汽油机稀薄燃烧与缸内直喷技术

纵向分层燃烧
是以日本三菱公司为代表的其旋转轴线平行于曲轴中心线的翻滚气 流，又称滚筒分层。 特点：进气道中心线几乎与气缸中心线平行。 原理：气流沿缸壁竖直向下，遇活塞而翻滚向上，在压缩后期分解成无 数的小漩涡：两个进气道中只有一个喷油，另一个不喷，所以形成浓和 稀两股气流，实现分层充气。
3.缸内直喷
多次喷射实现分层燃烧的过程：
首先，发动机在进气行程活塞移至下至点时， ECU控制喷油嘴进行一次小量的喷油，是气缸内形成 稀薄混合气。 其次，在活塞圧缩行程末端是在进行一次喷油， 这样在火花塞附近形成混合气相对浓度较高。
利用燃烧室壁面结构实现分层燃烧：
油束在不同的壁面温度、撞壁高度和油束入射角对油束
雾化发展有着很大影响。
4.缸内直喷技术的运用


VAG集团中被广泛运用，由 AudiRS4和R8共享的4.2 升FSI发动机即是其中性能强悍的代表作。 →比较著名的三菱缸内喷注汽油机（GDI），可令混 合比达到40:1。 大众的直喷汽油发动机（FSI），则是采用了一个高压 泵，汽油通过一个分流轨道（共轨）到达电磁控制的 高压喷射气门。 本田最新的VTEC发动机也将采用稀燃技术，能够比一 般省油20%。 其中各厂商缸内直喷技术英文缩写：大众：TSI（其中 T代表涡轮增压）、奥迪：TFSI/FSI、梅赛德斯-奔驰： CGI、宝马：GDI、通用：SIDI、福特：GDI、比亚迪： TI。
7.稀薄燃烧与缸内直喷技术的 发展方向

HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）的意思是“均质充量压燃”，它是一种以 Otto往复式汽油机为基础的一种新型燃烧模式。 在实际运用HCCI技术的研发上，奔驰和GM走在了前列， 以奔驰的07年的F700概念车为例，其DiesOtto 1.8T 直4 CGI直喷发动机在采用HCCI技术后，输出功率达到 238hp，最大扭矩达到400N.m，完全就是一台3.5L V6的水平，难得的是它的油耗仅为6L/100km，二氧 化碳排放仅127g/100km。采用HCCI技术的GM OPEL Vectra和Saturn Aura 2.2L L4汽油机的油耗也仅为 4.3L/100km，比常规技术降低15%以上。相信随着技 术难关的不断攻克，HCCI技术将会快速普及到大众当 中，作为一种新的节能增效技术，为地球的蓝天作一份 贡献。，简单来说就是汽油机的一种压燃方式。
缸内直喷(GDI)——是指将喷油嘴设置在进排气门之 间，高压燃油直接注入燃烧室平顺高效地燃烧，缸内直 喷所宣扬的是通过均质燃烧和分层燃烧实现了高负荷、 尤其是低负荷下的燃油消耗降低，动力还有提升的一种 技术。又称FSI(Fuel Stratified Injection)，即燃料分层 喷射技术。
3.1.缸内直喷发动机的燃烧方式：
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目录 1.燃油喷射技术的发展 2.稀薄燃烧 3.缸内直喷 4.缸内直喷技术的运用
5.缸内直喷技术总结 6.稀薄燃烧发动机的优劣分析
7.稀薄燃烧与缸内直喷技术的发展方向
1.燃油喷射技术的发展
20世纪末以前，化油器由于结构简单，使 用方便，成本较低，被广泛应用于汽车发 动机上。
为了适应汽车排放法规日益严苛的要求，取而 代之的汽油喷射技术成为汽车发动机燃油供给系统的
6.稀薄燃烧发动机的优劣分析
6.1.优势
1.对经济性的改善
随着空燃比的增加，发动机油耗明显下降 （1）首先是采用稀薄混合气燃烧时循环热效率提高。 （2）另外，由于稀燃混合气燃烧温度低，燃烧产物的离解损 失减小，并且降低了与气缸壁面的传热，也使热效率得以提 高。 （3）由于稀燃发动机一般不受到高负荷时的爆燃极限的限制， 可以采用较高压缩比，有利于热效率的提高。
5.缸内直喷技术总结
车汽油发动机实现稀燃的关键技术归纳起来有以下三个主要方面：





一、提高压缩比 采用紧凑型燃烧室，通过进气口位置改进使缸内形成较强的空 气运动旋流，提高气流速度；将火花塞置于燃烧室中央，缩短点火 距离；提高压缩比至13：1左右，促使燃烧速度加快。 二、分层燃烧 如果稀燃技术的混合比达到25：1以上，按照常规是无法点燃的， 因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火 花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12：1左右，外层逐 渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。 为了提高燃烧的稳定性，降低氮氧化物（NOx），现在采用燃 油喷射定时与分段喷射技术，即将喷油分成两个阶段，进气初期喷 油，燃油首先进入缸内下部随后在缸内均匀分布，进气后期喷油， 浓混合气在缸内上部聚集在火花塞四周被点燃，实现分层燃烧。 三、高能点火 高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成，火焰传播距离缩短， 燃烧速度增快，稀燃极限大。有些稀燃发动机采用双火花塞或者多 极火花塞装置来达到上述目的。
燃油混合气过稀也会引发一系列问题，故存在稀薄燃烧极限。 应注意：稀薄燃烧只是在部分负荷工况范围实行稀薄燃烧， 在启动、怠速、加速和全负荷工况下都不能实行稀薄燃烧。
2.1.稀薄燃烧的方式
稀薄燃烧是建立在分层燃烧的基础上来实现，所谓 分层燃烧就是，在着火时刻火花塞周围分布适合着火的 浓混合气，而燃烧室其他地方为稀混合气。

均质燃烧——普通燃烧方式，即燃料和空气混合形成一定浓度的 可燃混合气整个燃烧室内混合气的空燃比低相同的。

分层燃烧——整个燃烧室内混合气的空燃比不同，火花塞周围混
合气浓度比其他地方高。

目的—— 均质燃烧：在高速行驶、加速行驶时获得大功率； 分层燃烧：在低转速、低负荷是节省燃油。
目前，为达到分层燃烧的所采取的技术手段主要 有以下三种： 1.采用多次喷射技术，使混合气浓度加以区分。 2.利用燃烧室壁面结构，令混合气产生滚流，进 而产生浓度差异。 3.通过可变进气技术，在发动机低速运转时，对 部分进气道实施截流，以增大进气涡流强度，促 使混合气分层的形成。 一般来说气道喷射稀薄燃烧（PFI）发动机多采用 第三种技术方案，而直喷稀薄燃烧（GDI）发动机 则对前两种实现手段更为青睐。
6.1.不足
（1） 在稀薄燃烧中，排放气体中残留很多氧气，不能进 行NOx还原反应。为了使NOx吸储型催化剂获得高效功能， 其温度必须保持在250-500℃范围内。当超过这一温度范围 发动机会自动转换到均质理论空燃比燃烧，并通过三效催化 转化器进行废气处理。然而这又与燃油经济性下降相关，为 此，必须增加废气冷却装置。 （2）另稀燃发动机由于喷射器的加入导致了对设计和制 造的要求都相当的高，如果布置不合理、制造精度达不到要 求导致刚度不足甚至漏气只能得不偿失。 （3）稀燃发动机对燃油品质的要求也比较高。
主流。传统的汽油喷射技术即为进气道喷射技术，其
分为单点喷射和多点喷射。
随着汽车电控技术的迅速发展，以及人们需求 的不断提高，主流的进气管喷射技术慢慢的走下历史
舞台，人们为追求汽车发动机良好的燃油经济性和尾
气排放质量，从而提出了汽油机稀薄燃烧技术。
2.稀薄燃烧
顾名思义就是发动机混合气中的汽油含量低，汽油与空气 之比可达1：25以上，使达到燃烧效率高，经济、环保等目的， （将过量空气系数λ=1左右提高到且远超于1.1的水平，可以降 低发动机油耗并改善CO2排放。）
稀薄燃烧方式可分为： 混合气形成方式——化油器式、汽油喷射式 气缸内涡流形式——轴向分层式、纵向分层式 根据喷射方式——气道喷射式（PFI）、缸内直 喷式（GDI）

轴向分层燃烧
轴向分层燃烧是指：对进气管喷射汽油时，只要将喷油定时和空 气涡流运动巧妙地配台，就可能实现气缸内混台气的轴向分层，如下 图所示。进气过程早期只有空气进入气缸，进气组织较强的涡流；当 进气门开启接近最大升程时，将燃料喷入进气道；燃料在涡流的作用 下，沿气缸轴向便能发生分层。若涡流运动的径向分量比轴向分量强， 刚在压缩过程就能维持这种轴向分层，在火花塞附近一层有较浓的混 合气，而其余部分混合气较稀。轴向分层在四气门汽油机上应用较好， 有的是只用一个气道产生强烈涡流，也有的是两个气道均形成涡流。
2. 对排放的改善
随着空燃比的增加，由于采用稀的混合气使燃烧温度降低， NOx的排放明显减少，同时燃烧产物中的氧成分有利于HC和CO的 氧化，因此，HC和CO的排放也减小，然而，随着空燃比增加到一 定程度，由于燃烧速度的降低可能会使燃烧不完全，HC的排放会迅 速增加。如果能合理地设计紧凑的燃烧室，并组织好空气运动使燃 烧在短时间内完成，那么三种排放都可以大大减少。