第三章燃烧控制及相关技术(2)

1、3.2 汽油机的燃烧控制技术3.2.1 稀薄燃烧;3.2.2 缸内直喷 ( DISI或GDI ) ;3.2.3 均质混合气压燃着火( HCCI、CAI) 。3.2.1 稀薄燃烧v均质变量调节传统汽油机燃烧系统的缺陷：空燃比变化范围非常狭窄（A/F12.617）；低负荷时进气节流损失大，经济性差；点火所需的混合气较浓，传播速度大，容易暴燃；汽油机始终以点火范围内的空燃比工作，热效率低。如能采用稀混合气，可提高热效率。如采用空燃比20和27，将比空燃比14.8时热效率分别提高8%和12%。排气污染严重。一般汽油机所需的空燃比正是废气排放高的范围。v稀薄燃烧是指能燃用空燃比为18:1或更稀混合气的汽

2、油机。v稀薄燃烧按供给方式可分为：均质；非均质。v分层燃烧发动机作为发动机稀薄燃烧中的非均质燃烧是实现稀薄燃烧的主要方式。稀薄燃烧汽油机与传统汽油机的性能对比排放物与空燃比的关系稀薄燃烧（分层进气）v统一式燃烧室：德士古TCCS；福特PROCO；三菱MCP。v分隔式燃烧室（预燃室）：主燃烧室（供稀混合气）：v化油器；v燃油喷射。预燃室（供浓混合气）：v本田CVCC-化油器；v丰田TGPv波尔舍SKS-汽油喷射；v大众PCI-汽油喷射。v发动机在燃油稀混合气时可靠工作的条件：控制燃烧过程，使之实现快速燃烧；改善供给系混合气的制备与分配；改进或强化点火系。本田CVCC燃烧系统v本田CVCC（Com

3、pound Vortex Controlled Combustion 复合涡流控制燃烧）系统通过控制燃烧过程来实现稀薄燃烧。vCVCC在传统火花塞位置上设置一个副燃烧室（预燃室），并配有一个副进气门。副燃烧室有两个火焰喷孔，孔径6mm，总面积1.565cm2。本田CVCC系统的工作原理v进气过程：进气时，大量稀混合气和极少浓混合气由独立的化油器分别供给主燃烧室和副燃烧室。副燃烧室中的浓混合气通过火焰喷孔流到主燃烧室和稀混合气混合，并形成空燃比梯度（分层进气）。v压缩过程：压缩时，一部分稀混合气被压入复燃烧室，形成中等浓度混合气，因此在压缩终了时形成：在火花塞周围是着火性能较好的浓混合气；在主燃

4、烧室的火焰喷孔附近形成适于火焰传播的中等浓度的混合气；在主燃烧室其余部分是很稀的混合气。v着火膨胀过程：火花跳火时，副燃烧室内浓混合气可靠着火，形成火焰从喷孔喷出。首先着火的是喷孔附近中等浓度混合气，然后随着膨胀过程开始使稀混合气着火燃烧，这样使极稀混合气能被火焰传播而稳定燃烧。波尔舍SKS燃烧系统v德国波尔舍（Porsche）的SKS（Schichtlade-Kammer-System）是利用层状进气实现稀燃的。v波尔舍公司研究认为汽油机燃烧由三个阶段组成：点火并形成火焰中心；大部分燃料燃烧；后续燃烧。第一阶段要求小部分混合气由火花塞点燃放热大于表面散热，因此点火应在稳定即没有涡流的地方；第

5、二阶段则需要强烈涡流使燃烧迅速完成；第三阶段则需要足够的过剩空气。SKS燃烧系统工作原理vSKS与CVCC主要区别是用燃油喷射泵取代化油器向预燃室内单独供给燃油。进气行程，高压喷射泵将燃料直接喷入预燃室内，压缩行程主燃烧室内稀混合气一部分进入预燃室，最后形成浓混合气。vSKS中火花塞置于点燃室中，使火花塞周围没有强烈涡流，便于火核的形成。预燃室内为浓混合气，当活塞位于压缩上止点时，预燃室及喷孔附近的主燃烧室部分以等容燃烧，产生强烈的涡流进而点燃主燃烧室内的稀混合气（1.53.0）。v主燃烧室内混合气在膨胀行程中几乎在等温状态下进行，爆发压力低，NOx排放少，膨胀温度高，使未燃HC与CO氧化。丰

6、田TGP燃烧系统v丰田TGP（Turbulence Generating Pot 紊流发生罐）系统，因其副燃烧室的作用相当于紊流发生罐而得名。vTGP将火花塞放在副燃烧室得入口喷孔处。使稀薄混合气稳定燃烧，必须在火花塞间隙周围有一个适合于点火得混合气气流，并能在TGP内形成足够的涡流，使其混合气有一个适当的喷出速度和喷出时间。大众PCI燃烧系统v大众PCI（Pre Chamber Injection 预燃室喷油）系统预燃室为球形，容积占25%，没有扫气，没有第三气门，由高压泵供油。主燃烧室由化油器供给稀混合气，进气道产生涡流。预燃室有一绝热环，由于预燃室温度很高，又采用汽油喷射，有利于冷起动和

7、暖车。v试验表明，预燃室空燃比11:1，总的空燃比为18:1最佳。福特PROCO燃烧系统v福特PROCO（Programmed Combustion Process 程序化燃烧过程）系统的层状进气采用统一式其余哦直接喷射，利用螺旋气道形成进气涡流，在火花塞附近形成浓混合气。喷油随负荷加大而提前，使混合气近于均匀。汽油机降低油耗措施的发展3.2.2 缸内汽油直接喷射GDI、DISIvGDI汽油机中由于汽油很难压燃着火，需要点燃。而过稀的混合气很难点燃，这样直喷式汽油机需要分层混合，并选择合适的方式将可燃混合气送往火花塞。v根据混合气引向火花塞的方式：油束直射；室壁引流；气流引流。缸内汽油直接喷射

8、GDI（DISI）v缸内直喷分层燃烧发动机：燃油经济性好；缸内温降大，提高抗爆震性能，充气效率高；进气管无燃料黏附，过渡工况反映性能好，冷机HC排放少；高转速困难；高负荷生成炭烟；喷油器容易沉积，机油易稀释；需要减少NOx排放的特殊催化转化器。GDI系统油耗低的原理GDI系统与传统汽油机性能对比油束直射GDIv混合气向火花塞的输送主要靠油束的喷射能量，而燃烧室壁及气流运动影响较小，但是气流运动对火焰在稀薄混合气中侧传播起着决定性作用。v这种点火方式着火比较稳定，稀燃能力强。但直接向火花塞喷油会影响火花塞使用寿命，冷起动和产生炭烟问题较大。并且需要将火花塞与喷油器都安装在正中，对四气门汽油机会影

9、响气门大小。室壁引流GDIv室壁引流火花塞与喷油器的距离较远，混合气向火花塞的输送主要靠燃烧室壁的形状和气流运动的配合。v燃烧室室壁引流首先将燃油喷向特殊形状的活塞顶，部分形成油膜。然后利用和活塞室壁配合的气流运动，将可燃混合气送到火花塞。v对燃油喷射、气流运动和活塞顶形状的配合要求很高，而且燃烧室的面容比大，HC排放高。气流引流GDIv在气流引流GDI中燃油向火花塞方向喷射，但不直接喷向火花塞，而是利用气流的运动将混合气送往火花塞。这种系统燃烧室比较紧凑，在发动机的各种运转状态性能都较好。GDI不同工况混合气的形成v直喷式汽油机过量空气系数随工况变化而变化，部分负荷时，过量空气系数较大，采用

10、分层混合燃烧，燃油在压缩行程后期才喷入气缸。分层混合燃烧需要较强的气流运动。FEV公司采用可变进气涡流来实现。v高负荷时，过量空气系数小，需要均匀混合，避免局部过量空气系数小于0.6，以减少炭烟排放，燃油在吸气行程就开始喷入气缸，在过量空气系数等于1的均匀混合气燃烧时，应尽量避免气流运动，提高充气系数。主要GDI系统及其油耗对比vMANFMv德士古TCCS；v丰田MVCS；v三菱GDI；v丰田D4。MANFM GDI系统v作为军用发动机开发；v使用壁面蒸发形成混合气；v油耗与柴油机接近；v冷机时蒸发不充分难起动；v未燃成分多。德士古TCCS GDI系统v作为军用多燃料发动机开发；v燃料喷射中形

11、成火焰面；v能着火的时间短；v点火放电时间长；v排烟、功率、油耗噪声与柴油机接近；v未燃成分多。丰田MVCS GDI系统v球与椭圆组合成的副燃烧室产生涡流形成稳定混合气；v未燃成分少。丰田D4 GDI系统D4 GDI系统组成及特点v涡流控制阀SCV控制缸内横向涡流强度带SCV的单边螺旋气道；v为控制混合气形成和燃烧在活塞顶部设置渐开线燃烧室；v将高压直接喷入燃烧室，可精密控制喷射方向并使燃料充分雾化高压漩流喷油器；v可根据转速和负荷自由控制的气门正时VVTi；v实现舒适的加速和动态反应性能电子控制节气门；v使排气更洁净化NOx吸藏还原型三效催化转换器。D4 GDI工作状态1分层燃烧D4 GDI工作状态2均质燃烧D4 GDI工作状态3弱分层燃烧D4 GDI各工作状态的使用区域3.2.3 均质混合气压燃着火( HCCI、CAI)v均质混合气压燃着火是结合汽油机与柴油机各自的优点而提出的一种新的燃烧概念。vHCCI的主要困难在于控制可燃混合气压缩着火的时刻。UNIBUS的概念提出v使用中空锥形喷雾以缩短喷雾贯串距离；v喷油时刻大幅提前；v喷油压