概述汽油機(jī)稀薄燃燒發(fā)展進(jìn)程

范繼春

摘要：本文介紹了汽油機(jī)稀薄燃燒的新技術(shù)--汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)、均勻充量壓縮著火技術(shù)，分析了它們的工作原理、特點和研究發(fā)展的空間。提出了未來車用發(fā)動機(jī)的發(fā)展關(guān)鍵是提高發(fā)動機(jī)的能量利用效率，提高動動力性和降低污染物的排放。

關(guān)鍵詞：稀薄燃燒；缸內(nèi)直噴；均勻充量壓縮著火技術(shù)

環(huán)保和節(jié)能是當(dāng)今全球汽車行業(yè)無法回避的兩大主題。在全球能源消費結(jié)構(gòu)中，石油、天然氣和煤炭等化石能源依然占主要地位，其中，石油在交通和工業(yè)終端用能上繼續(xù)保持統(tǒng)治地位?！笆晃濉庇媱澓螅覈钠嚤Ｓ辛坑锌赡軓哪壳暗?000萬輛增長到5000萬輛，能源形勢將更為嚴(yán)峻。而同時，人們?nèi)找嬖鰪姷沫h(huán)保意識和越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)也對發(fā)動機(jī)提出了新的要求。針對當(dāng)前的嚴(yán)峻形勢，在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域，如何提高燃料的能量利用率以達(dá)到節(jié)能的目的和降低排放是研究的熱點。近些年最具代表性的技術(shù)有缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)技術(shù)（GDI）、均勻充量壓縮著火技術(shù)（HCCI ）。

受汽油的辛烷值和爆震燃燒等因素的限制，汽油機(jī)只能采用較低的壓縮比，造成發(fā)動機(jī)的熱效率較低；汽油機(jī)缸內(nèi)燃燒屬均質(zhì)預(yù)混合燃燒，燃燒的溫度高，火焰?zhèn)鞅檎麄€燃燒室的時間長，因而燃燒過程產(chǎn)生了較多的NOx，和不完全燃燒產(chǎn)物CO和HC。另外，由于汽油機(jī)需要用節(jié)氣門控制進(jìn)氣量來調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的功率，部分負(fù)荷時的泵氣損失增加使發(fā)動機(jī)的有效熱效率進(jìn)一步降低。柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒屬燃料在高溫下的自燃，盡管柴油機(jī)燃燒的平均空燃比在2.3以上，燃燒室內(nèi)氣體平均溫度也較低，在1200～2000K之間，但由于燃料與空氣的混合嚴(yán)重不均，而燃燒的局部可以認(rèn)為仍然是以化學(xué)計量比為1的燃燒過程，火焰溫度可高達(dá)2700K。燃燒過程存在著已燃高溫區(qū)、高溫火焰區(qū)和未燃高溫過濃區(qū)，已燃高溫區(qū)有利于NOx生成，而在高溫燃料過濃區(qū)，又由于缺氧而大量生成碳煙，柴油機(jī)的非均質(zhì)燃燒特性使排放降低變得非常困難。

1.汽油缸內(nèi)直噴（gasoline direct injection）發(fā)動機(jī)

GDI技術(shù)在20世紀(jì)30年代由德國最先開發(fā)，受當(dāng)時內(nèi)燃機(jī)技術(shù)水平的限制和尚未有電控噴射手段等原因，開發(fā)的發(fā)動機(jī)性能和排放并不理想，因而沒有得到實際的應(yīng)用。20世紀(jì)90年代以后，制造精密、性能優(yōu)良的內(nèi)燃機(jī)部件的應(yīng)用和精度高、響應(yīng)快的電控手段的開發(fā)，促使缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的研究得到長足的發(fā)展。

發(fā)動機(jī)采用分層稀燃（稀薄燃燒）方式工作，則能夠大大降低機(jī)內(nèi)生成的CO、HC和NOx排放。由于燃料燃燒比較充分，同時燃燒溫度也有所降低，所以CO、HC和NOx，有害排放都減少。稀燃時的混合氣和燃?xì)獾谋葻崛葺^小，壓縮指數(shù)n升高，再加上進(jìn)氣節(jié)流造成的泵氣損失減少，因而，能夠提高發(fā)動機(jī)的熱效率，改善發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

汽油機(jī)是火花點燃的，稀燃時雖然混合氣的濃度仍在稀火焰?zhèn)鞑O限以上，但火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?，發(fā)動機(jī)燃用稀的混合氣時一方面需要高的點火能量，火核的形成或火焰的發(fā)展期延長，有可能導(dǎo)致較大的燃燒循環(huán)變動，另一方面，由于稀混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，使燃燒持續(xù)期延長，發(fā)動機(jī)的熱效率有可能下降。如果提高混合氣的溫度和壓力，則可以克服上述稀燃發(fā)動機(jī)燃燒過程的不足，于是分層燃燒稀燃發(fā)動機(jī)應(yīng)運而生。

發(fā)動機(jī)的分層燃燒就是在火花塞處形成空燃比A/F=12.0～13.5易于著火的濃混合氣，由火花塞處向外，混合氣的空燃比依次增加，燃料的濃度變稀，燃燒過程中利用內(nèi)層已燃混合氣的能量，提高外鄰層較稀混合氣的溫度和壓力，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵姆€(wěn)定性，依次類推，直至最外層的空氣，則整體上燃燒速度加快，燃燒循環(huán)波動率減小，使分層稀燃發(fā)動機(jī)的性能得以改善提高。

2.均質(zhì)充量壓燃（homogenous charge compression ignition）發(fā)動機(jī)

近年來，其受到了普遍關(guān)注，是一種全新的燃燒理念。其主要內(nèi)容是壓縮燃燒前將著火控制在上止點后，從而實現(xiàn)較低缸內(nèi)壓力和溫度下的快速燃燒，達(dá)到高效清潔目的。與預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒相比，HCCI燃燒方式因其均質(zhì)壓燃的特性，燃燒速度取決于燃料的化學(xué)特性，一般具有很高的燃燒放熱速率，放熱率接近奧托循環(huán)；由于燃燒速率快，減小了熱損失，循環(huán)熱效率很高。相對于傳統(tǒng)汽油機(jī)，HCCI發(fā)動機(jī)無節(jié)流閥，無泵氣損失，熱損失小。由于采用稀燃的燃燒方式，壓縮比較高，這些都有利于提高發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。并且HCCI的均質(zhì)混合氣較稀，且火焰在多處起燃，燃燒速率快，火焰溫度低，所以，有利于控制NOx的生成。由于采用預(yù)混燃燒，且燃燒速率很快，使氣缸內(nèi)局部濃混合區(qū)域減少，有利于抑制PM排放。因此，低排放與高經(jīng)濟(jì)性的特點使其成為高效清潔內(nèi)燃機(jī)的研究熱點。

美國能源部的技術(shù)報告指出，HCCI燃燒技術(shù)尚待解決的問題如下：

（1）隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷改變控制著火定時（Ignition Timing）；

（2）高負(fù)荷運行時燃燒率的控制（使放熱率放慢，限止噪聲或過高燃燒壓力）；

（3）發(fā)動機(jī)冷起動；

（4）排放（特別是低負(fù)荷HC 和CO 排放）控制系統(tǒng)的發(fā)展；

（5）發(fā)動機(jī)變工況運行；

（6）發(fā)動機(jī)控制策略和系統(tǒng)（閉環(huán)反饋系統(tǒng)）的發(fā)展以及相應(yīng)傳感器的研制；

（7）合適燃料（包括混合燃料）的開發(fā)；

未來車用發(fā)動機(jī)的發(fā)展關(guān)鍵是提高發(fā)動機(jī)的能量利用效率，降低污染物的排放。缸內(nèi)直噴汽油機(jī)開發(fā)的成功為此提供了一個重要的可供選擇的方案。對于HCCI發(fā)動機(jī)的研究也初步顯示了它在降低油耗、NOx和微粒排放方面的優(yōu)勢，但在實際環(huán)境中很難控制HCCI燃燒，這也是該技術(shù)商業(yè)化運作的主要障礙之一。HCCI發(fā)動機(jī)的研究還有待于進(jìn)一步深化。HCCI發(fā)展的方向?qū)⑹墙Y(jié)合其它燃燒方式，開發(fā)混合燃燒模式的發(fā)動機(jī)，這是未來高效低污染汽油機(jī)的發(fā)展方向。

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