨大的进步,并且在稀薄燃烧方面,GDI发动机允许混合气变得更稀薄,特别是在部分负荷工况。理论计算出的标准空燃比应该是15:1,在稀薄燃烧技术方面丰田和三菱都取得了初步的成果,空燃比已经达到20:1,但是若采用汽油直接喷射,混合气还可以进一步稀化。通常进气道或多或少呈水平布置,而三菱的GDI发动机则通过垂直布置的进气道和专门设计的鼻形活塞,成功地在燃烧室中建立起分层充量,在火花塞附近的区域内,形成较浓的油雾,即能着火的混合气,在其它区域内,则一点混合气也没有。因此,即使是空燃比40:1的混合气,发动机也能可靠着火,当油门最大时,混合气接近标准空燃比,这时省油的优点消失,但汽车很少在全负荷工况下工作。

  三菱公司GDI发动机的成功研制,掀起了世界范围内的研究与开发热潮,从此汽油机的发展又迈出了新的一步,并将推动世界汽车工业的发展。

  三、汽油直喷发动机的发展现状GDI发动机的开发利用,目前日本三菱公司处于世界领先地位。汽车制造商开始花巨资研究燃料电池和其它汽车代用燃料时,三菱公司就对进一步发展汽油直喷技术充满信心,尽管日本汽车制造商也着手研究燃料电池技术,但三菱坚信它在1996年展示的汽油直喷技术是一个长期有效的技术而不是暂时的技术。三菱公司负责产品研究与开发的高级官员称:燃料电池有着它自身的位置,我们正将其使用在适合的车辆上,这种超可靠性和超清洁性的汽油直喷技术在未来会被看好。

  1997年,三菱公司又先后开发出2.4L四缸机、3.0L六缸机和3.5L六缸机三种机型,分别装于四种中、大型轿车上。2000年,推出了三种新的GDI发动机:0.66L直列三缸机、1.5L直列四缸机和4.5L的V8机。据三菱公司对1.8LGDI发动机的测试表明,与常规汽油机相比,该机型可节油20%,降低排放20%,提高发动机功率和在1999年9月的法兰克福汽车展上,该公司四个概念车中的两个初次登台亮相,尽管展示的细节还处在保密阶段,三菱公司希望这两个概念车将成为城市车辆的模型。其中的一个代表了三菱GDI―Sigma系列动力技术的最新成果,展示了这一划时代汽车内燃机技术。该公司最近在日本宣布,GDI―Sigma直喷燃烧发动机有着一系列相关的最新技术,如:连续可变传动技术、怠速混合动力、低耗涡轮增压技术,其结果是汽车的经济性比目前的GDI发动根据三菱公司发布的结果,由于常规发动机加上自动变速器的存在,汽车一直受驱动皮带摩擦损失、扭矩转换动力损失、汽车振动、燃油效率低等问题的困扰,而GDI―Sigma汽油发动机的一体化控制和传动使得这些问题得以解决。GDI发动机能提供更大的扭矩输出和更可靠的燃烧方式,他们以不同的液压匹配发动机动力,可以减少由于高扭矩在压力改变时所造成的皮带打滑而引起的燃油浪费。在城区使用的测试表明,多进气口汽油喷射发动机怠速消耗占燃油能量的16%,而在GDI发动机中这种损耗可减少到10%,并且车辆从静止到重新起动时能减少能耗。另外,该系统还有起动快的特点,三菱研制的一种配备GDI的混合动力车,通过提供一个简单的混合动力系统(一个小汽车发动机和电池),GDI能够在0.1s内起动并加速。三菱公司的两阶混合专利可产生更高的压缩率,涡轮发动机的超稀薄燃烧能提供更高的动力。

  丰田公司也于1996年底研制成功了D-4型2.0LGDI发动机,并已批量投入使用。1998年,该公司又开发出1.6L和1.8L的GDI发动机,继之1999年推出一种新型的2.0L的GDI发动机。据丰田公司对D-4型GDI发动机的测试表明,该机可降低油耗30%,提高功率10%.日产研制的3.0L和2.5L的V6机、富士重工的2.5L卧式四缸机和本田1.0L直列三缸机也将于2000年后上市。

  克莱斯勒汽车公司开发的四冲程GDI发动机,使燃油经济性提高了20%~30%,可与小排量的直喷柴油机媲美;福特公司经过对GDI发动机的深入研究发现,GDI发动机有进一步提高热效率和功率的潜力。

  继大众汽车公司开发的GDI发动机在1997年法兰克福车展上获得好评之后,奥迪汽车公司也展出了1.2L的三缸GDI发动机。奔驰公司早在1997年底就投资1亿马克,全面开展GDI研究项目,公司计划在2001年或者2002年推出GDI发动机,并认为欧洲装备的GDI发动机能够满足欧洲法规对排放标准的最新要求。

  当前,汽油直喷发动机已引起世界各大汽车制造公司的关注,纷纷加入到研究与开发的行列中,伴随着21世纪的到来,GDI发动机将在汽车动力装置中展露锋

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