16
西 安 交 通 大 学 学 报 第44卷
直喷汽油机易出现混合气局部过浓、过稀带来的未燃HC排放问题.每次循环所需燃油分别在进气冲程和压缩冲程喷入气缸,缸中局部的浓混合气仅占总喷油量的一小部分,缸中主体是均质稀混合气,二者的燃油量与空气成理论空燃比的关系,所以此时的混合气可称作准均质理论空燃比混合气.
相比单一进气冲程的较早喷射或压缩冲程的较晚喷射,复合喷射能更好地满足不同工况下对混合气的要求,降低对气流运动的要求,且在工况过渡时能避免控制逻辑复杂的燃烧模式切换.图1示出了单次喷油形成的传统分层混合气和复合喷油在缸内形成混合气的浓度分布情况对比.这里仅以涡流轴向分层为例.
由图1a~图1d可以看出,单次喷油在整个气缸内形成了普通分层,分层度高,而在不同的负荷下出现了过浓或过稀区.在过浓区,碳烟、微粒易生成,在过稀区,HC排放量增加.从图1e~图1h可以看出,复合喷油避免了过浓或过稀区的生成,并允许负荷在大范围内变动.这是因为,当气缸内均质不能再稀释时(见图1e和图1f),可以通过改变分层喷射量来改变负荷;当分层喷射量不可再增加时(见图1g
和图1h),可以通过增加均质喷射量来增加负荷.也就是说,利用复合喷油技术,缸内混合气浓度分布可以得到优化控制和调节.
当点火区混合气浓度不能再增加但需要增大负荷时,可以增加均质混合气的浓度,直到均质化学计量比达到最大为止,这样不会出现混合气过浓区;当需要减小负荷时,可以减少均质喷油量,也可以减少分层喷油量,从而在负荷很低时保证不会出现混合气过稀区,以避免生成过多的HC.所以,在负荷由小到大直至满负荷时,都可避免出现过稀、过浓区,使排放得到改善.
利用复合喷射系统,通过对主、辅喷油时刻及喷油脉宽的精确控制,在气缸内可形成准均质分层理论空燃比混合气,以满足GDI在各工况下对混合气的要求.复合喷油方式中的两次喷油量的分配比例对发动机的经济性影响显著.辅助喷油量决定着燃烧室内大范围均质混合气的浓度,该浓度在组织方法上应注重雾化蒸发效果,以使均质程度尽量高.主、辅喷油共同决定着火花塞周围混合气的浓度,所以两次喷油量的控制要相当精确.
(a)小负荷单次喷油 (b)低负荷单次喷油 (c)中负荷单次喷油 (d)大负荷单次喷油
(e)小负荷复合喷油 (f)低负荷复合喷油 (g)中负荷复合喷油 (h)大负荷复合喷油
图1 不同负荷下单次喷油和复合喷油形成缸内混合气的浓度分布
2 EGR分层充气技术
EGR是将发动机排出的一部分废气返回进气管,并与混合气混合后再次进入气缸参加燃烧.采用EGR技术可以使NOx的排放水平很低,因而是控制NOx排放的主要措施[8].
NOx的主要成分是NO,还有少量的继续氧化产物NO2.NO是在高温燃烧下(大于2200K)由分解的氧原子和氮原子反应生成的,故NO的生成量在很大程度上取决于燃烧温度,此外NO还与O2
的体积分数直接相关.
降低发动机NO排放,可以通过降低燃烧室峰值火焰温度、降低NO生成阶段的O2体积分数和缩短燃烧气体在高温下的滞留时间等来完成.显然,O2体积分数的下降会使燃烧恶化,并限制了HC和CO的进一步氧化,从而导致发动机的热效率下降,同时也不利于HC和CO的排放.因此,提高发动机的指示指标、改善发动机的HC和CO排放、改善NOx排放,三者之间存在着矛盾,应综合考虑这些因素,并给予必要的折中.