汽油机稀薄燃烧技术发展分析

汽油机的燃油经济性比柴油机差,所以降低汽油机的能耗则显得更为迫切.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.本文论述了稀薄燃烧的实现方式及其优缺点,并重点介绍了稀薄燃烧的三种形式:气道喷射稀燃系统(PFI)、直接喷射稀燃系统(GDI)和均质混合气压燃系统(HCCI),且相互比较.文章最后简要论述稀薄燃烧的发展趋势及我国在这方面的研究状况.     

能改善热效率和燃油经济性的汽油机缸内直喷技术

影响汽油机燃油经济性的重要因素是燃油的喷射方式。取代传统进气道喷射方式的缸内燃油直喷技术现已越来越普及。缸内燃油直喷是在燃烧室中央设置喷油器,因此能降低燃油耗。对进气道喷射与缸内直喷这两种喷油方式进行比较,并介绍汽油机缸内直喷技术的基本原理、优缺点,以及其具体应用实例,同时也指出其今后的发展方向。     

未来汽油机的小型化

近年来,汽油机小型化已成为降低燃油耗和二氧化碳排放的重要技术措施之一。以Mahle公司1.2 L汽油机为例,小型化率已达到50%,与同排量的自然吸气汽油机相比,其新欧洲行驶循环燃油耗的优势高达30%[1,2]。     

日美欧汽车用汽油机的发展动向

１９９２年日美欧各汽车厂家新型汽油发动机的主要发展方向是高性能化、四气门化、并设法降低油耗，减少排放污染等。日本汽油机的四气门化及可变气门正时结构，不仅用于部分高性能汽油机上，普通汽油机也开始采用该结构。随着对环境问题的高度重视，各国对汽车排放、燃油消耗及噪声做出了相应用规定，促进了汽油机电子控制技术的进一步发展及稀燃汽油机和减震降噪技术的应用，可变气门正时机构与可变排量控制机构作为一门新技术应运     

一种减少二氧化碳和氮氧化物排放的有效解决方案

燃油耗低和低速扭矩大的涡轮增压柴油机动力总成在欧洲轻型载货车市场占有较大份额。预计,全球二氧化碳(CO_2)排放法规和用户对燃油价格的期望,会进一步迫使发动机提高燃油效率。但是,法规对氮氧化物(NO_x)和颗粒排放的限制可能会进一步增加柴油机动力总成的成本。对价格敏感度最高的1 400 kg以下紧凑型车型需要寻求一种替代方案,以面对CO_2排放限值的挑战,并保持对用户的吸引力。对小型化和降低转速的汽油机理念进行了研究,与此同时,通过提高平均有效压力来满足性能要求,以保持车辆良好的操控性能和起动性能。解决这一问题的关键措施是采用汽油直接喷射燃油系统。因为缸内汽油直接喷射和对进气进行分开控制,可以在不增加碳氢排放的情况下增强扫气效果。缸内汽油直接喷射还具有冷却充量的好处,有利于避免增压发动机的爆燃现象。研究了汽油直接喷射的几种可选方案,包括多孔式和单孔轴针式喷油嘴,以及侧向布置与中央布置的对比。对排量减小至1.2 L的涡轮增压3缸机和4缸机的基本结构进行了研究。减少气缸数有利于改善碳氢排放、热损失和扫气效率。从安装和成本方面考虑,减少气缸数也有一定好处,其次要考虑的是排气后处理系统。理论当量比燃烧涡轮增压直接喷射汽油机可以采用传统的三效催化转化器,故成本最低。分层燃烧直接喷射汽油机预计需要附加稀燃NO_x捕集器,而满足欧6标准的柴油机则需要附加柴油颗粒过滤器(DPF),并可能要采用NO_x后处理系统。虽然,目前对满足欧6 NO_x排放标准的后处理系统尚不了解,但增加的DPF、带稀燃NO_x捕集器的DPF,或带尿素选择性催化还原的DPF系统,都会使发动机在成本和安装方面面临挑战。对3缸涡轮增压直接喷射汽油机和其他发动机在降低CO_2排放与系统成本之间的价值权衡进行对比分析,并给出了结论。分层燃烧涡轮增压直接喷射汽油机与进气道燃油喷射4缸基本型汽油机相比,其CO_2排放量减少22%以上。采用可变气门驱动装置和传统三效催化转化器的理论当量比燃烧直接喷射汽油机的CO_2排放有可能减少18%。在欧6排放水平下,理论当量比燃烧涡轮增压直接喷射3缸汽油机动力总成具有理想的使用价值。在无稀燃后处理系统的情况下,如果3缸涡轮增压柴油机能满足NO_x排放标准的要求,则其价值能与汽油机的相当。因发动机本身NO_x排放较高而需要采用稀燃后处理系统的动力总成劣势明显。基于紧凑型汽车对价格的敏感性,根据价值分析预测,3缸涡轮增压直接喷射汽油机符合动力总成的选择要求。     

LPG／汽油两用燃料发动机燃烧特性研究

本文通过单缸汽油机燃汽油和液化石油气的台架试验研究，比较分析了汽油机燃用汽油和ＬＰＧ的动力性、经济性，并着重对ＬＰＧ的有关燃烧特性进行了不同压缩比，不同空燃比的试验分析。     

Mercedes Benz轿车用新型4缸涡轮增压直接喷射汽油机

2011年底,新型1.6 L涡轮增压直接喷射汽油机被批量配装在新型B级Mercedes—Benz轿车上问世。这种采用Mercedes—Benz燃烧过程的全新直列4缸直接喷射汽油机系列已投入使用,并将压电喷油器直接喷射技术和最佳涡轮增压设计与降低摩擦的基本型发动机相结合,以满足对机动性、燃油耗和舒适性等方面的高要求。     

直接喷射式汽油机

日本丰田公司和德国大众公司分别开发了自己的直接喷射式汽油机，其目的都是为了既降低污染排放又提高燃油经济性。同一些直喷式柴油机一样，汽油被直接喷火燃烧室内，这样发动机在正常运转范围内提高了燃烧效率。直接喷射的困难在于要求燃烧稳定，性能优而NOX排放较少。解决上述问题就在于采用分层燃烧技术再辅以高压喷射。丰田公司的2．0L4缸D－4汽油发动机的特点是采用了计算机控制的压电喷射器，这种喷射器在世界上尚属首次应用。该系统需要配以高精度调节的EGQ（废气再循环）装置。这种EGQ装置是由一定范围空燃比传感器来控制，其…     

丁醇-汽油混合燃料燃烧放热规律的研究

通过试验和计算揭示了汽油机燃用汽油和丁醇-汽油混合燃料的不同放热规律,从内燃机燃烧学的角度分析了掺混丁醇后放热率发生变化的原因,讨论了燃用丁醇-汽油混合燃料对发动机性能的影响.进一步优化点火提前角以得到更好的综合性能,从而验证了发动机燃用丁醇-汽油混合燃料并获得节能、减排双重收益的可行性.     

含水乙醇汽油发动机循环变动研究

通过测取和处理分析汽油机燃用含水乙醇汽油时的缸内压力数据,对比分析平均指示压力、最高燃烧压力和质量燃烧百分率等不同循环变动表征参数,并且通过探讨平均指示压力与燃烧相位间的相关性,深入研究了含水乙醇汽油发动机的燃烧循环变动。结果表明:在低转速中等负荷下,汽油机燃用E10W5含水乙醇汽油相比于纯汽油循环变动增大;燃烧循环变动主要发生在燃烧初期;滞燃期和主燃期循环变动对平均指示压力循环变动影响较大。     

浅析汽油发动机可燃混合气燃烧及三元催化转化器工作机理

1可燃混合气对汽油发动机性能的影响为了保证汽油发动机正常运行,需要提供合适浓度的可燃混合气,可燃混合气浓度决定燃烧时的燃烧速度、气缸压力及火焰温度等,进而决定汽油发动机的工作性能,可使用空燃比及过量空气系数对可燃混合气浓度进行评价。1.1空燃比空燃比是指可燃混合气中空气质量与燃油质量之比。     

汽油机燃用2,5-二甲基呋喃的试验研究

分析比较了2,5-二甲基呋喃(DMF)与商用汽油的理化性能,研究结果表明,DMF的一些理化性能与汽油很接近。在1台单缸四行程汽油机上对DMF、汽油—DMF混合燃料以及汽油进行了试验研究,结果表明:在不改变汽油机点火提前角特性和供油系统规律的试验条件下,燃用DMF的动力性稍差于汽油,最大功率下降了10.5%,最大扭矩下降了2.3%;燃用DMF的燃油消耗率稍高于汽油,平均上升了18.6%;燃用DMF的HC和CO排放远远低于汽油,分别比汽油平均下降了31.9%和95.5%,但NOx和CO2排放则明显增加,分别比汽油平均上升了97.1%和28.1%;燃用DMF10和DMF30混合燃料的动力性能以及排放特性一般都是介于DMF和汽油之间。     

新一代进气道喷射自然吸气汽油机开发

为了降低油耗,满足动力性和排放法规要求,上汽开发了新一代进气道燃油喷射(PFI)自然吸气汽油机,应用稳态计算流体力学(CFD)数值分析方法和气道稳流试验方法开发了遮挡式进气道,利用缸内瞬态CFD方法优化开发了燃烧系统,提高了燃烧热效率。采用阿特金森循环并提高压缩比技术,降低了部分负荷油耗。通过1D整机性能分析优化了气体交换,提升了扭矩和功率。通过优化水套,缩短了暖机时间,改善了发动机热管理。新一代发动机采用了大量的降摩擦损失的措施,进一步降低了燃油耗。通过优化正时链和机油泵传动设计,改善了振动噪声。试验结果表明,新一代发动机在原机的基础上降低了5%的新欧洲行驶工况(NEDC)油耗,动力性能提升5%左右,排放满足欧6c法规。新一代汽油机的综合性能在同类机型中处于领先水平。     

降低汽油机二氧化碳排放的极限潜力(第2部分)——燃烧过程的开发

Kaiserslautern理工大学和Karsruher工艺技术研究所研究了化学计量比均质混合气运行汽油机进一步降低燃油耗和二氧化碳排放在机械方面的可能性。在此基础上,探讨了仅采用新燃烧过程进一步提高发动机效率的可能性,为此介绍了化学计量比和分层稀薄运行,以及均质充量压燃等未来的燃烧过程及其潜力。最后,归纳了该技术的极限潜力,并进行了相互比较。     

大众公司EA113系列2.0L-FSI燃油分层直喷式汽油机详解(二)

2003年大众公司在1.8L-5V-92kW进气道喷射汽油机的基础上为第2代奥迪(Audi)A3和A4轿车开发了一种新型横置式2.0L-4V-FSI分层直接喷射汽油机,除了将发动机功率由92kW增加到110kW使汽车的动力性得到了显著提高外,还使汽车燃油耗降低了大约1L/100km,同时更加舒适,并达到了当时欧洲实施的欧Ⅳ废气排放标准。这种采用汽油分层直接喷射(FSI)技术的直列4缸4气门汽油机成功地解决了传统汽车在功率、舒适性和燃油耗之间的目标冲突,表明汽油分层直接喷射技术始终是提高汽油机燃烧效率潜力最大的一种技术措施。2004年,大众公司在这种EA113汽油机系列平台基础上又开发出了世界上第一台涡轮增压缸内直接喷射2.0L-TFSI汽油机,功率为195kW,扭矩为350Nm。2010年,为了给奥迪运动型轿车配备动力性能更好的汽油发动机,又将上述涡轮增压2.0L-TFSI燃油分层直喷式汽油机的燃油过程移植到奥迪直列5缸自然吸气2.5L-MPI多点气门口喷射汽油机上,成功地开发出了功率250kW,扭矩450Nm的2.5L-TFSI增压燃油分层直喷式汽油机。本文将详细介绍4缸自然吸气2.0L-FSI燃油分层直喷式汽油机和5缸涡轮增压2.5L-TFSI燃油分层直喷式汽油机。     

中冷温度对混合动力增压汽油机及整车油耗影响分析

文章通过一款涡轮增压汽油机,研究了不同中冷后进气温度对发动机及整车油耗的影响,研究结果表明：随着中冷后温度的增加,发动机爆震倾向增加,发动机最小燃油消耗率点向低负荷转移,最小燃油消耗率恶化1.5%。工况点向低负荷转移后,点火提前角和燃烧相位随中冷后温度增加变化不大,燃油消耗率随中冷后温度变化影响较小;中大负荷通过推迟点火提前角控制爆震强度在限制内,导致燃烧相位和燃烧循环波动率恶化,燃油消耗率升高。中冷后气体温度对整车油耗有影响,结合不同中冷后温度的燃油消耗率试验结果,控制WLTC循环运行工况点,整车油耗改善3.3%。     

通过改善燃烧和降低摩擦提高微型车发动机的热效率

铃木公司开发了1款新R06A型3缸汽油机,并配装于2011年1月投产的新K系列车。新型汽油机的首要开发目标是改善燃油经济性。为了满足发动机性能的要求,通过改善燃烧、减少泵气损失和降低摩擦等技术措施,全面提高了发动机的热效率。新K系列轿车在配装新型汽油机并采用起动-停车系统后,在JC08工况下的燃油耗仅为24.2 km/L,获得了日本国内市场同等级车辆中的最佳燃油经济性。同样,新型汽油机的质量在660 mL级机型中是最轻的,其噪声远低于现有发动机的。     

辛烷值对发动机性能和燃烧特性影响的研究

通过发动机台架试验,对3种不同辛烷值汽油的燃烧特性、燃油经济性和排放性能进行了研究。试验研究结果表明,汽油辛烷值越低,其着火落后期和燃烧持续期越短,火焰传播速度和燃烧放热越快;燃用低辛烷值的汽油可以提高热效率,改善发动机的燃油消耗率;3种辛烷值汽油的THC,CO和NOx排放相差不大。     

轿车汽油机实现稀燃及降低NOx排放的关键技术

从燃烧室结构、燃烧室内气流运动、点火方式、分层燃烧及燃油喷射方式等几方面论述了当代轿车，气油机实现稀薄燃烧所采用的几项关键技术，介绍了目前降低稀燃汽油机氮氧化物NOx排放所采用的催化技术(NOx直接催化分解技术、选择还原催化技术和吸附还原催化技术)和废气再循环EGR技术，指出了这些技术的综合应用。可以有效地实现汽油机稀薄燃烧，可以大幅地降低稀燃汽油机氮氧化物NOx排放，为轿车汽油机实现稀燃，提高轿车汽油机的经济性和改善其氮氧化物NOx排放提供具体的技术措施。     

一种全新的内燃机燃烧概念:HCCI

一、压燃和点燃燃烧概念的特点及其局限性分析 　　压缩点燃式燃烧概念(用于柴油机)与火花点燃式燃烧概念(用于汽油机)相比,最大的特点在于所使用的燃油特性不同.压缩点燃式燃烧概念使用的柴油容易在一定的温度下自燃或者说具有较好的白燃特性,但是不容易用明火点燃;火花点燃式燃烧概念使用的汽油则容易用明火点燃,或者说具有较好的点燃特性,但是不容易因温度升高而自燃.由此造成两者之间一系列的差别: 　　……