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汽油机的最新燃烧技术进展
汽油机最新燃烧技术进展
概要：
本文对近年来在汽油机的燃烧技术进展作了介绍，并对新的燃烧技术对降低油耗和
减少燃烧排放物方面所取得的技术进展作了评论，在整个他们的速度/负载范围内的最优燃烧，发动机应工作在三个燃烧模式：
分层点燃式（SCSI）、均质点燃式（HCSI）、均质压燃式
（HCCI）,实现最大限度的降低燃油消耗和发动机排放的关键技术是喷雾引导的直喷系统、灵活可变的气门驱动、基于发动机控制的缸内压力。
关键词：
汽油机；火花塞点火；GDI;DISI;HCCI;HCSI;直接喷射；均质燃烧；分层燃烧
术语：
AFR空燃比BMEP:
平均有效压力BFSC:
刹车油耗BTDC:
上止点前
CI：
压燃式点火COV:
变异系数CR：
压缩比DI：
直接喷射DISI:
直接喷射火花塞点火EGR:
废气再循环EVC:
排气门关闭FE:
燃油经济型HC:
烃类HCCI:
均质混合燃烧HCSI:
均质点燃式燃烧HT:
传热IMEP:
平均指示有效压力NVO负阀重叠VVT:
可变气门正时
1引言
人类的汽车革命极为迅猛,也极大地改变了我们的生存环境。
从早期的化油器发动机开始,人类在汽车引擎技术上不断创新,在提升燃料效率和降低能耗与污染物排放方面不间断的努力。
从化油器到单点电子喷射、多点电子喷射再到多点顺序喷射,发动机不断进化,而缸内直喷技术无疑是人类在汽车发动机方面的最新成就。
先来看一下缸内直喷的概念:
缸内直喷技术（DirectInjection）是指将燃油直接喷入汽缸燃烧室内的发动机技术,而之前的汽油发动机都是将燃油喷注于进气歧管内。
缸内直喷技术还被称为FSI（FuelStratifiedInjection）技术。
百年间,这样的技术进步也带给人类自身更多的好处。
缸内直喷技术借助电脑系统直接控制燃油的喷射时间、喷射压力和喷射量,相比过去的技术,新技术不需要受限制于传统机械构造方式,而且能够依照发动机的需要随时调整空气与燃料的混合比例,不但促进燃料燃烧效率提升15%以上,也大大减少了废气中的污染物水平,对发动机功率的提升效果也非常明显。
1．1缸内直喷技术的六大优势：
由于燃油被精确的喷射于汽缸燃烧室内,也直接带来了六大好处:
一、节省燃油。
现代发动机技术的趋势之一就是节约燃料,而缸内直喷技术可以大大提升燃油与空气混合的雾化程度与混合的效率,带来燃油的节约。
采用缸内直喷技术的车型油耗水平可下降3%以上。
二、减少废气排放。
人类对生存环境的重视也造就了环保发动机的不断诞生。
缸内直喷发动机的高压燃油泵能提供高达120巴的压力,确保燃料充分燃烧,最大程度的减少废气中的有害杂物。
三、提升动力性能。
由于燃料的混合更充分,燃烧更彻底,也带来了燃料转化为动能的效率提升,直接推动了发动机动力性能的增加,同排量下,最大功率可提高15%。
四、减少发动机震动。
由于缸内直喷技术允许更高的压缩比,缸内爆震情况的大大减少,对降低发动机低速情况下的震动也有明显的效果。
五、喷油的准确度提升。
缸内直喷技术的关键就是电脑系统的精确控制。
由于电脑系统会感知发动机缸内的实际工作情况,并会在瞬间完成对喷油量、喷油时间和压力的微调,保障发动机始终处于精确的喷油状态。
六、发动机更耐用。
新技术不但提升效率,减少排放,更对发动机寿命的延长起到积极的作用。
燃油被直接喷射于气缸内并迅速转化为能量,大大降低了传统发动机燃油依附于进气歧管而带来的损害。
1.2GDI发动机燃烧系统：
燃烧系统的设计是GD发动机的关键技术。
要成功实现中小负荷时的分层稀燃和大负荷时的均质预混,就需要进行燃油喷束、气流运动和燃烧室形状的优化合理配合。
已经开发的GDI发动机燃烧系统，按喷油器和火花塞的相对位置和混合气的组织形式有3种以下类型。
1、喷束引导法
燃油喷嘴靠近火花塞布置,火花塞位于燃油喷束的边缘,这种方式的优点是保证当整个燃烧室内为稀薄混合气时,火花塞周围仍能形成可供点火的混合气浓度。
Ford、Honda公司生产的某些机型采用这种燃烧系统。
2、壁面引导法
燃油喷嘴远离火花塞布置,利用特殊形状的活塞表面配合气流运动,将燃油蒸气导向火花塞并在火花塞间隙形成合适浓度的混合气,如三菱、丰田、Nissan等公司开发的机型。
3、气流引导法
同样是燃油喷嘴远离火花塞,利用缸内有组织的气流运动来达到上述目的。
FEVAVL公司开发的方案采取这样的燃烧系统。
上述几种燃烧系统方案的划分是十分粗略的,实际情况是上述几种方案交叉存在,各种因素并存并相互影响。
根据AV啲Ricardo公司的研究,火花塞布置在靠近中心的位置可以减少火焰传播距离在怠速和中小负荷时对分层便于控制,但发动机对喷油器和火花塞之间的位置误差、喷雾变形敏感,火花塞容易被燃油沾湿而形成污垢导致点火困难。
另外,火花
塞和喷油器都布置在中间有时会影响进气门的尺寸。
远距离布置的方式可避免沾湿火花塞,但燃油碰壁较多,并且需要精确设计特殊形状的燃烧室,对缸内混合气运动的组织要求更为严格一些。
1.3缸内空气运动的组织：
气缸内的空气运动对喷雾和燃烧的影响很大。
GDI发动机缸内空气的运动有
涡流、滚流和挤流。
涡流的旋转轴线平行于气缸中心线,滚流的旋转轴线垂直于气缸中心线,挤流形成于压缩冲程活塞接近上止点时与缸盖间隙处的径向气体运动,它有助于加强压缩终点时的湍流强度。
目前大部分GD发动机应用涡流作为缸内空气运动的主要形式,其特点是持续时间长,在缸内的径向发散少,对保持混合气的相对集中和分层有利,可以充分利用它来维持压缩冲程中的混合气层。
由于涡流的旋转动量与发动机的转速成正比,而油束的动量是独立的,不受发动机转速的影响,因此,利用涡流来促进油气混合有一个操作范围限制。
此外,涡流比过高还会由于离心力的作用使油滴甩向缸壁，造成湿壁现象的增加。
近年来，日本三菱汽车公司对滚流在GD发动机中的应用做了大量的试验研究，结果显示,在压缩行程的后期,滚流能够有效地增加靠近缸壁处的气体流动速度,从而可以促进粘附在缸壁上的油滴快速蒸发,也可利用滚流和活塞顶部的凹坑相配合将分层混合气导向火花塞,控制油束碰撞和火焰传播,从排气侧到进气侧的挤流还能提高
燃烧速度。
2关于GDI发动机燃烧方式的改进
气口燃料喷射（PortFuelInjection,PFI）火花点火（SparkIgnition,SI）
汽油机,利用排气管中氧传感器的反馈控制使汽油机的运行工况始终维持在过量空气系数叮£=1.0,并应用三效催化器（Three-WayCatalyst,TWC）使排气中的有害成分NOx,HC,CO得到清除,这一方案在燃烧和排放后处理上具有很优点，较方便地解决了排放问题。
因此成为当前绝大多数轿车发动机的标准设计。
但这
一方案还存在很多缺点，主要是：
1）发动机依靠节气门实现部分负荷调节，存在泵气损失，增大部分负荷运转时的燃油消耗率；
2）低速高负荷时敲缸倾向严重，使得压缩比提不高；
3）在当量混合比（Ga=1.0）下运转,燃烧后工质中三原子气体HO,CO相对增加,使比热容比k值减小，影响热效率；
4）由于采用：
•：
』a=1.0,燃烧温度升高，NO;排放增加，此外进入燃烧室间隙中的混合气浓度高，使H（排放增加。
对PFI汽油机来说，由于配备了TWC上述第4点涉及的排放问题容易解决，其缺点主要在燃料经济性方面，即前三点。
当前的改进工作集中在缸内直喷（GDI）方面,王要是:
1）SCS方式，即在中低负荷应用稀燃混合气分层燃烧（StratifiedCombustion）,
在高负荷时仍用浓混合气；
2）HCCI-SI方式,即在中低负荷应用稀混合气均质压燃方式和在高负荷时仍用
浓混合气火花点火方式。
这两种方式均可消除泵气损失，但带来了排气后处理的困难，经济性改善的幅度取决于SC和HCC方式在负荷/转速图上的覆盖面积。
覆盖面积小了可能得不偿失。
2.1分层点燃式SCSI
日本三菱汽车公司于1994年首先宣布成功研制出采用SCS燃烧方式的缸内直喷式轿车用汽油机，接着日本的丰田、尼桑以及其他国家的汽车公司均研制成功。
这类发动机的最大优点是稀燃、泵气损失及传热损失小。
此外，向气缸直接
喷射汽油，使汽油蒸发吸热，改善充气效率，并有利于采用较高的压缩比。
在中低负荷时,发动机使用的混合气已很稀,为了保证火花点火成功，必须使混合气分层，使部分混合气较浓，其余的混合气更稀，并且还要保证把这部分较浓混合气在火花塞点火时刻送到火花塞间隙处，保证不出现失火循环，这是决定SCS燃烧系统成败的关键所在。
根据输送较浓混合气机理的不同，一般把SCS燃烧系统分成3类,即空气引导式、壁面引导式及油束引导式。
前述的日本三菱GDK动机即应用壁面引导式，在压缩后期，气缸内压力升高，使喷出的油束紧密，且射程较短，进气行程在气缸内生成的逆向滚流（InverseTumble）在压缩行程仍然存在。
此外，活塞顶部特殊形状的凹坑把较浓的混合气引导到火花塞间隙气缸中心处着火燃烧。
空气引导式的机理与壁面引导式大致相同，仅是突出气流（进气涡流）的作用而已。
这两个方案的共同特点是火花塞与喷油器之间的空间距离较远，不能保证
稳定可靠地点火。
此外,还有其他方面的缺点。
油束引导是第二代SCSI燃烧系统的标准方案，其特点是喷油器和火花塞尽量靠近，使油束和点火形成紧密的耦合关系以保证在混合气分层时点火稳定可靠。
2.2直喷式火花塞发动机（DISI）
现行比较流行的两种DISI变体一均质式”DISI通过计量式混合实现，还有混合模式的DISI，处于低转速或低负荷工况下混合物是以低当量比分层的，当高的负荷和转速时发动机会处在均质工作模式。
混合模式的DISI有达到最高燃
油经济性的潜在性，因此我们将我们的讨论限定在混合模式的DISI发动机上。
通过稀薄燃烧，泵气损失和热传递损失减少，循环效率因为改善了的热力转换条件提升。
而且，通过DISI发动机，发动机的压缩比可以得到一定比例的提升，因为额外的降温冷却效果通过向缸内直接喷射燃料来实现。
压缩比的增加将会进
一步提升循环效率。
例如图1所示的DISI发动机的工作模式。
正如像先前介绍的一样，这个混合模式的DISI发动机以分层模式启动，在低负荷/转速时为稀薄混合物，在大负荷/转速时达到均质模式。
均质负荷工况一直可以持续到中等负荷附近，那时混合物已很稀薄，或者远远大于理论空然比；而在更高的负荷区域混合物浓度达到理论空然比甚至浓度更高。
在一些情况下中等负荷区域是可以消除的，在整个负荷和速度工况范围内发动机的运转要么处于稀薄分层模式要么就处于计量比的均值混合模式。
当处于最高负荷状态时EGR系统就更多的用来消
除排气中的氮氧化物。
过于空气量和EGR稀释程度往往主要是由所需要的最大燃油经济型决定的，维持排放和燃烧稳定性在一个可接受的状态。
图1DISI发动机的工作模式
火花塞点火直喷式发动机的燃烧系统根据混合物形成的机理可以分为三大类别，见图2:
空气引导式，壁面引导式和喷雾引导式，在空气引导式和壁面引导式燃烧系统中喷油器是被放置在距火花塞较远的距离，燃油在确定方向的缸内气流运
动或是通过喷射与燃烧室的共同运动作用下被直接喷向火花塞。
在喷雾引导式燃
烧系统中，喷油器和火花塞的紧密排列在油气形成到点燃时提供很强的相互作用。
第一代DISI发动机的的发展主要是集中在壁面引导型的燃烧系统，然而，最有可能的是，第二代DISI发动机为了获取更好的燃油经济性，更宽的分层燃烧技术，以及改善发动机排放，将会采用喷雾引导型的燃烧系统。
对于壁面和气流引导型的SIDI发动机使它对于传统的PFI发动机具有优势的主要因素是：
低的泵气损失，取决于稀燃工况的良好的燃料混合性，由于低工
作温度而减少的散热损失，以及通过直接喷射的冷却作用达到更高的压缩比。
SIDI发动机的燃油经济型会变得更好但是它也会带来不利因素，更低的燃烧相位损失和更高的摩擦损失。
以喷雾引导型SIDI发动机为例，燃烧效率损失和燃烧相位损失都是低的，结果使得喷射引导型的燃油经济性相对于壁面引导型和气
流引导型的显著提高
图2油气混合物形成的三种类型
IW-*c-rtv■-*-
均质火花塞点燃分层壁血引导型分层嗪射引辱显
•ZD100
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1210B
艺2】
2000[rpm]
tMEP■3（bar）
•an.
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10203040每。
60
iHlqiHvKi『uaatocj
图3分层和均质燃烧的热释放的记录
由许多研究者观察的次佳的DISI发动机燃烧相位，通过图3可以得到很好的说明，主要比较了各种分层和均质燃烧系统的热释放率，同均质的SI发动机
相比较，分层燃烧的俩种方式是先进的，虽然它会使负功增加，发动机效率降低。
图3显示了喷射引导型相对于壁面引导型的相位优势。
发动机的模拟计算，把一个压缩比为11.2的DISI发动机与一个等价的压缩比为9.4的PFI发动机相比较，显示DISI发动机有一个全面的15%的制动效率的提升，而且相对于PFI发动机的四冲程循环燃油经济性提升15%。
图4列举了各个因素对于燃油经济性的影响。
DISI发动机对于燃油经济性的有利影响是压
缩比，热转换率，混合物性质和泵气损失，然而它的负面影响是摩擦损失和燃烧损失。
图4显示最有利的因素是在减少泵气损失方面的性能，与PFI发动机相比，
DISI发动机将经济性10%，其次是混合物性质提高的7.5%，热损失方面提高的2%，以及压缩比提高的3%的燃油经济性。
另一方面在燃烧损失和摩擦损失方面，DISI发动机则使燃油经济性上升了4%。
CRHTPROPPUMPWCTTOTAL
■4,039
图4各种因素对燃油经济性改善的影响
对于由于燃烧而使燃油经济性下降4%的DISI发动机，其中1%是由于相位损失造成的，3%是燃烧效率的下降造成的主要是发动机排放物中的CH恶化造成的。
其
原因是壁面引导SC然烧，此时处于晚喷射，旋流喷嘴喷出的油束在外界高压作用下变得很密集，它先横穿气缸，在活塞顶壁面的引导下，把较浓混合气引导到火花塞处。
带来两个问题：
油束可能把活塞顶弄湿（Wetting）产生黑烟;油束在高温环境中停留时间过长,产生过混合区（Over-mixedRegion）造成高的H（排放和增燃油消耗,为了克服这一缺点，不得不增大点火提前角以减少过混合区，但是引起PmaxTma＞和压缩负功增加,NOx排放增加,因此,热效率和燃烧效率之间的折中（Tradeoff）就成为SCS发动机调试中的一个核心问题。
不完全燃烧（HC和CO排放）对经济性的影响在COM总计-4%的影响中约占3/4,即-3%。
另一方面，由于热传导而使2%燃油经济性的提高具体分布如下：
由于DISI发动机的活塞碗状和曲线形状形成的更大的燃烧表面（高出40%活塞表面积）的造成4.3%燃油经济性的损失；6.3%的燃油经济性的提升则归功于更低的缸内温度。
而后者没有考虑DISI发动机
缸内的对流换热流量同PFI发动机那样取决于更大的传热系数应有的增加，这个更高的传热系数由更高的缸内运动和DISI发动机的更高的密度有关。
目前,进入批量生产的日本三菱汽车公司的SIDI发动机采用壁面引导（WallGuided）实现分层燃烧。
据三菱公司报道,采用SCSI燃烧系统低负荷（1/3全负荷以下）经济性可改善30%-35%,但按法规循环进行试验,其经济性改善为10%-15%表1示出一单缸SIDI试验机按FTPt工况法模拟暖机过程的试验结果。
试验点分成3类：
近怠速、低负荷和中负荷。
在近怠速和低负荷时应用迟后喷射（Late
Injection）分层燃烧；在中负荷时应用早喷射（EarlyInjection）均匀混合燃
烧。
单缸试验机的压缩比为11.2（表1中与其进行燃油经济性对比的PFI机的压缩比为9.4）
r~
近怠速
低负荷
中负荷
试验点
1
2
3
4
5
6
7
转速r/min
600
846
1133
1357
1400
1520
1736
BMEP,kPa
136
115
204
401
260
445
549
NMEP,kPa
158
133
232
291
431
484
590
时间权重，%
19.7
38.98
15.29
9.91
6.09
4.97
3.28
燃烧模式
分层
分层
均质
燃油经济性改进
20.219.4
20.4
22.9
5.66.77.3
表1单缸SIDI机稳态七工况模拟FTF实验
由表1可知,近怠速和低负荷工况是SIDI发动机燃油经济性改进的主要原因，此时燃油经济性的改进为19%23%而当进入中负荷以后,燃油经济性的改进大约为7%壁面/充量运动引导的SIDI发动机比PFI汽油机经济性好的主要原因见图4。
2.3HCCI燃烧方式
HCCI燃烧方式与SCSI燃烧方式一样,主要用在中低负荷。
均质混合气压缩燃烧主要受化学反应动力学的影响。
因此，气缸内混合气在压缩过程中的温度和压力的变化就自动决定了着火时间，它不像一般汽油机和柴油机那样可以用点火定时和喷油定时的变化来改变着火时间。
此外,HCCI燃烧时缸内多点同时着火，能产生很高的压力升高率和放热率。
当前在HCCI-SI发动机的研究中，着重要解决的问题是：
尽量扩大HCC的运行范围，以便充分发挥HCC燃烧方式在改善经济性和降低排放上的优点。
图示出HCC发动机的运转范围和与PFI汽油机相比燃油消耗率be、N（X排放、H（排放的变化情况。
平均有效压力（p的最大值约为0.4MPa,空燃比〉为30〜35,限制因素是敲缸；平均有效压力的下限接近0.05MPa，此时〉为70〜80,由于点火困难和燃烧效率低下,生成大量HC见图）和CO
a燃油消耗率下降百分比bNOx排放下降百分比cCH排放量增加%
扩大HCC运行范围的方法很多，如进气充量加热、增压、增加压缩比、废气再循
环（EGR）利用残余废气（内部EGR）在NVO负气门重叠角）下向气缸内喷油、直接喷射形成分层混合气和火花辅助点火等。
1）加热进气充量
利用废气、冷却水或电加热等方法加热进气充量是控制和促进自燃的有效方法
2）增加压缩比
增加压缩比可扩大HCC运行范围,但许多研究者均指出,低压缩比对HCC燃烧的组织比较方便，高压缩比使燃烧效率降低。
原因是压缩比高时，进入燃烧室隙缝中的混合气增加,使HC排放增加；此外，；大相当于膨胀比大,排气温度低,CO不易氧化成CO。
再考虑到HCCI-SI两种燃烧模式同时运用,压缩比更不能过高。
3）废气再循环（EGR）
前面已经提到HCCI燃烧是一种化学反应动力学控制的混合气自燃方式，用再循
环的废气稀释充量是控制自燃和扩大HCC燃烧模式运行的负荷/转速范围最有效的措施。
EGR勺五大作用：
增加进气充量的温度（加热作用）；减少氧气浓度（稀释效应）；增加混合气的比热容（比热容效应）；废气中还包含一些活化物，促进化学反应（化学效应）；回流废气和新鲜充量混合时的分层作用（分层效应）。
显然稀释效应和比热容效应可减小放热率峰值，扩大燃烧持续期，加热效应将使自燃提前,废气分层效应促使扩大HCC运行的下限,利用可变气门机构（VariableValveActuation,VVA）改变气门定时和气门升程，适时地调整EGR率,从而对HCC燃烧进行控制。
EG是当前最有希望实现HCCI-SI组合燃烧实用化的方法之一。
废气再循环可以分为两类，一类是外部再循环，即通过吸气或压缩过程中排气门重开启,使排出的废气从排气管再回到气缸（Reinduction）,另一类是内部再循环，即应用负气门重叠（NegativeValveOverlap,NVO）在排气行程中保留一部分废气不排出气缸，在新的吸气过程开始时，这部分废气先膨胀，然后再吸入新鲜充量。
在相同的EG率下，采用外部再循环的发动机比采用内部EGR的经济性要好一些，NCX排放较低，但HC^放高,这主要是因为内部EGRI附加的泵气损失。
但这一结论需要有更多的试验予以证实。
应用NGO有时称再压缩Recompression）办法对汽油机进行残余废气的控制是目前研究HCC燃烧的热点。
4）直接喷射生成分层混合气
在接近HCCI燃烧下限工作时（发动机怠速或接近怠速）混合气燃烧不完全，燃油消耗率和CO,HC排放激增。
此时,若采用混合气分层的办法，有利于燃烧，使HC排放下降，但NCX排放激增。
因此，混合气分层取决于燃烧效率和N（X排放间的折中。
这一点在前面讨论SCS燃烧时已经指出过了。
5）多次喷射
多次喷射是实现柴油HCCI燃烧的重要技术，是减小发动机放热率峰值，扩大HCCI运行上限的一种方法，现在也有在汽油HCCI机上应用的趋势。
先期喷射一般安排在上止点前的NV期间,主喷射安排在上止点后的进气过程中。
先期喷油进入高温并且含有活性燃烧产物的残余废气中进行先期反应，对促进主喷射燃料的自燃有帮助。
3总结
为了进一步改善目前广泛使用的PFI汽油机的性能，从燃烧的角度看主要趋向于“缸内直喷”的研究，研究的重点集中在油束引导的分层燃烧和HCC燃烧两个方面。
无论是SCS或HCC都可获得比均质化学计量比（「a=1.0）发动机可观的经济性改善及低的NO:
排放，特别是HCC机的N（X排放更低，但H（和放较高。
遗
憾的是这两类技术对燃烧的改进仅适用于发动机的低中负荷，范围有限，因此，当
前推荐汽油机使用多种燃烧模式的混合方式，从发展DISI机出发,对单项技术的研究也有较高的要求，主要有：
1）液电控制的VV■系统；
2）采用高压（约为20MPa）低贯穿度的石英
喷油器（PiezoelectricInjector）,以减少液体油束和活塞顶的碰撞，降低炭烟
和HC勺生成；
3）采用高能点火系统，减少在很低负荷时的失火次数；
4）冷却系统的热管理系统，以改善低负荷时的着火和燃烧（对HCC特别有效）；
5）增压,用于扩大SCS和HCC燃烧的上限（指平均有效压力）；
6）可靠的控制系统，但需要依靠基于气缸压力控制系统的发展。
参考文献
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