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