-
汽油发动机燃烧研究进展
Alex C.
Alkidas
奥克兰大学、
机电
工程署、工程和计算机科学学院，罗切斯特，ＭＩ
48309-4478
，美国，
在线，２００７年９月１１日。
摘
要
本文是
关于汽油机上用于减少燃油消耗和发动机排放的最新燃烧研究进展，
及其相关技术的一篇
综述。为了优化在转速
/
负荷范围内的燃烧，发动机应该以
三种燃烧模式运行：分层充量点燃（
SCSI
）
、均质充量点燃（
HCSI
）和均
质充量压
燃（
HCCI
）
。能够实现这一目标，最大程度降低油耗和排放的重要技术是：导向
喷射直喷
系统，灵活可变气门机构以及基于发动机控制的缸内压力。
关
键词
：
汽油机；火花点火；
DISI<
/p>
；
HCCI
；
H
CSI
；
HCSI
；直喷；压燃；分层
燃烧。
1.
简介
：
全世界绝大多数的乘用车都装载了进气道喷射（
PFI
）
，火花点火式汽油机。尽管这类发
动机取得了
长足的进步，
然而它的局限性根本不能克服，
因此我们已经找到
了能够克服其中
一个或者更多局限的其它类型的汽油机。让
PF
I
，
SI
，汽油机性能变坏的基本局限
是：
（
a
）
在
部分负荷工况下导致很大泵气损失的节气门负荷控制方式；
（
b
）
在低速或者高负荷工况下
汽油的爆震
倾向导致了发动机压缩比的降低；
（
c
）
3
效排气后处理系统要求发动机在化学当
量空燃比的工况下运行，
这就导致了由于产生高浓度的二氧化碳和水的聚合物而使混
合气具
有不好的特性（偏低率的比热）
；
（
d
）主要由于裂缝油气而导致较高的未燃碳氢排放；
（
e
）
由化学当量比
燃烧引起的燃烧温度过高导致较高的
NO
排放量。
其中局限（
a
）
-
（
c
）使发动机的油
耗极大的增加。另一方面，较高的发动机
HC
和
NO
排放物并不是问题，因为在化学当量工况下的发动机具有很高的三效催化转
化效率。
能够解决上述问题、
在乘用
车用发动机上有巨大潜力的两种汽油机燃烧技术是直喷
（
DI<
/p>
）
分层燃烧点燃技术（
SCSI
）和均匀充量压燃技术（
HCCI
）
。这些技术都使用了完全稀薄燃烧，
并采取了高度稀释和无节气门操作。<
/p>
和
PFI
汽油机相比，
< br>DI SCSI
发动机极大地降低了燃油消
耗和发动机排
气中的
NO
排放量，在
HC
排放量上性能相当。
HCCI
发动机在降低燃油消
耗性
能上和
DI
SCSI
发动机相似，并且在
NO
排放量的降低上有着不俗
的表现（经后处理之后，
可减少
90%
以上）
，可是
HCCI
发动机却有着很
高的
HC
排放量。
< br>以上两种发动机技术所具有的共同缺点是它们受限制的转速
/
负荷范围
（小负荷
-
中等负
荷）
，这就要求发动机使用混合的燃烧模型，稀薄燃烧和较低的排气温
度，要实现以上要求
所使用的后处理技术与三效催化转换原理不同，
这还有待成熟。
一个简单的混合燃烧模型发
动机实例是两种
模型
DISI
的混合，在较低负荷和转速工况下采用完全稀混合
比的分层混合
气，当发动机运行在全负荷、高转速工况下，采用均质混合气或者化学当量
比混合气模型。
本文接下来会介绍更复杂的模型切换。
本文综述了了在
DISI
发动机上取得的研究
进展，能够在分层燃烧工况下运行，提高燃
油经济性，提高燃烧稳定性，以及降低发动机
排放，同时综述了
HCCI
燃烧用于实现自动点
火控制和过度散热率以及在扩大
HCCI
燃烧上限的研
究进展。加之，本文还讨论了先进汽油
机在工作转速
/
负荷范围内使用不同的燃烧模型所需要的技术。这次研究的仅仅是汽油机，
因此只讨论压缩比较低的发动机，
如
13:1
，
虽然偶尔也有必要引用一下并没有考虑这一因素
的著
作。而且由于重点在于研究燃烧，所以不会涉及排气后处理技术。
2.
直接喷射火花点火发动机（
DISI
< br>）
目前有两种主要的
DISI
技术的变型——
“均质”
DISI
以化学当量比混合气运行，以及混
合的
DI
SI
模型，混合气在小负荷和低转速工况下以完全的等比稀薄混合气，而在更高的负
荷和转速工况下使用“均质”模型。混合的
DISI
模型拥有最高的燃油经济效益潜力。因此
我们只讨论混合模型的
DISI
发动机。使用稀薄燃烧，泵气损失和传热损失都会减少，并且
由于改善的热力学工况，循环效率提高。加之，
DISI
发动机由于将燃油直接喷射到气缸中而
具有附加的充量冷却效果，
这使得发动机压缩比得到提高。
压缩比的显著提高将大大提高循
环效率。
术语名称
AFR
空燃比
BMEP
平均有效压力
BSFC
制动燃油消耗量
bTDC
上止点前
CI
压燃
COMB
燃烧
COV
变化系数
CR
压缩比
DI
直接喷射
DISI
直接喷射火花点火
EGR
排气再循环
EVC
排气门关闭
FE
燃油经济性
HC
碳氢化合物
HCCI
均质充量压缩点燃
HCSI
均质充量火花点燃
HT
传热
IMEP
平均指示压力
IVC
进气门关闭
NEDC
新欧洲行驶循环
NMEP
净平均有效压力
NO
氮氧化合物
NSFC
净燃油消耗量
NVO
负的气门重叠
PUMP
泵气损失
SI
火花点火
VVT
可变气门正时
一种可以应用的
DISI
发动机模型的实例如图
1
所示。如上所述，混合
DISI
发动机模型
在小负荷，
低转速工况下以分层充量，
稀薄混
合气运行，
而在更高的转速和负荷工况下以
“均
质”
充量运行。
均质充量工况可以分为两部分，
中等负荷区域的完全稀薄混合气或者高度稀
薄混合气，
更高负荷区域的化学当量空燃比混合气或者更浓的混合气。
在一些情况中，
不考
虑中等负荷工况，
而且当发动机运行在
全负荷工况下时，
既不使用稀薄分层模型，
也不使用
化学当量比或者更浓的混合气模型。除最高负荷工况以外，废气再循环被广泛的用于控制< p>
NO
x
排放。
使用过量空
气和
EGR
稀释的程度主要取决于最大化燃油经济性的要求，<
/p>
并在同时
保证排放和和燃烧稳定性维持在可以接受的水平上。
图
1
直喷点燃发动机运行模型
[1]
.
直
喷火花点火发动机的燃烧系统在广义上分为三种类型，
如图
2<
/p>
所示，
根据控制混合气
形成的机械结构：
气流导向，壁面导向和喷射导向。在气流导向和壁面导向的燃烧系统中，
喷油器放置在距
火花塞很远的位置上，
燃油喷雾被精确定义的缸内气体流动或者与活塞燃烧
室的相互作用组织向火花塞方向流动。
在喷雾导向燃烧系统中，
喷油器和火花塞的近距离布
置提供了燃油准备和点火之间强大的连接。
图
2
.
直喷点火发动机燃烧系统分类
[6].
产品化的第一代
DISI<
/p>
发动机的发展主要采用壁面导向燃烧系统，然而，在第二代
DIS
I
发动机上最有可能使用喷射导向系统，
由于它所具有附加的使
燃油经济性提升，
使稀薄燃烧
工况范围更广以及使发动机排放得
到改善的潜力。
壁面或者充量流动导向系统的
SIDI
发动机相对于进气道喷射发动机来说具有燃油经济
性优势的主要原因是：
更低的泵气损失，
由于使用稀燃使混
合气特性更好，
由于更低的充量
温度使热耗损更低，
直接喷射的充量冷却效果使压缩比更高。
如果没有更低的燃烧效率，
逐
步燃烧损失和更高的摩擦损失
SIDI
发动机燃油经济性的优势会更大。在喷雾导向的
SIDI
发
动机实例中，
燃烧效率损失和逐步燃烧损失都变
得更小，
使喷雾导向系统相对壁面或者充量
导向系统在燃油经济
性上有了质的提高。
图
3
清楚地说明了许多专家实测过的分层
DISI
燃烧
的次优阶段，比较了了各种分层和
均质燃烧系统的热扩散过程。与均质火花点火（最优阶
段）相比较，两种燃烧系统中，分层
燃烧系统是更先进的，
均质
燃烧系统导致了无用功的增加，
结果使发动机效率降低。
图三也
对早在上文讨论过的喷雾导向系统相对于壁面导向系统的进程优势有所说明。
发动机模拟计算比较一款压缩比
11.2
的
DISI
发动机和相应的一款压缩比
9.4
的进气道
喷射发动机，
结果显示
DISI
发动机的制动效率高出进气道喷射发
动机
15%
，
从而在
< br>FTP
循环
中有高出进气道喷射式发动机燃油经济性
15%
的优势。
图
4
展示了影响燃油经济性各种因素
的作用。提高
DISI
发动机燃油经济性的有力因素是从压缩比（
C
R
）
，混合气传热特性以及泵
吸几方面
获得；消极影响因素则是从燃烧，摩擦两方面获得。图四的结果显示，
DISI
发动机
和进气道喷射式发动机相比，
使其具有燃
油经济性优势的最主要因素是泵吸过程，
表现出大
约
10%
的燃油经济性优势，同时混合气特性（
~7
.5%
）
，热传导（
~2%
）和压缩比（
~3%
）也
分别具有如图所示优势。另一方面，燃烧和摩擦分别导致
DISI
发动机约
4%
的燃油经济性损
失。<
/p>
4%
的燃油经济性损失归咎于
DISI
燃烧，其中的
1%
由相位损失引起（非最佳相位的热损
耗进程）
，另外的
3%
是由于燃烧效率的降低，这主要导致了
HC
排放的恶化。令一方面，引
起热传递损失
< br>2%
的主要原因如下：
由于在
D
ISI
发动机中有更大的表面面积，
这是由活塞坑
和非平面活塞顶
（使活塞表面增加
40%
）
造成的，
6.3%
的
燃油经济性提高是由于缸内气体温
度的降低。后者并没有考虑这样一个因素，就是应该将
DISI
发动机缸内热对流流量和进气
道喷射式发动机跟多的关联起来，这是由于
DISI
发动机缸内
更高的流动和更大的气体密度
引起的更大的传热系数。
图
3
.
典型的分层和均质燃烧的热扩散过程
[26]
.
图
4
。
让直喷点燃发动机燃油经济性比基础进气道喷射式发动机提高的各种因素的贡献
[7
]
。
表
1
表述用于在暖机过程中模拟
FTP
循环的
7
点稳定工况测试系列
。
这些工况点的选择
是基于和
2400
kg
车用以及
4
挡自动变速的匹配。根
据测试工况将测试点分成三类：怠速，
小负荷和中等负荷。
在怠
速工况和小负荷工况，燃烧室分层的，通过使用延迟喷油策略。在
中等负荷工况，
燃烧是均质的，
化学当量比的，通过使用提前喷油策略。表格
1
还描述了在
每个工况点所取得燃油经济性提高
的百分点。
正如我们所期望的，
DI
分
层燃烧比
PFI
发动机
燃油经济性高出
19-23
个百分点，
DI
均质，化学当量比燃烧要高出约
7
个百分点。
对于怠速附近工况，
使
< br>DISI
发动机的燃油经济性优势高于
PFI
发动机的最主要因素是泵
气过程，
同时也受混合气
特性和热损耗的影响。
在这些工况中燃烧和摩擦对燃油经济性有着
极其不利的影响。
在小负荷工况取得
DISI
发动机燃油经济性提高的原因是在
PFI
发动机中随<
/p>
着负荷的增加节气损失降低使泵气损失被减小。然而，在
DISI
发动机中混合气特性对于燃
油经济性提高的贡献相对于怠速负荷
时有所提高，此时此刻几乎和泵气过程的作用相当。
DISI
传
热的积极作用仍旧十分明显，当燃烧和摩擦的消极作用被降低时。最后，在中等负荷
工况
下，
使用提前喷油策略，
混合气特性对燃油经济性提高作用最大
，
同时压缩比和泵吸作
用也起到一定作用。正如我们所期望的，
摩擦，传热和燃烧的影响很小。补充说明一下，比
其他
CR
和不同活塞位置时，
DISI
发动机和
PFI
发动机的主要不同点，也是在这些工况下能
< br>够影响发动机指示效率的是在
DISI
发动机上使用很高
程度的
EGR
。
表
1
稳定工况，单缸直喷点燃发动机
7<
/p>
点模拟
FTP
测试
[7]
Test
points:
Speed,
rev/min
BMEP,
kPa
NMEP,
kPa
Time
weighted, %
Combustion
mode
FE
%
improvement
Near-idl
1
600
136
158
19.7
Strati
?
ed
20.2
2
846
115
133
38.98
Light-lo
3
1133
204
232
15.29
Strati
?
ed
20.4
Medium-lo
4
5
1400
260
431
6.09
Homogen
eous
5.6
6
1520
445
484
4.97
7
1736
549
590
3.28
1357
401
291
9.91
19.4
22.9
6.7
7.3
上述结果表明，
显而易见可以通过排除燃烧损失和接近最佳相位以及提高发动机燃烧效
率使燃
烧达到与
PFI
发动机相对应的水平，
并通过使燃烧室表面积减少和缸内气体流动减少
而降低热损失，这样可以期望得到
5-7
个百分点的燃油经济性的提升。
分层充量，喷雾导向
DISI
发动机提供更
多的保障以实现和优化上述目标。这个系统的
优点在于喷油器放置位置接近火花塞，
这样燃烧过程和相对应的壁面导向系统相比并没有没
有先进多少，由
于它的燃烧过程更接近于理想过程，所以它能更好的控制活塞坑中的燃油，
这样能够确保
降低碳氢化合物的排放，
所以它具有更高的燃烧效率，
这要求活
塞坑设计的要
简单，要浅，重要的是减小表面积，它同时要求很小甚至没有缸内气体流动
。
图
5
是一
个活塞坑，火花塞和喷油器的部分视图，图中还显示了在一台喷雾导向
DISI
可视发动机燃烧室中的燃油喷雾和水蒸气，
用于分层燃烧工况点。
压电输出开关打开，
喷油
器（油压达到
20MPa
）
，喷出两组相继的燃油。非常重
要的一点，照片中显示没有液体燃料
出现在坑型壁面的现象。这和
Raimann et al.[13]
的发现相吻合，这有很大可能是由于压电喷<
/p>
射的穿透力偏低引起的现象。活塞表面的油滴是排气中
HC
和烟尘的来源。
图
5.
照片显示了分层工况时燃烧的几
何形状和燃油喷雾以及水汽分布
[10].
Frohlich
和
Borgmann
论证了一辆搭载了使用喷雾导向燃烧系统和压电喷油器发动机的
车辆和一辆相应
的搭载了
PFI
发动机的车辆相比具有能搞提高燃油经济性超过
20
个百分点
的潜力，
并且有提高动力性能超过
60
kW/L
的可能性。
Wirth et al.[3]
在一款
2L
，
I4
喷雾导向，
使用多孔喷油器的
SIDI
发动机上进行测试。基于在相关转速和负荷区域内的发动机全脉谱
图
，他们设计了如下的新欧洲行驶工况燃油经济性收益，超过相应的无
EGR
的
PFI
发动机：
和使用双
VCT
的
PFI
发动机相比
4
个百分点，和使用壁面导向的
< br>SIDI
发动机相比
11
个百分
点，和使用喷雾导向的
SIDI
发动机
相比
15.5
个百分点。
Van
Der Wege et al. [4]
开发出一款使
用大锥
角
（
80
o
）
，向外开启，以公称压力
20MPa
运
行的轴针式喷油器的喷雾导向，
SIDI
燃烧
< br>系统。在这个被称作涡致分层燃烧（
VISC
）的燃烧系
统中，
，最佳点火位置在燃油喷雾以外
的再流通区域，
这样就提供了防止任何燃油浸湿火花塞的好处。
和被期望的喷雾导向系统
的
特性相比平
[11,12]
，他们发
现提高缸内涡流比达到约
1.5
时会使燃烧稳定性和燃烧效率有
所
提高，燃油消耗有所降低，还能消除失火（基于
300
个循环）
。喷雾导向
SIDI
发动机在油耗
方面和基础的
PFI
发动机相比降低
18
百分点，
和壁
面导向
SIDI
发动机相比降低
6
个百分点，
测试循环超过了一个模拟的稳定工况，
< br>忽略冷启动和瞬态工况。
在部分负荷工况下喷雾导向
和壁
面导向发动机相比，结果在
NSFC
上降低
11.2
个百分点，在碳氢排放方面减少
60%
。
基于上述研究结果，
很明显喷雾导向燃烧系统有超过了壁面导向和气体导向燃烧系统的
燃油经济性优势，但是
从某种程度上来说它的燃烧稳定性较低（较高的
COV
和
IMEP
）
，和
其他
SIDI
发动机一样和
PFI
火花点火发动机相比产生了较高的
HC
排放。一
个可能影响到喷
雾导向
SIDI
燃烧系
统发动机将来应用的重要问题是在强燃烧时点火正时的范围相对来说较
窄。
表
6
说明对于给定的最终喷油正时，
能够获得可接受的燃烧稳定性水平
（平均有效压力
的变
异系数小于
5%
）的点火正时范围仅有
4
o
；的确是很窄的范围。然而如果喷油和点火正
时一起扫描是和最终喷油以及点火保持在
4
o
到
5
o
有很到区别的
，基于燃烧稳定性能够接受
的运行范围大大拓宽（点火正时范围到
15
o
）
。表
6
的变异系数结果显示最佳的工况出现在
EOI
正时
37
o
bTDC
，点火正时
33
o
b
TDC
时。为了达到最佳变异系数进行这样的正时设置，燃
油消
耗量和
HC
排放量都达到最小，在
30
000
个循环内显示没有失火。
<
/p>
图
6.
不同的喷油正时作为点火正时功能
的燃烧稳定性
[12].
变异系数
的提高，
在一些程度上偏离的最佳的点火正时，
这导致是活的发
生，
而且失火
频率迅速升高。在这里，应该说明失火频率不一定
为零，
（
10000
循环一次或者更少
）
，甚至
对于非常先进的喷雾导向
DI
SI
系统运行在最佳的分层工况来说。
3.
均质充量压缩点燃（
HCCI
）
发动机
在均质充量，
压缩点燃发动机
中燃油和空气是预混合的从而形成均质混合气，
然后通过
压缩自
动点火。
点火和随后充量的燃烧是主要由化学动力性特性控制的，
这就进一步表示了
气体温度和气体压力因素对燃烧过程有着很大程度的影响。
而且，
自动点火出现在燃烧室的
各个位置（多点
点火）
，如果未经制止的话，这就可能引起极高的热耗散率，因此产生很高
的增压比。对于
HCCI
发动机来说，点火不能直接
控制，这点和火花点火发动机以及缸内直
喷柴油机相似。因此，一个关键的挑战是在很宽
的发动机运行工况范围内控制燃烧的开始。
HCCI
燃烧模型的发动机被限制工作在中等负荷范围内。在小负荷工况由于较低的气体
< br>温度和相应的比率（偏低的燃油聚合物）
，发动机点火困难，燃烧效率下降。后者
是由于缸
内裂缝碳氢混合物的氧化作用以及
CO
到
CO
2
转换效率降低引起的
。在高负荷工况下，发动
机自动点火控制困难，
导致了过高的缸
内压力升高，
这可能引起的燃烧噪声、
敲击和发动机
损坏。
表
7
说明了
4
缸发动机
HCCI
燃烧模型的区域并和现有的
SI
燃烧模型发动机在百分比
的改变上做出比较：
（
a
）制动燃油消耗（
BSFC
）
，<
/p>
（
b
）
NO
x
排放和（
c
）未
燃
HC
排放。结果
清楚地表明了
HCCI
燃烧模型更大程度的减少了燃油消耗量，在
< br>NO
x
上更有着不俗的表现，
可
是在
HC
排放的增加上却也同样让人印象深刻。