汽油機(jī)稀薄燃燒與缸內(nèi)直噴技術(shù)

1、演講人：趙 強(qiáng)學(xué) 號(hào)：201620065機(jī)械工程學(xué)院目錄1.燃油噴射技術(shù)的發(fā)展2.稀薄燃燒3.缸內(nèi)直噴4.缸內(nèi)直噴技術(shù)的運(yùn)用5.缸內(nèi)直噴技術(shù)總結(jié)6.稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)劣分析7.稀薄燃燒與缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展方向1.燃油噴射技術(shù)的發(fā)展 20世紀(jì)末以前，化油器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，成本較低，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上。 為了適應(yīng)汽車(chē)排放法規(guī)日益嚴(yán)苛的要求，取而代之的汽油噴射技術(shù)成為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)的主流。傳統(tǒng)的汽油噴射技術(shù)即為進(jìn)氣道噴射技術(shù)，其分為單點(diǎn)噴射和多點(diǎn)噴射。 隨著汽車(chē)電控技術(shù)的迅速發(fā)展，以及人們需求的不斷提高，主流的進(jìn)氣管?chē)娚浼夹g(shù)慢慢的走下歷史舞臺(tái)，人們?yōu)樽非笃?chē)發(fā)動(dòng)機(jī)良好的燃油經(jīng)濟(jì)

2、性和尾氣排放質(zhì)量，從而提出了汽油機(jī)稀薄燃燒技術(shù)。2.稀薄燃燒 顧名思義就是發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣中的汽油含量低，汽油與空氣之比可達(dá)1：25以上，使達(dá)到燃燒效率高，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等目的，（將過(guò)量空氣系數(shù)=1左右提高到且遠(yuǎn)超于1.1的水平，可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗并改善CO2排放。）燃油混合氣過(guò)稀也會(huì)引發(fā)一系列問(wèn)題，故存在稀薄燃燒極限。應(yīng)注意：稀薄燃燒只是在部分負(fù)荷工況范圍實(shí)行稀薄燃燒， 在啟動(dòng)、怠速、加速和全負(fù)荷工況下都不能實(shí)行稀薄燃燒。 2.1.稀薄燃燒的方式 稀薄燃燒是建立在分層燃燒的基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)現(xiàn)，所謂分層燃燒就是，在著火時(shí)刻火花塞周?chē)植歼m合著火的濃混合氣，而燃燒室其他地方為稀混合氣。稀薄燃燒方式可分為：混合

3、氣形成方式化油器式、汽油噴射式氣缸內(nèi)渦流形式軸向分層式、縱向分層式根據(jù)噴射方式氣道噴射式（PFI）、缸內(nèi)直噴式（GDI） 軸向分層燃燒 軸向分層燃燒是指：對(duì)進(jìn)氣管?chē)娚淦蜁r(shí)，只要將噴油定時(shí)和空氣渦流運(yùn)動(dòng)巧妙地配臺(tái)，就可能實(shí)現(xiàn)氣缸內(nèi)混臺(tái)氣的軸向分層，如下圖所示。進(jìn)氣過(guò)程早期只有空氣進(jìn)入氣缸，進(jìn)氣組織較強(qiáng)的渦流；當(dāng)進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟接近最大升程時(shí)，將燃料噴入進(jìn)氣道；燃料在渦流的作用下，沿氣缸軸向便能發(fā)生分層。若渦流運(yùn)動(dòng)的徑向分量比軸向分量強(qiáng)，剛在壓縮過(guò)程就能維持這種軸向分層，在火花塞附近一層有較濃的混合氣，而其余部分混合氣較稀。軸向分層在四氣門(mén)汽油機(jī)上應(yīng)用較好，有的是只用一個(gè)氣道產(chǎn)生強(qiáng)烈渦流，也有的是兩個(gè)

4、氣道均形成渦流?？v向分層燃燒 是以日本三菱公司為代表的其旋轉(zhuǎn)軸線平行于曲軸中心線的翻滾氣流，又稱(chēng)滾筒分層。特點(diǎn)：進(jìn)氣道中心線幾乎與氣缸中心線平行。原理：氣流沿缸壁豎直向下，遇活塞而翻滾向上，在壓縮后期分解成無(wú)數(shù)的小漩渦：兩個(gè)進(jìn)氣道中只有一個(gè)噴油，另一個(gè)不噴，所以形成濃和稀兩股氣流，實(shí)現(xiàn)分層充氣。 缸內(nèi)直噴(GDI)是指將噴油嘴設(shè)置在進(jìn)排氣門(mén)之間，高壓燃油直接注入燃燒室平順高效地燃燒，缸內(nèi)直噴所宣揚(yáng)的是通過(guò)均質(zhì)燃燒和分層燃燒實(shí)現(xiàn)了高負(fù)荷、尤其是低負(fù)荷下的燃油消耗降低，動(dòng)力還有提升的一種技術(shù)。又稱(chēng)FSI(Fuel Stratified Injection)，即燃料分層噴射技術(shù)。3.缸內(nèi)直噴3.1.

5、缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式：均質(zhì)燃燒普通燃燒方式，即燃料和空氣混合形成一定濃度的可燃混合氣整個(gè)燃燒室內(nèi)混合氣的空燃比低相同的。分層燃燒整個(gè)燃燒室內(nèi)混合氣的空燃比不同，火花塞周?chē)旌蠚鉂舛缺绕渌胤礁?。目?均質(zhì)燃燒：在高速行駛、加速行駛時(shí)獲得大功率； 分層燃燒：在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷是節(jié)省燃油。目前，為達(dá)到分層燃燒的所采取的技術(shù)手段主要有以下三種：1.采用多次噴射技術(shù)，使混合氣濃度加以區(qū)分。2.利用燃燒室壁面結(jié)構(gòu)，令混合氣產(chǎn)生滾流，進(jìn)而產(chǎn)生濃度差異。3.通過(guò)可變進(jìn)氣技術(shù)，在發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)部分進(jìn)氣道實(shí)施截流，以增大進(jìn)氣渦流強(qiáng)度，促使混合氣分層的形成。一般來(lái)說(shuō)氣道噴射稀薄燃燒（PFI）發(fā)動(dòng)機(jī)多采用第

6、三種技術(shù)方案，而直噴稀薄燃燒（GDI）發(fā)動(dòng)機(jī)則對(duì)前兩種實(shí)現(xiàn)手段更為青睞。多次噴射實(shí)現(xiàn)分層燃燒的過(guò)程： 首先，發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣行程活塞移至下至點(diǎn)時(shí)，ECU控制噴油嘴進(jìn)行一次小量的噴油，是氣缸內(nèi)形成稀薄混合氣。 其次，在活塞圧縮行程末端是在進(jìn)行一次噴油，這樣在火花塞附近形成混合氣相對(duì)濃度較高。利用燃燒室壁面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分層燃燒： 油束在不同的壁面溫度、撞壁高度和油束入射角對(duì)油束霧化發(fā)展有著很大影響。4.缸內(nèi)直噴技術(shù)的運(yùn)用VAG集團(tuán)中被廣泛運(yùn)用，由AudiRS4和R8共享的4.2升FSI發(fā)動(dòng)機(jī)即是其中性能強(qiáng)悍的代表作。比較著名的三菱缸內(nèi)噴注汽油機(jī)（GDI），可令混合比達(dá)到40:1。大眾的直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)（FS

7、I），則是采用了一個(gè)高壓泵，汽油通過(guò)一個(gè)分流軌道（共軌）到達(dá)電磁控制的高壓噴射氣門(mén)。本田最新的VTEC發(fā)動(dòng)機(jī)也將采用稀燃技術(shù)，能夠比一般省油20%。其中各廠商缸內(nèi)直噴技術(shù)英文縮寫(xiě)：大眾：TSI（其中T代表渦輪增壓）、奧迪：TFSI/FSI、梅賽德斯-奔馳：CGI、寶馬：GDI、通用：SIDI、福特：GDI、比亞迪：TI。5.缸內(nèi)直噴技術(shù)總結(jié) 車(chē)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)稀燃的關(guān)鍵技術(shù)歸納起來(lái)有以下三個(gè)主要方面：一、提高壓縮比采用緊湊型燃燒室，通過(guò)進(jìn)氣口位置改進(jìn)使缸內(nèi)形成較強(qiáng)的空氣運(yùn)動(dòng)旋流，提高氣流速度；將火花塞置于燃燒室中央，縮短點(diǎn)火距離；提高壓縮比至13：1左右，促使燃燒速度加快。二、分層燃燒如果稀燃技

8、術(shù)的混合比達(dá)到25：1以上，按照常規(guī)是無(wú)法點(diǎn)燃的，因此必須采用由濃至稀的分層燃燒方式。通過(guò)缸內(nèi)空氣的運(yùn)動(dòng)在火花塞周?chē)纬梢子邳c(diǎn)火的濃混合氣，混合比達(dá)到12：1左右，外層逐漸稀薄。濃混合氣點(diǎn)燃后，燃燒迅速波及外層。為了提高燃燒的穩(wěn)定性，降低氮氧化物（NOx），現(xiàn)在采用燃油噴射定時(shí)與分段噴射技術(shù)，即將噴油分成兩個(gè)階段，進(jìn)氣初期噴油，燃油首先進(jìn)入缸內(nèi)下部隨后在缸內(nèi)均勻分布，進(jìn)氣后期噴油，濃混合氣在缸內(nèi)上部聚集在火花塞四周被點(diǎn)燃，實(shí)現(xiàn)分層燃燒。三、高能點(diǎn)火 高能點(diǎn)火和寬間隙火花塞有利于火核形成，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短，燃燒速度增快，稀燃極限大。有些稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙火花塞或者多極火花塞裝置來(lái)達(dá)到上述目的。6.

9、稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)劣分析 6.1.優(yōu)勢(shì) 1.對(duì)經(jīng)濟(jì)性的改善 隨著空燃比的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗明顯下降（1）首先是采用稀薄混合氣燃燒時(shí)循環(huán)熱效率提高。（2）另外，由于稀燃混合氣燃燒溫度低，燃燒產(chǎn)物的離解損失減小，并且降低了與氣缸壁面的傳熱，也使熱效率得以提高。（3）由于稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)一般不受到高負(fù)荷時(shí)的爆燃極限的限制，可以采用較高壓縮比，有利于熱效率的提高。 2. 對(duì)排放的改善 隨著空燃比的增加，由于采用稀的混合氣使燃燒溫度降低，NOx的排放明顯減少，同時(shí)燃燒產(chǎn)物中的氧成分有利于HC和CO的氧化，因此，HC和CO的排放也減小，然而，隨著空燃比增加到一定程度，由于燃燒速度的降低可能會(huì)使燃燒不完全，HC的排

10、放會(huì)迅速增加。如果能合理地設(shè)計(jì)緊湊的燃燒室，并組織好空氣運(yùn)動(dòng)使燃燒在短時(shí)間內(nèi)完成，那么三種排放都可以大大減少。 6.1.不足 （1） 在稀薄燃燒中，排放氣體中殘留很多氧氣，不能進(jìn)行NOx還原反應(yīng)。為了使NOx吸儲(chǔ)型催化劑獲得高效功能，其溫度必須保持在250-500范圍內(nèi)。當(dāng)超過(guò)這一溫度范圍發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到均質(zhì)理論空燃比燃燒，并通過(guò)三效催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)行廢氣處理。然而這又與燃油經(jīng)濟(jì)性下降相關(guān)，為此，必須增加廢氣冷卻裝置。 （2）另稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)由于噴射器的加入導(dǎo)致了對(duì)設(shè)計(jì)和制造的要求都相當(dāng)?shù)母?，如果布置不合理、制造精度達(dá)不到要求導(dǎo)致剛度不足甚至漏氣只能得不償失。 （3）稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油品質(zhì)的要求也比較高。7.稀薄燃燒與缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展方向HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）的意思是“均質(zhì)充量壓燃”，它是一種以O(shè)tto往復(fù)式汽油機(jī)為基礎(chǔ)的一種新型燃燒模式。在實(shí)際運(yùn)用HCCI技術(shù)的研發(fā)上，奔馳和GM走在了前列，以奔馳的07年的F700概念車(chē)為例，其DiesOtto 1.8T直4 CGI直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在采用HCCI技術(shù)后，輸出功率達(dá)到238hp，最大扭矩達(dá)到400N.m，完全就是一臺(tái)3.5L V6的水平，難得的是它的油耗僅為6L/100km，二