汽油機燃燒技術(shù)

1、Geely Automobile Institute 汽油機燃燒技術(shù)汽油機燃燒技術(shù) Geely Automobile Institute 2 3 2 1 4 Geely Automobile Institute 3 引言引言 內(nèi)燃機按照所燃用燃料的不同可分成：內(nèi)燃機按照所燃用燃料的不同可分成： 汽油機、柴油機和代用燃料發(fā)動機（汽油機、柴油機和代用燃料發(fā)動機（CNG、LPG） 按照燃燒方式的不同：按照燃燒方式的不同： 火花點火燃燒火花點火燃燒汽油機汽油機 壓縮著火燃燒壓縮著火燃燒柴油機柴油機 目前，汽油機廣泛應(yīng)用于轎車上。目前，汽油機廣泛應(yīng)用于轎車上。 加深對汽油機燃燒工作原理的認識。加深對汽油

2、機燃燒工作原理的認識。 Geely Automobile Institute 4 3 1 2 4 Geely Automobile Institute 5 傳統(tǒng)汽油發(fā)動機燃燒傳統(tǒng)汽油發(fā)動機燃燒 對于四沖程發(fā)動機而言，一個完整的工作循環(huán)對于四沖程發(fā)動機而言，一個完整的工作循環(huán) 由進氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣四個沖程組成。由進氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣四個沖程組成。 通常將內(nèi)燃機從排氣門開啟至進氣門關(guān)閉的整通常將內(nèi)燃機從排氣門開啟至進氣門關(guān)閉的整 個過程稱為內(nèi)燃機的充量更換過程。個過程稱為內(nèi)燃機的充量更換過程。 整個過程是將已燃氣體排出并為下一循環(huán)吸入整個過程是將已燃氣體排出并為下一循環(huán)吸入 新鮮充量

3、，因此整個過程充量更換的完善程度新鮮充量，因此整個過程充量更換的完善程度 對于燃燒有重要的影響。對于燃燒有重要的影響。 Geely Automobile Institute 6 排氣提前（EO）：如果排氣門剛好在膨脹行程下止點時開啟，則排氣流通截面 增加過緩，缸內(nèi)壓力下降緩慢，活塞在向上止點運動時將造成較大的反壓力， 增大排氣行程所消耗的功，因此排氣門要提前開啟。 排氣滯后（EC）：活塞上行，排氣門流通截面逐漸縮小，氣門處的節(jié)流作用 加強，因此TDC處壓力再次上升，使得排氣所消耗的功與缸內(nèi)的殘余廢氣量 增加，因此排氣門在上止點后一定角度再關(guān)，利用缸內(nèi)氣體運動規(guī)律進一步將 廢氣排出，實現(xiàn)過后排氣

4、，故而排氣門要在TDC點后一定角度關(guān)閉。 充量更換之排氣過程充量更換之排氣過程 Geely Automobile Institute 7 進氣提前（IO）：為了使得在進氣過程開始時，進氣門有一定的流通截面，減 少進氣過程的阻力，增加進入氣缸的新鮮充量，進氣門也一般在上止點（TDC） 前提前開啟。 進氣滯后（IC）：為了充分利用吸氣過程中形成的進氣管內(nèi)氣流的流動慣性， 實現(xiàn)缸內(nèi)的過后充氣，進氣門不在下止點關(guān)閉，而是在下止點后一定角度關(guān)閉 充量更換之進氣過程充量更換之進氣過程 Geely Automobile Institute 8 充量更換之疊開角充量更換之疊開角 進氣早開、排氣晚關(guān)使得存在進、

5、進氣早開、排氣晚關(guān)使得存在進、 排氣門同時開啟的現(xiàn)象，通常將排氣門同時開啟的現(xiàn)象，通常將 這一現(xiàn)象稱為氣門疊開。這一現(xiàn)象稱為氣門疊開。 此時，進氣管、氣缸、排氣管三者直接相通，此時，進氣管、氣缸、排氣管三者直接相通， 這樣部分新鮮充量直接排入排氣管中，一方面這樣部分新鮮充量直接排入排氣管中，一方面 有利于掃除缸內(nèi)的殘余廢氣，增加氣缸充量；有利于掃除缸內(nèi)的殘余廢氣，增加氣缸充量； 一方面可以降低燃燒室內(nèi)的氣缸蓋、排氣門、一方面可以降低燃燒室內(nèi)的氣缸蓋、排氣門、 活塞頂、缸套的溫度。活塞頂、缸套的溫度。 合適的疊開角一方面可以改善缸內(nèi)充量，另外合適的疊開角一方面可以改善缸內(nèi)充量，另外 還可以達到對

6、受熱嚴(yán)重的部位進行冷卻。還可以達到對受熱嚴(yán)重的部位進行冷卻。 但過大的疊開角將使得部分高溫廢氣有可能倒但過大的疊開角將使得部分高溫廢氣有可能倒 流入進氣管中，引起進氣管回火。同時對汽油流入進氣管中，引起進氣管回火。同時對汽油 機而言，新鮮充量是油氣混合物，疊開角過大機而言，新鮮充量是油氣混合物，疊開角過大 將導(dǎo)致燃料的損失以及排氣中未燃將導(dǎo)致燃料的損失以及排氣中未燃HC的排放的排放 增加。增加。 Geely Automobile Institute 9 充量更換之缸內(nèi)流動充量更換之缸內(nèi)流動 研究表明，內(nèi)燃機缸內(nèi)空氣運動對混合氣形研究表明，內(nèi)燃機缸內(nèi)空氣運動對混合氣形 成和燃燒過程有決定性影響，

7、因而也影響發(fā)成和燃燒過程有決定性影響，因而也影響發(fā) 動機的動力性、經(jīng)濟性、燃燒噪音和有害廢動機的動力性、經(jīng)濟性、燃燒噪音和有害廢 氣的排放。氣的排放。 一般來說，缸內(nèi)的空氣運動有渦流、滾流、一般來說，缸內(nèi)的空氣運動有渦流、滾流、 擠流和湍流幾種。擠流和湍流幾種。 進氣渦流：在進氣過程中形成，繞氣缸軸線進氣渦流：在進氣過程中形成，繞氣缸軸線 有組織的氣流運動，它的主要作用是增加火有組織的氣流運動，它的主要作用是增加火 焰?zhèn)鞑ニ俾?，實現(xiàn)快速燃燒。焰?zhèn)鞑ニ俾?，實現(xiàn)快速燃燒。 產(chǎn)生進氣渦流的方法：導(dǎo)氣屏、切向氣道、產(chǎn)生進氣渦流的方法：導(dǎo)氣屏、切向氣道、 螺旋氣道螺旋氣道 Geely Automobil

8、e Institute 10 充量更換之缸內(nèi)流動充量更換之缸內(nèi)流動 導(dǎo)氣屏：強制空氣從導(dǎo)氣屏的前導(dǎo)氣屏：強制空氣從導(dǎo)氣屏的前 面流出，依靠氣缸壁面約束，產(chǎn)面流出，依靠氣缸壁面約束，產(chǎn) 生旋轉(zhuǎn)氣流。生旋轉(zhuǎn)氣流。 這種方法在試驗時調(diào)整方便，通這種方法在試驗時調(diào)整方便，通 常在單缸機上作測試用，為新氣常在單缸機上作測試用，為新氣 道的設(shè)計提供參考意見。道的設(shè)計提供參考意見。 由于氣門上有到氣屏，為保證工由于氣門上有到氣屏，為保證工 作時的氣流旋轉(zhuǎn)方向和強度，進作時的氣流旋轉(zhuǎn)方向和強度，進 氣門必須有導(dǎo)向裝置，使結(jié)構(gòu)變氣門必須有導(dǎo)向裝置，使結(jié)構(gòu)變 得復(fù)雜，制造成本增加。得復(fù)雜，制造成本增加。 Geel

9、y Automobile Institute 11 充量更換之缸內(nèi)流動充量更換之缸內(nèi)流動 切向氣道：切向氣道形狀較平直，在切向氣道：切向氣道形狀較平直，在 氣門座前強烈收縮，引導(dǎo)氣流以單邊氣門座前強烈收縮，引導(dǎo)氣流以單邊 切線方向進入氣缸，切線方向進入氣缸， 對氣口的位置較敏感，沙芯誤差對氣對氣口的位置較敏感，沙芯誤差對氣 道的質(zhì)量影響較大道的質(zhì)量影響較大。 螺旋氣道：在氣門座上方的氣門腔內(nèi)螺旋氣道：在氣門座上方的氣門腔內(nèi) 做成螺旋形，使氣流在螺旋氣道內(nèi)就做成螺旋形，使氣流在螺旋氣道內(nèi)就 形成一定強度的旋轉(zhuǎn)。形成一定強度的旋轉(zhuǎn)。 采用強渦流螺旋氣道燃燒室的性能與采用強渦流螺旋氣道燃燒室的性能與

10、 氣道質(zhì)量的關(guān)系極為密切，因此就大氣道質(zhì)量的關(guān)系極為密切，因此就大 大提高了對鑄造工藝和加工的要求大提高了對鑄造工藝和加工的要求 Geely Automobile Institute 12 充量更換之缸內(nèi)流動充量更換之缸內(nèi)流動 滾流：進氣過程中，繞垂直于氣缸軸線有組織的空氣旋流。滾流：進氣過程中，繞垂直于氣缸軸線有組織的空氣旋流。 滾流在壓縮過程中其動量衰減較少，活塞接近于滾流在壓縮過程中其動量衰減較少，活塞接近于TDCTDC時，時， 大尺度的滾流將破裂成眾多小尺度的渦，使湍流強度和湍大尺度的滾流將破裂成眾多小尺度的渦，使湍流強度和湍 流動能增加，大大提高火焰?zhèn)鞑ニ俾剩纳瓢l(fā)動機性能。流動能增

11、加，大大提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，改善發(fā)動機性能。 這種方式較適宜用于四氣門汽油機上，特別是在缸內(nèi)直噴這種方式較適宜用于四氣門汽油機上，特別是在缸內(nèi)直噴 汽油機上具有十分重要的地位。汽油機上具有十分重要的地位。 Geely Automobile Institute 13 充量更換之缸內(nèi)流動充量更換之缸內(nèi)流動 擠流：在壓縮過程后期，活塞表面的某一部擠流：在壓縮過程后期，活塞表面的某一部 分和氣缸蓋彼此靠近時產(chǎn)生的徑向或橫向氣分和氣缸蓋彼此靠近時產(chǎn)生的徑向或橫向氣 流運動。其強度主要由擠氣面積和擠氣間隙流運動。其強度主要由擠氣面積和擠氣間隙 的大小決定。的大小決定。 擠流在汽油機上得到了廣泛的應(yīng)用：汽油機

12、擠流在汽油機上得到了廣泛的應(yīng)用：汽油機 的燃燒室比較緊湊，這樣就有利于組織較強的燃燒室比較緊湊，這樣就有利于組織較強 的擠流運動，以增強燃燒室內(nèi)的湍流強度，的擠流運動，以增強燃燒室內(nèi)的湍流強度， 促進混合氣快速燃燒。促進混合氣快速燃燒。 湍流：在氣缸內(nèi)形成的無規(guī)則的氣流運動。湍流：在氣缸內(nèi)形成的無規(guī)則的氣流運動。 在汽油機上主要用于提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?。在汽油機上主要用于提高火焰?zhèn)鞑ニ俣取?Geely Automobile Institute 14 汽油機供油方式的歷史發(fā)展汽油機供油方式的歷史發(fā)展 在時間上可分在時間上可分 為三個階段：為三個階段： 1.1. 2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代前，年代前

13、， 化 油 器 式 汽 油 機化 油 器 式 汽 油 機 （carburetorcarburetor） 2.2. 9090年代開始，進氣年代開始，進氣 道多點電噴式汽油道多點電噴式汽油 機（機（MPIMPI） 3.3. 9090年代后期開始出年代后期開始出 現(xiàn)，缸內(nèi)直噴汽油現(xiàn)，缸內(nèi)直噴汽油 機（機（GDIGDI）。）。 汽油機供油方式的變遷汽油機供油方式的變遷 混合氣的形成混合氣的形成 Geely Automobile Institute 15 汽油機的燃燒過程汽油機的燃燒過程 進到缸內(nèi)的新鮮混合氣在壓縮進到缸內(nèi)的新鮮混合氣在壓縮 沖程末期，通過火花點燃，實沖程末期，通過火花點燃，實 現(xiàn)著火燃

14、燒?，F(xiàn)著火燃燒。 通常把汽油機燃燒的實際燃燒人為的分成著火通常把汽油機燃燒的實際燃燒人為的分成著火 階段、速燃期和后燃期三個階段階段、速燃期和后燃期三個階段 1-21-2：著火階段：電火花跳火到形成火焰核心階段：著火階段：電火花跳火到形成火焰核心階段 2 2-3-3：速燃期：火焰核心遍布整個燃燒室：速燃期：火焰核心遍布整個燃燒室 3-43-4： 后燃期：速燃期終點到燃料基本完全燃燒后燃期：速燃期終點到燃料基本完全燃燒 一般來說，為了保證汽油機工作柔和和好的動力性，一般應(yīng)使一般來說，為了保證汽油機工作柔和和好的動力性，一般應(yīng)使2 2 點在點在TDCTDC前前12-15CA12-15CA，最高燃燒

15、壓力點，最高燃燒壓力點3 3在在TDCTDC后后12-15CA12-15CA，壓力，壓力 升高率升高率dp/ddp/d為為0.175-0.25MPa/CA 0.175-0.25MPa/CA 。 Geely Automobile Institute 16 汽油機的燃燒過程汽油機的燃燒過程 可燃混合氣著火以后，形成火焰核心，可燃混合氣著火以后，形成火焰核心， 此火焰中心以一定的速率傳播到整個燃此火焰中心以一定的速率傳播到整個燃 燒室。燒室。 1 1、層流火焰?zhèn)鞑ニ俾剩夯鹧媲颁h面相對、層流火焰?zhèn)鞑ニ俾剩夯鹧媲颁h面相對 于未燃混合氣的相對速率，對發(fā)動機使于未燃混合氣的相對速率，對發(fā)動機使 用的混合氣，

16、其值在用的混合氣，其值在0.41.8ms0.41.8ms之間。之間。 2 2、湍流火焰速率：缸內(nèi)存在湍流，大標(biāo)、湍流火焰速率：缸內(nèi)存在湍流，大標(biāo) 尺的湍流將使火焰前鋒面發(fā)生扭曲，除尺的湍流將使火焰前鋒面發(fā)生扭曲，除 了使其面積增大外，還可使火焰前鋒分了使其面積增大外，還可使火焰前鋒分 裂成許多燃燒中心，導(dǎo)致湍流火焰速率裂成許多燃燒中心，導(dǎo)致湍流火焰速率 大大增加，小標(biāo)尺的湍流也可大大增加大大增加，小標(biāo)尺的湍流也可大大增加 焰面中分子與新鮮混合氣分子的相互滲焰面中分子與新鮮混合氣分子的相互滲 透，因此使湍流速率增加。透，因此使湍流速率增加。 Geely Automobile Institute

17、17 汽油機的燃燒過程汽油機的燃燒過程 燃燒循環(huán)變動：發(fā)動機在某一工況穩(wěn)定運行時，不同燃燒循環(huán)變動：發(fā)動機在某一工況穩(wěn)定運行時，不同 循環(huán)燃燒過程進行情況不斷變化，具體表現(xiàn)在缸內(nèi)壓循環(huán)燃燒過程進行情況不斷變化，具體表現(xiàn)在缸內(nèi)壓 力曲線和發(fā)動機功率輸出的變化。力曲線和發(fā)動機功率輸出的變化。 汽油機中典型的循環(huán)壓力變動情況 稀混合氣 COVimep = 4.5% 濃混合氣 COVimep = 3.6% Geely Automobile Institute 18 產(chǎn)生燃燒循環(huán)變動的原因 導(dǎo)致點燃式發(fā)動機燃燒循環(huán)變動的原因很多，以下導(dǎo)致點燃式發(fā)動機燃燒循環(huán)變動的原因很多，以下 兩個因素被認為是最主要的

18、：兩個因素被認為是最主要的： Geely Automobile Institute 19 產(chǎn)生燃燒循環(huán)變動的原因 Geely Automobile Institute 20 汽油機的燃燒過程汽油機的燃燒過程 一個典型工況下的循環(huán)變動一個典型工況下的循環(huán)變動 Geely Automobile Institute 21 汽油機的不正常燃燒汽油機的不正常燃燒 在某些條件下，汽油機的在某些條件下，汽油機的 燃燒會變得不正常。常見燃燒會變得不正常。常見 的不正常燃燒有爆燃（爆的不正常燃燒有爆燃（爆 震燃燒）和表面點火震燃燒）和表面點火 輕微的爆燃，發(fā)動機的功輕微的爆燃，發(fā)動機的功 率略有上升率略有上升

19、。 強烈爆燃，輸出功率、熱強烈爆燃，輸出功率、熱 效率降低，零件的應(yīng)力增效率降低，零件的應(yīng)力增 大，加速發(fā)動機的磨損。大，加速發(fā)動機的磨損。 爆燃：在爆燃：在TDCTDC處出現(xiàn)壓力處出現(xiàn)壓力 升高率急劇波動，火焰升高率急劇波動，火焰 傳播速度和火焰前鋒形傳播速度和火焰前鋒形 狀發(fā)生急劇變化。狀發(fā)生急劇變化。 Geely Automobile Institute 22 爆燃的原因 電火花點燃以后，火焰以正常傳播速率電火花點燃以后，火焰以正常傳播速率(30-70m/s)(30-70m/s)向向 前推進，使得處于最后燃燒位置上的那部分終燃混合氣，前推進，使得處于最后燃燒位置上的那部分終燃混合氣， 在

20、壓縮終點溫度的基礎(chǔ)上進一步受到壓縮和熱輻射，加在壓縮終點溫度的基礎(chǔ)上進一步受到壓縮和熱輻射，加 速其先期反應(yīng)，并放出部分熱量，使本身的溫度不斷升速其先期反應(yīng)，并放出部分熱量，使本身的溫度不斷升 高，以致在正?；鹧嫖吹竭_前，終燃混合氣內(nèi)部最適宜高，以致在正?；鹧嫖吹竭_前，終燃混合氣內(nèi)部最適宜 著火部位已出現(xiàn)一個或數(shù)個火焰中心，并從這些中心以著火部位已出現(xiàn)一個或數(shù)個火焰中心，并從這些中心以 100-300m100-300ms(s(輕微爆燃輕微爆燃) )直到直到800-1000m/s800-1000m/s或更高的速或更高的速 率率( (強烈爆燃強烈爆燃) )傳播火焰，迅速將終燃混合氣燃燒完畢。傳播火

21、焰，迅速將終燃混合氣燃燒完畢。 因此，汽油機的爆燃現(xiàn)象就是終燃混合氣的自燃現(xiàn)象。因此，汽油機的爆燃現(xiàn)象就是終燃混合氣的自燃現(xiàn)象。 最容易發(fā)生爆震燃燒的地點：離火焰前鋒面最遠以及具最容易發(fā)生爆震燃燒的地點：離火焰前鋒面最遠以及具 有高溫的地方（排氣門）。有高溫的地方（排氣門）。 Geely Automobile Institute 23 汽油機的不正常燃燒汽油機的不正常燃燒 表面點火：在點燃式發(fā)動機中，凡是不靠電火花點火，而由表面點火：在點燃式發(fā)動機中，凡是不靠電火花點火，而由 于熾熱表面（過熱的火花塞、排氣門、積碳處等）點燃混合于熾熱表面（過熱的火花塞、排氣門、積碳處等）點燃混合 氣而引起的燃

22、燒。氣而引起的燃燒。 一般而言，爆燃和表面點火是兩種不同的不正常燃燒。爆燃是一般而言，爆燃和表面點火是兩種不同的不正常燃燒。爆燃是 在電火花點火后末端混合氣自燃的現(xiàn)象，而表面點火是由熾熱在電火花點火后末端混合氣自燃的現(xiàn)象，而表面點火是由熾熱 物點燃混合氣所致。物點燃混合氣所致。 但兩者也有一定的相互促進的關(guān)系：但兩者也有一定的相互促進的關(guān)系： 強烈的爆燃必然增加向氣缸壁的傳熱，從而促使熾熱點的形強烈的爆燃必然增加向氣缸壁的傳熱，從而促使熾熱點的形 成，導(dǎo)致表面點火；由這些熾熱點引起的表面點火又使得氣缸成，導(dǎo)致表面點火；由這些熾熱點引起的表面點火又使得氣缸 壓力升高率和最高燃燒壓力增加，從而使壓

23、力升高率和最高燃燒壓力增加，從而使 未燃混合氣受到較未燃混合氣受到較 大的壓縮和傳熱，從而促進爆燃的發(fā)生。大的壓縮和傳熱，從而促進爆燃的發(fā)生。 Geely Automobile Institute 24 2 1 3 4 Geely Automobile Institute 25 缸內(nèi)噴射（缸內(nèi)噴射（GDI）技術(shù)）技術(shù) 汽油缸內(nèi)直噴（汽油缸內(nèi)直噴（GDI：Gasoline Direct Injection）是指汽油機采用與柴油機燃）是指汽油機采用與柴油機燃 料噴射相同的方式將燃料通過安裝在缸料噴射相同的方式將燃料通過安裝在缸 蓋上的噴油器直接噴到缸內(nèi)使之燃燒的蓋上的噴油器直接噴到缸內(nèi)使之燃燒的

24、一種新型技術(shù)。一種新型技術(shù)。 噴嘴 火花塞 當(dāng)燃油直接噴到缸內(nèi)時，可自由控制燃當(dāng)燃油直接噴到缸內(nèi)時，可自由控制燃 燒室內(nèi)的燃油分布，利用優(yōu)化設(shè)計的進燒室內(nèi)的燃油分布，利用優(yōu)化設(shè)計的進 氣道與活塞形成空氣流動，實現(xiàn)混合氣氣道與活塞形成空氣流動，實現(xiàn)混合氣 在缸內(nèi)分層分布，由此可獲得在傳統(tǒng)發(fā)在缸內(nèi)分層分布，由此可獲得在傳統(tǒng)發(fā) 動機中不可達到的稀空燃比（如動機中不可達到的稀空燃比（如40:140:1），）， 實現(xiàn)超稀薄混合氣穩(wěn)定燃燒。實現(xiàn)超稀薄混合氣穩(wěn)定燃燒。 這種系統(tǒng)主要的目的是實現(xiàn)汽油混合氣這種系統(tǒng)主要的目的是實現(xiàn)汽油混合氣 在氣缸內(nèi)的分層燃燒，降低汽油機的燃在氣缸內(nèi)的分層燃燒，降低汽油機的燃

25、油消耗率，特別是低負荷工況下的燃油油消耗率，特別是低負荷工況下的燃油 消耗率，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)較好的缸內(nèi)排消耗率，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)較好的缸內(nèi)排 放凈化效果。放凈化效果。 Geely Automobile Institute 26 GDIGDI與與MPIMPI的對比的對比 進氣門關(guān)閉時將燃油噴在各缸進氣閥進氣門關(guān)閉時將燃油噴在各缸進氣閥 的背面，形成混合氣，同時有大量的的背面，形成混合氣，同時有大量的 燃油附著在進氣道和氣門表面。在進燃油附著在進氣道和氣門表面。在進 氣沖程時才使油氣混合物進入氣缸。氣沖程時才使油氣混合物進入氣缸。 在冷起動時蒸發(fā)更不完全，在進氣道、在冷起動時蒸發(fā)更不完全，在進氣道、

26、 進氣閥背部表面形成的油膜使得實際進氣閥背部表面形成的油膜使得實際 噴入的燃油量遠遠超過理論值，以致噴入的燃油量遠遠超過理論值，以致 在啟動的前在啟動的前410個循環(huán)中會明顯出個循環(huán)中會明顯出 現(xiàn)失火或部分燃燒現(xiàn)象，導(dǎo)致現(xiàn)失火或部分燃燒現(xiàn)象，導(dǎo)致HC的的 排放顯著增加。排放顯著增加。 燃油的蒸發(fā)主要依賴于進氣道和進氣燃油的蒸發(fā)主要依賴于進氣道和進氣 閥等熱源對油膜的熱源傳遞，因而無閥等熱源對油膜的熱源傳遞，因而無 法顯著冷卻缸內(nèi)混合氣負荷的變化依法顯著冷卻缸內(nèi)混合氣負荷的變化依 靠節(jié)氣門調(diào)節(jié)，較大的泵氣損失導(dǎo)致靠節(jié)氣門調(diào)節(jié)，較大的泵氣損失導(dǎo)致 熱效率下降熱效率下降 噴射壓力較低，一般為噴射壓力

27、較低，一般為3.5bar MPI供油方式供油方式 在缸內(nèi)直接噴射汽油，沒有燃油著壁在缸內(nèi)直接噴射汽油，沒有燃油著壁 問題；可以在進氣行程噴油，也可以問題；可以在進氣行程噴油，也可以 在壓縮行程噴油，從而提高燃料利用在壓縮行程噴油，從而提高燃料利用 率率 燃油是以較細的霧化顆粒形式進入氣燃油是以較細的霧化顆粒形式進入氣 缸，在蒸發(fā)氣化過程中從周圍的空氣缸，在蒸發(fā)氣化過程中從周圍的空氣 中吸熱，可以有效地降低缸內(nèi)溫度；中吸熱，可以有效地降低缸內(nèi)溫度； 同時可以實現(xiàn)混合氣分層，實現(xiàn)稀薄同時可以實現(xiàn)混合氣分層，實現(xiàn)稀薄 燃燒，空燃比可以達到燃燒，空燃比可以達到4040：1 1，既可降，既可降 低低CO

28、2CO2的排放，又可提高壓縮比，從而的排放，又可提高壓縮比，從而 提高熱效率提高熱效率 可以不用節(jié)氣門，節(jié)流損失少。進一可以不用節(jié)氣門，節(jié)流損失少。進一 步改善燃料利用率步改善燃料利用率 冷起動時可以精確控制混合氣濃度，冷起動時可以精確控制混合氣濃度， HCHC排放量不大。在第二個循環(huán)就可以排放量不大。在第二個循環(huán)就可以 正常燃燒。另外，沒有著壁存在，所正常燃燒。另外，沒有著壁存在，所 以以HCHC的排放顯著降低。的排放顯著降低。 噴射壓力較高，噴射壓力較高，50150 bar50150 bar 瞬態(tài)工況響應(yīng)性有望改善，更精確的瞬態(tài)工況響應(yīng)性有望改善，更精確的 控制空燃比控制空燃比 GDI供油

29、方式供油方式 Geely Automobile Institute 27 GDI的兩種工作方式的兩種工作方式分層燃燒和均質(zhì)燃燒分層燃燒和均質(zhì)燃燒 一般來說，按照混合氣在缸內(nèi)的分布情況，一般來說，按照混合氣在缸內(nèi)的分布情況， 可將可將GDI燃燒分成均質(zhì)和分層燃燒兩種。燃燒分成均質(zhì)和分層燃燒兩種。 Geely Automobile Institute 28 均質(zhì)燃燒 對均質(zhì)預(yù)混合燃燒而言：對均質(zhì)預(yù)混合燃燒而言： 盡管稀薄燃燒指的是要比理論空燃比盡管稀薄燃燒指的是要比理論空燃比14.7更稀的燃燒，但在實際應(yīng)用中更稀的燃燒，但在實際應(yīng)用中 為了保證各缸不失火，混合氣不能太稀，實際的空燃比控制在以理論空

30、為了保證各缸不失火，混合氣不能太稀，實際的空燃比控制在以理論空 燃比為核心的一個狹窄區(qū)域內(nèi)，也就是說把實際空燃比控制在燃比為核心的一個狹窄區(qū)域內(nèi)，也就是說把實際空燃比控制在25以內(nèi)。以內(nèi)。 燃油按照化學(xué)當(dāng)量比或稍濃在進氣行程早期噴入汽缸形成均勻混合氣燃油按照化學(xué)當(dāng)量比或稍濃在進氣行程早期噴入汽缸形成均勻混合氣 蒸發(fā)吸熱、充氣效率提高、所需燃料辛烷值下降、壓縮比可提高（蒸發(fā)吸熱、充氣效率提高、所需燃料辛烷值下降、壓縮比可提高（12） 主要應(yīng)用在高轉(zhuǎn)速大負荷主要應(yīng)用在高轉(zhuǎn)速大負荷 這種方式存在的主要問題：這種方式存在的主要問題： a a）為保證所要求的空燃比，只能采用進氣管節(jié)流的方式對混合氣充量進

31、）為保證所要求的空燃比，只能采用進氣管節(jié)流的方式對混合氣充量進 行調(diào)節(jié)，這就會引起較大的泵氣損失，從而造成低負荷時的燃油經(jīng)濟性行調(diào)節(jié)，這就會引起較大的泵氣損失，從而造成低負荷時的燃油經(jīng)濟性 較差。較差。 b b）由于缸內(nèi)充滿了均勻的易著火和燃燒的混合氣，容易產(chǎn)生爆燃，因此）由于缸內(nèi)充滿了均勻的易著火和燃燒的混合氣，容易產(chǎn)生爆燃，因此 限定了壓縮比的提高，從而使熱效率降低。限定了壓縮比的提高，從而使熱效率降低。 c c）這種條件下所采用的混合氣比熱容較低，既降低了熱效率，也使）這種條件下所采用的混合氣比熱容較低，既降低了熱效率，也使NOxNOx 的排放較高。的排放較高。 Geely Automo

32、bile Institute 29 分層燃燒分層燃燒 由于均質(zhì)預(yù)混合燃燒的缺點，使得目前以由于均質(zhì)預(yù)混合燃燒的缺點，使得目前以分層進氣（分層燃燒）為主要分層進氣（分層燃燒）為主要 特征的特征的非均質(zhì)燃燒是實現(xiàn)稀薄燃燒的主要方式。非均質(zhì)燃燒是實現(xiàn)稀薄燃燒的主要方式。 采用分層充氣燃燒，可提高稀燃界限，以保證在空燃比大于采用分層充氣燃燒，可提高稀燃界限，以保證在空燃比大于2020的條件下的條件下 在火花塞附近形成易著火的可燃混合氣，而在周邊區(qū)域和燃燒室的大部在火花塞附近形成易著火的可燃混合氣，而在周邊區(qū)域和燃燒室的大部 分區(qū)域是稀混合氣。在濃稀之間，有從濃到稀的各種空燃比混合氣，有分區(qū)域是稀混合氣

33、。在濃稀之間，有從濃到稀的各種空燃比混合氣，有 利于火焰的傳播。利于火焰的傳播。 分層燃燒缸內(nèi)直噴發(fā)動機的空燃比的稀限可以提高到分層燃燒缸內(nèi)直噴發(fā)動機的空燃比的稀限可以提高到4040以上。以上。 小負荷工況不需要關(guān)小節(jié)氣門來限制進氣量小負荷工況不需要關(guān)小節(jié)氣門來限制進氣量 ，基本上避免了發(fā)動機換氣，基本上避免了發(fā)動機換氣 過程中的泵氣損失。過程中的泵氣損失。 大空燃比時，由于混合氣物性的改變，絕熱指數(shù)增加，傳熱損失減少，大空燃比時，由于混合氣物性的改變，絕熱指數(shù)增加，傳熱損失減少， 發(fā)動機的熱效率進一步提高。發(fā)動機的熱效率進一步提高。 汽車發(fā)動機經(jīng)常在小負荷工況下工作，因此采用這種燃燒方式工作

34、時，汽車發(fā)動機經(jīng)常在小負荷工況下工作，因此采用這種燃燒方式工作時， 可使其平均油耗降低可使其平均油耗降低15-20%15-20%，NOxNOx排放顯著降低。排放顯著降低。 但為了使發(fā)動機在燃用稀混合氣時工作穩(wěn)定可靠，需同時實現(xiàn)：但為了使發(fā)動機在燃用稀混合氣時工作穩(wěn)定可靠，需同時實現(xiàn)： q 改善混合氣的制備和分層；改善混合氣的制備和分層； q 控制燃燒過程，使之實現(xiàn)快速燃燒；控制燃燒過程，使之實現(xiàn)快速燃燒； q 改進或強化點火系。改進或強化點火系。 Geely Automobile Institute 30 福特福特PROCOPROCO稀燃系統(tǒng)：稀燃系統(tǒng)： 美國福特公司的美國福特公司的PROCO

35、PROCO（Programmed Programmed Combustion ProcessCombustion Process，程序化燃燒過程），程序化燃燒過程） 是是GDIGDI稀燃方式中應(yīng)用較早的系統(tǒng)。稀燃方式中應(yīng)用較早的系統(tǒng)。 其層狀燃燒系統(tǒng)采用統(tǒng)一式汽油直接噴射。其層狀燃燒系統(tǒng)采用統(tǒng)一式汽油直接噴射。 利用螺旋氣道形成渦流，汽油由噴油器直利用螺旋氣道形成渦流，汽油由噴油器直 接噴入燃燒室內(nèi)，噴油器兩側(cè)各裝一只火接噴入燃燒室內(nèi)，噴油器兩側(cè)各裝一只火 花塞，在火花塞附近分層為濃混合氣，利花塞，在火花塞附近分層為濃混合氣，利 用渦流和滾流進行油氣混合。噴油隨負荷用渦流和滾流進行油氣混合。噴

36、油隨負荷 的增大逐漸提前，使混合氣近于均勻。的增大逐漸提前，使混合氣近于均勻。 燃油在缸內(nèi)霧化需要吸收熱量，燃油在缸內(nèi)霧化需要吸收熱量， 因此使因此使 混合氣溫度下降，充量增加，從而使發(fā)動混合氣溫度下降，充量增加，從而使發(fā)動 機可采用更高的壓縮比。機可采用更高的壓縮比。 福特PROCO稀燃系統(tǒng) 低速時功率可增加低速時功率可增加5-10%5-10%，部分負荷和怠，部分負荷和怠 速時的油耗可分別降低速時的油耗可分別降低5%5% 和和12%12% 。與進。與進 氣管單點噴射（氣管單點噴射（PFIPFI）相比，）相比，NOxNOx和冷啟動和冷啟動 時未燃時未燃HCHC排放降低。排放降低。 幾種典型的幾

37、種典型的GDI燃燒方式燃燒方式 Geely Automobile Institute 31 三菱三菱4G系列缸內(nèi)直噴稀燃發(fā)動機系列缸內(nèi)直噴稀燃發(fā)動機 Geely Automobile Institute 32 立式進氣道與傳統(tǒng)進氣道比較 彎彎 曲曲 頂頂 面面 活活 塞塞 分層混合氣形成過程分層混合氣形成過程 立立 式式 進進 氣氣 道道 Geely Automobile Institute 33 三菱三菱4G1.8L GDI發(fā)動機發(fā)動機 發(fā)動機前視圖發(fā)動機前視圖 1.8L 1.8L 直列直列4 4缸、缸、4 4閥、雙頂置凸輪軸閥、雙頂置凸輪軸 噴油控制策略外特性曲線對比 Geely Auto

38、mobile Institute 34 豐田豐田D-4稀燃系統(tǒng)稀燃系統(tǒng) 進氣道上裝有電子渦流控制閥（進氣道上裝有電子渦流控制閥（E-SCVE-SCV），可形成不），可形成不 同角度的斜向進氣渦流，促進缸內(nèi)混合氣的形成。同角度的斜向進氣渦流，促進缸內(nèi)混合氣的形成。 燃燒室為半球屋頂形，活塞頂部有深凹坑，與進氣燃燒室為半球屋頂形，活塞頂部有深凹坑，與進氣 渦流旋轉(zhuǎn)方向及高精度的噴油時間和噴油方向協(xié)同控渦流旋轉(zhuǎn)方向及高精度的噴油時間和噴油方向協(xié)同控 制，在火花塞周圍形成較濃的易點燃的混合氣區(qū)域。制，在火花塞周圍形成較濃的易點燃的混合氣區(qū)域。 Geely Automobile Institute 35

39、 豐田豐田D-4稀燃系統(tǒng)稀燃系統(tǒng) 采用高壓（采用高壓（813MPa）旋流噴嘴，可實現(xiàn)高度微?；▏婌F粒度小于）旋流噴嘴，可實現(xiàn)高度微?；▏婌F粒度小于5微米）噴射，微米）噴射， 以抑制擴散燃燒產(chǎn)生的碳煙。以抑制擴散燃燒產(chǎn)生的碳煙。 靈活的電噴系統(tǒng)：可對不同工況采用不同的燃燒方式，保證所有工況下都能穩(wěn)定燃靈活的電噴系統(tǒng)：可對不同工況采用不同的燃燒方式，保證所有工況下都能穩(wěn)定燃 燒。燒。 低負荷及部分負荷：壓縮沖程后期噴油，形成明顯的分層燃燒；低負荷及部分負荷：壓縮沖程后期噴油，形成明顯的分層燃燒； 高速及大負荷：高速及大負荷： 進氣沖程就開始噴油，形成均質(zhì)化學(xué)計量比燃燒；進氣沖程就開始噴油，形成

40、均質(zhì)化學(xué)計量比燃燒； 其余工況：有弱分層燃燒和均質(zhì)燃燒兩個區(qū)域。其余工況：有弱分層燃燒和均質(zhì)燃燒兩個區(qū)域。 采用電控采用電控EGR系統(tǒng)控制分層燃燒時系統(tǒng)控制分層燃燒時NOx的產(chǎn)生的產(chǎn)生 帶有寬域氧傳感器、緊湊耦合三效催化器和吸附還原型稀燃主催化器降低帶有寬域氧傳感器、緊湊耦合三效催化器和吸附還原型稀燃主催化器降低NOx排放。排放。 通過裝有該發(fā)動機的整車工況試驗顯示，油耗比傳統(tǒng)汽油機節(jié)油通過裝有該發(fā)動機的整車工況試驗顯示，油耗比傳統(tǒng)汽油機節(jié)油35% 采用稀燃方式并保證燃燒穩(wěn)定性后，怠速時的穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速可降至采用稀燃方式并保證燃燒穩(wěn)定性后，怠速時的穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速可降至 600r/min600r/min，由此可節(jié)油，由此可節(jié)油4040% %。 由于稀燃界限擴大，較以化學(xué)計量比工作的普通汽油機節(jié)油由于稀燃界限擴大，較以化學(xué)計量比工作的普通汽油