汽油稀薄燃烧简述

1、混合气稀薄燃烧模式简谈摘要：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，汽车尾气对环境的危害也越发严重。本文通过分析汽油机混合气的稀薄燃烧模式，从排放物、燃油经济性、动力性等不同方面加以阐述。得出稀薄燃烧模式在保证相应的动力的情况下，其尾气量更能符合国家尾气排放标准。关键字：混合气 空燃比 燃烧模式 喷射1. 稀薄燃烧技术（GDI）图1 GDI 燃烧系统示意图均质稀燃和分层稀燃是缸内直喷汽油机稀薄燃烧技术的两种燃烧模式。所谓均质燃烧就是进气早期将燃油喷入汽缸，使过量空气系数=1或附近,形成完全的均质化学计量比进行燃烧。在压缩行程后期开始喷油，在火花塞的区域，可以形

2、成较浓的混和气，而在远离火花塞的区域形成稀薄的混合气( 过量空气系数达 = 2 3)，这就是分成燃烧。分层燃烧可以提高着火概率，加快火焰传播速度，实现快速稳定的燃烧。如图 1 所 示， GDI 汽油机燃烧系统结构一般由进排气道、燃 烧室、 活塞、 喷油器和火花塞组成。要在缸内形成均匀的混合气， 必须组织合适的气流运动和精确的喷油匹配。1.1 GDI的气流运动缸内气流必须要满足两点要求: (1)从微观上要求在气缸内具有高强度的紊流，以促进燃油与空气的混合; (2)从宏观上要求有控制的平均气流运动，以形成均匀的混合气1采用均质混合气燃烧模式的 GDI 汽油机一般靠进气道来产生强烈的滚流运动以促进燃

3、油与空气的混合 另一方面， 随着活塞上行， 滚流在压缩冲程后期破碎成湍流， 这样有助于提高压缩终了时的湍流强度， 以提高火焰传播速度及保持燃烧稳定性2图2是710CA 时刻( 接近点火时刻) 缸内动能分布云图， 可以看出， 缸内湍动能从中心向周围递减， 这样有利于火焰传播 边缘处的湍动能较小对火焰传播影响不大。火焰传播越快，则燃烧同量的燃料产生功率更高。图2 710CA 时刻缸内湍动能分布云图 1.2 GDI的燃油喷射系统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。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

4、求的燃油 ,以确保晚喷实施分层燃烧。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。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;另一种是高压旋流喷油器 ,这种喷油器的特点是 ,在其喷油嘴的头部设有一个特殊的涡流腔 ,通过该腔可产生一股强涡流 ,不仅对喷油嘴喷孔具有自洁作用 ,使其可靠性得到提高 ,而且能使燃油喷束的一部分动能直接转化为水平的旋转动能 ,从而降低油束的穿透度 ,避免其沾湿活塞和缸套壁面。在早喷时喷雾

5、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 510 MPa (最高为 12 MPa) 。在喷射系统中 ,喷油器喷嘴的结构形式对喷雾质量起着重要的影响 ,它是保证实现混合气分层与稀燃的关键部件。图 2 为 GDI 发动机所采用的内开式旋流型喷嘴 ,在其内部设有燃油旋流腔 ,燃油通过其中产生的旋转涡流可实现较好的喷雾形态和合适的贯穿度的配合。其油束方向便于调整 ,布置方便,不易积炭的特点 ,使其成为目前 GDI 发动机喷嘴所采用的主要形式。1.3 稀薄燃烧实现的关键技术措施实现稀燃关键在于缩短火焰发展期和燃烧持续时间,

6、在火花塞附近形成有利于着火的浓混合气,一般空燃比A/F=12-135。实现稀燃的具体技术措施有：1.3.1 采用结构紧凑的燃烧室,增大压缩比,加快火焰传播速度燃烧室形状对稀燃发动机燃烧稳定性有很大影响。为提高燃烧稳定性,需提高燃烧速度和点火可靠性。在缸内组织较强的空气运动以增大缸内湍流强度,并把火花塞置于燃烧室中央,可使燃烧速度加快,火焰传播距离缩短。单进气门与二或三进气门结构,在缸内形成的空气运动方式不同。单进气门主要为压缩挤流,为增大缸内湍流需要大的挤压面积,而多进气门一般为滚流或斜轴涡流,且一般活塞顶部多有凹坑配合,有利于加快火焰传播。压缩比升高,残余废气系数减小,火焰传播速度加快。压缩

7、比由85提高到13,稀燃能力可增大4-5A/F单位,但压缩比增大受到火花点火发动机爆燃的限制。国内研制的492紧凑型燃烧室、射流燃烧室等燃烧系统都具有一定的稀燃能力。它们都具有特殊结构的燃烧室设计并可采用较高的压缩比。1.3.2 高能点火、宽火花塞间隙或多火花塞和火焰引燃 高能点火和宽火花塞间隙的火花塞有利于火核形成,着火落后期短,循环变动小、稀燃极限大,多火花塞如Nission公司的MAP-Z燃烧系统采用了双火花塞结构,可使火焰传播距离缩短,加快燃烧进行7,有利于稀燃能力的提高。日本马自达公司TabataM等研制了一种混合气喷射火花点火发动机,在两个进气门和两个排气门的四气门火花点火发动机基

8、础上,附加一个小气门与预燃室,燃油喷入预燃室与空气形成混合气在进气行程后期至压缩行程初期将混合气喷入燃烧室实现混合气分层,A/F达40。1.3.3 燃油喷射定时与分段喷射燃油 燃油喷射定时与分段喷射燃油对燃油影响很大,影响燃烧的稳定性。一般讲进气初期喷油,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且维持到点火时刻,只有在进气行程的某一区段喷油才可实现理想分层。将一循环的喷油量分成两次喷入气缸可实现很好的稀燃。天津大学利用进气道二次喷油技术在CA1102五气门发动机上实现了准均质稀燃A/F=20的稳定燃烧。缸内直喷技术火花点火发动机具有泵气损失和传热损失小,充气效率

9、和抗爆性高、动态响应好等特点而被当今车用火花点火发动机所采用。日本首藤登志夫等人利用压缩行程前、终了进行两段(二次)喷油获得了宽广的分层稀气混合气燃烧,在中等负荷与理想预混合燃烧相比热消耗率降低30%,NOx降低50%左右1.4 稀薄燃烧的优缺点1.4.1 优点由于燃油被灵敏地喷射于汽缸燃烧室内，也直接带来了很多好处。(1) GDI油气的混合主要是依靠喷雾和缸内的空气运动 ,冷起动时无需过量供油 ,有效地解决了 PFI(气道燃油喷射)冷起动时 UBHC排放过多的问题；(2) GDI采用了稀薄燃烧技术使气缸内反应区的温度下降 ,可减少 NOx 的生成量；(3) 提升动力性能，由于燃料的混合更充分

10、，燃烧更彻底，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%；(4) 燃油经济性进一步的到改善，燃油消耗下降率高达35%；1.4.2 缺点（1）GDI 在中小负荷的情况下 ,其 UBHC 的排放较多；主要原因：大量的浓混合气集中在火花塞附近 ,使得火焰在向周围稀混合气传播时 ,因混合气过稀而熄灭；稀薄燃烧造成气缸内温度偏低 ,不利于 UB2HC随后的继续氧化；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（2）由于 GDI 的混合气由稀到浓呈分层状态 ,不可避免地会出现空燃比为1 附近的偏浓区域 ,使这些区域的 NOx 排放增加；发动机长

11、期处于稀空燃比条件下 ,导致废气排气中含氧较多且排放温度也较低 ,传统的三元催化器对NOx 的转化效率低。1.4.3 切实可行的技术解决GDI存在的问题1.稀燃催化器稀燃催化器的开发将直接影响到GDI汽油机排放问题的解决。目前正在开发的各种适用于稀燃的催化器有稀燃选择还原型NOx催化器、吸藏还原型NOx催化器、未燃HC氧化催化器等。2.废气再循环（EGR）稀燃使缸内富余氧气较多，可使用较高的EGR比率而不会使燃烧恶化、如果将再循环废气与可燃混合气进行分层，减少废气与可燃混合气的掺混，保证点火时刻火花塞附近有适于着火的混合气，避免废气靠近火花塞，能大大提高EGR比率，从而大大降低NOx排放。采用

12、电控EGR可以精确控制EGR比率，较好地解决发动机的动力性和经济性与NOx排放之间的协调回题。3 .二次燃烧 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，在膨胀行程后期再次喷入少量燃油，在缸内高温、高压气体的作用下点火燃烧并使排气温度提高。通常起动后的怠速状态下的排气温度为200左右，使用二次燃烧可使排气温度上升到800。这样可大大加快催化剂开始工作的时间。2结束语现代电子控制、制造等技术的发展使 GDI开发比过去所受限制大大减少。当前节能环保的要求给GDI的发展提供了动力 ,借助于先进的电子控制技术能准确地调节燃油的供给 ,可根据需要改变喷油定时和喷油次数 ,能自由控制气缸内的混合状态、 燃烧室内的燃油分布 ,使混合气实现分层分布 ,完成稀薄燃烧 ,以实现高燃油经济性的同时大大地降低排