汽油稀薄燃燒簡述

1、混合氣稀薄燃燒模式簡談?wù)弘S著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活品質(zhì)的不斷提高。中國的汽車保有量逐年攀升，汽車尾氣對環(huán)境的危害也越發(fā)嚴(yán)重。本文通過分析汽油機(jī)混合氣的稀薄燃燒模式，從排放物、燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性等不同方面加以闡述。得出稀薄燃燒模式在保證相應(yīng)的動力的情況下，其尾氣量更能符合國家尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵字：混合氣 空燃比 燃燒模式 噴射1. 稀薄燃燒技術(shù)（GDI）圖1 GDI 燃燒系統(tǒng)示意圖均質(zhì)稀燃和分層稀燃是缸內(nèi)直噴汽油機(jī)稀薄燃燒技術(shù)的兩種燃燒模式。所謂均質(zhì)燃燒就是進(jìn)氣早期將燃油噴入汽缸，使過量空氣系數(shù)=1或附近,形成完全的均質(zhì)化學(xué)計量比進(jìn)行燃燒。在壓縮行程后期開始噴油，在火花塞的區(qū)域，可以形

2、成較濃的混和氣，而在遠(yuǎn)離火花塞的區(qū)域形成稀薄的混合氣( 過量空氣系數(shù)達(dá) = 2 3)，這就是分成燃燒。分層燃燒可以提高著火概率，加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，實現(xiàn)快速穩(wěn)定的燃燒。如圖 1 所 示， GDI 汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般由進(jìn)排氣道、燃 燒室、 活塞、 噴油器和火花塞組成。要在缸內(nèi)形成均勻的混合氣， 必須組織合適的氣流運(yùn)動和精確的噴油匹配。1.1 GDI的氣流運(yùn)動缸內(nèi)氣流必須要滿足兩點(diǎn)要求: (1)從微觀上要求在氣缸內(nèi)具有高強(qiáng)度的紊流，以促進(jìn)燃油與空氣的混合; (2)從宏觀上要求有控制的平均氣流運(yùn)動，以形成均勻的混合氣1采用均質(zhì)混合氣燃燒模式的 GDI 汽油機(jī)一般靠進(jìn)氣道來產(chǎn)生強(qiáng)烈的滾流運(yùn)動以促進(jìn)燃

3、油與空氣的混合 另一方面， 隨著活塞上行， 滾流在壓縮沖程后期破碎成湍流， 這樣有助于提高壓縮終了時的湍流強(qiáng)度， 以提高火焰?zhèn)鞑ニ俣燃氨３秩紵€(wěn)定性2圖2是710CA 時刻( 接近點(diǎn)火時刻) 缸內(nèi)動能分布云圖， 可以看出， 缸內(nèi)湍動能從中心向周圍遞減， 這樣有利于火焰?zhèn)鞑?邊緣處的湍動能較小對火焰?zhèn)鞑ビ绊懖淮??；鹧鎮(zhèn)鞑ピ娇?，則燃燒同量的燃料產(chǎn)生功率更高。圖2 710CA 時刻缸內(nèi)湍動能分布云圖 1.2 GDI的燃油噴射系統(tǒng)GDI通常劃分了負(fù)荷區(qū) ,因此要求 GDI燃油噴射系統(tǒng)至少要能提供 23 種不同的操作模式,以適應(yīng)不 同的負(fù)荷要求。GDI要求噴油器霧化水平高 ,能在較窄的脈沖寬度內(nèi)噴出所要

4、求的燃油 ,以確保晚噴實施分層燃燒。由于噴油器位于缸內(nèi) ,工作條件惡劣,因此要對嘴端沉積物生成和高溫有更強(qiáng)的抵抗能力。此外 ,噴油器的噴霧特性對GDI發(fā)動機(jī)的燃燒過程影響較大。GDI采用的噴油器主要有兩種類型。一種是空氣輔助噴油器。其噴油原理是先將燃油供入噴油器油室,再充以高壓空氣 ,從而突破閥座彈力形成噴射;另一種是高壓旋流噴油器 ,這種噴油器的特點(diǎn)是 ,在其噴油嘴的頭部設(shè)有一個特殊的渦流腔 ,通過該腔可產(chǎn)生一股強(qiáng)渦流 ,不僅對噴油嘴噴孔具有自潔作用 ,使其可靠性得到提高 ,而且能使燃油噴束的一部分動能直接轉(zhuǎn)化為水平的旋轉(zhuǎn)動能 ,從而降低油束的穿透度 ,避免其沾濕活塞和缸套壁面。在早噴時噴霧

5、形狀是適宜均質(zhì)混合的中空擴(kuò)散型 ,在晚噴時是適宜分層燃燒的緊湊型。噴油壓力主要影響霧化質(zhì)量和貫穿速度 ,較適當(dāng)?shù)膰娪蛪毫?510 MPa (最高為 12 MPa) 。在噴射系統(tǒng)中 ,噴油器噴嘴的結(jié)構(gòu)形式對噴霧質(zhì)量起著重要的影響 ,它是保證實現(xiàn)混合氣分層與稀燃的關(guān)鍵部件。圖 2 為 GDI 發(fā)動機(jī)所采用的內(nèi)開式旋流型噴嘴 ,在其內(nèi)部設(shè)有燃油旋流腔 ,燃油通過其中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)渦流可實現(xiàn)較好的噴霧形態(tài)和合適的貫穿度的配合。其油束方向便于調(diào)整 ,布置方便,不易積炭的特點(diǎn) ,使其成為目前 GDI 發(fā)動機(jī)噴嘴所采用的主要形式。1.3 稀薄燃燒實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)措施實現(xiàn)稀燃關(guān)鍵在于縮短火焰發(fā)展期和燃燒持續(xù)時間,

6、在火花塞附近形成有利于著火的濃混合氣,一般空燃比A/F=12-135。實現(xiàn)稀燃的具體技術(shù)措施有：1.3.1 采用結(jié)構(gòu)緊湊的燃燒室,增大壓縮比,加快火焰?zhèn)鞑ニ俣热紵倚螤顚ο∪及l(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性有很大影響。為提高燃燒穩(wěn)定性,需提高燃燒速度和點(diǎn)火可靠性。在缸內(nèi)組織較強(qiáng)的空氣運(yùn)動以增大缸內(nèi)湍流強(qiáng)度,并把火花塞置于燃燒室中央,可使燃燒速度加快,火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短。單進(jìn)氣門與二或三進(jìn)氣門結(jié)構(gòu),在缸內(nèi)形成的空氣運(yùn)動方式不同。單進(jìn)氣門主要為壓縮擠流,為增大缸內(nèi)湍流需要大的擠壓面積,而多進(jìn)氣門一般為滾流或斜軸渦流,且一般活塞頂部多有凹坑配合,有利于加快火焰?zhèn)鞑?。壓縮比升高,殘余廢氣系數(shù)減小,火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌臁嚎s

7、比由85提高到13,稀燃能力可增大4-5A/F單位,但壓縮比增大受到火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)爆燃的限制。國內(nèi)研制的492緊湊型燃燒室、射流燃燒室等燃燒系統(tǒng)都具有一定的稀燃能力。它們都具有特殊結(jié)構(gòu)的燃燒室設(shè)計并可采用較高的壓縮比。1.3.2 高能點(diǎn)火、寬火花塞間隙或多火花塞和火焰引燃 高能點(diǎn)火和寬火花塞間隙的火花塞有利于火核形成,著火落后期短,循環(huán)變動小、稀燃極限大,多火花塞如Nission公司的MAP-Z燃燒系統(tǒng)采用了雙火花塞結(jié)構(gòu),可使火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短,加快燃燒進(jìn)行7,有利于稀燃能力的提高。日本馬自達(dá)公司TabataM等研制了一種混合氣噴射火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī),在兩個進(jìn)氣門和兩個排氣門的四氣門火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)基

8、礎(chǔ)上,附加一個小氣門與預(yù)燃室,燃油噴入預(yù)燃室與空氣形成混合氣在進(jìn)氣行程后期至壓縮行程初期將混合氣噴入燃燒室實現(xiàn)混合氣分層,A/F達(dá)40。1.3.3 燃油噴射定時與分段噴射燃油 燃油噴射定時與分段噴射燃油對燃油影響很大,影響燃燒的穩(wěn)定性。一般講進(jìn)氣初期噴油,燃油首先進(jìn)入缸內(nèi)下部隨后在缸內(nèi)均勻分布,進(jìn)氣后期噴油,濃混合氣在缸內(nèi)上部且維持到點(diǎn)火時刻,只有在進(jìn)氣行程的某一區(qū)段噴油才可實現(xiàn)理想分層。將一循環(huán)的噴油量分成兩次噴入氣缸可實現(xiàn)很好的稀燃。天津大學(xué)利用進(jìn)氣道二次噴油技術(shù)在CA1102五氣門發(fā)動機(jī)上實現(xiàn)了準(zhǔn)均質(zhì)稀燃A/F=20的穩(wěn)定燃燒。缸內(nèi)直噴技術(shù)火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)具有泵氣損失和傳熱損失小,充氣效率

9、和抗爆性高、動態(tài)響應(yīng)好等特點(diǎn)而被當(dāng)今車用火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)所采用。日本首藤登志夫等人利用壓縮行程前、終了進(jìn)行兩段(二次)噴油獲得了寬廣的分層稀氣混合氣燃燒,在中等負(fù)荷與理想預(yù)混合燃燒相比熱消耗率降低30%,NOx降低50%左右1.4 稀薄燃燒的優(yōu)缺點(diǎn)1.4.1 優(yōu)點(diǎn)由于燃油被靈敏地噴射于汽缸燃燒室內(nèi)，也直接帶來了很多好處。(1) GDI油氣的混合主要是依靠噴霧和缸內(nèi)的空氣運(yùn)動 ,冷起動時無需過量供油 ,有效地解決了 PFI(氣道燃油噴射)冷起動時 UBHC排放過多的問題；(2) GDI采用了稀薄燃燒技術(shù)使氣缸內(nèi)反應(yīng)區(qū)的溫度下降 ,可減少 NOx 的生成量；(3) 提升動力性能，由于燃料的混合更充分

10、，燃燒更徹底，轉(zhuǎn)化為動能的效率提升，直接推動了發(fā)動機(jī)動力性能的增加；同排量下，最大功率可提高15%；(4) 燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步的到改善，燃油消耗下降率高達(dá)35%；1.4.2 缺點(diǎn)（1）GDI 在中小負(fù)荷的情況下 ,其 UBHC 的排放較多；主要原因：大量的濃混合氣集中在火花塞附近 ,使得火焰在向周圍稀混合氣傳播時 ,因混合氣過稀而熄滅；稀薄燃燒造成氣缸內(nèi)溫度偏低 ,不利于 UB2HC隨后的繼續(xù)氧化；其他設(shè)計不當(dāng)引起的混合氣混合不充分和火焰延遲，也會造成火焰?zhèn)鞑ニ伲?）由于 GDI 的混合氣由稀到濃呈分層狀態(tài) ,不可避免地會出現(xiàn)空燃比為1 附近的偏濃區(qū)域 ,使這些區(qū)域的 NOx 排放增加；發(fā)動機(jī)長

11、期處于稀空燃比條件下 ,導(dǎo)致廢氣排氣中含氧較多且排放溫度也較低 ,傳統(tǒng)的三元催化器對NOx 的轉(zhuǎn)化效率低。1.4.3 切實可行的技術(shù)解決GDI存在的問題1.稀燃催化器稀燃催化器的開發(fā)將直接影響到GDI汽油機(jī)排放問題的解決。目前正在開發(fā)的各種適用于稀燃的催化器有稀燃選擇還原型NOx催化器、吸藏還原型NOx催化器、未燃HC氧化催化器等。2.廢氣再循環(huán)（EGR）稀燃使缸內(nèi)富余氧氣較多，可使用較高的EGR比率而不會使燃燒惡化、如果將再循環(huán)廢氣與可燃混合氣進(jìn)行分層，減少廢氣與可燃混合氣的摻混，保證點(diǎn)火時刻火花塞附近有適于著火的混合氣，避免廢氣靠近火花塞，能大大提高EGR比率，從而大大降低NOx排放。采用

12、電控EGR可以精確控制EGR比率，較好地解決發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性與NOx排放之間的協(xié)調(diào)回題。3 .二次燃燒 目的是降低HC排放。二次燃燒是指在進(jìn)行正常分層燃燒的怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時，除了在壓縮行程后期噴油外，在膨脹行程后期再次噴入少量燃油，在缸內(nèi)高溫、高壓氣體的作用下點(diǎn)火燃燒并使排氣溫度提高。通常起動后的怠速狀態(tài)下的排氣溫度為200左右，使用二次燃燒可使排氣溫度上升到800。這樣可大大加快催化劑開始工作的時間。2結(jié)束語現(xiàn)代電子控制、制造等技術(shù)的發(fā)展使 GDI開發(fā)比過去所受限制大大減少。當(dāng)前節(jié)能環(huán)保的要求給GDI的發(fā)展提供了動力 ,借助于先進(jìn)的電子控制技術(shù)能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)燃油的供給 ,可根據(jù)需要改變噴油定時和噴油次數(shù) ,能自由控制氣缸內(nèi)的混合狀態(tài)、 燃燒室內(nèi)的燃油分布 ,使混合氣實現(xiàn)分層分布 ,完成稀薄燃燒 ,以實現(xiàn)高燃油經(jīng)濟(jì)性的同時大大地降低排