点燃式内燃机燃烧分析

1、点燃式发动机燃烧分析点燃式发动机燃烧分析 高等内燃机学 北京理工大学 介绍内容介绍内容 一一、汽油机燃烧过程汽油机燃烧过程 二二、研究阶段与研究重点研究阶段与研究重点 三、稀燃及分层燃烧技术三、稀燃及分层燃烧技术 四、缸内直喷技术四、缸内直喷技术 五、新型燃烧方式五、新型燃烧方式 一、汽油机燃烧过程一、汽油机燃烧过程 预混合燃烧预混合燃烧 扩散燃烧扩散燃烧 1. 点火过程（三个阶段） 1）击穿阶段：击穿阶段： T=60000K，P=几十几十MPa，峰峰 值值I=200A，t10ns， 40m的的 离子化气体通道离子化气体通道，离子化离子化100%， 离子化气体通道迅速膨胀到约离子化气体通道迅速膨胀到约 直径直径2mm 2）电弧阶段：电弧阶段： T=6000K，50100V、I=几几A， 离子化离子化1%，火焰开始传播火焰开始传播 3）辉光放电阶段：辉光放电阶段： 气 体 最 高 平 衡气 体 最 高 平 衡 T=3000K ， I混合气的滞燃期；混合气的滞燃期； 焰前反应的多少和程度。焰前反应的多少和程度。 (5) 强烈爆燃对发动机工作的影响强烈爆燃对发动机工作的影响 输出功率、热效率

2、均降低；传热损失增加，高温分输出功率、热效率均降低；传热损失增加，高温分 解增加解增加 ； 气缸过热；附面层破坏。气缸过热；附面层破坏。 零件的应力增加。（压力升高率和最高压力均增加）零件的应力增加。（压力升高率和最高压力均增加） 还促使积碳生成，油膜不易形成，磨损加剧还促使积碳生成，油膜不易形成，磨损加剧 。 2）其它非正常燃烧 (6) 防止爆燃的方法（实际发动机具体采用的措施）防止爆燃的方法（实际发动机具体采用的措施） 推迟点火；推迟点火； 缩短火焰传播距离；缩短火焰传播距离； 进行进行终燃混合气的冷却；终燃混合气的冷却； 增加流动；增加流动； 加强加强燃烧室扫气的冷却作用。燃烧室扫气的冷却作用。 2）其它非正常燃烧 （1）表面点火：非火花点火（过热火花塞绝缘体和电极、排气门、积）表面点火：非火花点火（过热火花塞绝缘体和电极、排气门、积 碳等）。多发生在碳等）。多发生在9以上的强化汽油机中。以上的强化汽油机中。 （2）续走）续走 ：预备停车之时。此时，：预备停车之时。此时，n低、怠速、废气回流大，冷却水低、怠速、废气回流大，冷却水 循环不良，温度高、冷却差；引起缸内温度增加，混合气

3、自燃。循环不良，温度高、冷却差；引起缸内温度增加，混合气自燃。 （3）部分燃烧、失火：过稀、废气系数大、火焰燃速慢、燃烧循环变）部分燃烧、失火：过稀、废气系数大、火焰燃速慢、燃烧循环变 动增加时易产生。动增加时易产生。 二、研究阶段与研究重点二、研究阶段与研究重点 化油器化油器（实现油气混合）（实现油气混合）1980年年 如何保证各种工况的可靠工作，保证要求混合如何保证各种工况的可靠工作，保证要求混合（喉口气流控制混合与空燃比）（喉口气流控制混合与空燃比） 单点喷射单点喷射（进气道喷射）（进气道喷射）1980年后。年后。排放法规与三效催化器的使用推动排放法规与三效催化器的使用推动 问题：喷油点离气缸远，工况变动时，喷油滞后；各缸不均匀问题：喷油点离气缸远，工况变动时，喷油滞后；各缸不均匀 多点喷射多点喷射 同时喷射同时喷射（喷油时刻对燃烧有影响喷油时刻对燃烧有影响）顺序喷射顺序喷射进气门背低压进气门背低压（0.30.4MPa） 闭阀闭阀喷射喷射（利用废气倒灌雾化；（利用废气倒灌雾化；启动和暖机启动和暖机时效果差）时效果差）进气阀开启时喷射进气阀开启时喷射（油（油 滴直径小于滴直径小于1

4、5m，较高喷射压力、短射程较高喷射压力、短射程）。启动和暖机时的性能、排放问题。启动和暖机时的性能、排放问题。 缸内直喷缸内直喷（扩散燃烧、分层燃烧）扩散燃烧、分层燃烧） 1990年启动，年启动， 1996出现在日本市场出现在日本市场 问题：炭烟、问题：炭烟、NOx处理；匹配、组织困难。美国市场无，份额小处理；匹配、组织困难。美国市场无，份额小 缸内直喷缸内直喷（均质燃烧）（均质燃烧） 2003年日本，年日本，2005年美国年美国 具有直喷的优势，泵气损失由可变气门机构降低，避免了扩散燃烧对炭烟、具有直喷的优势，泵气损失由可变气门机构降低，避免了扩散燃烧对炭烟、 NOx排放的后处理难题，对油品的含硫量要求不高，控制精确。排放的后处理难题，对油品的含硫量要求不高，控制精确。 均值压燃均值压燃（尚未实用）（尚未实用） 目的：降低油耗、降低目的：降低油耗、降低NOx（极稀薄燃烧）（极稀薄燃烧） 实现多种模式的组合实现多种模式的组合（基于缸内直喷、可变气流（基于缸内直喷、可变气流） 三、稀燃及分层燃烧技术三、稀燃及分层燃烧技术 稀薄燃烧的优点：稀薄燃烧的优点： （1）提高指示热效率提高指示热效

5、率it。空气充足，不完全燃烧的量减少；燃烧温度低，离解损失、传热损失减少。 （2）爆燃倾向小爆燃倾向小，可以采用高压缩比可以采用高压缩比 it （3） NOx排放下降排放下降也节能也节能 （4）可以不用节气门以减小泵气损失可以不用节气门以减小泵气损失，特别有利于改进部特别有利于改进部分负荷的性能分负荷的性能。随着转速的升高随着转速的升高，扭矩直到很高转速扭矩直到很高转速（电喷汽油机最大扭矩电喷汽油机最大扭矩转速转速4000r/min，最高转速可达最高转速可达6000r/min）才下降才下降。 稀燃范围稀燃范围 汽油机稀燃技术提高经济性和改善排放 1. 常规汽油机混合气的空燃比=1018；过量空气系 数a=0.71.2；（均质汽油混合气可燃范围a=0.51.3 ） 2. 高压缩比均匀混合气的稀燃发动机的空燃比可达 = 2530；a=1.72.0 3. 分层充气汽油机其综合空燃比最高可达= 50； a=3.4 4. 在HCCI燃烧方式的汽油机中，空燃比甚至可达275 （a=18.6 ） ，仍能稳定运转。 稀燃技术的难点稀燃技术的难点 （1）燃烧缓慢燃烧缓慢，燃烧持续期长燃烧持续期长 （2）

6、循环变动大循环变动大 （3）HC排放增加排放增加（氧化催化转换器氧化催化转换器） （4）汽车的操纵性能下降汽车的操纵性能下降（负荷控制敏负荷控制敏 感度下降感度下降） （5）排气后处理困难排气后处理困难（特别是富氧条件特别是富氧条件 下下NOx的还原的还原） 改善稀燃燃烧稳定性的措施改善稀燃燃烧稳定性的措施 （1）高能点火：高能点火：点火能量100120mJ（常规3050mJ） （2）分层燃烧分层燃烧 （3）仅仅在中低负荷用稀燃仅仅在中低负荷用稀燃、分层技术分层技术，而高负荷而高负荷依然用均质化学计量燃烧依然用均质化学计量燃烧。需要两套控制模式需要两套控制模式、两两套排放处理模式套排放处理模式。 缸内直喷的稀燃缸内直喷的稀燃+分层燃烧已经实用化。分层燃烧已经实用化。 1 轴向分层稀燃系统轴向分层稀燃系统 （1）进气道设挡板进气道设挡板，以便在缸内形成涡流运动以便在缸内形成涡流运动。 （2）进气初期进纯空气进气初期进纯空气 （3）汽油在进气冲程的后期汽油在进气冲程的后期（气门关闭前气门关闭前）快速喷入气缸快速喷入气缸 （4）利用缸内涡流的轴向混合弱的特点利用缸内涡流的轴向混合弱的特点，使

7、燃油尽可能保使燃油尽可能保 持在上部持在上部，形成轴向分层形成轴向分层。 GM公司和丰田公司：公司和丰田公司： =2223; a=1.491.55 be12% 2 横向分层稀燃系统横向分层稀燃系统 原理：滚流在滚流轴线上的分速度很小原理：滚流在滚流轴线上的分速度很小，即在横向混合少即在横向混合少。 （1）一个气门进浓一个气门进浓 混合气混合气（或喷油器或喷油器 一侧喷油一侧喷油），一个一个 气门进纯空气气门进纯空气。 （2）在滚流的作用在滚流的作用 下形成横向下形成横向（图中图中 左右左右）分层分层 （3）火花塞处于浓火花塞处于浓 混合一侧混合一侧 三菱三菱（Mitsubihi）四四 气门气门MVV稀燃系统稀燃系统 四、缸内直喷技术四、缸内直喷技术 进气管低压电控喷射系统的缺点：进气管低压电控喷射系统的缺点： （1）冷启动时冷启动时HC排放过高排放过高 进气管喷射压力低（约进气管喷射压力低（约0.270.45MPa）,油滴的油滴的SMD为为150300m。 进气管喷射并不指望利用喷射能量，而是依靠进气管壁面、进气门的进气管喷射并不指望利用喷射能量，而是依靠进气管壁面、进气门的 高温，进

8、气早期废气回流和气门处较高流速来生成混合气，在冷启动高温，进气早期废气回流和气门处较高流速来生成混合气，在冷启动 时上述条件已不存在或恶化。时上述条件已不存在或恶化。 （2）按理论空燃比工作，影响中、低负荷用稀燃改）按理论空燃比工作，影响中、低负荷用稀燃改 善经济性善经济性 （3）节气门使泵气损失增大）节气门使泵气损失增大 （4）不利于燃烧组织模式的组合切换）不利于燃烧组织模式的组合切换 四、缸内直喷技术四、缸内直喷技术 6070年代出现并少量生产， 80年代后反而由于不能满足新排 放法规而被淘汰。 1、早期研究失败的原因：早期研究失败的原因：难以在 宽广的负荷、转速变化范围内实 现喷油定时、点火定时和气流运 动之间的最佳配合和控制。炭烟、 NOx难以很好解决。 1994年三菱公司宣布汽油机缸内直喷（GDI）技术开发 成功，并于1996年批量生产上市。 （1）喷雾特性改善喷雾特性改善。采用涡流型喷嘴采用涡流型喷嘴 （2）实现电控喷油实现电控喷油。喷油时刻喷油时刻、油量等能精确控制油量等能精确控制 现代缸内直喷技术现代缸内直喷技术 2、三菱、三菱GDI汽油机优势汽油机优势（比常规（比常规

9、PFI（气门口燃料喷射）汽油机）气门口燃料喷射）汽油机） （1）Ttqmax 6%8% （2）be 20% （3）排放可以达到欧排放可以达到欧2以上标准以上标准 3、现代缸内直喷技术：、现代缸内直喷技术： 三菱三菱GDI缸内直喷燃烧系统缸内直喷燃烧系统 4、三菱分层燃烧系统特点：三菱分层燃烧系统特点： （1）垂直气道产生逆向滚流垂直气道产生逆向滚流。 （2）特殊活塞顶凹坑特殊活塞顶凹坑，帮助滚帮助滚 流生成和保持充量分层流生成和保持充量分层。 （3）电磁喷油器电磁喷油器（5MPa）， 有合适的雾化有合适的雾化、贯穿度贯穿度。 纵向直进气口在缸内形成强烈的顺纵向直进气口在缸内形成强烈的顺 时针反向滚流时针反向滚流。喷压喷压5MPa，油喷向半油喷向半 球形的活塞凹坑球形的活塞凹坑，并向火花塞运动并向火花塞运动，在在 滚流的帮助下滚流的帮助下，在火花塞附近形成浓混在火花塞附近形成浓混 合气合气。稳定运转的空燃比可达稳定运转的空燃比可达40：1。 高负荷时提前喷油高负荷时提前喷油，实现均质燃烧实现均质燃烧，压压 缩比可达缩比可达12。同时采用同时采用EGR降低降低NOx 排放排放。 分层扩散燃烧分层扩散燃烧 均值燃烧均值燃烧 5、GDI发动机的优点发动机的优点 （1）经济性经济性 （2）改善瞬态工况改善瞬态工况，降低对加速加浓降低对加速加浓 的要求的要求 （3）能快速起动能快速起动，对起动加浓的要求对起动加浓的要求 低低 （4）某些

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