缸内汽油直喷稀薄燃烧技术（可编辑）

1、缸内汽油直喷稀薄燃烧技术 维普资讯 第4期 l| 内燃机 No4 二： 太 七 Internal Combustion Engines 2O06年8月 Apr2O06 0 ： 士 古 _| | 矗 n _：n |：一山 去 ： ： n “ ； _| 矗 舟 女 舟 舟 古 冉 舟 “ 冉 哼： 舟 ： 舟 舟 -u “丹 ： 舟矗| ： 舟 ； l| 摘要：介绍了非均质进气、缸内直喷稀薄燃烧技术，分别介绍了三种统一式和三种分隔式缸内直喷稀燃系统。采用 该技术可在保持动力性指标的同时，还具有很好的燃油经济性，使有害排放大大降低。 关键词：稀薄燃烧；非均质分层进气；缸内直喷式燃烧方式；预燃室式燃烧

2、方式 中图分类号：TK411 文献标识码：A 文章编号：10006494 2oo6 o4003504 Lean Combustion Technology in Direct Injection Gasoline Engines ZHOU Yuming1 删 Jianli，LIU Jiaquan2 。 1Chongqing College of Science and Technology，Chongqing 400042。China； 一 撼 2N0rd1 China Oilfield Co。Renqiu 06250o，China Abstract：This paper introduces

3、 lean combustion technology in nonuniform gas inlet and direct injection gasoline engineIt also introduces separately threeinone and three separate lean combustion systemsThe technology can not only keep its index of dynie response but also has better fuel economy，which can reduce harmful emissiom g

4、reatly， Key words：lean combustion；non-Ulliform layer gas inlet；combustion in direct injection gasoline engine；combustion in precom bustion ehalber 目前使用的汽油电喷系统大都是将燃油喷入进 数，缸内直喷汽油机的爆燃倾向也大为降低，可采用 气管，即进气管喷射 PFI ，且多采用多点喷射系统 高压缩比，在保持动力性指标的同时，具有很好的燃 MPI ，可使汽油机的动力性、经济性得到很大改善。 油经济性 可使油耗降低约3 。 瓣 为使CO，HC和NOx等有害

5、排放降低，可与三效催化 缸内直喷大多采用稀薄燃烧系统。 转化器相配，但会牺牲经济性。此外也存在诸如在 1 稀薄燃烧 小负荷工况下，因采用进气节流方法进行量的调节， 使泵气损失增加，燃烧恶化，油耗增加，有害排放加 按燃烧供给方式，可将稀薄燃烧分为均质和非 大；冷启动时，混合气加浓，CO和HC排放增加，而此 均质两种。 时催化转化器的温度较低，不能发挥有效的净化作 11 均质预混合方式 用等问题。随着对节能要求和对有害排放量限制的 所谓稀薄燃烧是指空燃比AF大于理论空燃比 提高 到2008年，欧洲轿车的HC排放要求减少到 147时的燃烧。但在实际使用中为保证各缸不失 140 gkm ，要求汽油机能

6、兼顾节能和降低排放。稀 火，混合气不能太稀，其空燃比的稀限为17：1，所以 薄燃烧能满足这个要求。 将空燃比大于17的燃烧视为稀薄燃烧。 缸内直喷式燃烧方式 GDI，Gasoline Direct Injc 化油器式和大部份进气道喷射汽油机一般只能 tion 汽油机既具有柴油发动机低燃料消耗的特点， 在空燃比小于25的范围内工作，且采用均质预混合 又具有汽油机高输出的优势，改变了油气混合机理， 方式。 冷启动时不再需要过量供油，而且可采用稀薄分层 此种方式的空燃比限制在以化学当量比为中心 燃烧技术及采用无节流或小节流的变质调方式避免 的狭窄区域内，即空燃比小于25的范围内工作，其 节气门的节流

7、损失，可有效降低HC等有害排放。由 本身存在燃油经济性较差和自身排放高的缺点： 于直喷时油滴蒸发主要依靠从空气中吸热而不是从 a为保证所要求的空燃比，只能用进气管节流 壁面吸热，混合气温度和体积将下降，提高了充量系 的方式对混合气充量进行调节。由于节流会引起较 大的泵气损失，造成低负荷时的燃油经济性较差。 作者简介：周玉明 1946一 ，男，教授，主要研究方向： 内燃机废气排放控制、内燃机节能。 b由于缸内充满均质的易着火和燃烧的混合 收稿日期：20051107 气，容易产生爆燃，因而不能采用高压缩比，使热效 维普资讯 ? 36 ? 内燃机 2O06年8月 率较低。 Process，程序化燃烧

8、过程 是GDI稀燃方式中应用较 c浓混合气的比热容较低，也使热效率较低。 早的系统，如图1所示。 在化学计量比附近燃烧，NOx排放较高。 其层状燃烧采用统一式汽油直接喷射，利用螺 12 非均质分层进气 旋气道形成涡流，汽油由喷油器直接喷入燃烧室内， 由于均质预混合方式的缺点，目前，分层进气 喷油器两侧各装有一只火花塞，在火花塞附近分层 分层燃烧 发动机作为稀薄燃烧中的非均质燃烧是 为浓混合气，利用涡流和滚流进行油气混合。喷油 实现稀薄燃烧的主要方式。 随负荷提前，使混合气近于均匀。 一 般汽油机工作范围的空燃比正是排放高的范 管 围。随着空燃比的增加，由于混合气过稀，火花塞周 围微小点火体内的

9、燃料量太少，产生的热量不足以 聚集形成火焰，均质混合气难以点燃且燃烧速度减 慢，会造成燃烧不稳定，使油耗和HC排放上升。传 统发动机供给各缸的混合气成份不均匀，在汽油机 中只要形成火焰，在火焰的传播过程中，即使是相当 稀的混合气，也能正常燃烧。为了提高稀燃界限，可 采用分层充气燃烧，以保证在空燃比大于20的条件 下在火花塞周围形成易于着火的较浓的可燃混合气 空燃比在12135 ，而在周边区域和燃烧室的大 图 1 福特 PROCO燃烧系统 部份区域是较稀混合气或空气。在浓稀之间，有从 燃油在缸内雾化要吸收热量，使混合气温度下 浓到稀的各种空燃比混合气，以利于火焰的传播。 降，充量提高，并可使用较

10、高压缩比 15 。低速 因此，燃烧室中混合气浓度有组织地分成各种层次， 时功率可增加510，部份负荷和怠速时的油耗 故称为分层进气 分层燃烧 发动机。 可分别降低5和12。与进气管单点喷射相比， 分层燃烧的汽油机可稳定在空燃比为2025 NOx和冷启动HC排放降低。可在空燃比为25的条 的范围内工作，分层燃烧缸内直喷机空燃比的稀限 件下工作。 已提高到40以上。在小负荷工况下不需要关小节 22 三菱4G系列缸内直喷稀燃发动机 气门来限制进气量，基本上避免了发动机换气过程 图2是三菱公司GDI发动机结构图，其燃烧室 中的泵气损失。在高空燃比情况下，由于混合气物 形状与丰田D一4发动机相近，在火花

11、塞周围形成浓 性的改变，绝热指数增加，传热损失减少，发动机的 混合气。它采用了旋流式广角度喷油器 但其喷油压 热效率可进一步提高。由于汽车发动机经常在小负 荷工况下工作，可使其平均油耗降低1520左 右，NOx也显著降低。 为使发动机在燃用稀混合气时工作稳定可靠， 必须同时做到：控制燃烧过程，使之实现快速燃烧； 改善供给系混合气制备与分配；改进或强化点火系。 分层进气燃烧室可分为统一式和分隔 预燃室 式两大类。美国的德士古TCCS和福特PROCO以及 日本三菱MCP属于统一式；日本的本田CCVC和丰 田TGP以及德国的波舍尔SKS和大众PCI则属于预 燃室式。 2 缸内直喷式燃烧方式 缸内直喷

12、是将燃料直接喷入燃烧室，即统一式， 往往同时采用稀燃系统。这里介绍三种缸内直喷稀 燃系统。 21 福特PROCO稀燃系统 图2 三菱公司GDI发动机结构图 美国福特公司的PROCO PI1嚼 Combustion 维普资讯 第4期 周玉明等：缸内汽油直喷稀薄燃烧技术 ? 37 ? 力比D一4发动机低，只有50 MPa ，使油气混合达 降低97。 到最佳；采用了很有特色的立式进气道，以保证高度 3 预燃室式 的滚流 纵涡 及充气系数，从而达到最佳的缸内气 流控制；采用了顶面弯曲的活塞，对燃烧非常有利。 所谓预燃室式是将燃油直接喷入预燃室，这里 23 丰田D一4稀燃系统 介绍三种系统。 图3为丰田

13、公司开发成功的D一4缸内直喷式 31 波舍尔SKS燃烧系统 稀燃发动机的系统图。 波舍尔SKS燃烧系统系德国波尔舍 Porsche 厂 研究成功的分层进气的燃烧系统。该系统用预燃室 喷油来代替化油器，以三级燃烧为特征：点火并形成 火焰核心，要求小部分混合气由电火花点燃后产生 的化学反应所发出的热量大于其表面散失的热量， 因此点火点应在稳定即无涡流的区域，否则不易点 燃混合气；大部分燃料燃烧，需要强烈的涡流以使燃 烧迅速完成；后续燃烧，需要足够的过量空气以保证 完全燃烧。 图3 丰田D一4缸内直喷式稀燃发动机 图4即波舍尔SKS燃烧系统的燃烧室。火花塞 该系统具有如下特点： 在点燃室内，火花塞区

14、域内无强烈涡流，便于形成火 a进气道上装有电子涡流控制阀 ESCV ，可 焰核 预燃室内为浓混合气，活塞位于压缩上止点 形成不同角度的斜向进气涡流，促进缸内混合气的 时，预燃室及其喷口附近的主燃室部分以等容燃烧， 形成。 产生强烈的涡流，进而点燃主燃室内的稀混合气 过 b燃烧室为半球屋顶形，活塞顶部有唇形深皿 量空气系数为1530 。主燃室内的混合气在膨 凹坑，与进气涡流旋转方向及高精度的喷油时间和 胀行程中的燃烧是在接近于等温下进行的，这就可 喷油方向控制配合，在火花塞周围形成较浓的易点 达到所希望的低爆发压力，降低NOx排放量，较高的 燃的混合气区域。 膨胀温度使未燃烧的HC与CO氧化。主

15、燃烧室内 c采用高压 813 MPa 旋流喷油器，可实现高 的稀混合气在进气系统中形成 采用K型Bosch汽油 度微粒化 喷雾粒度小于5 pan 喷射，以抑制扩散燃 喷射 ，预燃室没有清扫，留有大量残余废气，在进气 烧所产生的黑烟。 行程时，高压喷射泵把燃料直接喷入预燃室，到压缩 d灵活的电喷系统，可对不同工况采用不同的 行程时，主燃室的稀混合气有一小部分被挤入预燃 燃烧方式，以保证所有工况下都能稳定燃烧。在低 室，最后在预燃室形成浓混合气。试验证明，预燃室 速及部分负荷时，在压缩后期喷油，形成明显的分层 混合气浓度在过量空气系数0412时可点燃起 燃烧；在高速及大负荷时，进气行程就开始喷油，

16、以 火，而在07附近则最为稳定。 形成均质化学计量比燃烧；而在此之间，则有弱分层 试验表明，预燃室容积小于燃烧室总容积的加， 燃烧和均质燃烧两个区域。 喷焰通道细小对废气排放有利，但功率损失加大。 e为了控制分层燃烧的NOx的产生，采用了电 控EGR系统。 f带有宽域氧传感器、紧凑耦合三效催化器和 吸附还原型稀燃主催化器。根据装有该发动机的轿 进气 车的工况实验，油耗可降至l74 kml，比传统汽油机 轿车节油35。 由于采用了稀燃方式并能保证燃烧安定性，怠 速时的稳定工作转速可降低到600 rmin，由此可节 图4 波舍尔SKS燃烧系统简图 油40。由于稀燃界限扩大，较以化学计量比工作 32

17、 德国大众PCI系统 的普通汽油机节油35。在空燃比为40的稀燃条 德国大众的PCI型预燃室喷油发动机的预燃室 件下，NOx排放可降低60以上，采用EGR后降低 是球型，其容积是燃烧室容积的25，无扫气，由高 约90，而采用选择还原型稀燃催化剂后NOx排放 压油泵供油。主燃室由化油器供给稀混合气，进气 维普资讯 ? 38 ? 内燃机 2OO6年8月 道产生涡流。预燃室有一绝热环，由于预燃室温度 与温度呈指数关系增大。由于TGP初期燃烧迅速， 高，加之汽油喷射，冷启动和暖车时的污染低。试验 缩短了初期燃烧部分混合气在高温下的滞留时间， 表明，当预燃室的空燃比为11：1、总的空燃比为18：1 抑制

18、了NOx的生成量。其次，由于TGR的喷流，加 时最好。如再配一稀的热反应器，可进一步降低 速了初期燃烧部分与未燃烧部分混合气的混合，减 HC，净化效果最好。 少了初期燃烧温度因受后期燃烧的绝热压缩而造成 33 日本丰田TGP系统 的温度升高。另外，由于燃烧室内的强力流动，助长 TGP Turbulence Generating Pot，紊流发生罐 燃烧 了初期燃烧时向壁面放热。 系统，是因副燃烧室所起作用相当于紊流发生罐而 由于采用稀薄燃烧并和TGP喷流搅拌混合气， 得名。 加强了完全燃烧，也减少了HC和CO的生成。 其燃烧室的构造特点是火花塞放在副燃烧室人 4 几种稀燃系统的实验比较 口的喷

19、孔处，如图5所示。 缸内直喷通过组织进气涡流和采用相应的喷油 器，使缸内的混合气浓度形成梯度分布，易实现混合 燃烧，可根据不同的负荷采用不同的燃烧方式。在 提高发动机动力性的同时，燃油的经济性也较好，同 时使有害排放大大降低。 几种稀燃发动机装车试验的结果见表1： 表1几种稀燃发动机装车试验结果 图5 丰田TGP燃烧室构造 该系统要使稀薄混合气或EGR混合气稳定燃 烧必须做到以下几点：在火花塞间隙处有一适合点 火的混合气流速；能在TGR内形成足够的涡流；有一 注：表中CO，HC，NOx的单位为gkin；油耗的单位为L 100 km。 个适当的喷出速度和喷出时间。 为获得更好的稀薄混合气燃烧条件，采取两项 参考文献 措施：改进点火系统，使火花塞间隙扩大到10 Bill， 1 周玉明内燃机废气排放及控制技术M北京：人民交 提高点火线圈容量，加强点火能量；采用二极管接 通出版社，2001 地，以提高可靠性和为防止低负