新型薄燃汽油燃燒模式的研究

新型薄燃汽油燃燒模式的研究

隨著能源供求量的增加，人們更加重視汽車燃料的燃料經(jīng)濟性，采取了許多有效措施。其中，薄焦汽油工具的使用是提高汽油工具油耗的重要手段。所謂稀薄燃燒指的是發(fā)動機在實際空燃比大于理論空燃比的情況下的燃燒,它可以使燃料的燃燒更加完全,同時,輔以相應(yīng)的排放控制措施,汽油機的有害排放物CO、HC……,將大大地減少,汽油機稀薄燃燒包括進氣道噴射稀燃系統(tǒng)(PFI:HighPressureInjection)、直接噴射稀燃系統(tǒng)(GDI:GasolineDirectInjection)和均質(zhì)混合氣壓燃系統(tǒng)(HCCI:HomogeneousChargeCompressionIgnition)。近年來,國外各大汽車廠商都在積極研究開發(fā)缸內(nèi)直噴汽油機技術(shù)GDI。其中日本三菱公司于1996年應(yīng)用傳統(tǒng)渦旋式噴油器和逆向滾流技術(shù),成功地開發(fā)了第一套商業(yè)用GDI系統(tǒng);德國大眾于2000年向市場投放了FSI(FuelStratifiedInjection)型缸內(nèi)直噴汽油機;2001年標致雪鐵龍開發(fā)了HPI,缸內(nèi)噴射系統(tǒng)。豐田公司推出D-4型直噴式火花點火發(fā)動機。相比而言,國內(nèi)對汽油機缸內(nèi)直接噴射技術(shù)的研究起步晚,存在較大的差距。1燃油系統(tǒng)優(yōu)化傳統(tǒng)的汽油機在空燃比達到15,甚至更高以后,就可能出現(xiàn)點火困難或不點火現(xiàn)象,反而使發(fā)動機各項性能指標降低、排放惡化。為了實現(xiàn)稀薄燃燒,必須使燃燒室內(nèi)形成分層氣流,使火花塞周圍形成較濃的混合氣,在遠離火花塞處則形成較稀的混合氣,為了達到上述要求,該公司對汽油機主要做了如下改動:(1)進氣道由傳統(tǒng)形狀改為螺旋式,在進氣口處設(shè)置蝶形渦流閥,使氣流形成較強的渦流,流動更為合理,有利于火花塞點火及火焰的迅速傳播。(2)采用無級調(diào)節(jié)氣門定時系統(tǒng)“VVT-i”,可改變進氣門定時角20°,以滿足不同工況、不同轉(zhuǎn)速下的進排氣效應(yīng),從而保證汽油機在各種工況下都能穩(wěn)定地工作。(3)加裝燃燒壓力傳感器。汽油機的壓縮比在提高到10以上時,為了防止汽油機出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象,在燃燒室內(nèi)加裝了燃燒壓力傳感器,使燃燒室內(nèi)的燃燒狀態(tài)及時反饋到ECM(電子控制器),ECM根據(jù)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)對噴油及點火進行調(diào)整,使汽油機各項性能指標均保持在最佳狀態(tài)。(4)采用大口徑噴油器,通過提高燃油系統(tǒng)壓力,使燃油能在設(shè)定時刻準確無誤地充分噴入燃燒室內(nèi)。(5)氧傳感器的重新研究開發(fā)。為了保證燃燒的穩(wěn)定性,稀薄燃燒系統(tǒng)對進氣渦流的組織、噴油定時和各工況下的空燃比控制都提出了嚴格的要求。目前,安裝有三元催化轉(zhuǎn)換器的車用汽油機一般采用氧傳感器進行閉環(huán)反饋控制,即將發(fā)動機的空燃比控制在當(dāng)量空燃比附近,來保證三元催化轉(zhuǎn)換器的正常工作。而稀薄燃燒要求對各工況下的目標空燃比進行調(diào)節(jié),其目標空燃比并不僅僅在當(dāng)量空燃比附近,因而必須采用測量范圍較寬的新型氧傳感器,通過PID(比例-積分-微分)調(diào)節(jié)來對空燃比進行閉環(huán)反饋控制。(6)目前,日本豐田、三菱、本田,美國福特,德國奔馳等許多國外汽車公司和研究機構(gòu)都開發(fā)了比較成熟的缸內(nèi)直噴式汽油機(GDI)機型和產(chǎn)品。這些缸內(nèi)直噴機型,除了福特、Fiat、lsuzu等生產(chǎn)的少數(shù)機型仍采用單一的均質(zhì)預(yù)混燃燒模式外,大都根據(jù)汽油機的不同工況而采用了不同的混合燃燒模式。廣泛使用的是內(nèi)開式螺旋噴油器,中小負荷區(qū)域,通過壓縮行程后期噴油和燃燒系統(tǒng)的合理配合,形成分層稀薄快燃的混合氣;而在大負荷和全負荷工況下,通過在進氣行程中較早地把燃油噴入氣缸,在點火時刻形成預(yù)混燃燒的均質(zhì)混合氣。也有如豐田、三菱的某些GDI機型采用兩段噴射技術(shù),即把燃油分2次分別在進氣和壓縮行程中噴入氣缸,形成界于兩者之間的混合氣,可以實現(xiàn)負荷從中小區(qū)域向大負荷區(qū)的平穩(wěn)過渡,并可以降低缸內(nèi)的氣體溫度,從而抑制了爆燃的發(fā)生,增加了功率的輸出。2薄燃燒優(yōu)勢2.1內(nèi)直噴式汽油3gd稀薄燃燒系統(tǒng)能使有效的燃油發(fā)揮出最大的效率,使汽油機燃燒室內(nèi)的燃燒更加完全,不但大大地降低了汽油機的燃油消耗率,也大大地改善了汽油機的尾氣排放。缸內(nèi)直噴式汽油機(GDI)超稀薄空燃比的利用和工作方式的改變有不少優(yōu)點,如取消節(jié)流降低了泵氣損失,燃油蒸發(fā)引起了缸內(nèi)溫度的降低,提高了汽油機可工作的壓縮比;燃油在進氣行程中對進氣的冷卻,提高了充氣效率等。這些優(yōu)點可以使發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性提高25%左右,動力輸出也比進氣道噴射的汽油機增加了將近10%。GDI發(fā)動機除了溫室氣體CO2排放較少外,由于其冷卻啟動迅速快捷,很少需要冷啟動加濃,因而可以大幅度降低冷啟動時未燃碳氫(UBHC)的排放。2.2薄燃燒2.2.1成本高由于稀薄燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,對噴油系統(tǒng)的要求也相當(dāng)嚴格,使噴油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜,由此使制造成本明顯增加。2.2.2液壓缸內(nèi)偏濃區(qū)域會導(dǎo)致nox的增加NOx雖然采用了較稀的空燃比,因氣缸內(nèi)的反應(yīng)溫度較低而降低,但由于分層混合氣由濃到稀將不可避免地出現(xiàn)過量空氣系數(shù)為1附近的偏濃區(qū)域,會導(dǎo)致這些地方的NOx生成增加。另外,較高的壓縮比和較快的反應(yīng)放熱率也會引起NOx的升高。一般來說,缸內(nèi)直噴式汽油機在稀空燃比工作條件下造成的富氧氣氛使得傳統(tǒng)的三元催化轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)化效率降低,同時排氣溫度較低也不利于它的起燃,限制了它在缸內(nèi)直噴汽油機上的應(yīng)用。稀燃催化劑的開發(fā)將直接影響到GDI發(fā)動機NOx排放問題的解決。3薄燃燒技術(shù)汽油機稀薄燃燒包括進氣道噴射稀燃系統(tǒng)(PFI)、直接噴射稀燃系統(tǒng)(GDI)和均質(zhì)混合氣壓燃系統(tǒng)(HCCI)。3.1稀燃汽油點火和點火中混合氣分層分布普通汽油機工作時保證可靠點火所對應(yīng)的空燃比為10~20,與此相比,稀燃汽油機的空燃比要大得多。為了保證可靠點火,點燃式稀燃汽油機在點火瞬間火花塞周圍必須形成易于點燃的空燃比為12.0~13.5的混合氣。這就要求混合氣在氣缸內(nèi)非均質(zhì)分布。而要實現(xiàn)混合氣的非均質(zhì)分布,必須使混合氣在氣缸內(nèi)分層。混合氣分層主要依靠氣流的運動結(jié)合適時的噴油實現(xiàn)。進氣道噴射稀燃系統(tǒng)根據(jù)進氣流在氣缸內(nèi)的流動形式不同,可分為渦流分層和滾流分層2種。3.1.1空氣壓縮器的使用方法主要體現(xiàn)在一定的基礎(chǔ)上這種燃燒方式一般是通過對進氣系統(tǒng)的合理配置,使缸內(nèi)產(chǎn)生強烈的渦流運動。該渦流的軸線與氣缸中心線大體一致,形成沿氣缸軸線的渦流運動。在進氣沖程初期,隨著活塞向下運動,缸內(nèi)形成較強的渦流。通過控制噴油時刻使噴油器在進氣后期噴油,進人氣缸的燃油大部分就保持在氣缸的上部,氣缸內(nèi)的強渦流起到維持混合氣分層的作用,氣缸內(nèi)將形成上濃下稀的分層效果,火花塞周圍有較濃的混合氣。這樣形成的渦流在壓縮后期雖然隨著活塞的上行逐漸衰減,但渦流的分層效果仍可大體一直保持到壓縮上止點,有利于點火燃燒。不難看出,在這種燃燒系統(tǒng)中影響稀燃效果的主要因素是缸內(nèi)渦流的強度和噴油定時。一般說來,渦流越強,缸內(nèi)混合氣上下混合的趨勢就越弱,分層效果保持得就越好。噴油定時和噴油速率決定了缸內(nèi)混合氣在流場中的空間分布以及濃度梯度。稀燃極限與噴油定時關(guān)系很大,只有在進氣行程的某一區(qū)間內(nèi)結(jié)束噴油,才能得到理想的混合氣分層。當(dāng)前的稀燃汽油機普遍采用多進氣門結(jié)構(gòu),在空氣運動方面,即使以渦流為主的稀燃發(fā)動機也不采用單純的渦流運動,而是在中高負荷時采用渦流,在低負荷時采用渦流控制閥等可變進氣技術(shù)在缸內(nèi)形成斜軸渦流。這種稀燃發(fā)動機的代表是豐田公司的進氣道噴射第三代稀燃系統(tǒng)、本田公司的VTCE-E以及馬自達公司的稀燃系統(tǒng)。豐田第三代稀燃系統(tǒng)和馬自達稀燃系統(tǒng)的共同特點是都采用渦流控制閥(SCV)來調(diào)節(jié)渦流的強度,采用1個直氣道和1個螺旋氣道組織空氣運動。在低負荷時,SCV關(guān)閉獲得強的渦流;在高負荷時,SCV打開獲得斜軸渦流,促進燃油與空氣的混合。3.1.2滾流方案的確定滾流是指氣流的旋轉(zhuǎn)中心線與氣缸的軸線垂直。滾流分層多用于進氣道對稱布置的多氣門發(fā)動機,尤其是蓬頂形燃燒室、對稱進氣的4氣門發(fā)動機。通過合理配置進氣系統(tǒng),可以促使?jié)L流運動的形成。當(dāng)進氣門升程較小時,進氣流在缸內(nèi)的流動紊亂,有規(guī)律的流動不明顯。此時存在兩個旋轉(zhuǎn)軸相互平行而垂直于氣缸軸線的渦團,一個在進氣門下方靠近進氣道一側(cè),另一個在進氣道對側(cè),大致位于排氣門下方,此為非滾流期。當(dāng)氣門升程加大時,位于進氣道對側(cè)的渦團突然加強,進而占據(jù)整個燃燒室,與此同時另一個渦團逐漸消失,此為滾流產(chǎn)生期。隨著氣門升程的加大和活塞下移,滾流不斷加強。在進氣行程下止點附近滾流達到最強,此為滾流發(fā)展期。壓縮行程屬滾流的持續(xù)期。在壓縮行程后期,由于燃燒室空間扁平,不適于滾流發(fā)展而遭破壞。在上止點附近,滾流幾乎被壓碎而成為小尺度的湍流,此為破碎期。滾流的生命周期短,點火后將很快在燃燒過程中消失。正是由于滾流在上止點附近破碎為湍流,將進氣流動的動能轉(zhuǎn)化為湍動能,才有利于發(fā)動機性能的提高。日本三菱汽車公司利用進氣道噴射燃油先后成功地在3氣門和4氣門發(fā)動機上實現(xiàn)了缸內(nèi)滾流分層稀燃(MVV)系統(tǒng)。初期的MVV系統(tǒng),燃油由雙進氣門的其中一個氣道提供,火花塞布置在正對供油進氣門的進氣流下游,混合氣在滾流軸線方向上出現(xiàn)濃稀分層,火花塞附近有適于著火的混合氣濃度。但此種方案不能將火花塞布置在氣缸蓋上的燃燒室中心,加大了火焰的傳播距離,僅用于二進一排的3氣門汽油機。后來,三菱公司研制出了適用于4氣門發(fā)動機的滾流分層稀燃系統(tǒng),在4氣門汽油機的進氣道內(nèi)對稱布置兩個立式隔板,在兩個隔板之間噴油,使混合氣在缸內(nèi)滾流軸線方向上形成稀、濃、稀的夾層分布,這樣可以充分發(fā)揮火花塞中心布置的優(yōu)勢。3.2噴油系統(tǒng)的改進進氣道噴射汽油機在不采用助燃方法組織稀燃時,其空燃比超過27非常困難。但直接噴射稀燃系統(tǒng)超過這一界限卻非常容易。與缸外進氣道噴射稀燃汽油機相比,缸內(nèi)噴射稀燃汽油機具有泵氣損失小、傳熱損失小、充氣效率高、抗爆性好及動態(tài)響應(yīng)快等特點。日本三菱汽車公司開發(fā)的GDI發(fā)動機,是利用缸內(nèi)滾流實現(xiàn)稀燃的典型直噴發(fā)動機。與原PFI方式的4G93原型機相比,4G93GDII3l的空燃比由10.5提高到12.0,燃油噴射壓力提高到5.0MPa,大約是進氣道多點噴射方式的15倍。為了控制進人氣缸的空氣運動,采用了近似直立的進氣道使缸內(nèi)形成強烈的逆向滾流,利用彎曲頂面的活塞進一步加強逆向滾流。噴油器布置在進氣道一側(cè),火花塞布置在中間,活塞頂面形狀與噴油時刻配合,可以形成兩種不同的稀燃模式。當(dāng)發(fā)動機在小負荷時,燃油在壓縮沖程后期噴向活塞曲頂,碰撞到曲頂壁面后反彈向火花塞,只在火花塞附近形成較濃的混合氣,實現(xiàn)了氣缸內(nèi)由濃到稀的滾流分層,形成了滾流分層稀燃模式。當(dāng)發(fā)動機大負荷時,燃油在壓縮沖程初期噴人缸內(nèi),形成了均質(zhì)稀燃模式。日本豐田汽車公司開發(fā)的D4直噴式汽油機,空燃比為10.0,噴油壓力為8.0~13.0MPa,能夠?qū)崿F(xiàn)空燃比為50的超稀薄燃燒。它利用缸內(nèi)渦流實現(xiàn)稀燃,進氣道由一個單邊螺旋氣道和一個具有渦流控制閥(SCV)的直氣道組成?；钊敳坑幸粷u開線型的燃燒室凹坑,高壓旋流噴嘴位于氣道下方,采用可變氣門定時VVT-i系統(tǒng)、電控節(jié)氣門和吸藏還原型NOx催化器。通過直氣道內(nèi)SCV閥的關(guān)閉和開啟并配合不同時刻噴油,實現(xiàn)在不同的工況下有不同的燃燒模式。小負荷時,在壓縮沖程后期噴油,實現(xiàn)分層稀燃;中等負荷時,在進氣和壓縮沖程分兩次噴油,實現(xiàn)弱分層燃燒;大負荷時,在進氣沖程噴油,實現(xiàn)均質(zhì)混合燃燒。發(fā)動機超稀薄空燃比的利用和工作方式的改變有不少優(yōu)點,如絕熱指數(shù)增加和傳熱損失較少,取消節(jié)流降低了泵吸損失,燃油蒸發(fā)引起缸內(nèi)溫度降低,提高了汽油機可工作的壓縮比,燃油在進氣沖程中對進氣的冷卻提高了充氣效率,使得它的燃油經(jīng)濟性一般可以提高25%左右,動力輸出也比進氣道噴射的汽油機增加了將近10%。另外,它提高的瞬態(tài)響應(yīng)能力、精確的空燃比控制、快速的冷起動和減速快速斷油能力及潛在的系統(tǒng)進一步優(yōu)化能力,都顯示了它比進氣道噴射汽油機優(yōu)越。GDI采用分層稀薄燃燒技術(shù)雖然較大幅度地提高了部分負荷下發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性,但還存在著以下的不足,從而影響其推廣使用。3.2.1排放速度比傳統(tǒng)的三效汽油差的進氣道更快3.2.1.燃燒系統(tǒng)故障(1)理想的分層在實際發(fā)動機上不可能實現(xiàn),分層燃燒火焰從濃區(qū)傳播到稀區(qū)時往往容易熄滅,形成大量未燃碳氫(高于常規(guī)汽油機數(shù)倍);(2)商品化的GDI產(chǎn)品,其燃燒系統(tǒng)主要采用了壁面引導(dǎo)組織混合氣的形式,容易導(dǎo)致燃油噴到活塞頂和氣缸壁上。由于活塞頂和缸壁的溫度偏低,容易造成汽油在著火前來不及完全蒸發(fā),形成較多的未燃碳氫的排放;(3)大空燃比工作條件下造成缸內(nèi)溫度偏低,不利于未燃碳氫在燃燒后期的繼續(xù)氧化;(4)其他設(shè)計不當(dāng)引起的混合氣混合不充分和火焰延遲,也會造成火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?使得未燃碳氫排放升高。3.2.1.化學(xué)計量比造成nox生成增加(1)分層混合氣由濃到稀分布,將不可避免地出現(xiàn)化學(xué)計量比附近濃度的混合氣,其正是NOx容易生成的區(qū)域,造成局部NOx生成增多;(2)較高的壓縮比和較快的反應(yīng)放熱率也使得NOx生成比常規(guī)汽油機高。3.2.1.fi汽油的增加在低負荷、過渡工況和冷起動的情況下GDI的顆粒排放比傳統(tǒng)的PFI汽油機有較多的增加,但仍比柴油機要低一個到幾個數(shù)量級。其形成的主要原因可能是因為局部地區(qū)過濃的混合氣或類似柴油機的液態(tài)油滴擴散燃燒所引起,并且缸內(nèi)溫度低也造成了顆粒氧化不完全。3.2.2nox稀燃催化劑GDI適用的NOx稀燃催化劑開發(fā)尚未成熟,使得商品化的GDI難以滿足歐美嚴格的排放法規(guī)要求。這主要是因為:(1)稀薄燃燒造成排氣中氧含量較多,因為在富氧環(huán)境下難以對NOx進行還原反應(yīng),造成NOx稀燃催化劑開發(fā)工作本身比較困難;(2)目前開發(fā)的NOx稀燃催化劑轉(zhuǎn)化效率對燃油含硫量比較敏感,要求嚴格控制燃油中的含硫量,對油的品質(zhì)提出了較高的要求;(3)分層稀薄燃燒造成排氣溫度偏低,影響了NOx稀燃催化劑的轉(zhuǎn)化效率。3.2.3按工況區(qū)分生產(chǎn)不同的發(fā)動機(1)部分負荷下,分層稀薄燃燒對汽油蒸汽在缸內(nèi)的分布要求很高,需要對缸內(nèi)氣流運動、噴霧特性、燃燒室形狀、點火時刻和噴油時刻等進行嚴格控制和優(yōu)化匹配,對汽油噴霧和空氣的混合運動認識不足更加大了設(shè)計開發(fā)難度;(2)GDI發(fā)動機要同時兼顧部分負荷和大負荷下混合氣的不同要求,在全工況范圍內(nèi)進行性能優(yōu)化,需要的電控邏輯設(shè)計比較復(fù)雜;(3)GDI發(fā)動機的噴霧質(zhì)量比進氣道汽油機高,但比柴油機低。汽油的物性不同于柴油,因此GDI發(fā)動機需要開發(fā)自己適用的噴油系統(tǒng),而不能照搬原有的電控進氣道噴射汽油機或柴油機的噴油系統(tǒng),電控噴油系統(tǒng)成本較高。從以上的分析看出,這些商品化的GDI發(fā)動機的缺點,有很多是因為采用了分層稀薄燃燒模式帶來的。從理論上講,均質(zhì)混合燃燒模式可以避免上述分層燃燒帶來的排放較高和燃燒系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜的特點。因此,均質(zhì)壓燃稀薄燃燒HCCI發(fā)動機的研究得到了廣泛的關(guān)注,有可能解決分層稀薄燃燒GDI發(fā)動機的缺點,同時大幅度地降低汽油機的燃油消耗率。3.3hcci發(fā)動機早在20世紀30年代,人們就認識到均質(zhì)混合氣壓縮自燃的燃燒方式在汽油機上存在,但它一直被認為是一種異常燃燒現(xiàn)象而被抑制。HCCI燃燒方式的出現(xiàn),有效地解決了傳統(tǒng)均質(zhì)稀薄點燃燃燒速度慢的缺點,是有別于傳統(tǒng)的汽油機均質(zhì)點燃預(yù)混燃燒、柴油機非均質(zhì)壓燃擴散燃燒和GDI發(fā)動機分層稀薄燃燒方式的第4種燃燒方式。HCCI發(fā)動機利用的是均質(zhì)混合氣,但它不同于常規(guī)汽油機的單點點火方式,它通過提高壓縮比、采用廢氣再循環(huán)、進氣加溫和增壓等手段提高缸內(nèi)混合氣的溫度和壓力,促使混合氣進行壓縮自燃,在缸內(nèi)形成多點火核,有效維持了著火燃燒的穩(wěn)定性,并減少了火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和燃燒持續(xù)期。它與柴油機燃燒方式的不同在于:柴油機在著火時刻燃油還沒有完全蒸發(fā)混合,進行的是擴散燃燒方式,燃燒速率主要受燃油蒸發(fā)及與空氣混合速率的影響,而進行HCCI燃燒的混合氣在著火以前已經(jīng)均勻混合,進行的是預(yù)混燃燒模式,它的燃燒速率只與本身的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)有關(guān)。從已有的文獻報道來看,HCCI發(fā)動機有以下的優(yōu)點:(1)燃燒的優(yōu)點在于它可以同時保持較高的動力性和燃油經(jīng)濟性。一方面,它采用均質(zhì)燃燒混合氣,保持了原汽油機升功率高的特點;另一方面,它取消了節(jié)流損失,設(shè)計的壓縮比高,采用多點同時著火的燃燒方式使得能量釋放率較高,接近于理想的等容燃燒,熱效率較高,保持了柴油機部分負荷下燃油經(jīng)濟性好的特點。如1996年豐田汽車公司研究的HCCI汽油機,壓縮比提高到17.4,空燃比設(shè)計值為33~44。研究表明,它的缸內(nèi)平均指示壓力與GDI汽油機和柴油機相當(dāng)(圖1),其燃油消耗率水平甚至超過直噴柴油機水平(180g·kW/h~200g·kW/h),并且隨著進氣溫度的提高,HCCI的燃燒稀燃界限可拓寬至空燃比為80以上。(2)HCCI燃燒方式可以同時降低NOx和碳煙。它通過設(shè)計較稀的混合氣空燃比或利用再循環(huán)的廢氣控制把燃燒溫度降低在1800K以下,并且由于它以均質(zhì)稀燃混合氣方式工作,有效地抑制了NOx和碳煙的生成,幾乎做到了無煙燃燒。(3)由于HCCI燃燒只與本身的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān),它的著火和燃燒速率只受燃油氧化反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)控制,受缸內(nèi)流場影響較小,同時均質(zhì)預(yù)混的混合氣組織也比較簡單,因此,在發(fā)動機上實施HCCI燃燒模式可以簡化發(fā)動機燃燒系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)的設(shè)計。HCCI發(fā)動機設(shè)計的難點在于對HCCI燃燒速率和著火時刻的控制。由于車用發(fā)動機的工況多變,要想在各工況點都獲得較好的燃燒和排放特性,則必須對HCCI燃燒進行控制。如果HCCI燃燒控制的較好,則發(fā)動機可在拓寬的大空燃比范圍內(nèi)進行高效穩(wěn)定的燃燒,循環(huán)波動壓力小,工作柔和;如果HCCI燃燒組織的不好,則容易出現(xiàn)爆震或失火,發(fā)動機的性能變差。HCCI燃燒的著火時刻主要受到混合氣本身化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的影響,受負荷、轉(zhuǎn)速的影響較小,因此不能通過常規(guī)的負荷、轉(zhuǎn)速等反饋信號來加以控制,只能通過試驗手段間接測量,獲取經(jīng)驗。有文獻報道著火始點的控制策略如(圖2)所示,但目前還沒有單獨的切實可行的方法控制HCCI燃燒始點,需要綜合采用兩種或多種控制方法。還有學(xué)者通過數(shù)值模擬方法進行HCCI燃燒始點控制的研究,但由于燃油火焰前的氧化反應(yīng)機理還未完全清楚,這類工作只是定性的與試驗取得了一致,還無法實際應(yīng)用于指導(dǎo)HCCI燃燒始點的控制。對于HCCI燃燒速率的控制策略,由于HCCI燃燒反應(yīng)較快,因此一般采用較大的空燃比或較高的EGR率來減緩燃燒速率,以防爆震的發(fā)生,但同時使得發(fā)動機缸內(nèi)的平均指示壓力難以達到較高的水平,這就使HCCI發(fā)動機容易受到失火、爆震、功率等的限制,可操作范圍不寬。目前,柴油機上正進行著把HCCI應(yīng)用于大負荷的研究,而汽油機上HCCI燃燒的發(fā)展方向是開發(fā)混合燃燒模式系統(tǒng),以便適用于不同工況的需要。4燃油系統(tǒng)優(yōu)化進氣道噴射式(PFI)和缸內(nèi)直噴式(GDI)。其主要差別在于混合氣的準備過程不一樣。進氣道噴射發(fā)動機當(dāng)進氣門關(guān)閉時將燃油噴在各缸進氣閥的背面,進氣沖程中油氣混合物進入氣缸。在冷起動過程中,由于蒸發(fā)不完全,燃油會在進氣道、進氣閥背部表面形成油膜和油坑,實際噴入的燃油量遠遠超過了按化學(xué)當(dāng)量比計算得到的噴油量,在發(fā)動機開始起動的4~10個循環(huán)中出現(xiàn)失火或部分燃燒的現(xiàn)象,HC排放顯著增加,因此對進氣道噴射汽油機而言,在美國FTP排放測試中最初的90s內(nèi)產(chǎn)生HC總量90%的情況是常見的事。相反,直噴式汽油機避免了進氣道濕壁現(xiàn)象的問題,為燃油的精確計量提供了方便,相應(yīng)地降低了冷起動過程中HC的排放量,提高了發(fā)動機的瞬態(tài)響應(yīng)速度,發(fā)動機基本上在第2個工作循環(huán)就能正常運轉(zhuǎn)起來。進氣道噴射發(fā)動機的另一個局限性在于負荷的變化依靠節(jié)氣門的調(diào)節(jié)。盡管節(jié)氣門控制對PFI發(fā)動機來說已是成熟的技術(shù),但它帶來的熱動力損失是相當(dāng)大的。任何利用節(jié)氣門來調(diào)節(jié)負荷的系統(tǒng)都會面對這種寄生泵吸損失,并且會使發(fā)動機在低負荷時熱效率降低。相反,直噴式汽油機可以不再使用節(jié)氣門來調(diào)節(jié)負荷,而是利用缸內(nèi)空燃比的變化來達到發(fā)動機的工況要求,這一工作原理提高了GDI發(fā)動機在部分負荷時的容積效率,燃油經(jīng)濟性隨之得以改善。進氣道噴射發(fā)動機在不采用輔助的助燃方法組織稀燃時,其空燃比存在上限(α=27),超過這一界限,發(fā)動機工作會不穩(wěn)定,HC排放增加。要超過這一極限,必須使用缸內(nèi)直噴的方法,通過充量分層,使發(fā)動機在部分負荷時α達到40~50,即利用缸內(nèi)空氣運動(渦流或滾流)與噴油時刻相配合,讓火花塞點火時附近有濃的可燃混合氣,而缸內(nèi)其他部分則為稀混合氣或純空氣。(圖3)是一臺日本三菱直噴式汽油機在轉(zhuǎn)速為2000r/min時的試驗結(jié)果。由于應(yīng)用分層燃燒,空燃比可達40,燃油經(jīng)濟性改善30%;(圖4)列出幾項主要影響因素。據(jù)稱裝配此發(fā)動機的三菱“格蘭特”在日本10~15工況循環(huán)中燃油耗比傳統(tǒng)裝用PFI發(fā)動機的汽車下降了35%,怠速工況因燃燒穩(wěn)定下降了40%,從而允許較低的怠速轉(zhuǎn)速。與進氣道噴射發(fā)動機相比,直噴式汽油機需要克服缸內(nèi)壓力,因此一般供油系統(tǒng)的壓力較高(5~10MPa),這樣使得進入氣缸的燃油可以得到較好的霧化,典型的霧化尺寸大約為16μmSMD,而進氣道噴射發(fā)動機的大約為120μmSMD。此外,由于直噴式發(fā)動機直接將燃油噴至氣缸,消除了燃油供給的滯后效應(yīng),故當(dāng)發(fā)動機在減速時可以停止噴油,從而提高了燃油經(jīng)濟性。眾所周知,燃油的潛熱可以用來降低混合氣的溫度和容積,從而影響著發(fā)動機的充氣效率和爆震趨勢。對進氣道噴射發(fā)動機而言,由于燃油是噴在進氣歧管內(nèi)的,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傳遞,因而不能顯著地冷卻充質(zhì)。對缸內(nèi)直噴式汽油機而言,燃油以較細的霧化顆粒形式進入氣缸,從周圍的空氣中獲得熱能,因而可以有效地起到冷卻充質(zhì)的目的。不同的噴射定時影響著燃燒室表面到充質(zhì)的傳熱率。在進氣沖程中噴油,增加了缸壁對充質(zhì)的熱傳遞,這樣燃油蒸發(fā)對最終充質(zhì)溫度的冷卻效果就變差了;在壓縮沖程中噴油,噴油之前,由于空氣溫度較高,缸壁對空氣的傳熱率降低,這樣當(dāng)燃油噴入時,燃油蒸發(fā)對充質(zhì)的冷卻效果得到了較好的保持,因而在點火時刻燃氣溫度較低,最終降低了爆震趨勢。5進行hcci燃燒在現(xiàn)代對稀薄燃燒的研究中,各大汽車生產(chǎn)商都將目標放在缸內(nèi)直噴汽油機GDI或者均質(zhì)混合氣壓燃系統(tǒng)HCCI的研究上,即是稀薄燃燒研究的方向。但是由以上的分析知道,這兩種稀燃技術(shù)都有各自不容忽視的優(yōu)缺點。HCCI發(fā)動機比GDI發(fā)動機在部分負荷下的燃油經(jīng)濟性更好,NOx排放更低,但它由于燃燒控制難,難以使HCCI燃燒方式拓展到大負荷情況;而GDI發(fā)動機燃油噴射靈活,混合氣組織的可調(diào)范圍寬,容易實現(xiàn)不同燃燒方式之間的快捷轉(zhuǎn)化,但采用分層稀薄燃燒又帶來燃燒系統(tǒng)設(shè)計困難,排放也有所惡化。因此,如果