汽油机稀薄燃烧专业技术探析.doc

江西科技学院自考本科生毕业设计（论文） 密级： 学号： 自考本科生毕业（设计）论文汽油机稀薄燃烧技术探析 学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的设计（设计）是本人在指导老师的指导下独立进行研究，所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本设计（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保 密 ， 在 年解密后适用本授权书。不保密 。（请在以上相应方框内打“” ）学位论文作者签名（手写）： 指导老师签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘 要随着中国经济的快速发展，人们生活品质的不断提高，中国的汽车保有量逐年攀升，汽车的广泛应用,汽车尾气对环境的危害也越发严重，对环境造成的影响是越来越严重，环境问题日益严重，因此，发展燃烧效率高、尾气污染小的机动车对于我国经济的发展和保护环境具有现实意义。稀薄燃烧技术正是以其经济性好、污染物排放低而日益受到国内外汽车界的广泛重视，我国现在正在快速的成为汽车大国，汽车保有量越来越大保守估计大概有一亿多辆，这样大的汽车帝国每天汽车的排放可以说是个天文数字对环境造成的影响是非常巨大的。在这样的环境下我们应给想办法来减少排放，让燃料得到充分利用，不但能提高燃烧效率，也对环境的影响有所减小，所以就出现的一种新技术稀薄燃烧。本文首先简述了汽车稀薄燃烧技术，然后文章介绍了稀薄燃烧技术的几种系统，概要的讲解了GDI系统的工作原理、关键技术，并列举了使用GDI系统的汽车企业实例，然后介绍了PFI系统，对PFI系统做了简要分析，对HCCI系统的燃烧特性和实例分析做了简要梳理，最后对稀薄燃烧技术的优缺点进行归纳，提出若干改进意见，本文最后对稀薄燃烧技术做了简单总结。希望通过本课题的研究，可以给研究稀薄燃烧技术的团体或者个人给予帮助。关键词：稀薄燃烧技术;GDI系统;PFI系统ABSTRACT With the rapid development of Chinas economy, the continuous improvement of quality of life people, car ownership in China rising year by year, the wide application of car, car exhaust the harm to environment is also increasingly serious, the effects on the environment is more and more serious, the environment problem increasingly serious, therefore, development of high combustion efficiency, small motor vehicle exhaust pollution to the economic development of China and protect the environment has a realistic significance. Thin combustion technology is increasingly with its good efficiency, low pollutant emission and by car world wide attention both at home and abroad, our country now is rapidly becoming the car power, more and more car ownership is about more than one hundred million by conservative estimates, every car emissions can say such a big car empire is a astronomical figures the effects on the environment is very large. In such an environment we should give to find ways to reduce emissions, make full use of the fuel, not only can increase the combustion efficiency, and less impact on the environment, so there is a new technology of thin combustion.This paper first describes the rarefied combustion technology, and several kinds of system, this paper introduces the rarefied combustion technology of profile explained the GDI system working principle, key technology, and presents some practical use GDI system of automobile enterprises, and then introduces the PFI system, made a brief analysis on PFI system, the combustion characteristics of HCCI system a brief carding and instance analysis, finally, the advantages and disadvantages of rarefied combustion technology are summarized, and put forward some improvement opinions, this paper makes simple summary finally, rarefied combustion technology. Hope that through this topic research, can give the rarefied combustion technology of organization or an individual for help.Key words: thin combustion technology; GDI system; PFI system目 录第1章 稀薄燃烧技术基本概述11.1什么是稀薄燃烧技术11.2汽车稀薄燃烧技术的发展11.3稀燃技术特点及其工作条件21.3.1 稀薄燃烧技术特点21.3.2 稀薄燃烧技术工作条件2第2章 稀薄燃烧技术分类42.1GDI系统42.1.1 GDI的工作原理42.1.2 GDI的关键技术：42.1.3 实例分析三菱GDI发动机62.2PFI系统62.2.1 PFI系统62.2.2 PFI系统的流动形式62.3HCCI系统72.3.1 HCCI的燃烧特性72.3.2 在汽油机上实施HCCI的条件82.3.3 实例分析-HCCI技术的应用8第3章 稀薄燃烧技术的优缺点及改进方法93.1GDI系统的优点以及存在的问题93.1.1 GDI优点93.1.2 GDI存在的问题93.2HCCI系统发展面临的关键问题103.2.1 着火时刻的控制难103.2.2 工况范围有局限103.2.3 冷起动的着火难113.3稀薄燃烧技术改进方法113.3.1 二次混合技术113.3.2 二次燃烧和反应式排气管113.3.3 废气再循环(EGR)113.3.4 稀燃催化器12第4章 总 结13参考文献14III第1章 稀薄燃烧技术基本概述1.1什么是稀薄燃烧技术稀薄燃烧是指发动机在大于理论空燃比（约14、6）条件下进行的燃烧，这样可使燃油在发动机内进行充分燃烧，最大限度地减少了有害物质的产生。稀薄燃烧型发动机包括稀薄燃烧汽油机和柴油机，其燃料经济性好、污染物排放低。例如，非直喷稀薄燃烧型汽油机的空燃比提高到22时，可节约燃料15，产生量也显著减少。日本丰田公司和日产公司相继推出了空燃比在4050的缸内直喷式稀薄燃烧型汽油机，在保持良好的低排放特性的同时，燃油经济性较传统的汽油机高20%-30%，柴油机的燃油经济性一般比理论空燃比均质燃烧的汽油机高25%-40%。1.2汽车稀薄燃烧技术的发展其实，在20多年前就已经有人在研究稀燃技术。面对21世纪70年代初欧美国家的排放规定以及石油危机引起的降低油耗的需求，人们探索了由稀混合气运行，用氧化催化剂净化排气的方法，采用了一种带副燃烧室的发动机。这种由丰田及本田公司发明的燃烧方式由于从副燃烧室喷出火焰会造成热能损失，稀混合气发动机改进对油耗的效果不明显。从那以后，随着进气口的改进，气缸内旋涡生成技术的进步，由通用、福特、丰田、本田、日产等汽车公司先后搞成的开口式燃烧室可以形成比带副燃烧室还好的稀薄混合气燃烧，并且随着进气口燃料喷射技术的发展和稀混合气传感器技术的开发，精密控制空燃比已成为可能。80年代中期，丰田正式使稀混合气发动机（TLCS）产品化，三菱、本田也相继将其产品实行产品化。进入90年代，三菱汽车公司研制出来的缸内直喷技术使稀燃技术又进了一步。目前，各大公司都拥有自己的稀燃技术，其共同点都是利用缸内涡流运动，使聚集在火花塞附近的混合气最浓，先被点燃后迅速向外层推进燃烧，并有较高的压缩比。比较著名的三菱缸内喷注汽油机（GDI），可令混合比达到40:1。它采用立式吸气口方式，从气缸盖的上方吸气的独特方式产生强大的下沉气流。这种下沉气流在弯曲顶面活塞附近得到加强并在气缸内形成纵向涡旋转流。在高压旋转喷注器的作用下，压缩过程后期被直接喷注进气缸内的燃料形成浓密的喷雾，喷雾在弯曲顶面活塞的顶面空间中不是扩散而是气化。这种混和气被纵向涡旋转流带到火花塞附近，在火花塞四周形成较浓的层状混和状态。这种混合状态虽从燃烧室整体来看十分稀薄，但由于呈现从浓厚到稀薄的层状分布，因此能保证点火并实现稳定燃烧。大众的直喷汽油发动机（FSI），则是采用了一个高压泵，汽油通过一个分流轨道（共轨）到达电磁控制的高压喷射气门。它的特点是在进气道中已经产生可变涡流，使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内，以分层填充的方式推动，使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。本田最新的VTEC发动机也将采用稀燃技术。这款取名为VTECi2.0升发动机将比一般本田发动机省油20%，其特点是将VTEC技术与稀燃技术相结合，也是当低转速时令其中一组进气门关闭，在燃烧室内形成一道稀薄的混合气体涡流，层状分布集结在火花塞周围作点燃引爆，从而起到稀薄燃烧作用。1.3 稀燃技术特点及其工作条件1.3.1稀薄燃烧技术特点 是指在内燃机中，空气与燃料的质量比。如果它恰好等于能使得燃料完全燃烧的化学计量比，则称为化学计量空燃比。空燃比是减少排放和提高内燃机性能的一个非常重要的参数。空燃比是指在发动机进气冲程中吸入气缸的空气与燃油(汽油)重量之比，混合气中的空气与燃油的比例称为空燃比。 汽油与空气混合燃烧时，空气量过多或者过少都不能有效进行燃烧。汽油完全燃烧所必需的空气比例，可以根据理论计算得到，并称之为理论空燃比。具体地讲，一份汽油对14.7份空气。因此理论空燃比为14.7。必须根据发动机的工况改变空燃比。在带有三效催化转化器的发动机中，发动机必须调整到理论空燃比，14.71。在带节气门开启时，发动机以较稀薄的混合气，即空燃比在15-161范围内运转，但在稀薄燃烧发动机中，将以更为稀薄的混合气，即空燃比大于18。 稀薄燃烧技术的最大特点就是燃烧效率高，经济、环保，同时还可以提升发动机的功率输出。因为在稀薄燃烧的条件下，由于混合气点火比理论空燃比条件下困难，暴燃也就更不容易发生，因此可以采用较高的压缩比设计提高热能转换效率，再加上汽油能在过量的空气里充分燃烧，所以在这些条件的支持下能榨取每滴汽油的所有能量。1.3.2 稀薄燃烧技术工作条件 采用紧凑型燃烧室，通过进气口位置改进使缸内形成较强的空气运动旋流，提高气流速度;将火花塞置于燃烧室中央，缩短点火距离;提高压缩比至13:1左右，促使燃烧速度加快。 按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12:1左右，外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。为了提高燃烧的稳定性，降低氮氧化物(NO)，现在采用燃油喷射定时与分段喷射技术，即将喷油分成两个阶段，进气初期喷油，燃油首先进入缸内下部随后在缸内均匀分布，进气后期喷油，浓混合气在缸内上部聚集在火花塞四周被点燃，实现分层燃烧。 折叠高能点火，高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成，火焰传播距离缩短，燃烧速度增快，稀燃极限大。有些稀燃发动机采用双火花塞或者多极火花塞装置来达到上述目的。第2章 稀薄燃烧技术分类汽油机稀薄燃烧技术包括直接喷射稀燃系统GDI、进气道喷射系统和均质混合气压燃系统HCCI。2.1 GDI系统2.1.1 GDI的工作原理中小负荷时，在压缩行程后期开始喷油，通过与燃烧系统的合理配合，在火花塞附近形成较浓的可燃混合气，在远离火花塞的区域，形成稀薄分层混合气;大负荷及全负荷时，在早期进气行程中将燃油喷入气缸，使燃油有足够时间与空气混合，形成完全的均质化学计量比进行燃烧。另外，也有采用分段喷油技术分层混合气，即在进气早期开始喷油，使燃油在气缸中均匀分布，在进气后期再次喷油，最终在火花塞附近形成较浓的可燃混合气，这种将一个循环中的喷油量分两次喷入气缸可以很好的实现混合气的分层。2.1.2 GDI的关键技术：GDI通常划分了负荷区，因此要求GDI燃油喷射系统至少要能提供23种不同的操作模式，以适应不同的负荷要求。试验结果表明采用电磁喷射阀的共轨喷射系统能满足这一要求。GDI比PFI对喷油器的要求严格。GDI要求喷油器雾化水平高，能在较窄的脉冲宽度内喷出所要求的燃油，以确保晚喷，实施分层燃烧，这就对喷油器提出了更高的动态响应要求。另外，由于喷油器位于缸内，工作条件恶劣，因此要对嘴端沉积物生成和高温有更强的抵抗能力。此外，喷油器的喷雾特性对GDI发动机的燃烧过程影响较大，而对PFI发动机的燃烧过程影响较小。大多数GDI发动机若要达到可接受的UBHC排放和IMEP(平均指示有效压力)的循环变动系数，其SMD(索特平均直径)应小于25um。由于SMD的大小也影响燃油蒸发时间，故有人提出SMD小于15um的喷雾才适用于GDI。因此，目前喷油器研究的一个重点是加强雾化效果。判断雾化质量的另一标准是喷雾中油滴尺寸的分布其中最重要的是大尺寸油滴的分布，这是因为大尺寸油滴的质量占燃油总质量比例大，同时也是最后仍保持液态的那部分燃油对燃烧和排放影响大。GDI采用的喷油器主要有两种类型。一种是空气辅助喷油器。其喷油原理是先将燃油供入喷油器油室，再充以高压空气从而突破阀座弹力形成喷射。燃油的大部分是在前几次阀座震荡循环过程中喷出，喷雾形状为锥角较大的中空结构。另一种是高压旋流喷油器。该喷油器可将油束的一部分动能转化为水平旋转动能，从而降低贯穿速度避免油束撞壁，同时仍保持原有的雾化水平。目前对高压旋流喷油器的采用和研究最多。高压旋流喷油器的喷雾锥角主要依赖于喷油压力和缸内背压，其中后者的影响较大，因此它能根据不同负荷区的要求提供所需要的喷雾形状。在早喷时喷雾形状是适宜均质混合的中空扩散型，在晚喷时是适宜分层燃烧的紧凑型。喷油压力主要影响雾化质量和贯穿速度，较适当的喷油压力为5MPa10MPa；对雾化过程进行优化后的贯穿速度能达到4050m/s，约2倍于典型缸内流场速度，因此对缸内流场必须仔细优化。在进气冲程与压缩冲程中的瞬态缸内流场是GDI的另一关键因素。在GDI发动机中，流场的三个重要因素是平均流体结构的稳定性(宏观流场结构)，压缩冲程中紊流的发展（微观流场结构）和点火区域的流场平均速度（宏观流场结构），能较长时间地保持平均流体结构的流场将有利于分层，因此能把与平均速度相关联的动能较晚地转化为紊流动能的流场结构是GDI系统所希望的；在火花塞电极间隙具有高紊流强度和低平均速度的流场对GDI系统也是有利的。在汽油机中可采用的流场结构有滚流、涡流和挤流三种。涡流比滚流具有更小的粘性耗散，因此生存时间较长，更易保持分层；由于燃烧室的曲面导向作用，滚流容易衰减成大尺度的二次滚流结构，这使得保持稳定的混合气分层变得困难，因而采用滚流为主的GDI发动机要比采用涡流为主的GDI发动机循环变动大。但滚流在上止点附近有助于加强紊流强度，而且在压缩冲程中滚流具有加速旋转的特性，能提高近壁面气流速度，从而促进壁面油膜的蒸发。由于上述流场结构各有其优缺点，在实际的GDI发动机中都被采用或综合利用。如三菱公司采用反滚流结构，丰田公司采用涡流结构提出斜涡流，即涡流和滚流的综合结构，流场结构的实现和保持主要通过燃烧室结构的设计来进行，此外，GDI发动机与传统汽油机的一个区别是燃油喷束将对缸内流场产生影响，喷雾的卷吸作用会影响大尺度的流场结构，还能促进紊流强度的提高，且晚喷与早喷的促进程度不同，通常早喷促进的紊流强度可达晚喷时的2倍。混合的实质是缸内流场与喷雾的相互作用。当缸内流场特性和喷雾特性被确定后，首先要考虑的因素是喷油器的布置，随之也就要对火花塞位置进行考虑以确保稳定点火。较早的GDI发动机通常将火花塞与喷油器布置得很近，均位于燃烧室中心或附近。这样布置结构简单，但会使进气门面积受到限制，进而影响充气效率的进一步提高，同时过近的距离易使火花塞被油雾打湿。因此近年来将喷油器安装于气缸侧面的布置方式得到发展，三菱公司和丰田公司均采用了该型式的布置，但需要对混合气向火花塞的转移进行仔细优化。当喷油器和火花塞位置确定后，对混合的控制是通过喷油定时等喷油控制策略来进行的，对燃烧的控制则是在此基础上再通过点火定时来实现的。喷油定时对允许的点火提前角有影响，如喷得越晚，允许的点火提前角越大；对容积效率的影响成山峰形变化，即容积效率的提高率随着喷油定时的提前先增加后减少。喷油定时决定了混合气的均质程度，也就决定了发动机的工作模式是均质模式还是分层燃烧模式。工作模式的切换通过喷油定时的变换来实现。切换时要注意切换前后扭矩应一致，以防扭矩变化带来振动。其中丰田公司模式切换时采用了二段喷射。首藤登志夫等人在缸径为135mm的直喷式分层充气发动机上进行了二段喷射的研究。他们在进气冲程中喷射一部分燃油，以便在燃烧室全空间内形成稀薄的预混合气，第二次在即将点火之前向火花塞喷射，以保证稀混合气的稳定着火和分层燃烧。试验结果表明与标定工况下的稀燃相比，燃油消耗可降低30，同时也表明影响燃烧的重要因素是点火定时、第二段喷油定时及第二段喷油量所占总油量的比例。2.1.3 实例分析三菱GDI发动机 进入90年代，三菱汽车公司研制出来的缸内直喷技术使稀燃技术又进了一步。目前，各大公司都拥有自己的稀燃技术，其共同点都是利用缸内涡流运动，使聚集在火花塞附近的混合气最浓，先被点燃后迅速向外层推进燃烧，并有较高的压缩比。比较著名的三菱缸内喷注汽油机（GDI），可令混合比达到40:1。它采用立式吸气口方式，从气缸盖的上方吸气的独特方式产生强大的下沉气流。这种下沉气流在弯曲顶面活塞附近得到加强并在气缸内形成纵向涡旋转流。在高压旋转喷注器的作用下，压缩过程后期被直接喷注进气缸内的燃料形成浓密的喷雾，喷雾在弯曲顶面活塞的顶面空间中不是扩散而是气化。这种混和气被纵向涡旋转流带到火花塞附近，在火花塞四周形成较浓的层状混和状态。这种混合状态虽从燃烧室整体来看十分稀薄，但由于呈现从浓厚到稀薄的层状分布，因此能保证点火并实现稳定燃烧。2.2 PFI系统2.2.1 PFI系统进气道喷射稀燃系统（PFI）普通汽油机工作时保证可靠点火所对应的空燃比为10:220:1，与此相比，稀燃汽油机的空燃比要大得多。为了保证可靠点火，点燃式稀燃汽油机在点火瞬间火花塞周围必须形成易于点燃的空燃比为12:113.5:1的混合气。这就要求混合气在气缸内非均质分布。而要实现混合气的非均质分布，必须使混合气在气缸内分层。混合气分层主要依靠气流的运动结合适时的喷油实现。2.2.2PFI系统的流动形式进气道喷射稀燃系统根据进气流在气缸内的流动形式不同，可分为涡流分层和滚流分层两种。 涡流分层燃烧：这种燃烧方式一般是通过对进气系统的合理配置，使缸内产生强烈的涡流运动。在进气冲程初期，随着活塞向下运动，缸内形成较强的涡流。通过控制喷油时刻使喷油器在进气后期喷油，进入气缸的燃油大部分就保持在气缸的上部，气缸内的强涡流起到维持混合气分层的作用，气缸内将形成上浓下稀的分层效果，火花塞周围有较浓的混合气。这样形成的涡流在压缩后期虽然随着活塞的上行逐渐衰减，但涡流的分层效果仍可大体一直保持到压缩上止点，有利于点火燃烧。滚流分层燃烧：滚流分层多用于进气道对称布置的多气门发动机，当进气门升程较小时，进气流在缸内的流动紊乱，有规律的流动不明显。此时存在两个旋转轴相互平行而垂直于气缸轴线的涡团，一个在进气门下方靠近进气道一侧，另一个在进气道对侧，大致位于排气门下方，此为非滚流期。当气门升程加大时，位于进气道对侧的涡团突然加强，进而占据整个燃烧室，与此同时另一个涡团逐渐消失，此为滚流产生期。随着气门升程的加大和活塞下移，滚流不断加强。在进气行程下止点附近滚流达到最强，此为滚流发展期。压缩行程属滚流的持续期。在压缩行程后期，由于燃烧室空间扁平，不适于滚流发展而遭破坏。在上止点附近，滚流几乎被压碎而成为小尺度的湍流，此为破碎期。滚流的生命周期短，点火后将很快在燃烧过程中消失。正是由于滚流在上止点附近破碎为湍流，将进气流动的动能转化为湍动能，才有利于发动机性能的提高。2.2.2 2.3 HCCI系统HCCI意即均质充气压缩点燃。早在20世纪30年代,人们就认识到在汽油机上存在均质混合气压缩自燃的燃烧方式,HCCI燃烧方式的出现,有效地解决了传统均质稀薄点燃燃烧速度慢的缺点,是有别于传统汽油机的均质点燃预混燃烧、柴油机的非均质压缩扩散燃烧和GDI发动机的分层稀薄燃烧的第四种燃烧方式，HCCI发动机利用的是均质混合气,通过提高压缩比,采用废气再循环、进气加温和增压等手段,提高气缸内混合气的温度和压力,促使混合气进行压缩自燃,在气缸内形成多点火核,有效维持了着火的稳定性,并减少了火焰传播的距离。2.3.1 HCCI的燃烧特性HCCI燃烧的过程可以分为两个阶段，即冷焰阶段和主要放热阶段。大约在活塞到达压缩上止点之前20度曲轴转角处，出现冷焰。它们非常微弱，均匀分布在整个燃烧室中。在冷焰和主要放热阶段开始之间，没有火光。活塞接近压缩上止点处，主要放热阶段开始。混合气在燃烧室任意之处同时开始燃烧。但燃烧室壁面附近，由于温度较低，放热被延迟，从而导致总的放热过程被减慢。从理论上而言，在HCCI燃烧过程中，均匀混合气被压缩燃烧，同时在许多点处开始着火，没有明显可看见的火焰前锋面，也没有限于一处的高温反应区，这样抑制了NO和颗粒物质的产生。但是，HCCI燃烧在内燃机中的使用仍有两个最主要的困难，即燃烧着火点的控制和在整个发动机运行范围内燃烧率的控制。而这两方面还没有直接的方法可以控制，只有从影响燃烧的参数入手进行间接调节。2.3.2 在汽油机上实施HCCI的条件从汽油的理化特性分析，汽油的沸点低，蒸发性能好，因而在常温或稍加热的条件下容易与空气形成预制均质混合气。然而汽油的燃点高，难自燃。预制均质混合气若实现压燃，需要压缩温度高于启燃温度。研究表明，包括汽油在内的常见液体燃料，在一定压力和温度下都可以自燃，只是燃点不同。在高压缩比汽油机上，汽油在压缩温度900K以上可以着火燃烧。我们知道，传统汽油机的爆震燃烧，正是由汽油的自燃现象而引起。2.3.3 实例分析-HCCI技术的应用在HCCI技术的研发上，奔驰和GM走在了前列，以奔驰的07年的F700概念车为例，其Dis1.8T直4CGI直喷发动机在采用HCCI技术后（如图5-5），输出功率达到238hp，最大扭矩达到400Nm，完全就是一台3.5LV6的水平，难得的是它的油耗仅为6L/100km，二氧化碳排放仅127g/100km。采用HCCI技术的GMOPELV和SaturnAura2.2LL4汽油机的油耗也仅为4.3L/100km，比常规技术降低15以上。相信随着技术难关的不断攻克，HCCI技术将会快速普及到大众当中，作为一种新的节能增效技术，为地球的蓝天作一份贡献。梅赛德斯-奔驰近日发布了其全球首创的“Dies”汽油发动机技术。戴姆勒-克莱斯勒公司首席环保官兼车身和动力传动系工程技术和研究负责人HerbertKohl教授说：“让汽油机与柴油机一样具有经济性，是我们致力于可持续发展的技术目标之一。Dies概念发动机融合了汽油机与柴油机的主要优点，具备实现这一目标的条件。”据了解，由汽油机与柴油机“联姻”产生的Dies概念发动机，涵盖了可控点火系统、汽油直喷和可变压缩比等众多先进技术。其中，可控自动点火系统（controlledautoignition）体现了Dies技术的核心：发动机启动和全速运转，将使用传统火花塞的点火方式；而在中低速运转状态下，发动机将自动采用可控点火技术，实现类似柴油发动机的高效燃烧过程，从而极大降低汽油机的氮氧排放，在带来高扭矩的同时，大幅提高燃油经济性。Dies使用普通汽油，不需任何合成燃料。第3章 稀薄燃烧技术的优缺点及改进方法3.1 GDI系统的优点以及存在的问题3.1.1GDI优点汽油机GDI技术具有许多优点，可以实现分层稀燃,使压缩比提高至1214，部分负荷时采用像柴油机那样的质调节(无节气门的节流损失),可大幅度提高指示效率,达到节能15%20%的目标,即达到直喷式柴油机的燃油经济性水平，循环热量的利用更合理(因混合气同时被燃烧室壁和活塞加热,使这一部分循环热量被利用而不是传给冷却水),热损失小,故热效率较高，因进气充量温度较低,所以具有较高的充气效率和抗爆震特性，因汽油直接喷入缸内,即使在低温下也具有良好的加速响应性和优异的瞬态驱动特性。3.1.2 GDI存在的问题 排放问题GDI汽油机的开发成功,极大地提高了汽油机的燃油经济性。但其排放总体讲要高于传统的在理论空燃比下工作的加三元催化剂的进气道喷射汽油机。其排放问题主要有:中小负荷下未燃HC排放较多。原因有:采用混合气分层时引起火焰从浓区向稀区的熄灭,稀燃造成缸内温度偏低,不利于未燃HC随后的继续氧化;远距离方式组织的燃烧系统因喷雾碰壁较多,而活塞顶和缸壁的温度低,形成较多HC;其他设计不当引起的混合气混合不充分和火焰延迟,也会造成火焰传播速度降低,使HC排放升高。采用较稀的空燃比后,气缸内的反应温度较低可使NO排放有所降低,但混合气分层将不可避免地在火花塞附近出现混合气过浓或浓混合气区域过大的状况,这些区域恰恰是高温区域,使NO生成增加。另外,稀燃时由于排气中始终处于氧化氛围,使NO的还原比较困难。GDI汽油机的微粒排放在低负荷、过渡工况和冷起动的情况下要高于传统的进气道喷射汽油机。主要是由局部地区过浓的混合气或未蒸发的液态油垂直气道和螺旋气道,它们相互隔开。SCV装在垂直气道的上游,由直流电机驱动,可根据发动机工况改变开启角度。高负荷时,SCV完全关闭以获得强涡流,形成均质稀混合气。部分负荷时,SCV部分开启,通过控制涡流强度和喷束方向优化混合气形成。该机还采用了高压油燃油喷射系统、电子节流阀控制系统、电控EGR、吸藏还原型NO催化剂等新技术,使油耗降低了22%,避免了炭烟的生成,使输出扭矩过渡平稳并使排放满足要求。 积炭 GDI汽油机在超稀混合气燃烧时,易因高温缺火引起积炭。原因是在火花塞点火时刻,缸内的分层混合气只占据一小部分空间,其他空间只有极微弱的燃油存在,且燃料的气化蒸发使缸内温度偏低,点火后火焰在传播过程中逐渐减弱,造成熄火,使混合气不能充分燃烧,产生积炭。 催化器的问题传统的三元催化器同时净化NO、CO、HC三种排放物的效果只有在理论空燃比下才能实现。而GDI汽油机工作在稀空燃比条件下,其造成的富氧使传统的三元催化器对NO的转化率不高,废气排温较低也不利于三元催化器的起燃,限制了它在GDI汽油机上的应用。功能问题在实际GDI汽油机上,理想的混合气浓度均匀递降的分层不可能实现,使得精确的分层燃烧控制比较困难;GDI高的喷射压力要求油泵和喷油器的功率要高,且汽油的润滑性较差,开发出抗磨损能力强、功率消耗低的供油系统和燃油喷射系统,是GDI汽油机必需解决的问题。3.2 HCCI系统发展面临的关键问题HCCI发动机的实用化，面临的关键技术问题是：着火时刻的控制、工况范围的局限性以及冷起动的着火难等。3.2.1着火时刻的控制难HCCI发动机要稳定而不粗暴的工作，必须保证着火时刻稳定，而且不得过早或过晚。着火时刻由混合气的启燃能力决定。如果混合气过早达到启燃温度，着火燃烧，最高爆发压力太接近上止点，则造成燃烧压力升高率过高，工作粗暴；如果混合气达到启燃温度的时刻过晚，譬如上止点之后，则燃烧效率低而且容易出现失火。传统汽油机燃用均质混合气，由火花塞点燃着火，着火时刻由火花点火时间控制；传统柴油机采用压燃式着火，燃油喷射时刻接近压缩冲程上止点，非均匀分布的燃油在燃烧室内滞留时间短，启燃发生在最先喷入的燃油所处的位置，着火时刻由喷油时刻控制。但是HCCI燃烧采用预混合，形成均质混合气，混合气在压缩冲程末期受压缩升温自燃。着火时刻受进气温度、进气量、空燃比、压缩比、燃烧室温度、缸内废气系数、配气相位、发动机转速、燃料成分等因素的影响，这些影响因素随时多变而又相互影响，要在稳定工况确保着火时刻的稳定性比较困难。已有文献报道的着火时刻的控制策略。在一定燃料品质、一定发动机结构参数情况下，实现HCCI发动机的关键是精确控制喷油时刻和喷油量。3.2.2工况范围有局限HCCI燃烧方式，目前仅能应用于中低负荷工况，不能用于大负荷工况。在大负荷工况时，由于燃烧速度快，燃烧噪声大，工作过分粗暴，并生成大量NO。在大负荷工况时，若使用稀混合气、大量废气再循环或缸内喷水的方法，以柔化燃烧，必然影响功率输出。从火花点火式发动机的研究经验得知，混合气过浓或过稀，都能降低燃烧速度，但混合气过浓，必将影响燃油经济性甚至出现缺氧冒烟现象。迄今尚未见HCCI应用于大负荷工况的成功实例。3.2.3 冷起动的着火难HCCI的着火，需要混合气压缩温度高于启燃温度，汽油的启燃温度大致在1000K左右。在冷起动时，燃烧室壁面温度低，也没有可用的高温废气，要在燃烧室内得到高温均质混合气比较困难。低温进气供油，仅有轻馏分形成混合气，要实现混合气着火，需要供给更多的燃油，燃烧便不是HCCI了。3.3稀薄燃烧技术改进方法 为了解决GDI汽油机存在的这些问题,必须作进一步的深入研究,开发出一些切实可行的新技术。3.3.1二次混合技术 目的是减少积炭的生成,提高GDI汽油机的机械抗爆性,进一步增大压缩比,提高发动机的机械效率。二次混合技术是指在进气行程中先喷入所需燃料的1/4,形成极稀的均质混合气。在压缩行程后期再次喷射,喷入剩余燃料,形成分层混合气。故在火花塞点火前,缸内混合气形成超稀均质混合气和较浓的分层混合气。火花塞点火时,首先在浓混合气处形成较强的火焰,迅速向稀混合气空间传播,因火焰较强,可点燃稀混合气。稀混合气的燃烧又会反射,促进浓混合气再次燃烧,使燃料充分燃烧,减少了积炭的产生。3.3.2二次燃烧和反应式排气管目的是降低HC排放。二次燃烧是指在进行正常分层燃烧的怠速运转时,除了在压缩行程后期喷油外