汽油机稀薄燃____王燕军

VWE(E 系统就曾经采用过。受当时内燃机技术水平
的限制和尚未有电控喷射手段等原因，开发的发动 机性能和排放并不理想， 因而没有得到实际的应用。 制造精密、 性能优良的内燃机 !" 世纪 X" 年代以后， 部件的应用和精度高、 响应快的电控手段的开发， 促
负荷区域还采用两段喷射技术，把燃油分两次分别 在进气和压缩冲程中喷入气缸，形成界于两者之间 的混合气，据报道可以实现负荷从中小区域向大负 荷区的平稳过渡。
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大空燃比工作条件下造成缸内温度偏低， 其他设计不当引起的混合气混合不充分和
不利于 )*+, 在燃烧后期的继续氧化； 火焰延迟， 也会造成火焰传播速度降低， 使得 )*+, 排放升高。
#(#(! 12! 排放较高
其主要原因是：
-(
分层混合气由浓 到 稀 分 布 ， 将不可避免地
出现化学计量比附近浓度的混合气， 其正是 12! 容 易生成的区域， 造成局部 12! 生成增多；
、 五十铃［B］ 等少 这些缸内直喷机型， 除了福特［O］ 数机型仍采用单一的均质预混燃模式外，大都根据 工况不同而采用了不同的混合燃烧模式：在中小负 荷区域，通过在压缩冲程后期喷油和燃烧系统的合 理配合， 形成分层稀薄快燃的混合气， 其空燃比一般 可达 !PYP"， 极大地提高了汽油机部分负荷下的燃油 经济性； 而在大负荷和全负荷工况下， 通过较早地把 燃油在进气冲程喷入气缸，在点火时刻形成预混燃 烧的均质混合气， 保持了原汽油机动力性好的优点。
/(
%&’ 发 动 机 的 喷 雾 质 量 比 进 气 道 汽 油 机
高，但比柴油机低。汽油的物性不同于柴油，因此
%&’ 发动机需要开发自己适用的喷油系统，而不能
照搬原有的电控进气道喷射汽油机或柴油机的喷油 系统， 电控喷油系统成本较高。 从以上的分析看出， 这些商品化的 %&’ 发动机 的缺点，有很多是因为采用了分层稀薄燃烧模式带 来的。 从理论上讲， 均质混合燃烧模式可以避免上述 分层燃烧带来的排放较高和燃烧系统设计复杂的特 点。因此， 均质压燃稀薄燃烧 （+,,’ ） 发动机的研究 得到了广泛的关注，有可能解决分层稀薄燃烧 %&’ 发动机的缺点，同时大幅度地降低汽油机的燃油消 耗率。
%& 燃烧的控制方法。这些工作深化了对 $%%& 燃烧
认识， 为 $%%& 的燃烧控制提供了经验。
+E $%%& 燃烧的优点在于它可以同时保持较高
的动力性和燃油经济性。一方面， 它采用均质燃烧混 合气， 保持了原汽油机升功率高的特点； 另一方面， 它取消了节流损失， 设计的压缩比高， 采用多点同时 着火的燃烧方式使得能量释放率较高，接近于理想 的等容燃烧， 热效率较高， 保持了柴油机部分负荷下
$%& 发动机超稀薄空燃比的利用和工作方式的
（KXXX"#""K ） 和教育部国家重点实验室访问学者基金 （BXXKP""! ） 项目。 ) 清华大学基础研究基金
!""! 年
第#期
— K —
・ 综
述 ・ 熟， 使得商品化的 $%& 难以满足欧美严格的排放法 规要求 这主要是因为：
改变有不少优点， 如绝热指数增加和传热损失较少， 取消节流降低了泵吸损失，燃油蒸发引起的缸内温 度降低提高了汽油机可工作的压缩比，燃油在进气 冲程中对进气的冷却提高了充气效率，使得它的燃 油经济性一般可以提高 !" ! 左右， 动力输出也比进 它提高 气道喷射的汽油机增加了将近 #$ ! 。另外， 的瞬态响应能力、 精确的空燃比控制、 快速的冷起动 和减速快速断油能力及潜在的系统进一步优化能力 都显示了它比进气道喷射汽油机优越。
高了部分负荷下发动机的燃油经济性，但还存在着 以下不足， 影响了它的推广使用。
/(
分层稀薄燃烧 造 成 排 气 温 度 偏 低 ， 影响了
12! 稀燃催化剂的转化效率。
开发成本昂贵 !") $%& 燃烧系统的设计较为复杂， 这主要表现在：
!"! #(#(#
排放高于传统的装有三效催化器 的 进 气 道 喷 中小负荷下未燃碳氢 （)*+,） 的排放较多 其主要原因是：
【摘要】 论述了 $%& 采用分层稀薄燃烧的工作特点， 详细分析了其开发使用中的难点问题。同时， 对被称为第 B 种燃烧方式的均质混合气压燃模式进行了介绍，总结和分析了它有可能大幅度提高汽油机热效率和降低 DE! 排放 的特点和原因， 并提出它在全工况平面内的着火燃烧控制方面的难度。 通过分析认为， $%& 与 ’((& 方式的有机结合 可能是未来高效低污染汽油机的发展方向。
究的 $%%& 汽油机， 压缩比提高到 ’:ED， 空燃比设计 值为 ))FDD 。研究表明，它的缸内平均指示压力与 （图 ’ ） ， 其燃油消耗率水 BC& 汽油机和 柴 油 机 相 当 平甚至超过直喷柴油机水 平 （’#" 4・ @G H 0F!"" 4・ ，并且随着进气温度的提高， @G H 0） $%%& 的燃烧稀 燃界限可拓宽至空燃比为 #" 以上。
.(
%&’ 发动机要同时兼顾部分负荷和大负荷
.(
商品化的 %&’ 产品， 其燃烧系统主要采用
下混合气的不同要求，在全工况范围内进行性能优 化， 需要的电控逻辑设计比较复杂；
了壁面引导组织混合气的形式，容易造成燃油喷到 活塞顶和气缸壁上， 由于活塞顶和缸壁的温度偏低， 容易造成汽油在着火前来不及完全蒸发，形成较多 的 )*+, 排放；
()*+’ ,)%-#： .&#)/+01 102+01， 31&0 ’)4"5#$+)0， 6$5-7
主题词： 汽油机 稀薄燃烧 研究 文章编号： （!""! ） K"""NOL"O "#N"""KN"B 使缸内直喷汽油机的研究得到长足的发展。三菱、 丰 田、 福特、 日产、 五十铃等许多国外汽车公司和研究 机构都开发了自己的 $%& 机型，且有的公司有商品
［!］ 出现 。
中图分类号： IBJBHKLK
文献标识码： MFra Baidu bibliotek
近几十年来， 受能源日益枯竭的困扰， 燃油经济 性的研究一直是内燃机界非常活跃的领域。由于汽 油机的燃油经济性比柴油机差，所以降低汽油机的 能耗则显得更为迫切。稀薄燃烧是提高汽油机燃油 经济性的重要手段。过去虽然在进气道喷射汽油机 上进行的稀燃研究取得了一定的进展［K］ ， 但由 于 均 质点燃模式的限制， 空燃比不可能提高很多， 降低汽 油机的燃油经济性有限。 近些年来， 对以分层稀薄燃 烧缸内直喷汽油机和均质压燃汽油机为代表的新型 稀薄燃烧模式的研究，极大地提高了汽油机的燃油 经济性。
射汽油机
-(
部分负荷下分层稀薄燃烧对汽油蒸气在缸
内的分布要求很高，需要对缸内气流运动、喷雾特 性、 燃烧室形状、 点火时刻和喷油时刻等进行严格控 制和优化匹配，对汽油喷雾和空气的混合运动认识 不足更加大了设计开发难度；
-(
理想的分层在实际发动机上不可能实现，
分层燃烧火焰从浓区传播到稀区时往往容易熄灭， （高于常规汽油机数倍） ； 形成大量 )*+,
-/849,; 3: 351 0,?,98-3:@ .:0 .--932.538:=86 5+, 1.;, 53;,=0,12/34,1 5+, +8;8@,:,871 ;3A,0 .3/ 28;-/,113?, 28;471538: ;80, 2.99,0 5+, B5+ 28;471538: ;80,=.:.9<>,1 .:0 17;;./3>,1 5+, 6,.57/,1 .:0 2.71,1 58 3;-/8?, 9./@,9< 5+, +,.5 ,663C 23,:2< 86 @.1893:, ,:@3:, .:0 /,072, 9./@,9< 5+, DE! ,;31138:=-75 875 5+, 0366327953,1 3: 3@:3538: 28;471538: 28:5/89 3: .99 8-,/.53:@ F8/G ;80,1H&5 31 :85,0 4< .:.9<131 5+, 8/@.:32 28;43:.538: 4,5F,,: $%& .:0 ’((& 1+.99 4, -/84.49< 5+, 0,C ?,98-3:@ F.< 3: 6757/, +3@+ ,66323,:2< .:0 98F ,;31138: @.1893:, ,:@3:,H
［’#， ’(］ ［’5］
四冲程汽油机上 实 现 $%%& 燃 烧 模 式 见 于 ’(#) 年
*+,-
［’.］
研究了 $%%& 燃
［’:］
烧在汽油机上应用的工作范围。近几年， 678+9+
、
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等人研究了汽油和代用燃料 $%%& 燃烧
［!"］
控制的方法， ;+=>
、 ?7@7-+
［!’］
等人研究了柴油 $%A
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较高的压缩比和较快的反应放热率也使得
12! 生成比常规汽油机高。 #(#(3 颗粒排放增加
在低负荷、 过渡工况和冷起动的情况下， %&’ 的 颗粒排放比传统的 45’ 汽油机有较多的增加，但仍 比柴油机要低一个到几个数量级。其形成的主要原 因可能是因为局部地区过浓的混合气或类似柴油机 的液态油滴扩散燃烧所引起，并且缸内温度低也造 成了颗粒氧化不完全。
［’:］ 燃油经济性好的特点。如 ’((5 年丰田汽车公司 研
$%%& 燃烧方式的出现，有效地解决了传统均
质稀薄点燃燃烧速度慢的缺点，是有别于传统的汽 油机均质点燃预混燃烧、柴油机非均质压燃扩散燃 烧和 BC& 发动机 分 层 稀 薄 燃 烧 方 式 的 第 D 种 燃 烧 方式。$%%& 发动机利用的是均质混合气， 但它不同 于常规汽油机的单点点火方式， 它通过提高压缩比、 采用废气再循环、进气加温和增压等手段提高缸内 混合气的温度和压力， 促使混合气进行压缩自燃， 在 缸内形成多点火核， 有效维持了着火燃烧的稳定性， 并减少了火焰传播距离和燃烧持续期。它与柴油机 燃烧方式的不同在于：柴油机在着火时刻燃油还没 有完全蒸发混合， 进行的是扩散燃烧方式， 燃烧速率
・ 综
述 ・
汽油机稀薄燃烧研究的新进展 —从 —— $%& 到 ’((&)
清 华 大 学 武藏工业大学
王燕军 王建昕 首藤登志夫
帅石金
【!"#$%&’$】 *+, -.-,/ 0,12/34,1 5+, 6,.57/,1 86 15/.5363,0 9,.: 28;471538: 4< $%&=.:.9<>,1 3: 0,5.39 5+, 036632795
-(
稀薄燃烧造成 排 气 中 氧 含 量 较 多 ， 因为在
富氧环境下难以对 12! 进行还原反应， 造成 12! 稀 燃催化剂开发工作本身比较困难；
.(
目前开发的 12! 稀燃催化剂转化效率对燃
油含硫量比较敏感， 要求严格控制燃油中的含硫量， 对油的品质提出了较高的要求；
%&’ 采用分层稀薄燃烧技术虽然较大幅度地提
#
*++& 发动机
早在 !$ 世纪 3$ 年代，人们就认识到均质混合
气压缩自燃的燃烧方式在汽油机上存在，但它一直 被认为是一种异常燃烧现象而被抑制。在二冲程发 动机上真正有意识应用 +,,’ 燃烧始于 #676 年 289
［6］ ［#$］ ［##］ ［#!］ 和 1=>/<: 的研究。 随后 ?=:/<: 、 等 :;<: %@8A:B: 仔细研究了利用内部 C%D 在二冲程发动机上实现 #G］ 等人研究了代用燃料在 +,,’ 的应用； 1=E:F-;-［#3， 二冲程发动机上实施 +,,’ 燃烧的状况。第一次在
［P］ 这类发动机如三菱汽车公司开发的 B$XO 型 $%& ， ［J］ 丰田汽车公司开发的 %NB 型 $%& ， 日产汽车公司 ［L］ ［#］ 开发的 DZE%3 型 $%& 。丰田的 $%& 机型 在中等
8
缸内直喷汽油机
汽油机缸内直喷的工作方式，早在 !" 世纪 P"
年 代 德 国 的 Q,:> O""RS 车 型 、 J" 年 代 的 TMDNUD 系统， L" 年 代 美 国 *,A.28 的 *((R 系 统 和 U8/0 的
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$%& 适 用 的 ’(! 稀 燃 催 化 剂 的 开 发 尚 未 成
— ! —
汽
车
技
术
・ 综
述 ・ 主要受燃油蒸发及与空气混合速率的影响，而进行 进 $%%& 燃 烧 的 混 合 气 在 着 火 以 前 已 经 均 匀 混 合 ， 行的是预混燃烧模式，它的燃烧速率只与本身的化 学反应动力学有关。 从已有的文献报道来看， $%%& 发动机有以下的 优点： 的报道。 ’(#( 年 /01234 等