汽油机缸内直喷与均质压燃技术

汽油机缸内直喷与均质压燃技术

前言：

点燃式汽油机经历了三个发展阶段；直到1980年前的一百多年中，所有的产品汽油机都依靠化油器来实现油气混合。从上世纪80年代初以后，汽油进气道喷射或进气阀口喷射（电喷）很快代替了化油器，成为汽油机的主流。电喷的应用与排气后处理的结合大幅度地降低了有害气体的排放，成为达到日趋严格的排放标准的关键手段。大约从1990年前后开始，汽油缸内直喷技术又重新引起人们的重视。并最终导致了产品直喷汽油机的出现。

最先投入市场的缸内直喷汽油机采用了分层燃烧以降低油耗，从1996开始出现在日本市场，其后又出现在欧洲市场。到目前为止，尽管已有多种分层燃烧缸内直喷汽油机出现，所占的市场份额仍不够大，也未能在美国市场销售，其主要原因包括氮氧化物后处理和碳烟生成等问题仍有待于更妥善地解决。在2003年底，采用均匀混合燃烧的缸内直喷汽油机开始在日本上市，并计划从2005年开始在美国上市。 这种汽油机利用了直喷技术所带来的优点并采用可变气阀定时来降低泵气损失，避免了氮氧化物后处理和碳烟生成等问题，对汽油的含硫量要求不高。尽管如此，由于两类缸内直喷汽油机对降低车辆在整个运行工况平均油耗的作用都有限，以及近年来更有潜力的新型燃烧系统的出现，缸内直喷点燃式汽油机的发展方向和应用前景尚不明朗。

近年来，一种新的内燃机燃烧方式——均质压燃，受到越来越多的内燃机研究人员的关注。与其它燃烧方式不同，均质压燃的燃烧过程是缸内混合气几乎同时到达自燃温度而几乎同时发生的放热反应，基本上是一个非扩散的燃烧过程。均质压燃可以在非常稀的混合气中进行，从而可以大幅度地降低氮氧化物和碳烟的生成，并提高热效率。

均质压燃燃烧系统可以使用包括汽油和柴油在内的不同燃料。由于燃油的挥发性和自燃温度的不同，使用不同燃油的均质压燃燃烧系统也不同。采用柴油均质压燃的主要目的，是同时降低氮氧化物和颗粒排放，对柴油机的热效率影响不大。采用汽油均质压燃的主要目的，是降低汽油机的油耗，同时也降低较难进行后期处理的氮氧化物排放。汽油均质压燃成为各国汽油机燃烧系统最热门的研究方向，希望能从根本上改变汽油机热效率低的状况。

一、缸内直喷汽油机（gasolinedirectinjectionGDI）

GDI发动机是电控汽油喷射发动机的一种,常用的PFI发动机是把汽油喷射到进气门上,因此在喷油与油气混合气进入燃烧室之间要有一段时间延迟。而GDI发动机是把汽油直接喷射到气缸内,因此并不存在PFI发动机喷油延迟的问题。根据发动机工况的不同,GDI的燃烧过程可分为均质稀燃和分层稀燃两种模式.从1996年开始，一些直喷汽油机已先后投入市场。最先投入市场的产品汽油机采用分层燃烧，而最近采用了均匀混合燃烧的直喷汽油机也开始投入市场。

１、分层燃烧直喷汽油机

最先投入市场的一些产品直喷汽油机，都在部分负荷工况时采用分层燃烧。理想的分层燃烧，混合气在缸内分成两个区域：一个区域为含油混合气区，当地空燃比接近当量空燃比。另一个区域为无油区，空燃比为无穷大。点燃燃烧仅发生在含油混合气区，因此，分层燃烧混合气的平均空燃比在理论上可远远大于当量空燃比。

分层燃烧对汽油机热效率的影响，主要是通过增加缸内平均空燃比来实现的；空燃比的增加可以减少汽油机在部分负荷工况的泵气损失，同时也增加了混合气的比热比，提高热效率。例如，当空燃比由当量空燃比增加到36，理论上空气燃油循环的比油耗可下降11.5％，还不包括泵气损失的减少。如果考虑到泵气损失的减少，比油耗下降的更多。

实际上，由于种种原因，分层燃烧对热效率的改进达不到上述理想的空气燃油循环的计算结果，分层燃烧混合气的平均空燃比也往往受到限制。通过缸内直喷来形成分层燃烧混合气有很多不同形式。主要有壁面阻挡型直喷汽油机和软喷射型直喷汽油机，还有空气压喷型直喷汽油机。

２、均匀混合直喷汽油机

缸内直喷的另一个应用方向，是直喷均匀混合燃烧系统，即在所有工况下都采用均匀混合气，空燃比和一般点燃汽油机相似。因此这种系统可看作是对进气道喷射的电喷均匀混合燃烧系统的改进。均匀混合直喷汽油机也可以提高汽油机的热效率，其热效率的提高是通过直喷所带来的一系列改进的综合结果。如前面所述，缸内直喷可以降低汽油机的爆震倾向，使压缩比有所提高。缸内直喷还可以提高充量效率，因此在同样的最大扭矩和最大功率的情况下汽油机的排量可以相应减小一些。在部分负荷工况时，较小排量的汽油机将在较高的平均有效压力下工作来达到同样的扭矩，工作点向高效率方向移动，使热效率提高。 由于汽油油滴蒸发的冷却作用，采用直喷后，混合气和燃气的温度有所降低，使在压缩上止点附近的传热损失减少，热效率增加。直喷的应用使进入气缸的油量滞后问题得到彻底解决，在变动工况时改进对空燃比的控制，可减少因空燃比波动所带来的不必要的油耗增加。此外，在部分负荷工况比较容易采用“停缸"的方法使一个或几个气缸停止工作，使其它气缸的平均有效压力提高，改善整机的热效率。在车辆减速时还可以完全停止供油，进一步节省燃油。

采用直喷均匀混合燃烧可以避免分层燃烧的一些主要问题。首先，由于使用当量空燃比的混合气和三效催化器，排气中氮氧化物的后处理问题可以得到妥善解决，不再需要使用超低硫汽油。其次，使用均匀混合气可以更容易地避免在缸内形成过浓或过稀的混合气区，不仅避免了在过浓混合气区生成碳烟，也避免于火焰不能传播进过稀混合气的情况出现，使碳氢排放降低，保持较高的燃烧效率。同时，均匀混合直喷汽油机的控制比较简单，不需要周期性地改变空燃比，因此其成本也比较低。

尽管均匀混合直喷汽油机有种种优点，与分层燃烧直喷汽油机相比，均匀混合直喷汽油机不能在部分负荷工况通过提高空燃比来减少泵气损失和提高混合气的比热比，因此其部分负荷工况的热效率远低于分层燃烧直喷汽油机的热效率。采用均匀混合直喷技术后，车辆在整个运行工况，平均燃油效率约提高3％～4％。

二、均质压燃汽油机

均质充量压缩着火（homogeneouschargecompressionignition，HCCI）燃烧方式，被人们称为内燃机的第三种燃烧方式。这是当前内燃机燃烧系统的一个研究热点，它最有希望在近期以两种燃烧方式（dualmode）的组合（即在起动和高负荷时以火花点火（SI）方式或柴油机燃烧（DI）运转，在中、低负荷和怠速时以HCCI方式工作）在轿车发动机上应用，从而获得和汽油机一样的高功率输出和低PM排放，以及在部分负荷（可达75％负荷）和怠速获得和柴油机一样或更高的经济性，但NOx排放很低。正在研制的作为车用动力的汽油均质压燃燃烧系统主要有可控自燃（CAI）燃烧系和优化动力过程燃烧系统（OKP） １、可控自燃燃烧系统（CAT）

首先受到广泛关注的均质压燃燃烧系统称为可控自燃（CAI）燃烧系统。这类系统的主要特点是通过改变进排气阀的开闭时间来大幅度增加残余废气系数，提高混合气温度，使混合气在压缩过程的终点能达到自燃温度。在以均质压燃方式工作时，排气阀在上止点前数十度曲轴转角就提前关闭，使相当一部分废气不能排出气缸而成为残余废气。当排气阀提前关闭后，缸内气体由于活塞继续上行受到压缩。为避免进气阀打开时缸内压缩气体突然膨胀，不再能对活塞作功，造成能量损失，进气阀打开的时间被推迟到上止点后直至缸内压力下降至大气压。这样进排气阀打开的时间不再重叠，反而有相当大的间隔，称为负的气阀重叠。在不同工况下运行时，燃烧时间的控制是通过对气阀开闭时间的控制采调节残余废气系数和混合气温度。这类均质压燃汽油机的压缩比通常与点燃汽油机相同，大约为10或者略高。

２、优化动力过程燃烧系统（OKP）

另外一种均质压燃系统称为优化动力过程（OKP）燃烧系统。这种系统对传统汽油机进行了较大的改造。优化动力系统充分利用了一台汽油机几乎所有可利用的热能源使混合气达到自燃温度。它采用较高的压缩比，大约为15；增加了压缩所转化的热能使混合气达到自燃温度。它采用热交换器来回收冷却水和排气中的余热对空气进行加热，使进气温度升高。同时，它还适当增加缸内残余废气使混合气温度升高。在优化动力系统中均质压燃燃烧的时间是通过对进气温度的快速调节来控，制时。这种汽油机的进气被分成两股，一股空气流经热交换器被冷却水和排气所加热，另一股空气不经过热交换器直接流到进气道。进气

温度的控制是通过调节两股气流的比例来实现的。冷热气流的比例可采用气流控制阀来调节。这种进气系统设计极大地减少了进气系统的热惯性对温度调节的不利影响，可进行快速温度调节进气温度调节的速度取决于气流控制阀流通截面改变的速度。

三、结论

均质压燃是一种完全不同的的燃烧方式，具有解决汽油机热效率低问题的能力，使汽油机的指示热效率可达到甚至超过目前柴油机的水平。由于采用了压燃，混合气的空燃比不再受到混合气点燃和火焰传播的限制，内燃机的压缩比也不再受到爆震的限制。因此，均质压燃汽油机有可能使汽油机的热效率大幅度提高。与此同时，由于可以在稀薄混合气中进行燃烧，氮氧化物的生成受到抑制，减轻了排气后处理的困难。

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