发动机稀燃技术
汽车发动机直喷稀燃技术应用分析
汽车发动机直喷稀燃技术应用分析摘要：随着车辆运输量的不断上升，每年都有着大批的新车辆投入应用，这样车辆的汽车发动机直喷稀燃技术就不断地需要更新，为了使得车辆的发动机直喷稀燃技术能够满足运输任务的需求，在对车辆进行安装和建造时，需要进一步的提高车辆的使用效率和质量。
本文通过对汽车发动机直喷稀燃技术的应用进行分析，以期为我国的车辆研究工艺带来一些参考帮助，为我国车辆汽车发动机直喷稀燃技术发展贡献出一份力量。
关键词：缸内直喷;稀薄燃烧;分层燃烧;高能点火;FSI前言汽车发动机直喷稀燃技术是一门综合性很强的技术，随着汽车发动机直喷稀燃技术在汽车机械生产的广泛应用，进一步使汽车生产企业的生产汽车的质量和使用效果得到了提高，大幅度的增加了企业综合竞争能力，但是由于中国在汽车生产制造方面的汽车发动机直喷稀燃技术研究措施起步与发达国家相比还比较晚，与国际水平还具有着相当的差距。
汽车发动机直喷稀燃技术的研究探讨与应用，是阻挡现今国内汽车制造业发展的主要问题。
1.汽车发动机直喷稀燃技术概念和在汽车制造中的应用价值分析1.1对汽车发动机直喷稀燃技术概念的分析及几种稀薄燃烧发动机装车实验结果FSI是FuelStratifiedInjection的英文缩写，其主要指的使燃油分层喷射，是直喷式汽油发动机领域的一项创新型的汽车发动机系统的革命性技术，FSI技术是指改变老式的汽油机通过从进气管中将空气与燃油混合的燃油供给系统的供油方式，而采用类似于柴油机供油原理一样的，通过喷油器直接往气缸内喷射汽油的供油方式，分层燃烧的主要目的是能够实现较稀混合气的点火燃烧，而缸内直喷设计的根本目的就是为了使得稀薄燃烧能够顺利进行，缸内直喷技术与稀燃技术存在着密不可分、相辅相成的关系[1]。
不仅如此，汽车发动机直喷稀燃技术指的是机械设备、点火设备以及软件进行合理的有机结合，通过车内软件和科学技术有效的实现汽车发动机的数控化的点火方式以及运行方式，进一步的提高汽车设备的智能性以及功能性水平。
汽油机稀薄燃烧控制技术
汽油机稀薄燃烧控制技术李庆海【摘要】The vehicle gasoline engine rareness burning technology,can greatly improve the fuel economy of engine emission and improve performance,and has great potential of development,it is an inevitable trend in the development of internal combustion engine technology. The rareness burning technology based on the mixture stratified combustion, and on the basis of how to form in cylinders for mixture of concentration gradient distribution is the key to the rareness burning technology. This paper introduces the gasoline en- gine combustion mode,PFI thin combustion technology,GDI combustion technology and rareness burning gasoline engine control method.%车用汽油机采用稀薄燃烧技术，能大幅度地提高燃油的经济性并改善发动机排放性能，具有巨大的发展潜力，是内燃机技术发展的必然趋势。
稀薄燃烧技术建立在混合气分层燃烧的基础上，在气缸内如何形成适合的混合气浓度梯度分布是稀薄燃烧的关键技术。
介绍汽油机稀薄燃烧方式、PFI稀薄燃烧技术、GDI稀薄燃烧技术和汽油机稀薄燃烧控制方法。
稀薄燃烧技术
首先，稀薄燃烧技术需要很强的点火能量。这一点很好理解，混合 气里面汽油的比例小了，混合气被点燃就需要更大的能量，而i-DSI 发动机采用双火花塞设计，就能很好的满足这一需求。 其次，稀薄燃烧技术需要空气能跟汽油充分混合。汽油在混合气中 的比例减小了，对于空气与燃油的混合要求就更高了。如果燃油不 能与空气充分混合，当火花塞点火的时候，遇到混合不均匀的混合 气中汽油更少的部分，点火将更加困难。本田给这款发动机采用了 传统的2气阀设计强的涡流，让汽油跟空气有更多混合的机会。 i-DSI发动机就是通过这些手段解决了稀薄燃烧的基本需求，实现 稀薄燃烧的。由于i-DSI是在普通缸外喷油发动机的基础上开发的， 所以它更注重的是燃油经济性，而对于功率输出，则没有太大帮助。 i－DSI发动机通过燃烧“更稀的混合气”达到同等功率输出的情况 下，燃烧更少的汽油。换句话说，就是让汽油能够更充分的燃烧， 尽可能的让所有的汽油都变成动力释放出来，从而降低燃油消耗。
这对于缸内直喷的发动机来说，问题尤为突出。由于缸内直喷发动机 的压缩比通常会设计得比较高，缸内压力比普通发动机更大，从而更 容易产生氮氧化物。我们都知道柴油发动机排放的氮氧化物通常会比 汽油发动机高出许多，主要也就是因为柴油发动机的压缩比高的缘故。 在无法降低压力的情况下（因为高压缩比是提高发动机效率的必要手 段），要减小氮氧化物的排放只能是通过降低气缸内的燃烧温度。 IDE发动机的EGR废气再循环系统，就是通过把一部分排出气缸的废 气再次引入到进气管内跟新鲜的空气和燃油混合燃烧，来降低燃烧室 的温度的。我们知道，燃烧完的废气是不能再燃烧的，这些废气被引 入到气缸内以后，会占据一部分气缸内的有效体积，这个效果相当于 降低了发动机的排量，这样自然能有效降低燃烧温度，同时排放的废 气自然就降低了。
汽油机稀薄燃烧技术
稀薄燃烧的优势:
热效率随空燃比增加而增加 降低CO、HC和NOx的排放 改善发动机部分负荷性能
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
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 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GDI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AVL公司共同开发的2.0升发动机同时具备以下 技术：TCI(废气涡轮增压中冷)、GDI(汽油直喷)、VVT(可变气 门正时)
• • •
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
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
点火正时电子控制 稀薄燃烧λ闭环控制 稀燃极限电子控制 NOx排放的控制策略
扭矩调节 变质调节 变量调节
充量 分层 均质
喷油正时 压缩冲程的晚期 吸气冲程的早期
喷油压力 喷油雾化 油束穿透 高 的 好 差 浅 深
GDI电子控制策略
GDI技术的优点及其存在问题
4.1 GDI的优点 4.2 GDI技术存在的问题
4.2.1 排放问题 4.2.2 积炭 4.2.3 催化器问题 4.2.4 功能问题
GDI还减少了燃烧室壁的传热损失。
LNT技术
柴油机稀燃NOx捕集技术技术背景：全球石油短缺问题是内燃机行业无法避免的，柴油机相比于汽油机具有较高的热效率，因而燃油经济性较好，增加汽车中柴油机的比例对于降低石油的消耗有很大的作用。
但柴油机在排放方面有一些无法避免的缺点，其NOx和微粒的排放，造成酸雨和雾霾问题日趋严重。
柴油机稀燃捕集技术对于减少NOx的排放有较好的效果，相比于SCR系统，系统简单且占用的空间小，适合轻型柴油车的安装和使用。
工作原理：柴油机稀燃NOx捕集技术（lean NOx trap,LNT）是利用发动机混合气浓度变化而进行周期性的吸附-催化还原的一种后处理技术。
LNT可以用燃料和未燃THC做还原剂，省却复杂的还原剂喷射装置。
其反应原理为在稀燃状态时（氧气多），尾气处于氧化气氛中，在铂的催化作用下，发动机中的NO 与O2反应生成NO2，并以硝酸盐的形式吸附在催化器表面，当发动机在浓燃条件下工作时，发动机排气中的HC 和CO 的含量增加，把硝酸盐分解释放出的NOx，在催化剂铑的作用下与CO，HC 和H2 反应生成N2，CO2和H2O，并使碱金属再生。
LNT通过交替循环进行捕集和还原两个工作阶段来降低排放。
捕集阶段是LNT在稀燃条件下吸附尾气中的NOx，还原阶段是LNT在富燃条件下将所吸附的NOx还原成无毒的N2。
优缺点：由于LNT的这些特点尤其是系统简单占用空间小，因此主要用于欧IV以上排放水平的轻型柴油车，以及尿素供应不便地区的重型柴油车。
但LNT有一些缺点，由于使用贵金属，因而成本高于SCR催化剂，而且要求柴油含硫量小于10ug/g。
需要多喷燃料进行还原反应，导致发动机油耗增加。
从图1可以看出SCR 在占用空间、硬件设施和成本上处于劣势，图2显示SCR 这一技术只在重量较大的车型上处于优势，比如货车。
LNT 系统的组成和化学反应机理LNT 的组成结构和三元催化器相似，由氧化铝(Al 2O 3)作载体，Pt 或Rh 作催化剂。
发动机稀燃技术
发动机稀燃技术稀燃是稀薄燃烧的简称，指发动机在实际空燃比大于理论空燃比的情况下的燃烧，空燃比可达25:1，甚至更高。
稀薄燃烧不仅使燃料的燃烧更加完全，而且也减少了换气损失，同时辅以相应的排放控制措施，大大降低了汽油机的有害排放物，因此具有良好的经济性和排放性能。
稀薄燃烧可以提高发动机燃料经济性的主要原因是，由于稀混合气中的汽油分子有更多的机会与空气中氧分子接触，燃烧完全。
采用稀混合气，由于气缸内压力低、温度低，不易发生爆燃，则可以提高热效率。
燃用稀混合气，由于其燃烧后最高温度降低，一方面使通过汽缸壁的传热损失较小，另一方面燃烧产物的离解损失减少，使热效率得以提高。
且当采用稀薄混合气燃烧时，由于进入缸内空气的量增加，减小了泵吸损失，这对汽油机部分负荷经济性的改善非常有利。
另外，稀薄燃烧时燃烧室内的主要成分O2和N2的比热容较小，多变指数K 较高，因为发动机的热效率高，燃油经济性好。
从理论上讲，混合气越稀，热效率越高。
但就普通发动机来说，当过量空气系数α>1.05~1.15后，油耗反而增加。
这是由于混合气过稀时，发动机混合气分配的均匀性变得更加敏感，循环变动率增加，个别缸失火的概率增加；等等，如果不解决这些问题，盲目地调稀混合气，不但不能发挥稀混合气理论上的优势，反而会费油。
燃用混合气的技术途径1）使汽油充分雾化，对均质燃烧要保证混合气均匀及各缸混合气分配均匀。
消除局部区域混合气偏稀的现象，避免电喷发动机调整时的有意加浓；同时，使缸内混合气的实际含量有所增加，失火及不稳定现象就会大大减少，发动机便可以在较稀混合气含量的条件下工作。
要是汽油充分雾化，可以在预热、增加进气流的速度、增强进气流的扰动、增加汽油的乳化度以及使汽油分子磁化等方面采取措施。
2）采用结构紧凑的燃烧室。
使压缩时形成挤流，以提高燃烧速度，从而提高燃烧效率，减少热损失。
一般采用火花塞放在正中的半球形或蓬顶形燃烧室，或其他紧凑型的燃烧室。
发动机稀燃技术与分层燃烧技术
• 应当指出，稀薄燃烧不一定分层。 这种两级分层燃烧发动机的优点是： ① 等熵指数高 ② 可以采用高压缩比，当采用高辛烷值的汽油时，
压缩比可以提高到11~12，因而大大提高了发动 机的动力性和经济性。 ③ 燃烧温度低，传热损失和高温分解的热损失小 ④ 排污少 • 分层燃烧发动机的缺点：
混合气，可提高热效率。如采用空燃比20和27，将比空燃比14.8 时热效率分别提高8%和12%。 – 排气污染严重。一般汽油机所需的空燃比正是废气排放高的范围
稀薄燃烧汽油机与传统汽油机的性能对比
• 但事实上，当过量空气系数>1.05~1.15之后，油耗 反而增加。这是由于混合气过稀，燃烧速度过于缓 慢，等容燃烧速度下降，补燃增加，热工转化的有 效性下降；燃烧速度下降，混合气发热量和分子改 变系数减小，指示功减小，机械效率下降；混合气 过稀，发动机对于混合气分配的均匀性和汽油、空 气及废气三者的混合均匀性变得更加敏感，循环变 动率增加。如果不解决这些问题，盲目地调稀混合 气，不但不能发挥稀混合气理论上的优势，反而会 更费油。
2. 加快燃烧速度。这是稀燃技术的必要条件和实施的 基础。提高燃烧速度的主要措施是组织缸内的气体 运动和提高压缩比
3. 提高点火能量，延长点火持续时间。高能点火和宽 间隙火花塞有利于火核的形成，火焰传播距离缩短， 燃烧速度提高，稀燃极限大。有些稀燃发动机采用 双火花塞或者多极火花塞装置来达到上述目的
分层燃烧技术
• 含义：如果在火花塞附近的局部区域内，供给适 宜点火的浓混合气（α=0.8~0.9），而在其他区域 供给给稀混合气，这样可以实现稀薄燃烧。在这 种情况下，即使采用普通点火系，也能很快地点 燃很稀的混合气。由于混合气有浓、稀层次之分， 燃烧的进展也从浓到稀，故把按上述方式工作的 汽油机成为分层燃烧汽油机。
谈发动机稀薄燃烧技术
谈发动机稀薄燃烧技术作者：普忠正来源：《读写算·素质教育论坛》2016年第04期中图分类号：G718.1 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2016）04-0114-02稀薄燃烧是提高燃油经济性的重要手段，发动机稀薄燃烧技术是为了让混合气得到更加充分的燃烧，达到减低油耗和排放的目的。
稀薄燃烧应用于汽油机缸内直接喷射技术，因此，要实现分层燃烧必须基于缸内直喷。
近些年来，对以分层稀薄燃烧缸内直喷汽油机为代表的新型稀薄燃烧模式的研究和应用极大地提高了汽油机的燃油经济性。
一、稀薄燃烧的概述稀薄燃烧FSI是Fuel Stratified Injection的英文缩写，意指燃油分层喷射。
什么叫稀燃？顾名思义就是发动机混合气中的汽油含量低，空燃比可达30～40∶1。
理论上，一份汽油完全燃烧需14.7份空气。
即理论空燃比为14.7。
一般发动机只有在中等负荷时以稍稀的经济混合气，空燃比在16～18∶1范围内运转，完全混合时，40∶1的混合气是无法点燃的。
稀薄燃烧技术的最大特点就是燃烧效率高，经济、环保，同时还可以提升发动机的功率输出。
因为在稀薄燃烧的条件下，由于混合气点火比理论空燃条件下困难，爆燃也就更不容易发生。
因此，可以采用较高的压缩比设计提高热能转换效率，再加上汽油能在过量的空气里充分燃烧，所以在这些条件的支持下能榨取每滴汽油的所有能量。
二、稀薄燃烧发动机的特点1.缸内直喷实现分层燃烧的前提是缸内直喷（又叫GDI），喷油器安装在汽缸盖上，将汽油直接喷入气缸。
且喷油压力可达5Mpa（缸外喷射方式汽油的喷油压力0.1～ 0.5Mpa），这归功于一个高压油泵的作用。
与传统汽油机不同，缸内直喷发动机类似柴油机高压共轨系统，汽油泵从油箱吸出燃油，经过高压泵加压，存在高压分配管（共轨），再送至各缸喷油器。
喷油器接收ECU信号将高压汽油喷入气缸，如图1所示。
（图1）2.涡流的形成和分层燃烧涡流的形成的实现分层燃烧的关键。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
发动机稀燃技术
稀燃是稀薄燃烧的简称，
指发动机在实际空燃比大于理论空燃比的情况下的燃烧，空燃比可达25:1，甚至更高。
稀薄燃烧不仅使燃料的燃烧更加完全，而且也减少了换气损失，同时辅以相应的排放控制措施，大大降低了汽油机的有害排放物，因此具有良好的经济性和排放性能。
稀薄燃烧可以提高发动机燃料经济性的主要原因是，由于稀混合气中的汽油分子有更多的机会与空气中氧分子接触，燃烧完全。
采用稀混合气，由于气缸内压力低、温度低，不易发生爆燃，则可以提高热效率。
燃用稀混合气，由于其燃烧后最高温度降低，一方面使通过汽缸壁的传热损失较小，另一方面燃烧产物的离解损失减少，使热效率得以提高。
且当采用稀薄混合气燃烧时，由于进入缸内空气的量增加，减小了泵吸损失，这对汽油机部分负荷经济性的改善非常有利。
另外，稀薄燃烧时燃烧室内的主要成分O2和N2的比热容较小，多变指数K 较高，因为发动机的热效率高，燃油经济性好。
从理论上讲，混合气越稀，热效率越高。
但就普通发动机来说，当过量空气系数α
>1.05~1.15后，油耗反而增加。
这是由于混合气过稀时，发动机混合气分配的均匀性变得更加敏感，循环变动率增加，个别缸失火的概率增加；等等，如果不解决这些问题，盲目地调稀混合气，不但不能发挥稀混合气理论上的优势，反而会费油。
燃用混合气的技术途径
1）
使汽油充分雾化，对均质燃烧要保证混合气均匀及各缸混合气分配均匀。
消除局部区域混合气偏稀的现象，避免电喷发动机调整时的有意加浓；同时，使缸内混合气的实际含量有所增加，失火及不稳定现象就会大大减少，发动机便可以在较稀混合气含量的条件下工作。
要是汽油充分雾化，可以在预热、增加进气流的速度、增强进气流的扰动、增加汽油的乳化度以及使汽油分子磁化等方面采取措施。
2）
采用结构紧凑的燃烧室。
使压缩时形成挤流，以提高燃烧速度，从而提高燃烧效率，减少热损失。
一般采用火花塞放在正中的半球形或蓬顶形燃烧室，或其他紧凑型的燃烧室。
3）
加快燃烧速度。
这是稀燃技术的必要条件和实施的基础。
提高燃烧速度的主要措施是组织缸内的气体运动和调高压缩比。
4）
提高点火能量，延长点火的持续时间。
对于常规含量的混合气而言，普通点火系所提供的点火能量已经足够，但燃用稀混合气就应当设法提高点火能量。
高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成，火焰传播距离缩短，燃烧速度提高，稀燃极限大。
有些稀燃发动机采用双火花塞或者多级火花塞装置来达到上述目的。
采用分层燃烧技术。
如果稀燃技术的混合比达到25:1以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。
如果在火花塞附近的局部区域内供给适宜点火的浓混合气，而在其他区域供给相当稀的混合气，也可以实现稀混合气燃烧。
在这种情况下，即使采用普通点火器，也能很快地点燃很稀的混合气，于是火焰得以传播并遍及整个燃烧室。
把采用上述方式工作的汽油机成为分层充气汽油机或分层燃烧汽油机。
分层充气是稀混合气燃烧的主要手段，绝大多数稀燃发动机都是采用分层充气方案。
2、
分层燃烧系统分层燃烧系统基本均采用燃油喷射技术。
按照燃油喷射的不同形式，将分层稀燃系统分为气道喷射（PFI）稀燃系统和直接喷射（GDI）稀燃系统；
按照混合气的不同组织方式，将分层稀燃系统分为轴向分层稀燃系统和纵向（滚流）分层稀燃系统。
稀燃汽油机一般可分为进气道燃油喷射式和缸内燃油喷射式两类。
一般情况下, 将进气道燃油喷射式汽油机称为稀燃汽油机将缸内燃油喷射式汽油机称为直喷式汽油机。
3、稀燃技术的发展20世纪70年代初有人开始研究稀燃技术。
日本的丰田及本田公司首先探索了一种带副燃烧室, 由稀混合气, 用催化剂净化排气的发动机。
但这种燃烧方式由于从副燃烧室喷出火焰会
造成热能损失,对改善燃油经济性的效果不明显。
自此以后, 随着进气口的改进, 气缸内旋涡生成技术的进步, 由通用、福特、丰田、本田、日产等汽车公司先后研制成的开口式燃烧室可以形成比带副燃烧室还好的稀薄混合气燃烧, 并且随着进气口燃料喷射技术的发展和稀混合气传感器技术的开发, 精密控制空燃比已成为可能。
80 年代中期, 丰田正式使稀混合气发动机( T- LCS) 产品化
, 三菱、本田也相继将其产品产品化。
进入90 年代, 三菱汽车公司研制出的缸内直喷技术使稀燃技术又进了一步。
目前, 各大公司都拥有自己的稀燃技术, 其共同点都是利用缸内涡流运动, 使聚集在火花塞附近的混合气最浓, 先被点燃后迅速向外层推进燃烧
,并有较高的压缩比。
早期的稀燃系统如丰田TGP燃烧系统、本田分层燃烧系统CVCC 等结构较为复杂影响因素多, 难控制, 不易在所有工况下都获得较好的性能, 所以虽有不错的试验结果却很难应用于产品而现代的稀燃系统, 如三菱的MVV、韩国现代的HMC
发动机等大都采用多气门技术和电控燃油喷射技术, 具有结构简单、易于控制、可靠性高和各工况下都能获得较高性能等优点, 使得许多稀燃技术具有了实用价值。