發(fā)動機的稀薄燃燒技術(shù)詳解

1、發(fā)動機的稀薄燃燒技術(shù)詳解 發(fā)動機的稀薄燃燒技術(shù)詳解2009-04-28 1448 本田飛度1.3匹配的發(fā)動機從結(jié)構(gòu)上看起來沒有什么亮點甚至有些落后每缸兩氣閥設計單頂置凸輪軸。但是本田卻宣稱它的這款發(fā)動機的技術(shù)是世界同步的甚至比它1.5的4氣閥vtec發(fā)動機還要先進這是為什么呢 熟悉飛度的都知道飛度1.3的這款發(fā)動機被本田稱作i-dsi發(fā)動機之所以先進也就是這個i-dsi。那這個i-dsi有什么特殊呢是不是本田在搞噱頭從參數(shù)看60千瓦的功率也卻是沒有什么值得夸耀的這款發(fā)動機顯然注重的不是高功率輸出。 從本田的宣傳來看i-dsi就是雙火花塞點火它可以提高燃燒效率。 其實這款發(fā)動機真正的核心技術(shù)是稀

2、薄燃燒技術(shù)雙火花塞的設計只是為了實現(xiàn)這種稀薄燃燒所采用的手段而已。這篇文章我們就來重點討論一下稀薄燃燒技術(shù)。這種技術(shù)的最大特點就是燃燒效率高經(jīng)濟、環(huán)保同時還可以提升發(fā)動機的功率輸出。因為在稀薄燃燒的條件下由于混合氣點火比理論空燃比條件下困難暴燃也就更不容易發(fā)生因此可以采用較高的壓縮比設計提高熱能轉(zhuǎn)換效率再加上汽油能在過量的空氣里充分燃燒所以在這些條件的支持下能榨取每滴汽油的所有能量。 本田的i-dsi發(fā)動機的稀燃技術(shù) 本田這款發(fā)動機采用的是比較少見的缸外稀薄燃燒技術(shù)雖然沒有缸內(nèi)直噴先進但是相對于直噴發(fā)動機而言成本低廉。 我們還是先來說說什么叫做稀薄燃燒吧。所謂稀薄燃燒是指通過提高發(fā)動機內(nèi)混合氣

3、的空燃比讓混合氣在空燃比大于理論空燃比數(shù)值的狀態(tài)下燃燒。說得直白一些就是讓汽油在很稀的混合狀態(tài)下燃燒。我們知道理論空燃比是發(fā)動機的一個基本參數(shù)普通發(fā)動機是不能隨便改變空燃比的那如果要讓發(fā)動機實現(xiàn)稀薄燃燒就必須具備兩個條件 首先稀薄燃燒技術(shù)需要很強的點火能量。這一點很好理解混合氣里面汽油的比例小了混合氣被點燃就需要更大的能量而i-dsi發(fā)動機采用雙火花塞設計就能很好的滿足這一需求。 其次稀薄燃燒技術(shù)需要空氣能跟汽油充分混合。汽油在混合氣中的比例減小了對于空氣與燃油的混合要求就更高了。如果燃油不能與空氣充分混合當火花塞點火的時候遇到混合不均勻的混合氣中汽油更少的部分點火將更加困難。本田給這款發(fā)動機

4、采用了傳統(tǒng)的2氣閥設計因為2氣閥發(fā)動機能在混合氣進入汽缸以后能較強的渦流讓汽油跟空氣有更多混合的機會。i-dsi發(fā)動機就是通過這些手段解決了稀薄燃燒的基本需求實現(xiàn)稀薄燃燒的。由于i-dsi是在普通缸外噴油發(fā)動機的基礎上開發(fā)的所以它更注重的是燃油經(jīng)濟性而對于功率輸出則沒有太大幫助。i-dsi發(fā)動機通過燃燒更稀的混合氣達到同等功率輸出的情況下燃燒更少的汽油。換句話說就是讓汽油能夠更充分的燃燒盡可能的讓所有的汽油都變成動力釋放出來從而降低燃油消耗。從本田的宣傳也能看出對于飛度1.3它一直宣稱的就是能達到同級別發(fā)動機中最低的燃油消耗而沒有宣傳過動力輸出。 三菱gdi汽油直噴發(fā)動機 國產(chǎn)哈飛賽馬有一個很

5、有趣的現(xiàn)象在國內(nèi)最北端哈爾濱生產(chǎn)的汽車卻在國內(nèi)的最南端廣東賣得好-與北方的銷售不溫不火相比賽馬在廣東的銷量確實不錯。除了廣東是日系車的天堂以外還有一個很重要的原因就是賽馬的原型車dingo在廣東的近鄰香港口碑非常不錯無論是動力性能還是經(jīng)濟性能反映都非常好。 其實雖然外形幾乎完全一樣賽馬和dingo還是有本質(zhì)區(qū)別的最大區(qū)別就在發(fā)動機。香港市場上出售的dingo裝配的1.5gdi是其最大的賣點。為何賽馬沒有裝配gdi發(fā)動機呢除了成本原因以外還有沒有其他原因呢 熟悉三菱的人一般都知道gdi這是三菱缸內(nèi)直噴發(fā)動機技術(shù)的英文縮寫全稱是gasoline direct injection。三菱很早就開發(fā)了g

6、di發(fā)動機是日系品牌中缸內(nèi)直噴技術(shù)的倡導者。目前三菱已經(jīng)將gdi技術(shù)普及到不同平臺的發(fā)動機無論是小排量的1.5l直列四缸發(fā)動機還是大排量的4.5lv8發(fā)動機都有采用gdi技術(shù)的機型。 三菱的gdi發(fā)動機通過稀薄燃燒技術(shù)讓燃料消耗減少20-35讓二氧化碳排放減少20而輸出功率則比普通的同排量發(fā)動機10。這些指標看起來是非常誘人的缸內(nèi)直噴真的這么神奇嗎它的原理是什么下面我們就來討論一下這個問題。 缸內(nèi)直噴技術(shù)是稀薄燃燒技術(shù)的一個分支。與普通發(fā)動機最大的不同之處就在于它的直接噴射系統(tǒng)。其實缸內(nèi)直噴并不是什么新鮮技術(shù)在很多年以前許多柴油發(fā)動機就采用了這種技術(shù)設計而將它運用在汽油發(fā)動機上才屬于幾年的事情

7、。 簡單的說缸內(nèi)直噴技術(shù)有兩大好處 1、發(fā)動機能在火花塞點火之前把汽油直接噴射到高壓的燃燒室同時在ecu的精確控制下使混合氣體分層燃燒。這種技術(shù)可以讓靠近火花塞處的混合氣相對較濃遠離火花塞的混合氣相對較稀從而更有效的實現(xiàn)稀薄點火和分層燃燒。 2、由于汽油是直接被噴射到汽缸內(nèi)的與傳動的缸外噴射相比混合氣體不需要經(jīng)過節(jié)氣閥因此能減小節(jié)氣閥對混合氣體產(chǎn)生的氣阻。 傳統(tǒng)的mpimulti-point injection缸外噴射發(fā)動機其燃料是被噴射到進氣管當中的。為了讓汽油被噴射到進氣管以后有足夠的時間跟空氣混合噴油器需要與氣門隔著一段距離待汽油與空氣在這段空間充分混合以后再被引入到汽缸當中燃燒。對于這

8、種傳統(tǒng)的設計如果將汽油直接噴射到汽缸內(nèi)勢必會造成空氣與汽油沒有足夠的時間混合這種沒有混合的氣體顯然是不能滿足發(fā)動機點火需求的。缸內(nèi)直噴發(fā)動機首先要解決的就是這個問題。 我們先來看看三菱是怎么樣解決的 這張圖就是gdi發(fā)動機與傳統(tǒng)mpi發(fā)動機的不同結(jié)構(gòu)圖 從圖上可以看出與普通的缸外噴射發(fā)動機不一樣gdi采用的垂直進氣歧管設計并且在活塞頭部設計了一個凸起的形狀。采用了這種設計以后當活塞在進行壓縮沖程的時候汽缸內(nèi)會形成強大的渦流。此時將汽油被直接噴射到燃燒室內(nèi)這股強大的渦流就能讓汽油跟空氣充分混合從而解決了缸內(nèi)直噴燃油與空氣混合的問題。 當發(fā)動機運轉(zhuǎn)在壓縮行程的時候氣缸內(nèi)的壓力是非常大的。這對于缸內(nèi)

9、直噴發(fā)動機來說普通的燃油泵就無法滿足需求了。缸內(nèi)直噴發(fā)動機的另一個重要特征就是它的燃油泵的供油壓力非常高這樣才能將汽油有效的噴射到高壓的燃燒室內(nèi)。 gdi發(fā)動機的噴油過程共分兩個階段也就是兩次噴油。 輔噴油階段在發(fā)動機運行進氣行程時發(fā)動機會進行一次噴油這次噴油是輔噴油噴油的數(shù)量不大噴油的主要目的也不是為了點火燃燒。當一定數(shù)量的汽油在進氣行程被噴射到汽缸內(nèi)的時候這部分少量的汽油會汽化揮發(fā)我們都知道液體的汽化和揮發(fā)是會吸收熱量的這樣就能降低汽缸內(nèi)的溫度。氣缸內(nèi)的溫度低了氣缸內(nèi)可以容納的氣體密度就會自然增大。所以這次噴油的后果在給氣缸降溫的同時還可以提高進氣密度讓更多的空氣進入到汽缸而且能確保汽油跟

10、空氣均勻的混合。 主噴油階段第二次噴射是主噴油過程。當活塞即將達到發(fā)動機壓縮行程的上止點時在火花塞點火之前會有一定量的汽油再次被噴出這次噴射被成為主噴油。此時活塞的凹面會使混合氣在火花塞周圍形成一個濃度較高的區(qū)域這種相對較濃的混合氣能在火花塞點火的情況下被順利點燃而周圍混合氣較稀的區(qū)域是無法被火花塞的火焰直接點燃的它只能在中心區(qū)域成功燃燒以后利用燃燒產(chǎn)生的能量同時點燃。 由于采用了上述設計gdi發(fā)動機能在401的超稀空燃比情況下正常運轉(zhuǎn)而且它的空燃比能比普通缸外噴射發(fā)動機的空燃比更稀。這樣的好處是顯而易見的在這種稀薄燃燒的情況下燃料可以更加充分的燃燒榨取每一滴燃油的所能產(chǎn)生的動能與此同時由于燃

11、燒充分可以大幅度減少未燃燒的氣體從發(fā)動機里排出從而獲得更低的排放。 gdi的分兩段噴油除了實現(xiàn)上述好處以外還能有效減小爆震的產(chǎn)生從而可以采用更高的壓縮比獲得更強勁的動力輸出。我們都知道爆震的產(chǎn)生是因為汽缸內(nèi)溫度和壓力過高從而導致混合氣自燃導致的換句話說就是當活塞行程還未達到點火提前角時混合氣就開始燃燒。由于汽油的燃燒特性普通發(fā)動機的壓縮比往往不能設計的太高否則就很容易產(chǎn)生爆震。由于gdi的噴射是分兩個階段進行的第一階段的預噴射能在汽油揮發(fā)的作用下帶走大量缸內(nèi)熱量降低汽缸溫度因此能非常有效的減小爆震的機率。所以gdi發(fā)動機可以采用高達12.51的壓縮比設計從而有效的提高了功率輸出。 gdi的氮氧

12、化物排放雖然gdi發(fā)動機可以降低整體的廢氣排放污染但是同時它有一個非常大的缺點那就是氮氧化物的排放非常高。為了減小這類污染物的排放需要采用有效的有針對性的三元催化裝置才能保證尾氣的排放達到環(huán)保部門的要求。但是在國內(nèi)油品中的含硫量非常高這種含硫量高的汽油燃燒后很容易產(chǎn)生硫化物這種硫化物會讓催化器中毒從而導致催化反應失效這樣一來gdi發(fā)動機高排放的氮氧化物無法得到還原處理。這也就是為何到目前為止國內(nèi)沒有一款匹配gdi發(fā)動機的車型銷售包括進口汽車的原因了。 雷諾ideinjection direct essence直噴發(fā)動機 對于三菱gdi發(fā)動機在排放方面的缺陷雷諾開發(fā)出了更好慕餼靄旆著檔腎de發(fā)動

13、機是其首次在歐洲推出的缸內(nèi)直噴發(fā)動機它使用了另一種不同的設計徹底解決了三菱gdi發(fā)動機的問題。ide仍然采用了空氣和燃油稀薄混合但同時加大了egr閥廢氣循環(huán)量。egr是exhaust gas recirculation的縮寫翻譯成中文就是廢氣再循環(huán)的意思。這項技術(shù)可以減小燃油消耗量并且有效的降低燃燒溫度-這一點就是它有效解決gdi發(fā)動機排放問題的根源。眾所周知空氣主要是由氮氣、氧氣、二氧化碳以及一些其他惰性氣體組成的。其中占比例最大的氮氣是一種非常穩(wěn)定的氣體通常情況下很難被氧氣直接氧化。但是如果處在高溫高壓的情況下平時十分穩(wěn)定的氮氣則很容易與氧氣發(fā)生反應從而生成十分有害的氮氧化物。普通的發(fā)動機

14、包括上面提到的gdi發(fā)動機在其正常工作時氣缸內(nèi)的工作環(huán)境正好是處于高溫高壓狀態(tài)這樣一來空氣和燃油混合的混合氣體燃燒以后很容易生成氮氧化物。這對于缸內(nèi)直噴的發(fā)動機來說問題尤為突出。由于缸內(nèi)直噴發(fā)動機的壓縮比通常會設計得比較高缸內(nèi)壓力比普通發(fā)動機更大從而更容易產(chǎn)生氮氧化物。我們都知道柴油發(fā)動機排放的氮氧化物通常會比汽油發(fā)動機高出許多主要也就是因為柴油發(fā)動機的壓縮比高的緣故。在無法降低壓力的情況下因為高壓縮比是提高發(fā)動機效率的必要手段要減小氮氧化物的排放只能是通過降低氣缸內(nèi)的燃燒溫度。ide發(fā)動機的egr廢氣再循環(huán)系統(tǒng)就是通過把一部分排出氣缸的廢氣再次引入到進氣管內(nèi)跟新鮮的空氣和燃油混合燃燒來降低燃

15、燒室的溫度的。我們知道燃燒完的廢氣是不能再燃燒的這些廢氣被引入到氣缸內(nèi)以后會占據(jù)一部分氣缸內(nèi)的有效體積這個效果相當于降低了發(fā)動機的排量這樣自然能有效降低燃燒溫度同時排放的廢氣自然就降低了。 如果你不了解egr廢氣再循環(huán)系統(tǒng)可能會不太理解那我們下面就來詳細討論一下egr的工作原理。 上面已經(jīng)說到egr是廢氣再循環(huán)系統(tǒng)它通過將部分排放的廢氣重新引燃燃燒室中燃燒來達到一系列功效如降低排放、提高經(jīng)濟性、降低燃燒室的溫度等等。那egr系統(tǒng)是如何達到這些功效的呢 眾所周知廢氣是不能再燃燒的將廢氣引入到氣缸內(nèi)就相當于減小了發(fā)動機的排量。 比方說如果egr引入10的廢氣進入氣缸就會占據(jù)10的氣缸容積自然留給混

16、和氣的容積就減少了10這種狀況下也就相當于發(fā)動機的排量也就減小了10。這種egr系統(tǒng)是在ecu的控制下工作的在全負荷工況例如大力踩下加速踏板的時候egr系統(tǒng)是不工作的。而在普通工況下egr系統(tǒng)才會啟動。這樣一來匹配了egr系統(tǒng)的發(fā)動機就相當于一臺可變排量的發(fā)動機在需要大馬力的時候是大排量發(fā)動機可以獲得足夠的動力在日常行車不需要過多動力的時候是小排量發(fā)動機可以獲得更好的經(jīng)濟性和更低的排放。 普通發(fā)動機配備egr系統(tǒng)的時候通常只有10-15的廢氣利用率因為引入過多的廢氣會減小混和氣的濃度導致混和氣難以點燃。雷諾ide由于采用了缸內(nèi)直噴設計可以引入達到25的廢氣循環(huán)使用。那么ide發(fā)動機是怎么樣利用

17、了25的廢氣以后還能保證發(fā)動機正常工作的呢這得益于它的缸內(nèi)直噴系統(tǒng)。雷諾的ide直噴系統(tǒng)與其他直噴發(fā)動機最大的不同就是它的噴油器布置在氣缸蓋的中心就是平常布置火花塞的位置。這套西門子的噴油器能噴射能噴射出高達100bar的高壓汽油汽油直接進入燃燒室于空氣混合。然后在火花塞周圍形成一個很濃的混合區(qū)域其濃度足夠能被火花塞點燃這樣才能實現(xiàn)25的廢氣混合。 除了精確噴射以外普通發(fā)動機在噴油時只能將汽油處理成霧狀的小液滴因此進入燃燒室的汽油的濃度是相同的其結(jié)果是不能在火花塞周圍形成較濃的區(qū)域。ide發(fā)動機在不同工況下分三段調(diào)節(jié)egr廢氣再循環(huán)量。在全負荷工況下不引入廢氣進行燃燒這樣能最大程度的獲得功率輸出這種情況下的工況與三菱的gdi是一樣的。雖然這個時候發(fā)動機也滿負荷工作燃料消耗比較大但與傳統(tǒng)的發(fā)動機相比仍然能減少16的燃油消耗。通過這些技術(shù)的采用一臺199