第三章燃燒控制及相關(guān)技術(shù)(2)

1、3.2 汽油機(jī)的燃燒控制技術(shù)3.2.1 稀薄燃燒;3.2.2 缸內(nèi)直噴 ( DISI或GDI ) ;3.2.3 均質(zhì)混合氣壓燃著火( HCCI、CAI) 。3.2.1 稀薄燃燒v均質(zhì)變量調(diào)節(jié)傳統(tǒng)汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)的缺陷：空燃比變化范圍非常狹窄（A/F12.617）；低負(fù)荷時(shí)進(jìn)氣節(jié)流損失大，經(jīng)濟(jì)性差；點(diǎn)火所需的混合氣較濃，傳播速度大，容易暴燃；汽油機(jī)始終以點(diǎn)火范圍內(nèi)的空燃比工作，熱效率低。如能采用稀混合氣，可提高熱效率。如采用空燃比20和27，將比空燃比14.8時(shí)熱效率分別提高8%和12%。排氣污染嚴(yán)重。一般汽油機(jī)所需的空燃比正是廢氣排放高的范圍。v稀薄燃燒是指能燃用空燃比為18:1或更稀混合氣的汽

2、油機(jī)。v稀薄燃燒按供給方式可分為：均質(zhì)；非均質(zhì)。v分層燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒中的非均質(zhì)燃燒是實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒的主要方式。稀薄燃燒汽油機(jī)與傳統(tǒng)汽油機(jī)的性能對比排放物與空燃比的關(guān)系稀薄燃燒（分層進(jìn)氣）v統(tǒng)一式燃燒室：德士古TCCS；福特PROCO；三菱MCP。v分隔式燃燒室（預(yù)燃室）：主燃燒室（供稀混合氣）：v化油器；v燃油噴射。預(yù)燃室（供濃混合氣）：v本田CVCC-化油器；v豐田TGPv波爾舍SKS-汽油噴射；v大眾PCI-汽油噴射。v發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油稀混合氣時(shí)可靠工作的條件：控制燃燒過程，使之實(shí)現(xiàn)快速燃燒；改善供給系混合氣的制備與分配；改進(jìn)或強(qiáng)化點(diǎn)火系。本田CVCC燃燒系統(tǒng)v本田CVCC（Com

3、pound Vortex Controlled Combustion 復(fù)合渦流控制燃燒）系統(tǒng)通過控制燃燒過程來實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒。vCVCC在傳統(tǒng)火花塞位置上設(shè)置一個(gè)副燃燒室（預(yù)燃室），并配有一個(gè)副進(jìn)氣門。副燃燒室有兩個(gè)火焰噴孔，孔徑6mm，總面積1.565cm2。本田CVCC系統(tǒng)的工作原理v進(jìn)氣過程：進(jìn)氣時(shí)，大量稀混合氣和極少濃混合氣由獨(dú)立的化油器分別供給主燃燒室和副燃燒室。副燃燒室中的濃混合氣通過火焰噴孔流到主燃燒室和稀混合氣混合，并形成空燃比梯度（分層進(jìn)氣）。v壓縮過程：壓縮時(shí)，一部分稀混合氣被壓入復(fù)燃燒室，形成中等濃度混合氣，因此在壓縮終了時(shí)形成：在火花塞周圍是著火性能較好的濃混合氣；在主燃

4、燒室的火焰噴孔附近形成適于火焰?zhèn)鞑サ闹械葷舛鹊幕旌蠚?；在主燃燒室其余部分是很稀的混合氣。v著火膨脹過程：火花跳火時(shí)，副燃燒室內(nèi)濃混合氣可靠著火，形成火焰從噴孔噴出。首先著火的是噴孔附近中等濃度混合氣，然后隨著膨脹過程開始使稀混合氣著火燃燒，這樣使極稀混合氣能被火焰?zhèn)鞑ザ€(wěn)定燃燒。波爾舍SKS燃燒系統(tǒng)v德國波爾舍（Porsche）的SKS（Schichtlade-Kammer-System）是利用層狀進(jìn)氣實(shí)現(xiàn)稀燃的。v波爾舍公司研究認(rèn)為汽油機(jī)燃燒由三個(gè)階段組成：點(diǎn)火并形成火焰中心；大部分燃料燃燒；后續(xù)燃燒。第一階段要求小部分混合氣由火花塞點(diǎn)燃放熱大于表面散熱，因此點(diǎn)火應(yīng)在穩(wěn)定即沒有渦流的地方；第

5、二階段則需要強(qiáng)烈渦流使燃燒迅速完成；第三階段則需要足夠的過?？諝?。SKS燃燒系統(tǒng)工作原理vSKS與CVCC主要區(qū)別是用燃油噴射泵取代化油器向預(yù)燃室內(nèi)單獨(dú)供給燃油。進(jìn)氣行程，高壓噴射泵將燃料直接噴入預(yù)燃室內(nèi)，壓縮行程主燃燒室內(nèi)稀混合氣一部分進(jìn)入預(yù)燃室，最后形成濃混合氣。vSKS中火花塞置于點(diǎn)燃室中，使火花塞周圍沒有強(qiáng)烈渦流，便于火核的形成。預(yù)燃室內(nèi)為濃混合氣，當(dāng)活塞位于壓縮上止點(diǎn)時(shí)，預(yù)燃室及噴孔附近的主燃燒室部分以等容燃燒，產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流進(jìn)而點(diǎn)燃主燃燒室內(nèi)的稀混合氣（1.53.0）。v主燃燒室內(nèi)混合氣在膨脹行程中幾乎在等溫狀態(tài)下進(jìn)行，爆發(fā)壓力低，NOx排放少，膨脹溫度高，使未燃HC與CO氧化。豐

6、田TGP燃燒系統(tǒng)v豐田TGP（Turbulence Generating Pot 紊流發(fā)生罐）系統(tǒng)，因其副燃燒室的作用相當(dāng)于紊流發(fā)生罐而得名。vTGP將火花塞放在副燃燒室得入口噴孔處。使稀薄混合氣穩(wěn)定燃燒，必須在火花塞間隙周圍有一個(gè)適合于點(diǎn)火得混合氣氣流，并能在TGP內(nèi)形成足夠的渦流，使其混合氣有一個(gè)適當(dāng)?shù)膰姵鏊俣群蛧姵鰰r(shí)間。大眾PCI燃燒系統(tǒng)v大眾PCI（Pre Chamber Injection 預(yù)燃室噴油）系統(tǒng)預(yù)燃室為球形，容積占25%，沒有掃氣，沒有第三氣門，由高壓泵供油。主燃燒室由化油器供給稀混合氣，進(jìn)氣道產(chǎn)生渦流。預(yù)燃室有一絕熱環(huán)，由于預(yù)燃室溫度很高，又采用汽油噴射，有利于冷起動(dòng)和

7、暖車。v試驗(yàn)表明，預(yù)燃室空燃比11:1，總的空燃比為18:1最佳。福特PROCO燃燒系統(tǒng)v福特PROCO（Programmed Combustion Process 程序化燃燒過程）系統(tǒng)的層狀進(jìn)氣采用統(tǒng)一式其余哦直接噴射，利用螺旋氣道形成進(jìn)氣渦流，在火花塞附近形成濃混合氣。噴油隨負(fù)荷加大而提前，使混合氣近于均勻。汽油機(jī)降低油耗措施的發(fā)展3.2.2 缸內(nèi)汽油直接噴射GDI、DISIvGDI汽油機(jī)中由于汽油很難壓燃著火，需要點(diǎn)燃。而過稀的混合氣很難點(diǎn)燃，這樣直噴式汽油機(jī)需要分層混合，并選擇合適的方式將可燃混合氣送往火花塞。v根據(jù)混合氣引向火花塞的方式：油束直射；室壁引流；氣流引流。缸內(nèi)汽油直接噴射

8、GDI（DISI）v缸內(nèi)直噴分層燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)：燃油經(jīng)濟(jì)性好；缸內(nèi)溫降大，提高抗爆震性能，充氣效率高；進(jìn)氣管無燃料黏附，過渡工況反映性能好，冷機(jī)HC排放少；高轉(zhuǎn)速困難；高負(fù)荷生成炭煙；噴油器容易沉積，機(jī)油易稀釋；需要減少NOx排放的特殊催化轉(zhuǎn)化器。GDI系統(tǒng)油耗低的原理GDI系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽油機(jī)性能對比油束直射GDIv混合氣向火花塞的輸送主要靠油束的噴射能量，而燃燒室壁及氣流運(yùn)動(dòng)影響較小，但是氣流運(yùn)動(dòng)對火焰在稀薄混合氣中側(cè)傳播起著決定性作用。v這種點(diǎn)火方式著火比較穩(wěn)定，稀燃能力強(qiáng)。但直接向火花塞噴油會(huì)影響火花塞使用壽命，冷起動(dòng)和產(chǎn)生炭煙問題較大。并且需要將火花塞與噴油器都安裝在正中，對四氣門汽油機(jī)會(huì)影

9、響氣門大小。室壁引流GDIv室壁引流火花塞與噴油器的距離較遠(yuǎn)，混合氣向火花塞的輸送主要靠燃燒室壁的形狀和氣流運(yùn)動(dòng)的配合。v燃燒室室壁引流首先將燃油噴向特殊形狀的活塞頂，部分形成油膜。然后利用和活塞室壁配合的氣流運(yùn)動(dòng)，將可燃混合氣送到火花塞。v對燃油噴射、氣流運(yùn)動(dòng)和活塞頂形狀的配合要求很高，而且燃燒室的面容比大，HC排放高。氣流引流GDIv在氣流引流GDI中燃油向火花塞方向噴射，但不直接噴向火花塞，而是利用氣流的運(yùn)動(dòng)將混合氣送往火花塞。這種系統(tǒng)燃燒室比較緊湊，在發(fā)動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)性能都較好。GDI不同工況混合氣的形成v直噴式汽油機(jī)過量空氣系數(shù)隨工況變化而變化，部分負(fù)荷時(shí)，過量空氣系數(shù)較大，采用

10、分層混合燃燒，燃油在壓縮行程后期才噴入氣缸。分層混合燃燒需要較強(qiáng)的氣流運(yùn)動(dòng)。FEV公司采用可變進(jìn)氣渦流來實(shí)現(xiàn)。v高負(fù)荷時(shí)，過量空氣系數(shù)小，需要均勻混合，避免局部過量空氣系數(shù)小于0.6，以減少炭煙排放，燃油在吸氣行程就開始噴入氣缸，在過量空氣系數(shù)等于1的均勻混合氣燃燒時(shí)，應(yīng)盡量避免氣流運(yùn)動(dòng)，提高充氣系數(shù)。主要GDI系統(tǒng)及其油耗對比vMANFMv德士古TCCS；v豐田MVCS；v三菱GDI；v豐田D4。MANFM GDI系統(tǒng)v作為軍用發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)；v使用壁面蒸發(fā)形成混合氣；v油耗與柴油機(jī)接近；v冷機(jī)時(shí)蒸發(fā)不充分難起動(dòng)；v未燃成分多。德士古TCCS GDI系統(tǒng)v作為軍用多燃料發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)；v燃料噴射中形

11、成火焰面；v能著火的時(shí)間短；v點(diǎn)火放電時(shí)間長；v排煙、功率、油耗噪聲與柴油機(jī)接近；v未燃成分多。豐田MVCS GDI系統(tǒng)v球與橢圓組合成的副燃燒室產(chǎn)生渦流形成穩(wěn)定混合氣；v未燃成分少。豐田D4 GDI系統(tǒng)D4 GDI系統(tǒng)組成及特點(diǎn)v渦流控制閥SCV控制缸內(nèi)橫向渦流強(qiáng)度帶SCV的單邊螺旋氣道；v為控制混合氣形成和燃燒在活塞頂部設(shè)置漸開線燃燒室；v將高壓直接噴入燃燒室，可精密控制噴射方向并使燃料充分霧化高壓漩流噴油器；v可根據(jù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷自由控制的氣門正時(shí)VVTi；v實(shí)現(xiàn)舒適的加速和動(dòng)態(tài)反應(yīng)性能電子控制節(jié)氣門；v使排氣更潔凈化NOx吸藏還原型三效催化轉(zhuǎn)換器。D4 GDI工作狀態(tài)1分層燃燒D4 GDI工作狀態(tài)2均質(zhì)燃燒D4 GDI工作狀態(tài)3弱分層燃燒D4 GDI各工作狀態(tài)的使用區(qū)域3.2.3 均質(zhì)混合氣壓燃著火( HCCI、CAI)v均質(zhì)混合氣壓燃著火是結(jié)合汽油機(jī)與柴油機(jī)各自的優(yōu)點(diǎn)而提出的一種新的燃燒概念。vHCCI的主要困難在于控制可燃混合氣壓縮著火的時(shí)刻。UNIBUS的概念提出v使用中空錐形噴霧以縮短噴霧貫串距離；v噴油時(shí)刻大幅提前；v噴油壓