汽油机稀薄燃烧技术.pdf

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1、稀薄燃烧及控制稀薄燃烧及控制 稀薄燃烧的优势: 热效率随空燃比增加而增加热效率随空燃比增加而增加 降低CO、HC和NOx的排放降低CO、HC和NOx的排放 改善发动机部分负荷性能改善发动机部分负荷性能 稀薄燃烧： 传统汽油机(指普通电喷汽油机)为了正常点火并使三元催化转换器能发 挥出最大效率,将空燃比控制在14.7(即理论空燃比)左右,然而理论上完 全燃烧是不可能真正实现的。只有在提供过量空气的情况下,才可能使 燃料与空气充分混合,使进入燃烧室的燃料充分燃烧,大大地减少尾气排 放中的和含量。当空气对充量的稀释率达到50%时，可节油 12% ; 这种在汽油机燃烧室内充入过量空气这种在汽油机燃烧室

2、内充入过量空气,使空燃比达到使空燃比达到20以上的燃烧以上的燃烧,称为 稀薄燃烧 称为 稀薄燃烧。 当今汽车工业面临的两大问题：环境污染加剧和能源使用过 度。这促使人们开发新的发动机技术。 当今汽车工业面临的两大问题：环境污染加剧和能源使用过 度。这促使人们开发新的发动机技术。 进气道喷射的汽油机稀燃技术进气道喷射的汽油机稀燃技术 GDI ：Gasoline Direct Injection即缸内直喷汽油机。 优点：具有优良的燃油经济性和降低排放的潜力 即缸内直喷汽油机。 优点：具有优良的燃油经济性和降低排放的潜力 国外情况：目前日本的三菱、丰田、本田，美国的福特、通 用，欧洲的 国外情况：目

3、前日本的三菱、丰田、本田，美国的福特、通 用，欧洲的AVL、Bosch等世界著名研究机构与生产企业都开 发了比较成熟的 等世界著名研究机构与生产企业都开 发了比较成熟的GDI机型和产品。机型和产品。 我国：技术还不太成熟，主要依靠国外技术支持来开发自己的 产品，如奇瑞与 我国：技术还不太成熟，主要依靠国外技术支持来开发自己的 产品，如奇瑞与AVL公司共同开发的公司共同开发的2.0升发动机同时具备以下 技术： 升发动机同时具备以下 技术：TCI(废气涡轮增压中冷废气涡轮增压中冷)、GDI(汽油直喷汽油直喷)、VVT(可变气 门正时 可变气 门正时) 汽油机稀薄燃烧电子控制 进气道喷射的汽油机稀燃

4、技术 缸内直喷稀薄燃烧（缸内直喷稀薄燃烧（GDI） 进气道喷射的汽油机稀燃技术 进气涡流比电子控制 喷油正时电子控制喷油正时电子控制 点火正时电子控制点火正时电子控制 稀薄燃烧闭环控制稀薄燃烧闭环控制 稀燃极限电子控制稀燃极限电子控制 NOx排放的控制策略排放的控制策略 汽油机稀薄燃烧电子控制 实现稀薄燃烧须解决的问题实现稀薄燃烧须解决的问题 点燃困难 燃烧不稳定 三效催化转化器的NOx 稀薄燃烧电子控制的项目稀薄燃烧电子控制的项目 进气涡流比 喷油正时 点火正时 过量空气系数 进气道喷射的汽油机稀燃技术 进气涡流比电子控制进气涡流比电子控制 滚筒分层 绕气缸中心线的进气涡流 进气涡流比电子控

5、制 绕气缸中心线的进气涡流绕气缸中心线的进气涡流 一个螺旋进气道和一个直进气道控制涡流比 一个切向进气道和一个中性进气道控制涡流比 大幅降低进气门升程控制涡流比 绕气缸中心线的进气涡流绕气缸中心线的进气涡流 绕气缸中心线的进气涡流绕气缸中心线的进气涡流 进气道喷射的汽油机稀燃技术 进气涡流比电子控制进气涡流比电子控制 喷油正时电子控制 点火正时电子控制点火正时电子控制 稀薄燃烧闭环控制稀薄燃烧闭环控制 稀燃极限电子控制稀燃极限电子控制 NOx排放的控制策略排放的控制策略 喷油正时电子控制喷油正时电子控制 在形成分层充气的场合 在形成均质混合气的稀薄燃烧场合 在形成分层充气的场合在形成分层充气的

6、场合 在形成均质混合气的稀薄燃烧场合在形成均质混合气的稀薄燃烧场合 进气道喷射的汽油机稀燃技术 进气涡流比电子控制进气涡流比电子控制 喷油正时电子控制喷油正时电子控制 点火正时电子控制 稀薄燃烧闭环控制稀薄燃烧闭环控制 稀燃极限电子控制稀燃极限电子控制 NOx排放的控制策略排放的控制策略 点火正时电子控制点火正时电子控制 随着的增大，点火提前角应增大。 进气道喷射的汽油机稀燃技术 进气涡流比电子控制进气涡流比电子控制 喷油正时电子控制喷油正时电子控制 点火正时电子控制点火正时电子控制 稀薄燃烧闭环控制 稀燃极限电子控制稀燃极限电子控制 NOx排放的控制策略排放的控制策略 稀薄燃烧闭环控制 稀薄

7、燃烧闭环控制目标的确定 稀薄燃烧闭环控制的实施 稀薄燃烧切换控制策略 稀薄燃烧闭环控制目标的确定稀薄燃烧闭环控制目标的确定 稀薄燃烧闭环控制的实施稀薄燃烧闭环控制的实施 片式宽带氧传感器 Application - Gasoline engines - Continuous =1 control - Warm up control - Lean burn control - Gasoline Direct Injection (GDI) - Stationary engines - Incinerator applications - Lambda measuring equipment Ad

8、vantages - Measuring range =0,7 . (air) - Fast light-off (15 s) - Super fast light-off available (10 s) - Rapid dynamic control - Possible cylinder selective registration Bosch(公司) LSU 4线性（片式宽带）氧传感器 稀薄燃烧切换控制策略稀薄燃烧切换控制策略 进气道喷射的汽油机稀燃技术 进气涡流比电子控制进气涡流比电子控制 喷油正时电子控制喷油正时电子控制 点火正时电子控制点火正时电子控制 稀薄燃烧闭环控制稀薄燃烧闭

9、环控制 稀燃极限电子控制 NOx排放的控制策略排放的控制策略 稀燃极限电子控制稀燃极限电子控制 利用脉冲盘感应传感器检测曲轴角速度 在一个有代表性的汽缸内设一个燃烧压力传 感器 稀燃极限电子控制稀燃极限电子控制 进气道喷射的汽油机稀燃技术 进气涡流比电子控制进气涡流比电子控制 喷油正时电子控制喷油正时电子控制 点火正时电子控制点火正时电子控制 稀薄燃烧闭环控制稀薄燃烧闭环控制 稀燃极限电子控制稀燃极限电子控制 NOx排放的控制策略 NOx排放的控制策略排放的控制策略 NOx选择催化还原 NOx贮存还原催化 汽油机稀薄燃烧电子控制 进气道喷射的汽油机稀燃技术进气道喷射的汽油机稀燃技术 缸内直喷稀

10、薄燃烧（GDI） 缸内直喷稀薄燃烧（缸内直喷稀薄燃烧（GDI） GDI能够节油的原因能够节油的原因 现代GDI的特点现代GDI的特点 现代GDI的燃烧系统现代GDI的燃烧系统 GDI燃油供给系统的组成GDI燃油供给系统的组成 GDI电子控制策略GDI电子控制策略 GDI发动机NOx排放的控制策略GDI发动机NOx排放的控制策略 GDI能够节油的原因 低工况时放弃用节气门节流 GDI使稀薄燃烧成为可能，因此提高了热效率 燃油喷入缸内，吸收了汽化潜热，使缸内充量得到冷却，高工况时在提 高体积效率的同时，降低了缸内温度，减少了暴震倾向，提高了压缩 比，使GDI发动机的压缩比上升到12，提高了热效率。

11、 GDI还减少了燃烧室壁的传热损失。 汽油机直喷技术的分类汽油机直喷技术的分类 燃油直接喷射DFI（Direct Fuel Injection） 混合气直接喷射DMI(Direct Mixture Injection) 图图 1 三菱缸内直喷汽油机三菱缸内直喷汽油机 各种燃油供给系统的变迁各种燃油供给系统的变迁 图图2 汽油机燃油供给系统的变迁汽油机燃油供给系统的变迁 与与MPI相比，相比，GDI的燃油供给系统的优点的燃油供给系统的优点 MPI 燃油直接喷入进气道，蒸发不 完全，实际喷油量远大于按化 学当量比计算得到的喷油量 。 燃油经济性差 在发动机开始起动的410个 循环中还会出现失火或部

12、分燃 烧的现象，HC排放显著增加 负荷的变化依靠节气门的调 节，热动力损失很大，使发动 机在低负荷时的热效率显著降 低 ，动力性也降低了。 GDI 避免了进气道湿壁现象的问 题，为燃油的精确计量提供了 方便，燃油经济性好。 降低了冷起动过程中HC的排放 量，提高了发动机的瞬态响应 速度，在第2个工作循环就能正 常运转起来 通过调整缸内空燃比的变化来 达到发动机的工况要求，避免 了低负荷时的损失，动力性随 之得以改善。 图图3 不同的燃烧系统之间经济性和动力性的比较不同的燃烧系统之间经济性和动力性的比较 现代GDI的特点 电子油门 喷油正时 喷油器 电子控制技术 GDI发动机的工作原理发动机的工

13、作原理 部分负荷时，压缩冲程喷油，采用稀薄燃烧系 统 高负荷时，进气行程喷油，采用均质混合气燃 烧系统 均质燃烧均质燃烧 在全负荷时，燃油喷射与在全负荷时，燃油喷射与进气冲程进气冲程同步进行，燃 油得到完全雾化，使混合气均匀地充满燃烧室并 得到充分燃烧，使发动机动力完全发挥。 同步进行，燃 油得到完全雾化，使混合气均匀地充满燃烧室并 得到充分燃烧，使发动机动力完全发挥。 在均质燃烧时在均质燃烧时过量空气系数值是过量空气系数值是1。燃油的蒸 发又使混合气温度降低，降低了爆震的趋势。 。燃油的蒸 发又使混合气温度降低，降低了爆震的趋势。 可在获得高动力输出和扭矩值的同时得到较好的 燃油经济性。 可

14、在获得高动力输出和扭矩值的同时得到较好的 燃油经济性。 分层燃烧分层燃烧 在部分负荷时，直到在部分负荷时，直到压缩行程压缩行程快终了，点火前瞬间时才喷射燃 油。高度雾化油并分布在火花塞周围，而在燃烧室的其他部分 则是纯净的空气。随着油雾的扩散，在最浓的那一层混合气达 到理想空燃比之后立即被点燃，然后火焰向周围传播。 快终了，点火前瞬间时才喷射燃 油。高度雾化油并分布在火花塞周围，而在燃烧室的其他部分 则是纯净的空气。随着油雾的扩散，在最浓的那一层混合气达 到理想空燃比之后立即被点燃，然后火焰向周围传播。 分层燃烧时的分层燃烧时的过量空气系数值达到过量空气系数值达到4，实现了发动机的稀薄燃 烧。

15、同时在分层燃烧时空气层的温度比较低且起隔热作用，减 少了热量向汽缸壁的传递，从而减少了做功冲程的热量损失提 升了发动机热效率 ，实现了发动机的稀薄燃 烧。同时在分层燃烧时空气层的温度比较低且起隔热作用，减 少了热量向汽缸壁的传递，从而减少了做功冲程的热量损失提 升了发动机热效率。 分层燃烧技术显著地提高了发动机在中、低负荷时的燃油经济 性。 分层燃烧技术显著地提高了发动机在中、低负荷时的燃油经济 性。 图图5 均质燃烧和分层燃烧的火焰形状均质燃烧和分层燃烧的火焰形状 图图6 GDI发动机的均质燃烧和分层燃烧控制发动机的均质燃烧和分层燃烧控制 现代GDI的燃烧系统 油束控制，锥形油束直接将燃油送

16、往火花塞； 壁面控制，油束喷入活塞凹坑后被气流带往火花塞； 气流控制，在空间汽化的燃油直接由气流带往火花 塞。 GDI燃烧系统介绍燃烧系统介绍 油束控制燃烧系统；（图1.a） 壁面控制燃烧系统；（图1.b） 气流控制燃烧系统；（图1.c） 三种典型的三种典型的GDI燃烧系统燃烧系统 GDI燃油供给系统的组成 GDI燃油供给系统的组成 GDI电子控制策略 按工况区分控制模式 扭矩控制策略 喷油正时控制策略 喷油压力控制策略 怠速转速控制策略 GDI电子控制策略 深差的吸气冲程的早期均质变量调节节气14.7左右动力性高 浅好高压缩冲程的晚期分层变质调节全开2540经济性低 油束穿透喷油雾化喷油压力

17、喷油正时充量扭矩调节节气门空燃比主要目标工况 GDI电子控制策略 GDI技术的优点及其存在问题技术的优点及其存在问题 4.1 GDI的优点的优点 4.2 GDI技术存在的问题技术存在的问题 4.2.1 排放问题排放问题 4.2.2 积炭积炭 4.2.3 催化器问题催化器问题 4.2.4 功能问题功能问题 GDI发动机NOx排放的控制策略 EGR NOx贮存还原催化转化器 非热能等离子体技术 NOX捕集器 SCR技术 GDI的优点 通过以上的介绍，我们可以总结出GDI技术的许多优点： 可以实现分层稀燃，使压缩比提高至1214； 部分负荷时采用像柴油机那样的质调节(无节气门的节流 损失)，可大幅度

18、提高指示效率，达到节能15%20的 目标，即达到柴油机的燃油经济性水平； 循环热量的利用更合理(因混合气可同时被燃烧室壁和活 塞加热，使这一部分循环热量被利用而不是传给冷却 水)，热损失小，故热效率较高； 因进气充量温度较低，所以具有较高的充气效率和抗爆震 特性； 因汽油直接喷入缸内，即使在低温下也具有良好的加速响 应性和优异的瞬态驱动特性。 GDI技术存在的问题 1 排放问题排放问题 GDI发动机在中小负荷下未燃发动机在中小负荷下未燃HC排放较多。排放较多。 采用较稀的空燃比后，使采用较稀的空燃比后，使NOx生成增加。另外，稀薄 燃烧时由于排气始终处于氧化氛围，使 生成增加。另外，稀薄 燃烧

19、时由于排气始终处于氧化氛围，使NOx的还原比 较困难。 的还原比 较困难。 GDI发动机机的微粒排放在低负荷、过渡工况和冷起 动的情况下要高于传统的进气道喷射汽油机。 发动机机的微粒排放在低负荷、过渡工况和冷起 动的情况下要高于传统的进气道喷射汽油机。 2 积炭积炭 GDI汽油机在超稀混合气燃烧时，易因高温缺火引起 积炭。 汽油机在超稀混合气燃烧时，易因高温缺火引起 积炭。 原因是在火花塞点火时刻，缸内的分层混合气只占据 火花塞周围的小部分空间，且燃油的蒸发使缸内温度 偏低，点火后火焰在传播过程中逐渐减弱，造成熄 火，使混合气不能充分燃烧，产生积炭。 原因是在火花塞点火时刻，缸内的分层混合气只

20、占据 火花塞周围的小部分空间，且燃油的蒸发使缸内温度 偏低，点火后火焰在传播过程中逐渐减弱，造成熄 火，使混合气不能充分燃烧，产生积炭。 GDI技术存在的问题 3 催化器问题催化器问题 传统的三元催化器同时净化传统的三元催化器同时净化NOx、CO、HC 等等3种排 放物的效果只有在理论空燃比下才能实现。 种排 放物的效果只有在理论空燃比下才能实现。 GDI汽油机工作在稀空燃比条件下，其造成的富氧使 传统的三元催化器对 汽油机工作在稀空燃比条件下，其造成的富氧使 传统的三元催化器对NOx的转化率不高，同时废气的 排温较低也不利于三元催化器的起燃，限制了 的转化率不高，同时废气的 排温较低也不利于

21、三元催化器的起燃，限制了它在它在 GDI汽油机上的应用。汽油机上的应用。 GDI技术存在的问题 4 功能问题功能问题 在实际在实际GDI汽油机上，理想的混合气浓度均匀 递降的分层不可能实现，使得精确的分层燃烧 控制比较困难； 汽油机上，理想的混合气浓度均匀 递降的分层不可能实现，使得精确的分层燃烧 控制比较困难； GDI高的喷射压力要求油泵和喷油器的功率要 高，且汽油的润滑性较差，开发出抗磨损能力 强、功率消耗低的供油系统和燃油喷射系统， 是 高的喷射压力要求油泵和喷油器的功率要 高，且汽油的润滑性较差，开发出抗磨损能力 强、功率消耗低的供油系统和燃油喷射系统， 是GDI汽油机必需解决的问题。

22、汽油机必需解决的问题。 GDI技术存在的问题 GDI技术的进展 1. 二次混合技术二次混合技术 2. 二次燃烧和反应式排气管二次燃烧和反应式排气管 3. 废气再循环废气再循环(EGR) 4. 稀燃催化器稀燃催化器 1. 二次混合技术 目的是减少积炭的生成，提高GDI汽油机的机械抗爆 性，进一步增大压缩比，提高发动机的机械效率。 二次混合技术是指在进气行程中先喷入所需燃料的1 4，形成极稀的均质混合气。在压缩行程后期再次喷射， 喷入剩余燃料，形成分层混合气。故在火花塞点火前， 缸内混合气形成超稀均质混合气和较浓的分层混合气。 火花塞点火时，首先在浓混合气处形成较强的火焰，迅 速向稀混合气的空间传

23、播，因火焰较强，可点燃稀混合 气。稀混合气的燃烧又会反射，促进浓混合气的再次燃 烧，使燃料充分燃烧，减少了积炭的产生。 2. 二次燃烧和反应式排气管 目的是降低目的是降低HC排放。排放。 二次燃烧是指在进行正常分层燃烧的怠速运转时，除了在 压缩行程后期喷油外，在膨胀行程后期再次喷入少量燃 油，在缸内高温、高压气体的作用下点火燃烧并使排气温 度提高。 二次燃烧是指在进行正常分层燃烧的怠速运转时，除了在 压缩行程后期喷油外，在膨胀行程后期再次喷入少量燃 油，在缸内高温、高压气体的作用下点火燃烧并使排气温 度提高。 通常起动后的怠速状态下的排气温度为通常起动后的怠速状态下的排气温度为200左右，使用

24、 二次燃烧可使排气温度上升到 左右，使用 二次燃烧可使排气温度上升到800。这样可大大加快催 化剂开始工作的时间。反应式排气管可使发动机的排气在 排气管中滞留，激活与空气的反应，并使膨胀行程后期的 二次燃烧反应在排气管中继续进行，从而加速激活催化 剂，使 。这样可大大加快催 化剂开始工作的时间。反应式排气管可使发动机的排气在 排气管中滞留，激活与空气的反应，并使膨胀行程后期的 二次燃烧反应在排气管中继续进行，从而加速激活催化 剂，使HC排放降低。排放降低。 3. 废气再循环(EGR) EGR可有效降低缸内最高燃烧温度及氧气的相对浓度，从 而降低 可有效降低缸内最高燃烧温度及氧气的相对浓度，从

25、而降低NOx排放。排放。 在在GDI汽油机中，因稀薄燃烧使缸内富余氧气较多，可使 用较高的 汽油机中，因稀薄燃烧使缸内富余氧气较多，可使 用较高的EGR比率而不会使燃烧恶化。如果将再循环废气 与可燃混合气进行分层，减少废气与可燃混合气的掺混， 保证点火时刻火花塞附近有适于着火的混合气，避免废气 靠近火花塞，能大大提高 比率而不会使燃烧恶化。如果将再循环废气 与可燃混合气进行分层，减少废气与可燃混合气的掺混， 保证点火时刻火花塞附近有适于着火的混合气，避免废气 靠近火花塞，能大大提高EGR比率，从而大大降低比率，从而大大降低NOx排 放。 排 放。 采用电控采用电控EGR可以精确控制可以精确控制

26、EGR比率，较好地解决发动机 的动力性和经济性与 比率，较好地解决发动机 的动力性和经济性与NOx排放之间的协调问题。排放之间的协调问题。 4. 稀燃催化器 稀燃催化器的开发将直接影响到稀燃催化器的开发将直接影响到GDI汽油机排放问题 的解决。 汽油机排放问题 的解决。 目前正在开发的各种适用于稀燃的催化器有稀燃选 择还原型 目前正在开发的各种适用于稀燃的催化器有稀燃选 择还原型NOx催化器、稀燃还原型催化器、稀燃还原型NOx催化器、未 燃 催化器、未 燃HC氧化催化器等。但这些催化器都不同程度地存 在转化效率低、工作温度范围窄、性能不如传统的 三元催化器等问题，还需进一步的研究。 氧化催化器等。但这些催化器都不同程度地存 在转化效率低、工作温度范围窄、性能不如传统的 三元催化器等问题，还需进一步的研究。