发动机稀燃技术与分层燃烧技术

发动机稀燃技术与分层燃烧技术主讲人：孙宇发动机稀燃技术•稀燃：是指发动机可以燃用汽油含量很低的可燃混合气•从理论上讲，混合气越稀，越接近与空气循环(理论循环)，等熵指数κ值越大，热效率越高。•传统汽油机燃烧系统的缺陷：–空燃比变化范围非常狭窄（A/F＝12.6～17）；–低负荷时进气节流损失大，经济性差；–点火所需的混合气较浓，传播速度大，容易暴燃；–汽油机始终以点火范围内的空燃比工作，热效率低。如能采用稀混合气，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。•稀薄燃烧稀薄燃烧按供给方式可分为：–均质；–非均质。•分层燃烧发动机作为发动机稀薄燃烧中的非均质燃烧是实现稀薄燃烧的主要方式燃用均质稀混合气的技术途径1.使汽油充分雾化并保证混合气均匀及各缸混合气分配均匀。要使汽油充分雾化，可以在预热、增加进气流的速度、增强进气流扰动、增加汽油乳化度以及使汽油分子磁化等方面采取措施。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。•应当指出，稀薄燃烧不一定分层。但绝大多数稀燃发动机都采用分层燃烧或者分层充气。•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：燃烧缓慢，等容度低本田CVCC燃烧系统•本田CVCC（CompoundVortexControlledCombustion复合涡流控制燃烧）系统通过控制燃烧过程来实现稀薄燃烧。•CVCC在传统火花塞位置上设置一个副燃烧室（预燃室），并配有一个副进气门。副燃烧室有两个火焰喷孔，孔径6mm，总面积1.565cm2。本田CVCC系统的工作原理•进气过程：–进气时，大量稀混合气和极少浓混合气由独立的化油器分别供给主燃烧室和副燃烧室。副燃烧室中的浓混合气通过火焰喷孔流到主燃烧室和稀混合气混合，并形成空燃比梯度（分层进气）。•压缩过程：–压缩时，一部分稀混合气被压入复燃烧室，形成中等浓度混合气，因此在压缩终了时形成：在火花塞周围是着火性能较好的浓混合气；在主燃烧室的火焰喷孔附近形成适于火焰传播的中等浓度的混合气；在主燃烧室其余部分是很稀的混合气。•着火膨胀过程：–火花跳火时，副燃烧室内浓混合气可靠着火，形成火焰从喷孔喷出。首先着火的是喷孔附近中等浓度混合气，然后随着膨胀过程开始使稀混合气着火燃烧，这样使极稀混合气能被火焰传播而稳定燃烧。波尔舍SKS燃烧系统•德国波尔舍（Porsche）的SKS（Schichtlade-Kammer-System）是利用层状进气实现稀燃的。•波尔舍公司研究认为汽油机燃烧由三个阶段组成：点火并形成火焰中心；大部分燃料燃烧；后续燃烧。第一阶段要求小部分混合气由火花塞点燃放热大于表面散热，因此点火应在稳定即没有涡流的地方；第二阶段则需要强烈涡流使燃烧迅速完成；第三阶段则需要足够的过剩空气。SKS燃烧系统工作原理•SKS与CVCC主要区别是用燃油喷射泵取代化油器向预燃室内单独供给燃油。进气行程，高压喷射泵将燃料直接喷入预燃室内，压缩行程主燃烧室内稀混合气一部分进入预燃室，最后形成浓混合气。•SKS中火花塞置于点燃室中，使火花塞周围没有强烈涡流，便于火核的形成。预燃室内为浓混合气，当活塞位于压缩上止点时，预燃室及喷孔附近的主燃烧室部分以等容燃烧，产生强烈的涡流进而点燃主燃烧室内的稀混合气（＝1.5～3.0）。•主燃烧室内混合气在膨胀行程中几乎在等温状态下进行，爆发压力低，NOx排放少，膨胀温度高，使未燃HC与CO氧化。稀薄燃烧发动机的不足根据稀燃发动机运转状态，在分层稀薄燃烧到均质理论空燃比燃烧过程中，空燃比连续变化。因此，三效催化转化器不能够净化排放气体中的NOx。这是因为三效催化转化器要利用排气中的HC或CO进行NOx还原反应的缘故。在稀薄燃烧中，在排放气体中残留很多氧气，不能进行NOx还原反应。为了使NOx吸储型催化剂获得高效功能，其温度必须保持在250-500℃范围内。当超过这一温度范围发动机会自动转换到均质理论空燃比燃烧，并通过三效催化转化器进行废气处理。然而这又与燃油经济性下降相关，为此，必须增加废气冷却装置。利用这种冷却装置，排放气体通过NOx吸储型催化转化而被冷却，由于稀薄燃烧的范围宽，催化转化器的寿命也延长。然而，NOx吸储型催化转化器会受到硫侵蚀而中毒，所以必须把汽油中的含硫量尽量降低到最少。但是，如前所述，含硫低的汽油不是到处能供应的。大众汽车公司采取的措施是，把催化剂反应温度提高到650°以上，从而把附着在催化剂上的硫通过燃烧而加以消除。在高速行驶时，能够保持这样高的催化剂温度，但是，在城市内行驶时则催化剂温度下降，就不能烧除附着在催化剂的硫。为此，通过NOx传感器监视硫附着在催化剂上的程度，根据监测情况提高排放气体的温度。作为其措施，一般采用点火正时延迟，尽管这样做会引起燃油经济性恶化，但是为了净化处理NOx，这是不得已而为之。另外，稀燃发动机由于喷射器的加入导致了对设计和制造的要求都相当的高，如果布置不合理、制造精度达不到要求导致刚度不足甚至漏气只能得不偿失。另外稀燃发动机对燃油品质的要求也比较高