1、新疆农业大学机械交通学院汽车拖拉机发动机课程论文题 目 内燃机的稀燃技术 学 院 机械交通学院 专 业 机械设计 班级 092 姓 名 杨健 学号 093731234 指 导 教 师 孙颖 职称 副教授 2012年 6 月 12 日汽车拖拉机发动机课程学习目的及意义本课程以内燃机性能指标为主要研究对象，把合理组织工作过程，提高整机性能作为主要内容，通过分析内燃机各工作过程中影响性能的诸多因素，从中找到提高内燃机性能指标的一般规律。通过研究内燃机的工作过程及整机性能，来掌握内燃机实际工作过程的分析方法机性能指标与工作过程的内在联系；了解影响内燃机性能的因素及提高内燃机性能的基本途径，为从事汽车拖
2、拉机发动机的管理、使用、维护和修理提供理论依据。汽车拖拉机发动机课程学习心得体会通过对汽车拖拉机发动机课程的学习，及老师的提问与同学的积极回答提问中，基本了解国内外关于内燃机的研究水平及发展方向，明确内燃机工作实际循环的各项损失及减少损失的基本途径。明确内燃机各结构基本特性及原理分析等基本理论知识。同时了解到在实际购车、驾车时需要注意的一些关于汽车发动机的知识。了解一些关于汽车发动机的选择、维护保养的知识。内燃机燃油的详细知识，开阔我们的眼界。并且老师通过一些更容易理解的形象比较，对我们理解一些细节抽象的概念有很大帮助。而且老师在授课的同时鞭策我们认真高效的听课，更通过课前提问的方式检查同学们
3、前一节课的听课效果，充分调动同学们自主学习的积极性。老师生动严谨的授课风格，给我们留下深刻印象，令我受益匪浅。内燃机的稀燃技术杨健摘要：稀 薄 燃 烧 是 提 高 汽 油 机 燃 油 经 济 性 的 重 要 手 段 。近 些 年 来 ，对 以 分 层 稀薄 燃 烧 缸 内 直 喷 汽 油 机 和 均 质 压 燃 汽 油 机 为 代 表 的 新 型 稀 薄 燃 烧 模 式 的 研 究 ，极大 地 提 高 了 汽 油 机 的 燃 油 经 济 性 。本 文 主 要 介 绍 稀 薄 燃 烧 的 优 点 、稀 燃 发 动 机 技术 的 发 展 、稀 薄 燃 烧 实 现 的 关 键 技 术 措 施 。关
4、键 词 ：稀 薄 燃 烧 、燃 烧 室 、发 动 机 、混 合 器 前言稀薄燃烧是指发动机混合气中的汽油含量低，汽油与空气之比可达 1：25以上。汽车工业的发展促进了国民经济的飞速发展，随着我国加入世界 WTO组织和汽车保有量的增加，使汽车的节能降污显得越来越重要。由于火花点火发动机具有结构轻巧、比功率大、动态响应好、噪声振动小等特点被广泛做为轻型汽车、轿车的动力，但是由于火花点火发动机在燃油消耗率方面不及柴油机，因此，改善火花点火发动机的燃油消耗水平一直为众多汽车工作者所重视。火花点火发动机采用稀薄燃烧技术不仅可以提高其燃油经济性，而且可以改善火花点火发动机对大气的污染。本文介绍了车用火花点
5、火发动机稀燃的优点和实现稀薄燃烧所采用的关键技术措施。1 稀薄燃烧的优点稀薄燃烧具有许多优点。在燃油经济性方面，稀燃发动机空燃比大，燃烧循环更接近定容循环，因此其热效率较高，燃油经济性好。由于稀燃混合气燃烧温度低，燃烧产物的离解损失减小，并且降低了与气缸壁面的传热，也使热效率得以提高。稀燃发动机一般不受到高负荷时的爆燃极限的限制，可以采用较高压缩比，这也有利于热效率的提高。当采用稀薄混合气燃量加小了泵吸损失，这对火花点火发动机部分负荷经济性的改善是很明显的，同时也可以采用变质调节，不用节气门或是小节流，这样会大大减小泵吸损失，特别有利于改进发动机部分负荷性能。对发动机排放方面，随着空燃比的增加
6、，由于采用稀的混合气使燃烧温度降低，NOx的排放明显减少，同时燃烧产物中的氧成分有利于HC和CO的氧化，因此，HC和CO的排放也减小，然而，随着空燃比增加到一定程度，由于燃烧速度的降低可能会使燃烧不完全，HC的排放会迅速增加。如果能合理地设计紧凑的燃烧室，并组织好空气运动使燃烧在短时间内完成，那么三种排放都可以大大减少。2 稀燃发动机技术的发展 21世纪70年代初欧美国家的排放规定以及石油危机引起的降低油耗的需求，人们探索了由稀混合气运行，用氧化催化剂净化排气的方法，采用了一种带副燃烧室的发动机。这种由丰田及本田公司发明的燃烧方式由于从副燃烧室喷出火焰会造成热能损失，稀混合气发动机改进对油耗的
7、效果不明显。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搞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（TLCS）产品化，三菱、本田也相继将其产品实行产品化。 进入90年代，三菱汽车公司研制出来的缸内直喷技术使稀燃技术又进了一1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。3 稀薄燃烧实现的关键技术措施实现稀燃
8、关键在于缩短火焰发展期和燃烧持续时间，在火花塞附近形成有利于着火的浓混合气，一般空燃比 AF=12135。空燃比对废气排放的影响如下图 3-1.图 3-1 空燃比对废气排放的影响实现稀燃有以下具体技术措施：31 采用结构紧凑的燃烧童增大压缩比。加快火焰传播速度燃烧室形状对稀燃发动机燃烧稳定性有很大影响。为提高燃烧稳定性，需提高燃烧速度和点火可靠性。在缸内组织较强的空气运动以增大缸内湍流强度，并把火花塞置于燃烧室中央，可使燃烧速度加快，火焰传播距离缩短。单进气门与二或三进气门结构，在缸内形成的空气运动方式不同。单进气门主要为压缩挤流，为增大缸内湍流需要大的挤压面积，而多进气门一般为滚流或斜轴涡流
9、，且一般活塞顶部多有凹坑配合，有利于加快火焰传播。压缩比升高，残余废气系数减小，火焰传播速度加快。压缩比由 85 提高到l3，稀燃能力可增大 4-5 AF 单位。但压缩比增大受到火花点火发动机爆燃的限制。国内研制的 492紧凑型燃烧室、射流燃烧室等燃烧系统都具有一定的稀燃能力。它们都具有特殊结构的燃烧室设计并可采用较高的压缩比。32 采用一定强度的空气运动缸内湍流可使缸内火焰传播速度加快，使已燃气体卷吸率升高，湍流可通过进气、压缩、膨胀行程等过程产生。传统的两气门(一进气门，一排气门)发动机多采用涡流(Swir1)使火焰传播速度增大；而近代的多气门发动机多采用滚流(Tumble)或低负荷时用涡
10、流控制阀 SCV(SwirlControlValve)关闭一进气门使其缸内产生斜轴涡流1引，促进缸内混合气火焰传播速率。研究发现湍流强度在斜轴涡流的轴线与气缸轴线成 3045o时最大，这可大幅改善发动机中、低速度性能。但涡流和滚流都使发动机充量系数 降低，研究发现滚流在进气末期形成并在压缩行程末期破碎为许多微涡流而成为紊流，它比涡流更易在压缩末期破碎使湍流强度增大，使燃烧速率增大。里卡多公司的CCVS系统，利用四气门可变气门定时，可变气门升程机构产生可变的扰流进气，EGR量依工况不同与进气道组合，使缸内混合气合理分层。EGR 量依工况不同与进气道组合实现良好的排气分层燃烧系统(EGS)，为达到
11、必需的分层度，CCVS系统采用了可变气门定时和升程机构产生可变的扰流进气，使开启气道的扰流比增大 25 倍。日本的 Horie K等人 L4 利用开发的变涡流系统 VT CE机构和精确的 AF 控制系统成功地开发出一种四气门稀燃发动机，使发动机高速区应用直气道和两气门工作，使充量系数加大，低速区一个进气门工作构成缸内涡流并控制进气冲程的喷油定时产生轴向分层进气，使燃油消耗率降低 10。日本 Inoue T等人应用新设计的燃烧压力传感器，通过检测第一缸燃烧压力并依曲轴转角信号精确校正各缸的供油量，配合装有涡流控制阀和螺旋气道的双进气道系统，扩大了稀混合范围，燃油经济性提高 10。NOx 排放降低
12、30，新开发的丰田第三代稀燃系统将稀混合气区向更大负荷，更高转速区域扩展。日本马自达公司 Saito F等人为提高稀燃方式下的潜能，研制了低流阻的进气道使稀燃极限扩大，并成功地开发出一种新型 TWC(Threke-WayCatylyst)，使发动机在理论空燃比、稀混合气条件下 HC、CO、NOx 的排放得到改善。最近日产汽车公司开发了 25 L 直喷火花点火发动机，使有害物质的排放量降至国内现行法规的 110。采用在超稀燃烧和理论空燃比之间的“均质稀薄燃烧”技术，有效地控制了燃烧过程 NOx的生成量。33 高能点火、宽火花塞间隙或多火花塞和火焰引燃高能点火和宽火花塞间隙的火花塞有利于火核形成，
13、着火落后期短，循环变动小、稀燃极限大，多火花塞如 Nission公司的 MAP-Z燃烧系统采用了双火花塞结构，可使火焰传播距离缩短，加快燃烧进行，有利于稀燃能力的提高。日本马自达公司 Tabata M等研制了一种混合气喷射火花点火发动机 L8，在两个进气门和两个排气门的四气门火花点火发动机基础上，附加一个小气门与预燃室，燃油喷人预燃室与空气形成混合气在进气行程后期至压缩行程初期将混合气喷人燃烧室实现混合气分层，AF 达 40。34 分层燃烧系统火花塞附近形成易于着火的浓混合气，AF 约为 l2l3，以便有利于点火，其余区域由浓逐渐变稀。典型的分层燃烧系统有 Texaco公司的 Tccs(rIP
14、)J，Ford 公司的 PROCO ，本田公司的 CVCC系统，三菱公司的滚流分层燃烧系统 。这些都是典型的早期稀薄燃烧系统，由于排放法规的日益严格且稀燃后处理难度较大，这些燃烧系统都未投人大批量生产。35 燃油喷射定时与分段喷射燃油燃油喷射定时与分段喷射燃油对燃油影响很大。影响燃烧的稳定性。一般讲进气初期喷油，燃油首先进入缸内下部随后在缸内均匀分布，进气后期喷油，浓混合气在缸内上部且维持到点火时刻，只有在进气行程的某一区段喷油才可实现理想分层。将一循环的喷油量分成两次喷人气缸可实现很好的稀燃。相关技术在柴油机方面的应用预混合稀薄燃烧柴油机如下图 3-2：3-2 预混合稀薄燃烧柴油机天津大学利
15、用进气道二次喷油技术在 CAI102五气门发动机上实现了准均质稀燃 AF=20 的稳定燃烧。缸内直喷技术火花点火发动机具有泵气损失和传热损失小，充气效率和抗爆性高、动态响应好等特点而被当今车用火花点火发动机所采用。日本首藤登志夫等人 n 利用压缩行程前、终了进行两段(二次)喷油获得了宽广的分层稀气混合气燃烧，在中等负荷与理想预混合燃烧相比热消耗率降低 30 ，NOx 降低 50左右。三菱公司利用压缩行程末期缸内喷油配合凹坑活塞实现稀燃烧模式，当燃油在压缩行程初期喷人时，缸内形成均质混合气，发出大的功率，为了抑制爆燃现象发生，三菱 GDI火花点火发动机采用二阶段混合概念即进气行程期间喷射大约 1
16、4 燃油，缸内形成非常稀的混合气，其余的燃油在压缩行程末期喷人并首先发火，随后引燃稀区混合气，稀区燃烧后又使浓区再次着火，这种二阶段混合的概念很好地抑制了大负荷对 GDI火花点火发动机碳烟的产生。丰田汽车公司的 D-4直喷火花点火发动机小负荷在压缩行程接近上止点时喷油实现稀燃模态，大负荷时进气行程喷油产生均质混合气实现均质燃烧模态，而在中等负荷时燃油在进气行程和压缩行程末期分二次喷射实现弱分层燃烧，以实现稀燃和均质燃烧模态的平稳过度。4 结束语车用火花点火发动机稀薄燃烧分均质稀燃和分层燃烧两种燃烧模式，每一种实现技术措施都不尽相同。均质稀燃模态实现，需从加大点火能量，促进火焰传播速度、缩短火焰传播距离等方面考虑。而实现分层稀燃模态的关键在于火花塞附近形成易于着火的浓混合气，而其余区域则由浓逐渐变稀，需要缸内气流运动与燃油分布(喷油定时，分段喷油等)相配合来实现。参考文献：1 钱人一.现代汽车发动机自动控制M.上海：交通大学出版社，2000，12 2 孙勇.缸内直喷式汽油及研究发展J.内燃机，2002(5) 3 蒋德明.内燃机燃烧与排放学M.西安：交通大学出版社，2001,7 4 王建昕.汽车排气污染治理及催化转化器M.北京：化学工业出版社，2000,5 7
