第三章燃烧控制及相关技术(2)

UNIBUS的概念提出


使用中空锥形喷雾以缩短喷 雾贯串距离； 喷油时刻大幅提前； 喷油压力维持在喷雾的最小 值； 喷油持续期限值在一定值， 以使燃油快速分散。
UNIBUS与传统燃烧系统的对比
CAI技术简介
加热进气（电加热）
采用气门定时和升程可变技术大量残留废气 目前的水平：部分区间可以正常运转 存在问题：扩大负荷区间、不同运行模式的
主要GDI系统及其油耗对比
MAN－FM 德士古TCCS； 丰田MVCS； 三菱GDI； 丰田D4。

MAN－FM GDI系统




作为军用发动机开发； 使用壁面蒸发形成混合气； 油耗与柴油机接近； 冷机时蒸发不充分难起动； 未燃成分多。
德士古TCCS GDI系统





GDI汽油机中由于汽油很难压燃着火，需要点燃。而过稀的 混合气很难点燃，这样直喷式汽油机需要分层混合，并选择 合适的方式将可燃混合气送往火花塞。 根据混合气引向火花塞的方式：
油束直射； 室壁引流； 气流引流。
缸内汽油直接喷射GDI（DISI）

缸内直喷分层燃烧发动机：
燃油经济性好； 缸内温降大，提高抗爆震性能，充气效率高；
进气管无燃料黏附，过渡工况反映性能好，冷机HC排放
少； 高转速困难； 高负荷生成炭烟； 喷油器容易沉积，机油易稀释； 需要减少NOx排放的特殊催化转化器。
GDI系统油耗低的原理
GDI系统与传统汽油机性能对比
油束直射GDI


混合气向火花塞的输送主要靠油束的喷 射能量，而燃烧室壁及气流运动影响较 小，但是气流运动对火焰在稀薄混合气 中侧传播起着决定性作用。 这种点火方式着火比较稳定，稀燃能力 强。但直接向火花塞喷油会影响火花塞 使用寿命，冷起动和产生炭烟问题较大。 并且需要将火花塞与喷油器都安装在正 中，对四气门汽油机会影响气门大小。
本田CVCC系统的工作原理

进气过程：
进气时，大量稀混合气和极少浓混合气由独立的化油器分别供给主
燃烧室和副燃烧室。副燃烧室中的浓混合气通过火焰喷孔流到主燃 烧室和稀混合气混合，并形成空燃比梯度（分层进气）。

压缩过程：
压缩时，一部分稀混合气被压入复燃烧室，形成中等浓度混合气，
因此在压缩终了时形成：在火花塞周围是着火性能较好的浓混合气； 在主燃烧室的火焰喷孔附近形成适于火焰传播的中等浓度的混合气； 在主燃烧室其余部分是很稀的混合气。

发动机在燃油稀混合气时可 靠工作的条件：
控制燃烧过程，使之实现快

分隔式燃烧室（预燃室）：
主燃烧室（供稀混合气）：
化油器；
速燃烧； 改善供给系混合气的制备与 分配； 改进或强化点火系。
燃油喷射。
预燃室（供浓混合气）：
本田CVCC-化油器； 丰田TGP
波尔舍SKS-汽油喷射；
大众PCI燃烧系统


大众PCI（Pre Chamber Injection 预燃室喷油）系统预燃室为球形，容 积占25%，没有扫气，没有第三气门，由高压泵供油。主燃烧室由化油 器供给稀混合气，进气道产生涡流。预燃室有一绝热环，由于预燃室温 度很高，又采用汽油喷射，有利于冷起动和暖车。 试验表明，预燃室空燃比11:1，总的空燃比为18:1最佳。
SKS燃烧系统工作原理



SKS与CVCC主要区别是用燃油喷射泵取代化油器向预燃室内单独供给 燃油。进气行程，高压喷射泵将燃料直接喷入预燃室内，压缩行程主燃 烧室内稀混合气一部分进入预燃室，最后形成浓混合气。 SKS中火花塞置于点燃室中，使火花塞周围没有强烈涡流，便于火核的 形成。预燃室内为浓混合气，当活塞位于压缩上止点时，预燃室及喷孔 附近的主燃烧室部分以等容燃烧，产生强烈的涡流进而点燃主燃烧室内 的稀混合气（＝1.5～3.0）。 主燃烧室内混合气在膨胀行程中几乎在等温状态下进行，爆发压力低， NOx排放少，膨胀温度高，使未燃HC与CO氧化。
切换。 特点：发动机自身可以维持运转。执行小负 荷和大负荷时点火，中等负荷压燃。NOx排 放量极低，只需要氧化催化转化器。
3.2 汽油机的燃烧控制技术
3.2.1 稀薄燃烧; 3.2.2 缸内直喷 ( DISI或GDI ) ; 3.2.3 均质混合气压燃着火( HCCI、CAI) 。
3.2.1 稀薄燃烧

均质变量调节传统汽油机燃烧系统 的缺陷：
空燃比变化范围非常狭窄（A/F＝

12.6～17）； 低负荷时进气节流损失大，经济性差； 点火所需的混合气较浓，传播速度大， 容易暴燃； 汽油机始终以点火范围内的空燃比工作， 热效率低。如能采用稀混合气，可提高 热效率。如采用空燃比20和27，将比空 燃比14.8时热效率分别提高8%和12%。 排气污染严重。一般汽油机所需的空燃 比正是废气排放高的范围。
丰田TGP燃烧系统


丰田TGP（Turbulence Generating Pot 紊流发生罐）系 统，因其副燃烧室的作用相当于 紊流发生罐而得名。 TGP将火花塞放在副燃烧室得入 口喷孔处。使稀薄混合气稳定燃 烧，必须在火花塞间隙周围有一 个适合于点火得混合气气流，并 能在TGP内形成足够的涡流，使 其混合气有一个适当的喷出速度 和喷出时间。
气流引流GDI

在气流引流GDI中燃油向火花塞方向喷射， 但不直接喷向火花塞，而是利用气流的运 动将混合气送往火花塞。这种系统燃烧室 比较紧凑，在发动机的各种运转状态性能 都较好。
GDI不同工况混合气的形成


直喷式汽油机过量空气系数随工 况变化而变化，部分负荷时，过 量空气系数较大，采用分层混合 燃烧，燃油在压缩行程后期才喷 入气缸。分层混合燃烧需要较强 的气流运动。FEV公司采用可变 进气涡流来实现。 高负荷时，过量空气系数小，需 Байду номын сангаас均匀混合，避免局部过量空气 系数小于0.6，以减少炭烟排放， 燃油在吸气行程就开始喷入气缸， 在过量空气系数等于1的均匀混 合气燃烧时，应尽量避免气流运 动，提高充气系数。

着火膨胀过程：
火花跳火时，副燃烧室内浓混合气可靠着火，形成火焰从喷孔喷出。
首先着火的是喷孔附近中等浓度混合气，然后随着膨胀过程开始使 稀混合气着火燃烧，这样使极稀混合气能被火焰传播而稳定燃烧。
波尔舍SKS燃烧系统


德国波尔舍（Porsche）的SKS （Schichtlade-Kammer-System） 是利用层状进气实现稀燃的。 波尔舍公司研究认为汽油机燃烧 由三个阶段组成：点火并形成火 焰中心；大部分燃料燃烧；后续 燃烧。第一阶段要求小部分混合 气由火花塞点燃放热大于表面散 热，因此点火应在稳定即没有涡 流的地方；第二阶段则需要强烈 涡流使燃烧迅速完成；第三阶段 则需要足够的过剩空气。

作为军用多燃料发动机开发； 燃料喷射中形成火焰面； 能着火的时间短； 点火放电时间长； 排烟、功率、油耗噪声与柴 油机接近； 未燃成分多。
丰田MVCS GDI系统


球与椭圆组合成的副燃烧室 产生涡流形成稳定混合气； 未燃成分少。
丰田D4 GDI系统
D4 GDI系统组成及特点




大众PCI-汽油喷射。
本田CVCC燃烧系统


本田CVCC（Compound Vortex Controlled Combustion 复合涡流 控制燃烧）系统通过控制燃烧过程 来实现稀薄燃烧。 CVCC在传统火花塞位置上设置一 个副燃烧室（预燃室），并配有一 个副进气门。副燃烧室有两个火焰 喷孔，孔径6mm，总面积 1.565cm2。

稀薄燃烧是指能 燃用空燃比为 18:1或更稀混合 气的汽油机。 稀薄燃烧按供给 方式可分为：
均质； 非均质。

分层燃烧发动机 作为发动机稀薄 燃烧中的非均质 燃烧是实现稀薄 燃烧的主要方式。
稀薄燃烧汽油机与传统汽油机的性能对比
排放物与空燃比的关系
稀薄燃烧（分层进气）

统一式燃烧室：
德士古TCCS； 福特PROCO； 三菱MCP。
涡流控制阀SCV控制缸内横向涡 流强度－带SCV的单边螺旋气道； 为控制混合气形成和燃烧在活塞 顶部设置渐开线燃烧室； 将高压直接喷入燃烧室，可精密 控制喷射方向并使燃料充分雾化 －高压漩流喷油器； 可根据转速和负荷自由控制的气 门正时－VVTi； 实现舒适的加速和动态反应性能 －电子控制节气门； 使排气更洁净化－NOx吸藏还原 型三效催化转换器。
室壁引流GDI



室壁引流火花塞与喷油器的距离较远， 混合气向火花塞的输送主要靠燃烧室 壁的形状和气流运动的配合。 燃烧室室壁引流首先将燃油喷向特殊 形状的活塞顶，部分形成油膜。然后 利用和活塞室壁配合的气流运动，将 可燃混合气送到火花塞。 对燃油喷射、气流运动和活塞顶形状 的配合要求很高，而且燃烧室的面容 比大，HC排放高。
D4 GDI工作状态1－分层燃烧
D4 GDI工作状态2－均质燃烧
D4 GDI工作状态3－弱分层燃烧
D4 GDI各工作状态的使用区域
3.2.3 均质混合气压燃着火( HCCI、CAI)
均质混合气压燃着火是结合汽油机与柴油机
各自的优点而提出的一种新的燃烧概念。 HCCI的主要困难在于控制可燃混合气压缩着 火的时刻。
福特PROCO燃烧系统

福特PROCO（Programmed Combustion Process 程序化燃烧过程）系统的层状进气采用统一式其余 哦直接喷射，利用螺旋气道形成进气涡流，在火花 塞附近形成浓混合气。喷油随负荷加大而提前，使 混合气近于均匀。
汽油机降低油耗措施的发展
3.2.2 缸内汽油直接喷射GDI、DISI