汽油机燃烧室

GDI发动机的喷油器是布置在靠近火花塞的位置，不需要缸 内的涡流运动，实现分层燃烧的方式更为直接，降低压缩比 以适应低抗爆性的燃油对实现分层燃烧没有影响。相比FSI技 术，GDI发动机要适应国内的油质就更为容易，只需要调整 喷油器进行调整就可以实现。然而在技术上具有巨大优势的 三菱GDI发动机却没能进入中国市场，原因可能是： 面对全球市场的亏损，三菱产品研发速度远远落后于竞争对 手，使其没有足够的能力支撑将新技术引入中国后各种问 题，三菱汽车在全球市场的缩水也导致他没有足够的精力应 对新技术进入中国后的维护、保养以及后期的适应性改进。
6 防止爆燃和早燃 应对末端混合气进行适当冷却，燃烧室应避 免局部热点和突出物。
二、常用典型燃烧室 1.浴盆形燃烧室 形状像一个椭圆形 浴盆。要求气门头部外 径与燃烧室壁面之间保 持6-8mm的距离，避免 壁面对气流的遮蔽作 用，故气门大小受到限 制。
特点： 1）A/V较大，火焰传播距离较长，故压缩比一般 不高 2）燃烧时间拖长，平均压力上升速度小，动力 性，经济性不高。 3）HC排出量多，而NOX较少。 4) 但由于它的制造工艺性好，又便于维修。 我国6100Q汽油机、桑塔纳轿车JV型汽油机、 奥迪100型汽油机等，均采用此种燃烧室。
滚流（纵涡）分层稀燃系统
在进气过程中形成的绕垂 直于气缸轴线方向旋转的 有组织的空气旋流，称为 滚流，也称为纵涡或横向 涡流。滚流在压缩过程中 逐渐被压扁，在上止点附 近破碎成许多小尺寸的涡 流和湍流，可大大改善混 合气燃烧过程。
均质稀混合气的燃烧室
增大过量空气系数，使用稀薄混合气工作， 可以提高压缩比，增大绝热指数，保证燃料 完全燃烧，所以是提高汽油机经济性，降低 排气污染的有效方法。 目前采取的主要措施是增强紊流，缩短火焰 传播距离，依次多点喷射等，以加速燃烧。
第三节 燃烧室
山东理工大学 热能与动力工程
一 、对燃烧室的要求 汽油机燃烧室一般应注意以下几个原则。 1 结构紧凑 面容比(A/V)——燃烧室表面积与其容积之比。 A/V值小，则燃烧室紧凑，优点是:①火焰传播距 离小，不易爆燃，可提高压缩比。②相对散热损失 小，热效率高。③熄火面积小，HC排量少。 2 有良好的充气性能 充气性能的好坏，主要应考虑进气门、进气道的 布置。
补充：三、缸内直喷(Gasoliine Direct Injection, GDI) 大众：FSI （Fuel Stratified Injection燃料分层喷射 ） 三菱：GDI
采用缸内直喷技术的目的 汽油缸内直喷技术是实现汽油在气缸内分层燃烧的 一种特有技术，而汽油分层燃烧又是实现汽油稀薄 燃烧的手段。所谓稀薄燃烧就是让发动机运转时的 空燃比高于理论空燃比，采用较少的燃油量，使燃 油充分燃烧，并将废气中的可燃气体也进行燃烧， 将其转化为热能，降低尾气中有毒气体的排放，提 高发动机的燃烧效率，达到节省燃油的目的。 为使发动机做到稀薄燃烧，实现分层燃烧的技术要 求，达到节省燃油降低有害气排放的目的，因此采 用了燃油缸内直喷技术。
大众FSI如何实现分层燃烧？
本次课内容 电控汽油喷射系统：分类、喷油量的控制 典型的燃烧室及其特点 缸内直喷：GDI和FSI的原理、实现方式、特点等
大众的FSI发动机具有独特的燃烧室和活塞顶的结构。 发动机工作时，在一个工作循环过程中进行两次喷油。 •当发动机进入进气行程时，喷油器第一次向气缸内喷入较少的燃油，气 缸内混合气浓度也相对较稀，在进入压缩冲程后，较稀的混合气甚至不能 在火花塞发出的电弧下发火燃烧，这样就避免了汽油在高压缩比下产生爆 燃。这部分汽油挥发吸收大量缸内热量，降低汽缸温度，能有效减小爆燃 倾向。所以，GDI发动机可以采用高达12.5:1的压缩比设计，从而有效的 提高了功率输出。 •当进入压缩行程末段时，活塞还未运动到上止点时，喷油器在气缸内进 行第二次喷油，此时，高速喷出的燃油在高压下，借助活塞顶部的特殊凹 陷结构在气缸内形成的强涡流，运动到燃烧室顶部，在火花塞附近形成一 个混合气浓度相对较高的区域，此处混合气的浓度足以保证火花塞放出的 电弧能将其引燃，在涡流的作用下，火焰也很快的从混合气浓度较高的区 域扩散到浓度较低的区域。
分层燃烧技术：为了做到燃油的稀薄燃烧，供油系统会 向气缸内喷入浓度较稀的燃油，在气缸内实际空然比要 比理论空然比高，由于单纯利用火花塞放电的能量无法 使混合气发火燃烧，而采用分层燃烧技术后，在燃料相 对较浓的地方进行点火，利用较浓区域的燃料发火燃烧 的能量引燃较稀区域的燃料，降低了点火能量，又实现 了稀薄燃烧。 由此看来，燃油分层燃烧技术是实现发动机稀薄燃烧的 重要技术手段，而要实现燃油的分层燃烧就只有采用在 气缸内直接喷油才能实现。大众的FSI技术和三菱的 GDI技术就都是利用了燃油缸内直喷使燃油在燃烧室内 逐层燃烧，来达到稀薄燃烧的目的。
3.多球形燃烧室 半球形燃烧室结构紧凑，火花 塞布置在燃烧室中央，结构紧 凑， A/V值小，火焰行程短， 故燃烧速率高，散热少，热效 率高。这种燃烧室结构上也允 许气门双行排列，进气口直径 较大，故充气效率较高，有较 大的气门直径和平直圆滑的进 气通道，一般采用进气涡流。 虽然使配气机构变得较复杂， 但有利于排气净化，在轿车发 动机上被广泛地应用。
复合涡流受控燃烧系统(CVCC)
这种发动机拥 有两个化油器 或两套进气管 喷射装置，所 喷射装置 以可以分别提 供不同过量空 气系数的混合 气给主、副室 的进气系统。
轴向分层燃烧系统
1-活塞；2-气缸；3-火花塞；4-导气屏进气门；5-喷油器 首先，由进气管造成强烈的进气涡流；进气过程后期在进 气道上的喷油器将燃料喷入缸内；燃料在涡流作用下，沿 气缸轴向产生上浓下稀的分层。这种分层一直维持到压缩 行程后期，以保证在火花塞附近是较浓的混合气。
缸内直喷的问题？ GDI的氮氧化物排放：虽然GDI发动机可以降低整 体的废气排放污染，但是氮氧化物的排放非常高。为 了减小氮氧化物的排放，需要采用三元催化装置。但 国内汽油中的含硫量非常高，这种含硫量高的汽油燃 烧后很容易产生硫化物，这种硫化物会让催化器中 毒，从而导致催化反应失效，这样一来GDI发动机高 排放的氮氧化物无法得到还原处理。
2.楔形燃烧室 较紧凑，火焰传播距离较短；要 求一定的挤气面积，并且末端混合 气冷却作用较强。 特点： 1）压缩比可达9.5～10.5 2）气门倾斜布置(6～30°)，气门 直径较大，气道转弯小，充气较 好，较高的经济性、动力性。
3）火花塞在楔形高处，对着进、排气门之间，利 于用新气扫除火花塞附近的废气，低速 、低负荷 性能稳定。 4）初期燃烧速度大，平均压力上升速度较高，工 作粗暴，NO Ｘ 排出量较高。因挤气面积内的熄火 现象，废气中HC含量亦较多，故须控制挤气面积。 我国486、491、489汽油机
特点： 1)ηυ值高，动力性、经济性好， 2) HC排出量少; 3)它一般不组织挤流，紊流较弱，容易在低速、大 负荷时引起爆燃。 4)由于火花塞附近有较大的容积，使Δp/Δφ大， 工作粗暴，噪声较大。 5)采用多气门机构。
不同燃烧室的特征及性能比较
特征 火焰传播距离 面容比 进排气门面积 挤流强度 充气效率 压缩比 热效率 dp/dφ及pmax NOx HC 浴盆式 楔形 长 较长 大 中 小 中 较强 强 低 中 低 较高 （6.5~7.5） （9~10.5) 低 较好 低 较高 低 高 高 高 多球形 短 小 大 弱 高 最高 好 高 高 低
FSI发动机利用较高的压缩比和强大的涡流，使稀薄的混合 气可以在气缸内充分燃烧，提高燃烧效率，增大功率，油耗 降低。燃油的分层燃烧是实现稀薄燃烧最核心的技术，缸内 直喷只是实现汽油分层燃烧的技术基础。 大众的FSI发动机要利用燃烧室内的涡流来实现分层燃烧 的，因此当发动机转速很高时，由于空气流速过快，涡流反 而不容易形成，这就不利于在火花塞附近形成相对混合气浓 度较高的区域，也就不利于实现汽油的分层燃烧。 大众的FSI发动机是适用于低转速发动机，其对低速时的燃 油消耗有很大程度的削减。而在发动机高速运转时，空气流 速较快，在气缸内的涡流效果明显下降，实现分层燃烧也就 更为困难，为了避免这一现象，在高转速时发动机的喷油量 就会相对有一定提高，此时的油耗也就会有些许提高。
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大众在国内推出的部分新车型（奥迪A4、A6、迈腾、 斯柯达明锐、高尔夫等）也配备了采用FSI技术的发 动机，但是国内采用的FSI取消了汽油分层燃烧。 原因？
•采用FSI技术的发动机的汽油泵需要提供高的供油压力；喷油 器需要具备更高的密封性能和耐高温的性能。而国内的燃油中 含有的杂质较多，严重影响了喷油器密封性能，会使喷油器密 封性能下降，造成发动机冷启动时供油压力不足，出现启动困 难的现象。 •采用燃油分层燃烧是为实现稀薄燃烧，压缩比较高，FSI发动 机也是针对高抗爆性的燃油开发的。国内现在广泛使用93号汽 油，只有部分地区能提供97号燃油，而93号燃油的抗爆性无法 适应发动机稀薄燃烧技术的高压缩比，长期采用这就会造成低 抗爆性的燃油会使发动机性能下降，振动和噪声加剧，长此以 往将严重影响发动机的使用寿命。 •排放问题。NOX不易处理。 因此大众公司决定在中国地区销售的汽车取消了分层燃烧技 术，而只是单纯的采用了燃油直喷技术，这样一来就降低了对 燃油品质的要求，虽然发动机技术水平略有下降，但可靠性却 得到了很大的提升。
另外，稀薄燃烧，混合气不在理论空燃比下工作，三 元催化转换器不能工作，而选择性催化转换器效率低。
四、其他燃烧系统 美德士古燃烧系统 (TCCS)
燃油顺气流喷入燃烧室。 油束外表面的小油粒在喷 油后很快蒸发形成可燃混 合气。火花塞位于较浓混 合气的附近容易着火的位 置。 空燃比可达100。 技术要求高，稳定分层给 气不易，适应变工况能力 差，目前实用还有一定困 难。
3火花塞位置应布置合理 在决定火花塞位置时必须考虑: (1)要能利用新鲜混合气充分 扫除火花塞周围的残余废气。 (2)火花塞尽量布置在使末端 混合气受热少的位置 (3) 火焰面变化分配合理，确 保运转平稳。 (4)火焰传播距离应尽可能的 短。
4 燃烧室形状合理分布 形状首先应满足速燃的要求，一般应将燃烧完 90%燃料的燃烧持续期控制60度曲轴转角之内，同 时要控制压力升高速度不致过高
5 组织适当的紊流运动 气体紊流运动可以 ①增大火焰速度。 ②冷却末端混合气区 ③减少循环间的燃烧变动。 ④减小熄火厚度，降低HC排量 汽油机产生紊流的办法有二种:进气涡流和挤流。 （1）进气涡流它是利用进气口和进气道的形状， 在进气过程造成气流绕气缸中心线的旋转运动。 为了提高充气效率，一般汽油机不组织强进气涡 流。
三菱GDI 原理和FSI相同，但是实现方式不同 GDI利用喷油器主动地向火花塞附近喷油，喷出的 燃油会形成喇叭状，越靠近喷油嘴的区域，混合气 浓度就越高，越远离喷油嘴的区域，混合气的浓度 也就越低，利用这一原理将喷油器布置在火花塞附 近，就更利于形成混合气浓度较高的区域了。
GDI发动机和FSI发动机都是采用一个工作循环两次 喷油的供油方式，GDI发动机在第一次喷油时，其 过程和所实现的目的与FSI发动机是完全相同的，而 在第二次喷油时，GDI发动机则不需要利用涡流来 形成混合气浓度相对较高的区域。 GDI发动机活塞和常见的汽油发动机活塞外观上没 有本质的区别，在喷油器喷油时向火花塞附近喷 油，能主动地形成混合气浓度相对较高的区域以供 火花塞点火。采用了这种供油方式后，无论是在发 动机高速、低速或是怠速工况运转时，都能最有效 地实现分层燃烧。
（2）挤流 在接近压缩终点时，利用活塞顶部 和缸盖底面之间的狭小间隙（挤气间 隙），将混合气挤入主要燃烧室内， 形成涡流。 增大挤流强度可以提高明显燃烧期 火焰传播速度，缩短燃烧时间，而且 不会引起充气效率降低。 挤气面积愈大，间隙愈小，则挤流愈强。但A/V 值上升，生成大量HC；但紊流加强，壁面熄火厚 度变薄， HC降低，所以挤气面积和间隙对HC生 成是一个复杂问题。