汽油机的最新燃烧技术进展

汽油机最新燃烧技术进展概要：本文对近年来在汽油机的燃烧技术进展作了介绍，并对新的燃烧技术对降低油耗和减少燃烧排放物方面所取得的技术进展作了评论，在整个他们的速度/负载范围内的最优燃烧，发动机应工作在三个燃烧模式：分层点燃式(SCSI)、均质点燃式(HCSI)、均质压燃式（HCCI），实现最大限度的降低燃油消耗和发动机排放的关键技术是喷雾引导的直喷系统、灵活可变的气门驱动、基于发动机控制的缸内压力。

关键词：汽油机；火花塞点火；GDI;DISI;HCCI;HCSI;直接喷射；均质燃烧；分层燃烧术语：AFR：空燃比 BMEP：平均有效压力 BFSC：刹车油耗 BTDC：上止点前CI：压燃式点火 COV:变异系数 CR：压缩比 DI：直接喷射 DISI:直接喷射火花塞点火 EGR:废气再循环 EVC：排气门关闭 FE：燃油经济型 HC：烃类 HCCI:均质混合燃烧HCSI:均质点燃式燃烧 HT：传热 IMEP：平均指示有效压力NVO：负阀重叠 VVT：可变气门正时1引言人类的汽车革命极为迅猛, 也极大地改变了我们的生存环境。

从早期的化油器发动机开始,人类在汽车引擎技术上不断创新,在提升燃料效率和降低能耗与污染物排放方面不间断的努力。

从化油器到单点电子喷射、多点电子喷射再到多点顺序喷射,发动机不断进化,而缸内直喷技术无疑是人类在汽车发动机方面的最新成就。

先来看一下缸内直喷的概念:缸内直喷技术(Direct Injection)是指将燃油直接喷入汽缸燃烧室内的发动机技术, 而之前的汽油发动机都是将燃油喷注于进气歧管内。

缸内直喷技术还被称为FSI(Fuel Stratified Injection)技术。

百年间,这样的技术进步也带给人类自身更多的好处。

缸内直喷技术借助电脑系统直接控制燃油的喷射时间、喷射压力和喷射量,相比过去的技术,新技术不需要受限制于传统机械构造方式, 而且能够依照发动机的需要随时调整空气与燃料的混合比例,不但促进燃料燃烧效率提升15%以上,也大大减少了废气中的污染物水平,对发动机功率的提升效果也非常明显。

1．1缸内直喷技术的六大优势：由于燃油被精确的喷射于汽缸燃烧室内, 也直接带来了六大好处:一、节省燃油。

现代发动机技术的趋势之一就是节约燃料, 而缸内直喷技术可以大大提升燃油与空气混合的雾化程度与混合的效率, 带来燃油的节约。

采用缸内直喷技术的车型油耗水平可下降3%以上。

二、减少废气排放。

人类对生存环境的重视也造就了环保发动机的不断诞生。

缸内直喷发动机的高压燃油泵能提供高达120巴的压力,确保燃料充分燃烧,最大程度的减少废气中的有害杂物。

三、提升动力性能。

由于燃料的混合更充分,燃烧更彻底,也带来了燃料转化为动能的效率提升,直接推动了发动机动力性能的增加,同排量下,最大功率可提高15%。

四、减少发动机震动。

由于缸内直喷技术允许更高的压缩比,缸内爆震情况的大大减少,对降低发动机低速情况下的震动也有明显的效果。

五、喷油的准确度提升。

缸内直喷技术的关键就是电脑系统的精确控制。

由于电脑系统会感知发动机缸内的实际工作情况,并会在瞬间完成对喷油量、喷油时间和压力的微调,保障发动机始终处于精确的喷油状态。

六、发动机更耐用。

新技术不但提升效率,减少排放,更对发动机寿命的延长起到积极的作用。

燃油被直接喷射于气缸内并迅速转化为能量,大大降低了传统发动机燃油依附于进气歧管而带来的损害。

1.2GDI发动机燃烧系统：燃烧系统的设计是GDI发动机的关键技术。

要成功实现中小负荷时的分层稀燃和大负荷时的均质预混,就需要进行燃油喷束、气流运动和燃烧室形状的优化合理配合。

已经开发的GDI发动机燃烧系统,按喷油器和火花塞的相对位置和混合气的组织形式有3种以下类型。

1、喷束引导法燃油喷嘴靠近火花塞布置,火花塞位于燃油喷束的边缘,这种方式的优点是保证当整个燃烧室内为稀薄混合气时,火花塞周围仍能形成可供点火的混合气浓度。

Ford、Honda公司生产的某些机型采用这种燃烧系统。

2、壁面引导法燃油喷嘴远离火花塞布置,利用特殊形状的活塞表面配合气流运动,将燃油蒸气导向火花塞并在火花塞间隙形成合适浓度的混合气,如三菱、丰田、Nissan 等公司开发的机型。

3、气流引导法同样是燃油喷嘴远离火花塞,利用缸内有组织的气流运动来达到上述目的。

FEV、AVL公司开发的方案采取这样的燃烧系统。

上述几种燃烧系统方案的划分是十分粗略的,实际情况是上述几种方案交叉存在,各种因素并存并相互影响。

根据AVL的Ricardo公司的研究,火花塞布置在靠近中心的位置可以减少火焰传播距离,在怠速和中小负荷时对分层便于控制,但发动机对喷油器和火花塞之间的位置误差、喷雾变形敏感,火花塞容易被燃油沾湿而形成污垢导致点火困难。

另外,火花塞和喷油器都布置在中间有时会影响进气门的尺寸。

远距离布置的方式可避免沾湿火花塞,但燃油碰壁较多,并且需要精确设计特殊形状的燃烧室,对缸内混合气运动的组织要求更为严格一些。

1.3缸内空气运动的组织：气缸内的空气运动对喷雾和燃烧的影响很大。

GDI发动机缸内空气的运动有涡流、滚流和挤流。

涡流的旋转轴线平行于气缸中心线,滚流的旋转轴线垂直于气缸中心线,挤流形成于压缩冲程活塞接近上止点时与缸盖间隙处的径向气体运动,它有助于加强压缩终点时的湍流强度。

目前大部分GDI发动机应用涡流作为缸内空气运动的主要形式,其特点是持续时间长,在缸内的径向发散少,对保持混合气的相对集中和分层有利,可以充分利用它来维持压缩冲程中的混合气层。

由于涡流的旋转动量与发动机的转速成正比,而油束的动量是独立的,不受发动机转速的影响,因此,利用涡流来促进油气混合有一个操作范围限制。

此外,涡流比过高还会由于离心力的作用使油滴甩向缸壁,造成湿壁现象的增加。

近年来, 日本三菱汽车公司对滚流在GDI发动机中的应用做了大量的试验研究,结果显示,在压缩行程的后期,滚流能够有效地增加靠近缸壁处的气体流动速度,从而可以促进粘附在缸壁上的油滴快速蒸发,也可利用滚流和活塞顶部的凹坑相配合将分层混合气导向火花塞,控制油束碰撞和火焰传播,从排气侧到进气侧的挤流还能提高燃烧速度。

2关于GDI发动机燃烧方式的改进气口燃料喷射( Port Fuel Injection , PFI) 火花点火(Spark Ignition ,SI) 汽油机,利用排气管中氧传感器的反馈控制使汽油机的运行工况始终维持在过量空气系数aΦ=1.0,并应用三效催化器 (Three-Way Catalyst ,TWC) 使排气中的有害成分NOx,HC,CO 得到清除,这一方案在燃烧和排放后处理上具有很优点,较方便地解决了排放问题。

因此成为当前绝大多数轿车发动机的标准设计。

但这一方案还存在很多缺点,主要是:1) 发动机依靠节气门实现部分负荷调节,存在泵气损失,增大部分负荷运转时的燃油消耗率；2) 低速高负荷时敲缸倾向严重,使得压缩比提不高；3) 在当量混合比(aΦ=1.0) 下运转,燃烧后工质中三原子气体H2O,CO2相对增加,使比热容比k值减小,影响热效率；4) 由于采用aΦ=1.0 ,燃烧温度升高, NOx排放增加,此外进入燃烧室间隙中的混合气浓度高,使HC排放增加。

对PFI汽油机来说,由于配备了TWC,上述第4点涉及的排放问题容易解决,其缺点主要在燃料经济性方面,即前三点。

当前的改进工作集中在缸内直喷(GDI)方面,主要是:1) SCSI方式,即在中低负荷应用稀燃混合气分层燃烧(Stratified Combustion) ,在高负荷时仍用浓混合气；2) HCCI-SI 方式,即在中低负荷应用稀混合气均质压燃方式和在高负荷时仍用浓混合气火花点火方式。

这两种方式均可消除泵气损失,但带来了排气后处理的困难, 经济性改善的幅度取决于SC和HCCI方式在负荷/转速图上的覆盖面积。

覆盖面积小了可能得不偿失。

2.1分层点燃式SCSI日本三菱汽车公司于1994 年首先宣布成功研制出采用SCSI燃烧方式的缸内直喷式轿车用汽油机,接着日本的丰田、尼桑以及其他国家的汽车公司均研制成功。

这类发动机的最大优点是稀燃、泵气损失及传热损失小。

此外,向气缸直接喷射汽油,使汽油蒸发吸热,改善充气效率,并有利于采用较高的压缩比。

在中低负荷时,发动机使用的混合气已很稀,为了保证火花点火成功,必须使混合气分层,使部分混合气较浓,其余的混合气更稀,并且还要保证把这部分较浓混合气在火花塞点火时刻送到火花塞间隙处,保证不出现失火循环,这是决定SCSI燃烧系统成败的关键所在。

根据输送较浓混合气机理的不同,一般把SCSI燃烧系统分成3 类,即空气引导式、壁面引导式及油束引导式。

前述的日本三菱GDI发动机即应用壁面引导式 ,在压缩后期,气缸内压力升高,使喷出的油束紧密,且射程较短,进气行程在气缸内生成的逆向滚流( Inverse Tumble) 在压缩行程仍然存在。

此外,活塞顶部特殊形状的凹坑把较浓的混合气引导到火花塞间隙气缸中心处着火燃烧。

空气引导式的机理与壁面引导式大致相同,仅是突出气流(进气涡流) 的作用而已。

这两个方案的共同特点是火花塞与喷油器之间的空间距离较远,不能保证稳定可靠地点火。

此外,还有其他方面的缺点。

油束引导是第二代SCSI 燃烧系统的标准方案,其特点是喷油器和火花塞尽量靠近,使油束和点火形成紧密的耦合关系以保证在混合气分层时点火稳定可靠。

2．2直喷式火花塞发动机（DISI）现行比较流行的两种DISI变体—“均质式”DISI通过计量式混合实现，还有混合模式的DISI，处于低转速或低负荷工况下混合物是以低当量比分层的，当高的负荷和转速时发动机会处在均质工作模式。

混合模式的DISI有达到最高燃油经济性的潜在性，因此我们将我们的讨论限定在混合模式的DISI发动机上。

通过稀薄燃烧，泵气损失和热传递损失减少，循环效率因为改善了的热力转换条件提升。

而且，通过DISI发动机，发动机的压缩比可以得到一定比例的提升，因为额外的降温冷却效果通过向缸内直接喷射燃料来实现。

压缩比的增加将会进一步提升循环效率。

例如图1所示的DISI发动机的工作模式。

正如像先前介绍的一样，这个混合模式的DISI发动机以分层模式启动，在低负荷/转速时为稀薄混合物，在大负荷/转速时达到均质模式。

均质负荷工况一直可以持续到中等负荷附近，那时混合物已很稀薄，或者远远大于理论空然比；而在更高的负荷区域混合物浓度达到理论空然比甚至浓度更高。

在一些情况下中等负荷区域是可以消除的，在整个负荷和速度工况范围内发动机的运转要么处于稀薄分层模式要么就处于计量比的均值混合模式。

当处于最高负荷状态时EGR系统就更多的用来消除排气中的氮氧化物。

过于空气量和EGR稀释程度往往主要是由所需要的最大燃油经济型决定的，维持排放和燃烧稳定性在一个可接受的状态。