第六讲发动机节能技术与装置.
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3、非直喷式稀薄燃烧方式
实现汽油机稀薄燃烧的关健技术是使浓稀不同 的混合气合理分层，分层住往是通过不同的气流运 动和供油方法实现的。 从70年代起，人们就开始在化油器式汽油机上 进行分层稀薄燃烧的尝试。
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1）CVCC燃烧系统(Compound Voltex Controlled Combustion)
1）福特PROCO系统
PROCO 系统，已有 20 年以上的历史，属于 GDI稀燃方式中较早期的例子。 如图所示，汽油 经喷油器直接喷入燃 烧室内，喷油器两侧 各装有1只火花塞， 利用涡流和滚流进行 油气混合。
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2）丰田D-4缸内直喷系统
如图所示，是丰田公司于1996年开发并商品化 的D-4缸内直喷式稀燃发动机：
60年代初期，我国曾经采用过柴油掺水技术， 但是没有收到明显的节油效果。 70年代初期至1996年，人们对燃油乳化技术进 行了更为深入的研究，取得了一些经验，并申请了 500多项专利，却无法使乳化油稳定使用。
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36
目前，法国埃尔夫公司研制出了一种特殊的乳化 剂，可将柴油或汽油稳定混合乳化，称为Aquazole 乳化燃料油。
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GDI燃烧系统的分类
通常GDI燃烧系统可根据主宰混合气生成的机 理分成三类： 油束控制燃烧系统 壁面控制燃烧系统 气流控制燃烧系统
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油束控制燃烧系统
在油束控制的燃烧系统中，喷油器安装在气缸中央，火 花塞必须布臵在喷油器附近。
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壁面控制燃烧系统
在壁面控制的燃烧系统中，喷油器和火花塞相隔较远， 喷油器将油束喷到活塞凹坑中，然后油气流将燃油送往火花 塞。
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气流控制燃烧系统
在气流控制的燃烧系统中，利用轮廓分明的缸内气流与 油束相互作用，在发动机的大部分工况范围内都能实行恰当 的充量分层和混合气均质化。
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在气缸内中，水珠的微爆效应引起二次雾化。
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2、掺水乳化方法
掺水乳化油的效果，取决于乳化的质量，即取 决于油包水型粒径的大小、均匀度和稳定性。 目前，常用的乳化方法有机械混合法、超声波 法、乳化剂法。 而大多采用超声波和乳化剂配合使用的方法生 产乳化油，如日本研制的乳化油是掺25％的水、1.3 ％斯潘和0.2％特威温。
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3）缸内直喷式燃烧方式
－是一种Leabharlann Baidu似于柴油机的非均质混合气燃烧方式。 在空燃比很稀时，可在接近点火的时刻才开始喷油， 加上组织合理的混合气运动，使火花塞周围的浓混合 气来不及变稀就被点燃。
显然，这只能用缸内直接喷射方式才能实现。
目前，已商品化的缸内直喷式汽油机可在α＝ 25～50范围内稳定工作，加之进气阻力的进一步减 小，燃油消耗率较传统汽油机可改善20%以上。
对汽油机的要求： 降低排放和节约能源两者同时兼顾。 措施： 高压缩比、稀薄燃烧和快速燃烧。
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1、稀燃汽油机分类
汽油机的燃烧系统可分为化油器式、进气道喷 射式、缸内直接喷射式三种类型：
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3
所谓稀薄燃烧汽油机是一个范围很广的概念， 只要α＞17，就可以称为稀薄燃烧汽油机。
第六讲 发动机节能技术与装臵
一、稀薄燃烧与缸内直喷技术 二、增压技术 三、燃油掺水节油技术 四、闭缸（断缸）节油技术 五、电子控制技术 六、火花塞二次空气导入环 七、磁化节油器
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一、稀薄燃烧与缸内直喷技术
当今汽油机的主流技术：
闭环电控燃油喷射系统加三效催化转化器，牺 牲了燃油经济性。
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2）分层充气燃烧方式
采用分层充气燃烧，可以提高燃烧界限，并保 证即使在平均空燃比α＞20的条件下火花塞周围也 能形成易于着火的浓混合气，而在周边区域是较稀 混合气或空气。
如图所示，分层燃烧的汽油机可稳定工作在α ＝20～25的范围内，燃油消耗率降低13％左右， NOx也有显著降低。
81.0×89.0
1834 直列4气缸 DOHC 2进2排 10.5 单坡屋顶型 普通方式 进气道喷射
压缩比 燃烧室 进气道 燃料供应方式
喷油压力/Mpa
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5.0
0.33
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三菱公司GDI发动机相对于同系列的进气道喷射 式汽油机的性能改善效果：
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4）大众E111型缸内直喷发动机
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4、缸内直喷式稀薄燃烧方式
汽油机的缸内直喷式燃烧（GDI，Gasoline Direct Injection)， 最早应用于航空发动机。
从20世纪40年代开始，欧、美、日等国的一 些汽车公司推出了一些各具特色的方案。
但是，直到1995年以后，才使GDI稀燃系统 实用化。
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如图所示，是澳大利亚奥必托公司开发的OCP2型缸内直喷式二冲程稀燃汽油机：
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OCP-2型二冲程汽油机的排放特性：
这是排量为0.8L的三缸发动机在1500r/min时 的测试结果。
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内燃机缸内的空气运动包括涡流、挤流、滚流 和湍流。
轴向分层稀燃系统、滚流分层稀燃系统
如图所示，是本 田公司提出的CVCC 燃烧系统： 有主、副两个燃 烧室（1和3）和两个 化油器，副室通过火 焰通道与主室相通。
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工作原理： 向主室供给α ＝20～21.5的稀混合气，而通 过辅助进气门5向副室供给少量浓混合气。 在压缩过程中，浓稀混合适当混合，在副室内 形成α =12.5～13.5的易于着火的混合气。 火花塞首先点燃副室中的混合气，由副室喷出 的火焰点燃主室的稀混合气。
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二、增压技术
所谓内燃机增压就是利用增压器将空气或可燃混 合气进行预压缩，再送入气缸的过程。 车用发动机的增压方式很多，按实现增压所提供 能量的方式可分为：
（一）机械增压
（二）废气涡轮增压
（三）复合增压
（四）气波增压
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三、燃油掺水节油技术
20世纪初，为了减少汽油机的爆燃倾向和降低 燃烧室平均温度，已经有人将水引入汽油机中。
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3）三菱4G系列缸内直喷稀燃发动机
如图所示，是 三菱公司于1996 年在世界上最先商 品化的缸内直喷式 稀燃发动机：
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27
主要设计参数：
型号 4G93缸内直喷 4G93传统型
缸径×行程/mm
总排量/mL 气缸数 进排 气阀 形式 阀数
81.0×89.0
1834 直列4气缸 DOHC 2进2排 12.0 单坡屋顶型 （弯曲顶面活塞） 立式 缸内直接喷射
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5、二冲程缸内直喷稀燃发动机
二冲程汽油机低速转矩特性好、升功率高，可 实现发动机的小型轻量化，但是，传统机型HC排放 高、燃油经济性差，目前在汽车上应用很少。 近年来，在混合气形成和燃烧方面的研究进展 以及电控技术的进步，特别是缸内直喷稀燃技术的 实现，使其能够适应当今节能与环保的要求。 因此，二冲程汽油机作为车用发动机的可能性 再次被提出。
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2、不同燃烧方式的性能对比
如图所示，表示了传统、非直喷稀燃和直喷稀燃 三种燃烧方式的排放特性和燃油经济性对比。
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1）传统燃烧方式 传统的汽油机在化学计量比附近工作，其燃油 经济性较差、排放污染较高。 通过采用高湍流和高能点火等技术，汽油机的 稳定燃烧界限可超过α＝17。 但是，随着α继续增大，均质混合气逐渐难以 点燃并且燃烧速度也减慢，造成燃烧不稳定和HC 排放回升，以致无法正常工作。
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五、电子控制技术
详细内容见： 汽油机电子控制技术 柴油机电子控制技术
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六、火花塞二次空气导入环
火花塞二次空气导入环简称节油环，使发动机气 缸能第二次吸入空气，提高混合气的燃烧速度，使燃 烧更加完全，具有增加发动机动力、节省燃油、减少 污染等显著优点。
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2、弹性离合选择器
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3、三菱公司MD型发动机闭缸控制系统
通过传感器来检测发动机的工况，根据工况要求 自动实现四缸工作与两缸工作之间的切换。
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在三菱Mirage－Ⅱ型轿车上实验，在不改变动 力性的情况下，按10工况行驶，平均节油20％。 国内也对闭缸节油技术进行了研究，对DJ2030 汽车发动机采用闭缸方法后，通过试验得到，平均节 油近10％。 闭缸技术是一种行之有效的节油效果较高的节油 措施，其推广的关键在于设计一套能自动变换的转换 装臵。
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3、存在的问题
乳化油大面积推广还存在以下一些课题： 在生产上水珠的进一步细化和均匀、延长稳定 期；使用上对发动机的磨损、腐蚀及和发动机的最 佳匹配还需要进行深入的研究。
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4、柴油乳化工艺过程
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四、闭缸（断缸）节油技术
车用发动机大部分时间在部分负荷工况下工作， 其比油耗显著增加，浪费了大量能源。 为了提高发动机的负荷率，可以采用闭缸的方 法：一部分气缸始终工作，另一部分气缸只在高负 荷时工作。
大众公司1999年推出了E111型1.4升GDI发动 机，其燃烧系统的特点是采用双滚流混合气形成方式：
低负荷时，可燃混合气仅在进气门一侧的滚流区 形成；中负荷时，喷油可到达包括排气门在内的区域， 混合气在两个滚流区域都可生成。 排气后处理系统中也采用了吸附还原型催化剂， 并用NOx传感器来控制催化剂的还原反应时间。
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优点：
NOx排放量较低，仅有一般汽油机的1/3；HC 和CO的排放量也较低。
缺点： 燃油经济性不佳，并且结构和控制过于复杂。
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CVCC实际上是一种分区燃烧方式，具有一定 的代表性，围绕这种主、副燃烧室式稀燃系统的研 究工作仍在进行。
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2）轴向分层稀燃系统（涡流）
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成品微乳化油
拒水试验
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加水后剧烈摇晃试验
加水5天后
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1、掺水乳化节油原理
目前，人们普遍用原苏联B. M.伊万诺夫的微爆 理论来解释掺水乳化节油原理： 燃油掺水乳化后，油为连续相，水为分散相， 水以微小的颗粒分散地悬浮在油中，形成油包水。 在化油器（或喷油器）中，被一次雾化；
如图所示，是三菱公司在1991年开发成功的 MVV燃烧系统：
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工作原理：
在进气道中设臵一薄的垂直隔板2，使进气在 气缸内形成三股独立的滚流；两侧的滚流全部是空 气，中间的一股是浓混合气，这样可以防止它们彼 此混合，使燃料和空气在压缩过程中维持分层，即 使在α ＝23～25时，也能保证在火花塞周围形成易 点燃的较浓混合气。 在汽车以40km/h等速行驶时，比普通汽油机 节油13%。
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工作原理： 首先通过进气造成强烈的进气涡流；进气过程 后期、进气门开启接近最大升程时，通过安装在进 气道上的喷油器将燃料喷入缸内；燃料在涡流的作 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 火花塞附近存在较浓的混合气。
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3）滚流分层稀燃系统（滚流）
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燃烧室为半球屋顶形，活塞顶部设有唇型深皿凹 坑，与进气涡流旋向以及高精度的喷油时间和喷油方 向控制相配合，在火花塞周围形成较浓的易点燃混合 气区域。
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灵活的电喷控制系统，可实现对不同的工况范围 采用不同的燃烧方式，以保证所有工况下都能稳定燃 烧。 比同排量的传统汽油机节油35％。
为了叙述方便，在此将稀燃汽油机分为两类： 一类是，非直喷式汽油机，包括均质稀燃和分 层稀燃式汽油机，即使采取一些特殊措施，一般只 能在α＜25的范围内工作； 另一类是，缸内直喷式汽油机，可在α＝25～ 50范围内稳定工作。
注意：只是在部分负荷工况范围实行稀薄燃烧，启 动、怠速、加速和全负荷都不能实行稀薄燃烧。
这样，发动机的排量将随负荷的大小而变化， 既不影响汽车的动力性能，又能提高了整个发动机 的工作效率，改善的燃油经济性。
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闭缸节油装臵的组成：
由往复离合器式的气门挺杆、弹性离合选择 器、组合气路驱动器和电子控制系统组成。
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1、往复离合器式的气门挺杆
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3、非直喷式稀薄燃烧方式
实现汽油机稀薄燃烧的关健技术是使浓稀不同 的混合气合理分层，分层住往是通过不同的气流运 动和供油方法实现的。 从70年代起，人们就开始在化油器式汽油机上 进行分层稀薄燃烧的尝试。
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1）CVCC燃烧系统(Compound Voltex Controlled Combustion)
1）福特PROCO系统
PROCO 系统，已有 20 年以上的历史，属于 GDI稀燃方式中较早期的例子。 如图所示，汽油 经喷油器直接喷入燃 烧室内，喷油器两侧 各装有1只火花塞， 利用涡流和滚流进行 油气混合。
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2）丰田D-4缸内直喷系统
如图所示，是丰田公司于1996年开发并商品化 的D-4缸内直喷式稀燃发动机：
60年代初期，我国曾经采用过柴油掺水技术， 但是没有收到明显的节油效果。 70年代初期至1996年，人们对燃油乳化技术进 行了更为深入的研究，取得了一些经验，并申请了 500多项专利，却无法使乳化油稳定使用。
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目前，法国埃尔夫公司研制出了一种特殊的乳化 剂，可将柴油或汽油稳定混合乳化，称为Aquazole 乳化燃料油。
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GDI燃烧系统的分类
通常GDI燃烧系统可根据主宰混合气生成的机 理分成三类： 油束控制燃烧系统 壁面控制燃烧系统 气流控制燃烧系统
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油束控制燃烧系统
在油束控制的燃烧系统中，喷油器安装在气缸中央，火 花塞必须布臵在喷油器附近。
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壁面控制燃烧系统
在壁面控制的燃烧系统中，喷油器和火花塞相隔较远， 喷油器将油束喷到活塞凹坑中，然后油气流将燃油送往火花 塞。
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气流控制燃烧系统
在气流控制的燃烧系统中，利用轮廓分明的缸内气流与 油束相互作用，在发动机的大部分工况范围内都能实行恰当 的充量分层和混合气均质化。
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在气缸内中，水珠的微爆效应引起二次雾化。
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2、掺水乳化方法
掺水乳化油的效果，取决于乳化的质量，即取 决于油包水型粒径的大小、均匀度和稳定性。 目前，常用的乳化方法有机械混合法、超声波 法、乳化剂法。 而大多采用超声波和乳化剂配合使用的方法生 产乳化油，如日本研制的乳化油是掺25％的水、1.3 ％斯潘和0.2％特威温。
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3）缸内直喷式燃烧方式
－是一种Leabharlann Baidu似于柴油机的非均质混合气燃烧方式。 在空燃比很稀时，可在接近点火的时刻才开始喷油， 加上组织合理的混合气运动，使火花塞周围的浓混合 气来不及变稀就被点燃。
显然，这只能用缸内直接喷射方式才能实现。
目前，已商品化的缸内直喷式汽油机可在α＝ 25～50范围内稳定工作，加之进气阻力的进一步减 小，燃油消耗率较传统汽油机可改善20%以上。
对汽油机的要求： 降低排放和节约能源两者同时兼顾。 措施： 高压缩比、稀薄燃烧和快速燃烧。
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1、稀燃汽油机分类
汽油机的燃烧系统可分为化油器式、进气道喷 射式、缸内直接喷射式三种类型：
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所谓稀薄燃烧汽油机是一个范围很广的概念， 只要α＞17，就可以称为稀薄燃烧汽油机。
第六讲 发动机节能技术与装臵
一、稀薄燃烧与缸内直喷技术 二、增压技术 三、燃油掺水节油技术 四、闭缸（断缸）节油技术 五、电子控制技术 六、火花塞二次空气导入环 七、磁化节油器
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一、稀薄燃烧与缸内直喷技术
当今汽油机的主流技术：
闭环电控燃油喷射系统加三效催化转化器，牺 牲了燃油经济性。
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2）分层充气燃烧方式
采用分层充气燃烧，可以提高燃烧界限，并保 证即使在平均空燃比α＞20的条件下火花塞周围也 能形成易于着火的浓混合气，而在周边区域是较稀 混合气或空气。
如图所示，分层燃烧的汽油机可稳定工作在α ＝20～25的范围内，燃油消耗率降低13％左右， NOx也有显著降低。
81.0×89.0
1834 直列4气缸 DOHC 2进2排 10.5 单坡屋顶型 普通方式 进气道喷射
压缩比 燃烧室 进气道 燃料供应方式
喷油压力/Mpa
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0.33
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三菱公司GDI发动机相对于同系列的进气道喷射 式汽油机的性能改善效果：
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4）大众E111型缸内直喷发动机
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4、缸内直喷式稀薄燃烧方式
汽油机的缸内直喷式燃烧（GDI，Gasoline Direct Injection)， 最早应用于航空发动机。
从20世纪40年代开始，欧、美、日等国的一 些汽车公司推出了一些各具特色的方案。
但是，直到1995年以后，才使GDI稀燃系统 实用化。
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如图所示，是澳大利亚奥必托公司开发的OCP2型缸内直喷式二冲程稀燃汽油机：
2018/8/5
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OCP-2型二冲程汽油机的排放特性：
这是排量为0.8L的三缸发动机在1500r/min时 的测试结果。
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内燃机缸内的空气运动包括涡流、挤流、滚流 和湍流。
轴向分层稀燃系统、滚流分层稀燃系统
如图所示，是本 田公司提出的CVCC 燃烧系统： 有主、副两个燃 烧室（1和3）和两个 化油器，副室通过火 焰通道与主室相通。
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工作原理： 向主室供给α ＝20～21.5的稀混合气，而通 过辅助进气门5向副室供给少量浓混合气。 在压缩过程中，浓稀混合适当混合，在副室内 形成α =12.5～13.5的易于着火的混合气。 火花塞首先点燃副室中的混合气，由副室喷出 的火焰点燃主室的稀混合气。
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二、增压技术
所谓内燃机增压就是利用增压器将空气或可燃混 合气进行预压缩，再送入气缸的过程。 车用发动机的增压方式很多，按实现增压所提供 能量的方式可分为：
（一）机械增压
（二）废气涡轮增压
（三）复合增压
（四）气波增压
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三、燃油掺水节油技术
20世纪初，为了减少汽油机的爆燃倾向和降低 燃烧室平均温度，已经有人将水引入汽油机中。
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3）三菱4G系列缸内直喷稀燃发动机
如图所示，是 三菱公司于1996 年在世界上最先商 品化的缸内直喷式 稀燃发动机：
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主要设计参数：
型号 4G93缸内直喷 4G93传统型
缸径×行程/mm
总排量/mL 气缸数 进排 气阀 形式 阀数
81.0×89.0
1834 直列4气缸 DOHC 2进2排 12.0 单坡屋顶型 （弯曲顶面活塞） 立式 缸内直接喷射
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5、二冲程缸内直喷稀燃发动机
二冲程汽油机低速转矩特性好、升功率高，可 实现发动机的小型轻量化，但是，传统机型HC排放 高、燃油经济性差，目前在汽车上应用很少。 近年来，在混合气形成和燃烧方面的研究进展 以及电控技术的进步，特别是缸内直喷稀燃技术的 实现，使其能够适应当今节能与环保的要求。 因此，二冲程汽油机作为车用发动机的可能性 再次被提出。
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2、不同燃烧方式的性能对比
如图所示，表示了传统、非直喷稀燃和直喷稀燃 三种燃烧方式的排放特性和燃油经济性对比。
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1）传统燃烧方式 传统的汽油机在化学计量比附近工作，其燃油 经济性较差、排放污染较高。 通过采用高湍流和高能点火等技术，汽油机的 稳定燃烧界限可超过α＝17。 但是，随着α继续增大，均质混合气逐渐难以 点燃并且燃烧速度也减慢，造成燃烧不稳定和HC 排放回升，以致无法正常工作。
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五、电子控制技术
详细内容见： 汽油机电子控制技术 柴油机电子控制技术
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六、火花塞二次空气导入环
火花塞二次空气导入环简称节油环，使发动机气 缸能第二次吸入空气，提高混合气的燃烧速度，使燃 烧更加完全，具有增加发动机动力、节省燃油、减少 污染等显著优点。
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2、弹性离合选择器
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3、三菱公司MD型发动机闭缸控制系统
通过传感器来检测发动机的工况，根据工况要求 自动实现四缸工作与两缸工作之间的切换。
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在三菱Mirage－Ⅱ型轿车上实验，在不改变动 力性的情况下，按10工况行驶，平均节油20％。 国内也对闭缸节油技术进行了研究，对DJ2030 汽车发动机采用闭缸方法后，通过试验得到，平均节 油近10％。 闭缸技术是一种行之有效的节油效果较高的节油 措施，其推广的关键在于设计一套能自动变换的转换 装臵。
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3、存在的问题
乳化油大面积推广还存在以下一些课题： 在生产上水珠的进一步细化和均匀、延长稳定 期；使用上对发动机的磨损、腐蚀及和发动机的最 佳匹配还需要进行深入的研究。
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4、柴油乳化工艺过程
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四、闭缸（断缸）节油技术
车用发动机大部分时间在部分负荷工况下工作， 其比油耗显著增加，浪费了大量能源。 为了提高发动机的负荷率，可以采用闭缸的方 法：一部分气缸始终工作，另一部分气缸只在高负 荷时工作。
大众公司1999年推出了E111型1.4升GDI发动 机，其燃烧系统的特点是采用双滚流混合气形成方式：
低负荷时，可燃混合气仅在进气门一侧的滚流区 形成；中负荷时，喷油可到达包括排气门在内的区域， 混合气在两个滚流区域都可生成。 排气后处理系统中也采用了吸附还原型催化剂， 并用NOx传感器来控制催化剂的还原反应时间。
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优点：
NOx排放量较低，仅有一般汽油机的1/3；HC 和CO的排放量也较低。
缺点： 燃油经济性不佳，并且结构和控制过于复杂。
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CVCC实际上是一种分区燃烧方式，具有一定 的代表性，围绕这种主、副燃烧室式稀燃系统的研 究工作仍在进行。
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2）轴向分层稀燃系统（涡流）
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成品微乳化油
拒水试验
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加水后剧烈摇晃试验
加水5天后
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1、掺水乳化节油原理
目前，人们普遍用原苏联B. M.伊万诺夫的微爆 理论来解释掺水乳化节油原理： 燃油掺水乳化后，油为连续相，水为分散相， 水以微小的颗粒分散地悬浮在油中，形成油包水。 在化油器（或喷油器）中，被一次雾化；
如图所示，是三菱公司在1991年开发成功的 MVV燃烧系统：
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工作原理：
在进气道中设臵一薄的垂直隔板2，使进气在 气缸内形成三股独立的滚流；两侧的滚流全部是空 气，中间的一股是浓混合气，这样可以防止它们彼 此混合，使燃料和空气在压缩过程中维持分层，即 使在α ＝23～25时，也能保证在火花塞周围形成易 点燃的较浓混合气。 在汽车以40km/h等速行驶时，比普通汽油机 节油13%。
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工作原理： 首先通过进气造成强烈的进气涡流；进气过程 后期、进气门开启接近最大升程时，通过安装在进 气道上的喷油器将燃料喷入缸内；燃料在涡流的作 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 火花塞附近存在较浓的混合气。
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3）滚流分层稀燃系统（滚流）
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燃烧室为半球屋顶形，活塞顶部设有唇型深皿凹 坑，与进气涡流旋向以及高精度的喷油时间和喷油方 向控制相配合，在火花塞周围形成较浓的易点燃混合 气区域。
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灵活的电喷控制系统，可实现对不同的工况范围 采用不同的燃烧方式，以保证所有工况下都能稳定燃 烧。 比同排量的传统汽油机节油35％。
为了叙述方便，在此将稀燃汽油机分为两类： 一类是，非直喷式汽油机，包括均质稀燃和分 层稀燃式汽油机，即使采取一些特殊措施，一般只 能在α＜25的范围内工作； 另一类是，缸内直喷式汽油机，可在α＝25～ 50范围内稳定工作。
注意：只是在部分负荷工况范围实行稀薄燃烧，启 动、怠速、加速和全负荷都不能实行稀薄燃烧。
这样，发动机的排量将随负荷的大小而变化， 既不影响汽车的动力性能，又能提高了整个发动机 的工作效率，改善的燃油经济性。
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闭缸节油装臵的组成：
由往复离合器式的气门挺杆、弹性离合选择 器、组合气路驱动器和电子控制系统组成。
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1、往复离合器式的气门挺杆
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