概述汽油機稀薄燃燒發展進程

范繼春

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

關鍵詞：稀薄燃燒；缸內直噴；均勻充量壓縮著火技術

環保和節能是當今全球汽車行業無法回避的兩大主題。在全球能源消費結構中，石油、天然氣和煤炭等化石能源依然占主要地位，其中，石油在交通和工業終端用能上繼續保持統治地位。“十一五”計劃后，我國的汽車保有量有可能從目前的3000萬輛增長到5000萬輛，能源形勢將更為嚴峻。而同時，人們日益增強的環保意識和越來越嚴格的排放法規也對發動機提出了新的要求。針對當前的嚴峻形勢，在內燃機領域，如何提高燃料的能量利用率以達到節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有缸內直噴式汽油機技術（GDI）、均勻充量壓縮著火技術（HCCI ）。

受汽油的辛烷值和爆震燃燒等因素的限制，汽油機只能采用較低的壓縮比，造成發動機的熱效率較低；汽油機缸內燃燒屬均質預混合燃燒，燃燒的溫度高，火焰傳遍整個燃燒室的時間長，因而燃燒過程產生了較多的NOx，和不完全燃燒產物CO和HC。另外，由于汽油機需要用節氣門控制進氣量來調節發動機的功率，部分負荷時的泵氣損失增加使發動機的有效熱效率進一步降低。柴油機的缸內燃燒屬燃料在高溫下的自燃，盡管柴油機燃燒的平均空燃比在2.3以上，燃燒室內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重不均，而燃燒的局部可以認為仍然是以化學計量比為1的燃燒過程，火焰溫度可高達2700K。燃燒過程存在著已燃高溫區、高溫火焰區和未燃高溫過濃區，已燃高溫區有利于NOx生成，而在高溫燃料過濃區，又由于缺氧而大量生成碳煙，柴油機的非均質燃燒特性使排放降低變得非常困難。

1.汽油缸內直噴（gasoline direct injection）發動機

GDI技術在20世紀30年代由德國最先開發，受當時內燃機技術水平的限制和尚未有電控噴射手段等原因，開發的發動機性能和排放并不理想，因而沒有得到實際的應用。20世紀90年代以后，制造精密、性能優良的內燃機部件的應用和精度高、響應快的電控手段的開發，促使缸內直噴汽油機的研究得到長足的發展。

發動機采用分層稀燃（稀薄燃燒）方式工作，則能夠大大降低機內生成的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氣的比熱容較小，壓縮指數n升高，再加上進氣節流造成的泵氣損失減少，因而，能夠提高發動機的熱效率，改善發動機的燃油經濟性。

汽油機是火花點燃的，稀燃時雖然混合氣的濃度仍在稀火焰傳播極限以上，但火焰傳播速度變慢，發動機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展期延長，有可能導致較大的燃燒循環變動，另一方面，由于稀混合氣的火焰傳播速度降低，使燃燒持續期延長，發動機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動機燃燒過程的不足，于是分層燃燒稀燃發動機應運而生。

發動機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，提高火焰傳播速度和燃燒的穩定性，依次類推，直至最外層的空氣，則整體上燃燒速度加快，燃燒循環波動率減小，使分層稀燃發動機的性能得以改善提高。

2.均質充量壓燃（homogenous charge compression ignition）發動機

近年來，其受到了普遍關注，是一種全新的燃燒理念。其主要內容是壓縮燃燒前將著火控制在上止點后，從而實現較低缸內壓力和溫度下的快速燃燒，達到高效清潔目的。與預混燃燒和擴散燃燒相比，HCCI燃燒方式因其均質壓燃的特性，燃燒速度取決于燃料的化學特性，一般具有很高的燃燒放熱速率，放熱率接近奧托循環；由于燃燒速率快，減小了熱損失，循環熱效率很高。相對于傳統汽油機，HCCI發動機無節流閥，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動機的燃油經濟性。并且HCCI的均質混合氣較稀，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。由于采用預混燃燒，且燃燒速率很快，使氣缸內局部濃混合區域減少，有利于抑制PM排放。因此，低排放與高經濟性的特點使其成為高效清潔內燃機的研究熱點。

美國能源部的技術報告指出，HCCI燃燒技術尚待解決的問題如下：

（1）隨發動機轉速和負荷改變控制著火定時（Ignition Timing）；

（2）高負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）發動機冷起動；

（4）排放（特別是低負荷HC 和CO 排放）控制系統的發展；

（5）發動機變工況運行；

（6）發動機控制策略和系統（閉環反饋系統）的發展以及相應傳感器的研制；

（7）合適燃料（包括混合燃料）的開發；

未來車用發動機的發展關鍵是提高發動機的能量利用效率，降低污染物的排放。缸內直噴汽油機開發的成功為此提供了一個重要的可供選擇的方案。對于HCCI發動機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勢，但在實際環境中很難控制HCCI燃燒，這也是該技術商業化運作的主要障礙之一。HCCI發動機的研究還有待于進一步深化。HCCI發展的方向將是結合其它燃燒方式，開發混合燃燒模式的發動機，這是未來高效低污染汽油機的發展方向。

參考文獻：

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