汽油機(jī)燃燒技術(shù)

1、Geely Automobile Institute汽油機(jī)燃燒技術(shù)汽油機(jī)燃燒技術(shù)Geely Automobile Institute23214Geely Automobile Institute3引言引言 內(nèi)燃機(jī)按照所燃用燃料的不同可分成：內(nèi)燃機(jī)按照所燃用燃料的不同可分成： 汽油機(jī)、柴油機(jī)和代用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)（汽油機(jī)、柴油機(jī)和代用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)（CNG、LPG） 按照燃燒方式的不同：按照燃燒方式的不同： 火花點(diǎn)火燃燒火花點(diǎn)火燃燒汽油機(jī)汽油機(jī) 壓縮著火燃燒壓縮著火燃燒柴油機(jī)柴油機(jī) 目前，汽油機(jī)廣泛應(yīng)用于轎車上。目前，汽油機(jī)廣泛應(yīng)用于轎車上。 加深對(duì)汽油機(jī)燃燒工作原理的認(rèn)識(shí)。加深對(duì)汽油機(jī)燃燒工作原理的認(rèn)識(shí)

2、。Geely Automobile Institute43124Geely Automobile Institute5傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒 對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)而言，一個(gè)完整的工作循環(huán)對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)而言，一個(gè)完整的工作循環(huán)由進(jìn)氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣四個(gè)沖程組成。由進(jìn)氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣四個(gè)沖程組成。 通常將內(nèi)燃機(jī)從排氣門開啟至進(jìn)氣門關(guān)閉的整通常將內(nèi)燃機(jī)從排氣門開啟至進(jìn)氣門關(guān)閉的整個(gè)過程稱為內(nèi)燃機(jī)的充量更換過程。個(gè)過程稱為內(nèi)燃機(jī)的充量更換過程。 整個(gè)過程是將已燃?xì)怏w排出并為下一循環(huán)吸入整個(gè)過程是將已燃?xì)怏w排出并為下一循環(huán)吸入新鮮充量，因此整個(gè)過程充量更換的完善程度新鮮充量，因

3、此整個(gè)過程充量更換的完善程度對(duì)于燃燒有重要的影響。對(duì)于燃燒有重要的影響。Geely Automobile Institute6排氣提前（EO）：如果排氣門剛好在膨脹行程下止點(diǎn)時(shí)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)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(qiáng)，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(diǎn)后一定角度再關(guān)，利用缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)一步將廢氣排出，實(shí)現(xiàn)過后排氣，故而排氣門要在TDC點(diǎn)后一定角度關(guān)閉。充量更換之排氣過程充量更

4、換之排氣過程Geely Automobile Institute7進(jìn)氣提前（IO）：為了使得在進(jìn)氣過程開始時(shí)，進(jìn)氣門有一定的流通截面，減少進(jìn)氣過程的阻力，增加進(jìn)入氣缸的新鮮充量，進(jìn)氣門也一般在上止點(diǎn)（TDC）前提前開啟。進(jìn)氣滯后（IC）：為了充分利用吸氣過程中形成的進(jìn)氣管內(nèi)氣流的流動(dòng)慣性，實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)的過后充氣，進(jìn)氣門不在下止點(diǎn)關(guān)閉，而是在下止點(diǎn)后一定角度關(guān)閉充量更換之進(jìn)氣過程充量更換之進(jìn)氣過程Geely Automobile Institute8充量更換之疊開角充量更換之疊開角 進(jìn)氣早開、排氣晚關(guān)使得存在進(jìn)、進(jìn)氣早開、排氣晚關(guān)使得存在進(jìn)、排氣門同時(shí)開啟的現(xiàn)象，通常將排氣門同時(shí)開啟的現(xiàn)象，通常將這

5、一現(xiàn)象稱為氣門疊開。這一現(xiàn)象稱為氣門疊開。此時(shí)，進(jìn)氣管、氣缸、排氣管三者直接相通，此時(shí)，進(jìn)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?；钊?、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(dá)到對(duì)受熱嚴(yán)重的部位進(jìn)行冷卻。還可以達(dá)到對(duì)受熱嚴(yán)重的部位進(jìn)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

6、的疊開角將使得部分高溫廢氣有可能倒流入進(jìn)氣管中，引起進(jìn)氣管回火。同時(shí)對(duì)汽油流入進(jìn)氣管中，引起進(jìn)氣管回火。同時(shí)對(duì)汽油機(jī)而言，新鮮充量是油氣混合物，疊開角過大機(jī)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 Institute9充量更換之缸內(nèi)流動(dòng)充量更換之缸內(nèi)流動(dòng) 研究表明，內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)對(duì)混合氣形研究表明，內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)對(duì)混合氣形成和燃燒過程有決定性影響，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(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、燃燒噪音和有害廢動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、燃燒噪音和有害

7、廢氣的排放。氣的排放。 一般來(lái)說，缸內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)有渦流、滾流、一般來(lái)說，缸內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)有渦流、滾流、擠流和湍流幾種。擠流和湍流幾種。 進(jìn)氣渦流：在進(jìn)氣過程中形成，繞氣缸軸線進(jìn)氣渦流：在進(jìn)氣過程中形成，繞氣缸軸線有組織的氣流運(yùn)動(dòng)，它的主要作用是增加火有組織的氣流運(yùn)動(dòng)，它的主要作用是增加火焰?zhèn)鞑ニ俾?，?shí)現(xiàn)快速燃燒。焰?zhèn)鞑ニ俾?，?shí)現(xiàn)快速燃燒。 產(chǎn)生進(jìn)氣渦流的方法：導(dǎo)氣屏、切向氣道、產(chǎn)生進(jìn)氣渦流的方法：導(dǎo)氣屏、切向氣道、螺旋氣道螺旋氣道Geely Automobile Institute10充量更換之缸內(nèi)流動(dòng)充量更換之缸內(nèi)流動(dòng) 導(dǎo)氣屏：強(qiáng)制空氣從導(dǎo)氣屏的前導(dǎo)氣屏：強(qiáng)制空氣從導(dǎo)氣屏的前面流出，依靠氣缸壁

8、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(yàn)時(shí)調(diào)整方便，通這種方法在試驗(yàn)時(shí)調(diào)整方便，通常在單缸機(jī)上作測(cè)試用，為新氣常在單缸機(jī)上作測(cè)試用，為新氣道的設(shè)計(jì)提供參考意見。道的設(shè)計(jì)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(shí)的氣流旋轉(zhuǎn)方向和強(qiáng)度，進(jìn)作時(shí)的氣流旋轉(zhuǎn)方向和強(qiáng)度，進(jìn)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。Geely Automobile Institute11充量更換之缸內(nèi)流動(dòng)充量更換之缸內(nèi)流動(dòng) 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

9、強(qiáng)烈收縮，引導(dǎo)氣流以單邊氣門座前強(qiáng)烈收縮，引導(dǎo)氣流以單邊切線方向進(jìn)入氣缸，切線方向進(jìn)入氣缸， 對(duì)氣口的位置較敏感，沙芯誤差對(duì)氣對(duì)氣口的位置較敏感，沙芯誤差對(duì)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(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)。形成一定強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)。 采用強(qiáng)渦流螺旋氣道燃燒室的性能與采用強(qiáng)渦流螺旋氣道燃燒室的性能與氣道質(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(duì)鑄造工藝和加工的要求大提高了對(duì)鑄造工藝和加工的要求Geely Automobile Institu

10、te12充量更換之缸內(nèi)流動(dòng)充量更換之缸內(nèi)流動(dòng)滾流：進(jìn)氣過程中，繞垂直于氣缸軸線有組織的空氣旋流。滾流：進(jìn)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(dòng)量衰減較少，活塞接近于滾流在壓縮過程中其動(dòng)量衰減較少，活塞接近于TDCTDC時(shí)，時(shí)，大尺度的滾流將破裂成眾多小尺度的渦，使湍流強(qiáng)度和湍大尺度的滾流將破裂成眾多小尺度的渦，使湍流強(qiáng)度和湍流動(dòng)能增加，大大提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。流動(dòng)能增加，大大提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。這種方式較適宜用于四氣門汽油機(jī)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(jī)上，特別是在缸內(nèi)直噴汽油機(jī)上具有十分重要的地位。汽油機(jī)上具有十分重要

11、的地位。Geely Automobile Institute13充量更換之缸內(nèi)流動(dòng)充量更換之缸內(nèi)流動(dòng) 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(shí)產(chǎn)生的徑向或橫向氣分和氣缸蓋彼此靠近時(shí)產(chǎn)生的徑向或橫向氣流運(yùn)動(dòng)。其強(qiáng)度主要由擠氣面積和擠氣間隙流運(yùn)動(dòng)。其強(qiáng)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(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用：汽油機(jī)擠流在汽油機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用：汽油機(jī)的燃燒室比較緊湊，這樣就有利于組織較強(qiáng)的燃燒室比較緊湊，這樣就有利于組織較強(qiáng)的擠流運(yùn)動(dòng)，以增強(qiáng)燃燒室內(nèi)的湍流強(qiáng)度，的擠流運(yùn)動(dòng)，以增強(qiáng)燃燒室內(nèi)的湍流強(qiáng)度，促進(jìn)混合氣快速燃

12、燒。促進(jìn)混合氣快速燃燒。 湍流：在氣缸內(nèi)形成的無(wú)規(guī)則的氣流運(yùn)動(dòng)。湍流：在氣缸內(nèi)形成的無(wú)規(guī)則的氣流運(yùn)動(dòng)。 在汽油機(jī)上主要用于提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?。在汽油機(jī)上主要用于提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?。Geely Automobile Institute14 汽油機(jī)供油方式的歷史發(fā)展汽油機(jī)供油方式的歷史發(fā)展 在時(shí)間上可分在時(shí)間上可分為三個(gè)階段：為三個(gè)階段：1.1. 2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代前，年代前，化 油 器 式 汽 油 機(jī)化 油 器 式 汽 油 機(jī)（carburetorcarburetor）2.2. 9090年代開始，進(jìn)氣年代開始，進(jìn)氣道多點(diǎn)電噴式汽油道多點(diǎn)電噴式汽油機(jī)（機(jī)（MPIMPI）3.3. 9090年代

13、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(jī)（機(jī)（GDIGDI）。）。 汽油機(jī)供油方式的變遷汽油機(jī)供油方式的變遷 混合氣的形成混合氣的形成Geely Automobile Institute15汽油機(jī)的燃燒過程汽油機(jī)的燃燒過程 進(jìn)到缸內(nèi)的新鮮混合氣在壓縮進(jìn)到缸內(nèi)的新鮮混合氣在壓縮沖程末期，通過火花點(diǎn)燃，實(shí)沖程末期，通過火花點(diǎn)燃，實(shí)現(xiàn)著火燃燒?，F(xiàn)著火燃燒。通常把汽油機(jī)燃燒的實(shí)際燃燒人為的分成著火通常把汽油機(jī)燃燒的實(shí)際燃燒人為的分成著火階段、速燃期和后燃期三個(gè)階段階段、速燃期和后燃期三個(gè)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

14、 2-3-3：速燃期：火焰核心遍布整個(gè)燃燒室：速燃期：火焰核心遍布整個(gè)燃燒室3-43-4： 后燃期：速燃期終點(diǎn)到燃料基本完全燃燒后燃期：速燃期終點(diǎn)到燃料基本完全燃燒 一般來(lái)說，為了保證汽油機(jī)工作柔和和好的動(dòng)力性，一般應(yīng)使一般來(lái)說，為了保證汽油機(jī)工作柔和和好的動(dòng)力性，一般應(yīng)使2 2點(diǎn)在點(diǎn)在TDCTDC前前12-15CA12-15CA，最高燃燒壓力點(diǎn)，最高燃燒壓力點(diǎn)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 Institute16汽油機(jī)的燃燒

15、過程汽油機(jī)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(gè)燃此火焰中心以一定的速率傳播到整個(gè)燃燒室。燒室。1 1、層流火焰?zhèn)鞑ニ俾剩夯鹧媲颁h面相對(duì)、層流火焰?zhèn)鞑ニ俾剩夯鹧媲颁h面相對(duì)于未燃混合氣的相對(duì)速率，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使于未燃混合氣的相對(duì)速率，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用的混合氣，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

16、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 Institute17汽油機(jī)的燃燒過程汽油機(jī)的燃燒過程 燃燒循環(huán)變動(dòng)：發(fā)動(dòng)機(jī)在某一工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，不同燃燒循環(huán)變動(dòng)：發(fā)動(dòng)機(jī)在某一工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，不同循環(huán)燃燒過程進(jìn)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(jìn)行情況不斷變化，具體表現(xiàn)在缸內(nèi)壓力曲線和發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出的變化。力曲線和發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出的變化。汽油機(jī)中典型

17、的循環(huán)壓力變動(dòng)情況稀混合氣COVimep = 4.5%濃混合氣COVimep = 3.6%Geely Automobile Institute18產(chǎn)生燃燒循環(huán)變動(dòng)的原因 導(dǎo)致點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)的原因很多，以下導(dǎo)致點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)的原因很多，以下兩個(gè)因素被認(rèn)為是最主要的：兩個(gè)因素被認(rèn)為是最主要的： Geely Automobile Institute19產(chǎn)生燃燒循環(huán)變動(dòng)的原因 Geely Automobile Institute20汽油機(jī)的燃燒過程汽油機(jī)的燃燒過程 一個(gè)典型工況下的循環(huán)變動(dòng)一個(gè)典型工況下的循環(huán)變動(dòng)Geely Automobile Institute21汽油機(jī)的不正常

18、燃燒汽油機(jī)的不正常燃燒在某些條件下，汽油機(jī)的在某些條件下，汽油機(jī)的燃燒會(huì)變得不正常。常見燃燒會(huì)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(diǎn)火震燃燒）和表面點(diǎn)火輕微的爆燃，發(fā)動(dòng)機(jī)的功輕微的爆燃，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率略有上升率略有上升 。強(qiáng)烈爆燃，輸出功率、熱強(qiáng)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(dòng)機(jī)的磨損。大，加速發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)，火焰升高率急劇波動(dòng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧媲颁h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 Institut

19、e22爆燃的原因 電火花點(diǎn)燃以后，火焰以正常傳播速率電火花點(diǎn)燃以后，火焰以正常傳播速率(30-70m/s)(30-70m/s)向向前推進(jìn)，使得處于最后燃燒位置上的那部分終燃混合氣，前推進(jìn)，使得處于最后燃燒位置上的那部分終燃混合氣，在壓縮終點(diǎn)溫度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步受到壓縮和熱輻射，加在壓縮終點(diǎn)溫度的基礎(chǔ)上進(jìn)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_(dá)前，終燃混合氣內(nèi)部最適宜高，以致在正?；鹧嫖吹竭_(dá)前，終燃混合氣內(nèi)部最適宜著火部位已出現(xiàn)一個(gè)或數(shù)個(gè)火焰中心，并從這些中心以著火部位已出現(xiàn)一個(gè)或數(shù)個(gè)火焰中心，

20、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(qiáng)烈爆燃強(qiáng)烈爆燃) )傳播火焰，迅速將終燃混合氣燃燒完畢。傳播火焰，迅速將終燃混合氣燃燒完畢。 因此，汽油機(jī)的爆燃現(xiàn)象就是終燃混合氣的自燃現(xiàn)象。因此，汽油機(jī)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(diǎn)：離火焰前鋒面最遠(yuǎn)以及具最容易發(fā)生爆震燃燒的地點(diǎn)：離火焰前鋒面最遠(yuǎn)以及具有高溫的地方（排氣門）。有高溫的地方（排氣門）。Geely Automobile Institute23汽油機(jī)的不正常燃燒汽油機(jī)的不正常燃燒表面點(diǎn)火：在

21、點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中，凡是不靠電火花點(diǎn)火，而由表面點(diǎn)火：在點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中，凡是不靠電火花點(diǎn)火，而由于熾熱表面（過熱的火花塞、排氣門、積碳處等）點(diǎn)燃混合于熾熱表面（過熱的火花塞、排氣門、積碳處等）點(diǎn)燃混合氣而引起的燃燒。氣而引起的燃燒。一般而言，爆燃和表面點(diǎn)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(diǎn)火是兩種不同的不正常燃燒。爆燃是在電火花點(diǎn)火后末端混合氣自燃的現(xiàn)象，而表面點(diǎn)火是由熾熱在電火花點(diǎn)火后末端混合氣自燃的現(xiàn)象，而表面點(diǎn)火是由熾熱物點(diǎn)燃混合氣所致。物點(diǎn)燃混合氣所致。但兩者也有一定的相互促進(jìn)的關(guān)系：但兩者也有一定的相互促進(jìn)的關(guān)系： 強(qiáng)烈的爆燃必然增加向氣缸壁的傳熱，從而促使熾熱點(diǎn)的形強(qiáng)

22、烈的爆燃必然增加向氣缸壁的傳熱，從而促使熾熱點(diǎn)的形成，導(dǎo)致表面點(diǎn)火；由這些熾熱點(diǎn)引起的表面點(diǎn)火又使得氣缸成，導(dǎo)致表面點(diǎn)火；由這些熾熱點(diǎn)引起的表面點(diǎn)火又使得氣缸壓力升高率和最高燃燒壓力增加，從而使壓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(jìn)爆燃的發(fā)生。大的壓縮和傳熱，從而促進(jìn)爆燃的發(fā)生。Geely Automobile Institute242134Geely Automobile Institute25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(jī)采用與柴

23、油機(jī)燃）是指汽油機(jī)采用與柴油機(jī)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(shí)，可自由控制燃當(dāng)燃油直接噴到缸內(nèi)時(shí)，可自由控制燃燒室內(nèi)的燃油分布，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)燒室內(nèi)的燃油分布，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)氣道與活塞形成空氣流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)混合氣氣道與活塞形成空氣流動(dòng)，實(shí)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(dòng)機(jī)中不可達(dá)到的稀空燃比（如動(dòng)機(jī)中不可達(dá)到的稀空燃比（如40:140:1），），實(shí)現(xiàn)超稀薄混合氣穩(wěn)定燃燒。實(shí)現(xiàn)超稀薄混合氣

24、穩(wěn)定燃燒。這種系統(tǒng)主要的目的是實(shí)現(xiàn)汽油混合氣這種系統(tǒng)主要的目的是實(shí)現(xiàn)汽油混合氣在氣缸內(nèi)的分層燃燒，降低汽油機(jī)的燃在氣缸內(nèi)的分層燃燒，降低汽油機(jī)的燃油消耗率，特別是低負(fù)荷工況下的燃油油消耗率，特別是低負(fù)荷工況下的燃油消耗率，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)較好的缸內(nèi)排消耗率，同時(shí)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 Institute26GDIGDI與與MPIMPI的對(duì)比的對(duì)比進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)將燃油噴在各缸進(jìn)氣閥進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)將燃油噴在各缸進(jìn)氣閥的背面，形成混合氣，同時(shí)有大量的的背面，形成混合氣，同時(shí)有大量的燃油附著在進(jìn)氣道和氣門表面。在進(jìn)燃油附著在進(jìn)氣道和氣門表面。在進(jìn)氣沖程

25、時(shí)才使油氣混合物進(jìn)入氣缸。氣沖程時(shí)才使油氣混合物進(jìn)入氣缸。在冷起動(dòng)時(shí)蒸發(fā)更不完全，在進(jìn)氣道、在冷起動(dòng)時(shí)蒸發(fā)更不完全，在進(jìn)氣道、進(jìn)氣閥背部表面形成的油膜使得實(shí)際進(jìn)氣閥背部表面形成的油膜使得實(shí)際噴入的燃油量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過理論值，以致噴入的燃油量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過理論值，以致在啟動(dòng)的前在啟動(dòng)的前410個(gè)循環(huán)中會(huì)明顯出個(gè)循環(huán)中會(huì)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(jìn)氣道和進(jìn)氣燃油的蒸發(fā)主要依賴于進(jìn)氣道和進(jìn)氣閥等熱源對(duì)油膜的熱源傳遞，因而無(wú)閥等熱源對(duì)油膜的熱源傳遞，因而無(wú)法顯著冷卻缸內(nèi)混合氣負(fù)荷的變化依法顯著冷卻缸內(nèi)混合氣負(fù)荷的變化依靠節(jié)氣門

26、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，一般為噴射壓力較低，一般為3.5barMPI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(jìn)氣行程噴油，也可以問題；可以在進(jìn)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(xì)的霧化顆粒形式進(jìn)入氣燃油是以較細(xì)的霧化顆粒形式進(jìn)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(shí)可以實(shí)現(xiàn)混合氣分層，實(shí)現(xiàn)稀薄同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)混合氣分層，實(shí)現(xiàn)

27、稀薄燃燒，空燃比可以達(dá)到燃燒，空燃比可以達(dá)到4040：1 1，既可降，既可降低低CO2CO2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(jìn)一可以不用節(jié)氣門，節(jié)流損失少。進(jìn)一步改善燃料利用率步改善燃料利用率冷起動(dòng)時(shí)可以精確控制混合氣濃度，冷起動(dòng)時(shí)可以精確控制混合氣濃度，HCHC排放量不大。在第二個(gè)循環(huán)就可以排放量不大。在第二個(gè)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

28、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供油方式供油方式Geely Automobile Institute27GDI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(lái)說，按照混合氣在缸內(nèi)的分布情況，一般來(lái)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 Institute28均質(zhì)燃燒對(duì)均質(zhì)預(yù)混合燃燒而言：對(duì)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(shí)際應(yīng)用中更稀的燃燒，但在實(shí)際應(yīng)用中為了保證各缸不失火，

29、混合氣不能太稀，實(shí)際的空燃比控制在以理論空為了保證各缸不失火，混合氣不能太稀，實(shí)際的空燃比控制在以理論空燃比為核心的一個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi)，也就是說把實(shí)際空燃比控制在燃比為核心的一個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi)，也就是說把實(shí)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(jìn)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(jìn)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(fù)荷主要應(yīng)用在高轉(zhuǎn)速大負(fù)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

30、進(jìn)氣管節(jié)流的方式對(duì)混合氣充量進(jìn)）為保證所要求的空燃比，只能采用進(jìn)氣管節(jié)流的方式對(duì)混合氣充量進(jìn)行調(diào)節(jié)，這就會(huì)引起較大的泵氣損失，從而造成低負(fù)荷時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性行調(diào)節(jié)，這就會(huì)引起較大的泵氣損失，從而造成低負(fù)荷時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)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。Geel

31、y Automobile Institute29分層燃燒分層燃燒由于均質(zhì)預(yù)混合燃燒的缺點(diǎn)，使得目前以由于均質(zhì)預(yù)混合燃燒的缺點(diǎn)，使得目前以分層進(jìn)氣（分層燃燒）為主要分層進(jìn)氣（分層燃燒）為主要特征的特征的非均質(zhì)燃燒是實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒的主要方式。非均質(zhì)燃燒是實(shí)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

32、氣。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(dòng)機(jī)的空燃比的稀限可以提高到分層燃燒缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比的稀限可以提高到4040以上。以上。小負(fù)荷工況不需要關(guān)小節(jié)氣門來(lái)限制進(jìn)氣量小負(fù)荷工況不需要關(guān)小節(jié)氣門來(lái)限制進(jìn)氣量 ，基本上避免了發(fā)動(dòng)機(jī)換氣，基本上避免了發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程中的泵氣損失。過程中的泵氣損失。大空燃比時(shí)，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(shí)，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(dòng)機(jī)的熱效率進(jìn)一步提高。發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率進(jìn)一步提高。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常在小負(fù)荷工況下工作，因此采用這種燃燒方式工作時(shí)，汽車發(fā)動(dòng)

33、機(jī)經(jīng)常在小負(fù)荷工況下工作，因此采用這種燃燒方式工作時(shí)，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(dòng)機(jī)在燃用稀混合氣時(shí)工作穩(wěn)定可靠，需同時(shí)實(shí)現(xiàn)：但為了使發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用稀混合氣時(shí)工作穩(wěn)定可靠，需同時(shí)實(shí)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(shí)現(xiàn)快速燃燒；控制燃燒過程，使之實(shí)現(xiàn)快速燃燒；q 改進(jìn)或強(qiáng)化點(diǎn)火系。改進(jìn)或強(qiáng)化點(diǎn)火系。Geely Automobile Institute30福特福特PROCOPROCO稀燃系統(tǒng)：稀燃系統(tǒng)：美國(guó)福特公司的美國(guó)福特公司的PROCOPROCO（Programme

34、d 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(jìn)行油氣混合。噴油隨負(fù)荷用渦流和滾流進(jìn)行油氣混合。噴油隨負(fù)荷的增大逐漸提前，使混合氣近于均勻。

35、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(dòng)混合氣溫度下降，充量增加，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)可采用更高的壓縮比。機(jī)可采用更高的壓縮比。福特PROCO稀燃系統(tǒng)低速時(shí)功率可增加低速時(shí)功率可增加5-10%5-10%，部分負(fù)荷和怠，部分負(fù)荷和怠速時(shí)的油耗可分別降低速時(shí)的油耗可分別降低5%5% 和和12%12% 。與進(jìn)。與進(jìn)氣管單點(diǎn)噴射（氣管單點(diǎn)噴射（PFIPFI）相比，）相比，NOxNOx和冷啟動(dòng)和冷啟動(dòng)時(shí)未燃時(shí)未燃HCHC排放降低。排放降低。幾種典型的幾種典型的GDI燃燒方式燃燒方式Geely Automobile

36、 Institute31三菱三菱4G系列缸內(nèi)直噴稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)系列缸內(nèi)直噴稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)Geely Automobile Institute32立式進(jìn)氣道與傳統(tǒng)進(jìn)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(jìn)進(jìn)氣氣道道Geely Automobile Institute33三菱三菱4G1.8L GDI發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)前視圖發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)比Geely Automobile Institute34豐田豐田D-4稀燃系統(tǒng)稀燃系統(tǒng) 進(jìn)氣道上裝有電子渦流控制閥（進(jìn)氣道上裝有電子

37、渦流控制閥（E-SCVE-SCV），可形成不），可形成不同角度的斜向進(jìn)氣渦流，促進(jìn)缸內(nèi)混合氣的形成。同角度的斜向進(jìn)氣渦流，促進(jìn)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(jìn)氣燃燒室為半球屋頂形，活塞頂部有深凹坑，與進(jìn)氣渦流旋轉(zhuǎn)方向及高精度的噴油時(shí)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(shí)間和噴油方向協(xié)同控制，在火花塞周圍形成較濃的易點(diǎn)燃的混合氣區(qū)域。制，在火花塞周圍形成較濃的易點(diǎn)燃的混合氣區(qū)域。Geely Automobile Institute35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(shí)現(xiàn)高度微?；▏婌F粒度小于）旋流噴嘴，可實(shí)現(xiàn)高度

38、微?；▏婌F粒度小于5微米）噴射，微米）噴射，以抑制擴(kuò)散燃燒產(chǎn)生的碳煙。以抑制擴(kuò)散燃燒產(chǎn)生的碳煙。靈活的電噴系統(tǒng)：可對(duì)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(duì)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(fù)荷及部分負(fù)荷：壓縮沖程后期噴油，形成明顯的分層燃燒；低負(fù)荷及部分負(fù)荷：壓縮沖程后期噴油，形成明顯的分層燃燒； 高速及大負(fù)荷：高速及大負(fù)荷： 進(jìn)氣沖程就開始噴油，形成均質(zhì)化學(xué)計(jì)量比燃燒；進(jìn)氣沖程就開始噴油，形成均質(zhì)化學(xué)計(jì)量比燃燒； 其余工況：有弱分層燃燒和均質(zhì)燃燒兩個(gè)區(qū)域。其余工況：有弱分層燃燒和均質(zhì)燃燒兩個(gè)區(qū)域。采用電控采用電控EGR系統(tǒng)控制分層燃燒時(shí)系統(tǒng)控制分層燃燒時(shí)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(dòng)機(jī)的整車工況試驗(yàn)顯示，油耗比傳統(tǒng)汽油機(jī)節(jié)油通過裝有該發(fā)動(dòng)機(jī)的整車工況試驗(yàn)顯示，油耗比傳統(tǒng)汽油機(jī)節(jié)油35%采用稀燃方式并保證燃燒穩(wěn)定性后，怠速時(shí)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(shí)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(kuò)大，較以化學(xué)計(jì)量比工作的普通汽油機(jī)節(jié)油由于稀燃界限擴(kuò)大，較以化學(xué)計(jì)量比工作的普通汽油機(jī)