概述汽油机稀薄燃烧发展进程

范继春

摘要：本文介绍了汽油机稀薄燃烧的新技术--汽油机缸内直喷技术、均匀充量压缩着火技术，分析了它们的工作原理、特点和研究发展的空间。提出了未来车用发动机的发展关键是提高发动机的能量利用效率，提高动动力性和降低污染物的排放。

关键词：稀薄燃烧；缸内直喷；均匀充量压缩着火技术

环保和节能是当今全球汽车行业无法回避的两大主题。在全球能源消费结构中，石油、天然气和煤炭等化石能源依然占主要地位，其中，石油在交通和工业终端用能上继续保持统治地位。“十一五”计划后，我国的汽车保有量有可能从目前的3000万辆增长到5000万辆，能源形势将更为严峻。而同时，人们日益增强的环保意识和越来越严格的排放法规也对发动机提出了新的要求。针对当前的严峻形势，在内燃机领域，如何提高燃料的能量利用率以达到节能的目的和降低排放是研究的热点。近些年最具代表性的技术有缸内直喷式汽油机技术（GDI）、均匀充量压缩着火技术（HCCI ）。

受汽油的辛烷值和爆震燃烧等因素的限制，汽油机只能采用较低的压缩比，造成发动机的热效率较低；汽油机缸内燃烧属均质预混合燃烧，燃烧的温度高，火焰传遍整个燃烧室的时间长，因而燃烧过程产生了较多的NOx，和不完全燃烧产物CO和HC。另外，由于汽油机需要用节气门控制进气量来调节发动机的功率，部分负荷时的泵气损失增加使发动机的有效热效率进一步降低。柴油机的缸内燃烧属燃料在高温下的自燃，尽管柴油机燃烧的平均空燃比在2.3以上，燃烧室内气体平均温度也较低，在1200～2000K之间，但由于燃料与空气的混合严重不均，而燃烧的局部可以认为仍然是以化学计量比为1的燃烧过程，火焰温度可高达2700K。燃烧过程存在着已燃高温区、高温火焰区和未燃高温过浓区，已燃高温区有利于NOx生成，而在高温燃料过浓区，又由于缺氧而大量生成碳烟，柴油机的非均质燃烧特性使排放降低变得非常困难。

1.汽油缸内直喷（gasoline direct injection）发动机

GDI技术在20世纪30年代由德国最先开发，受当时内燃机技术水平的限制和尚未有电控喷射手段等原因，开发的发动机性能和排放并不理想，因而没有得到实际的应用。20世纪90年代以后，制造精密、性能优良的内燃机部件的应用和精度高、响应快的电控手段的开发，促使缸内直喷汽油机的研究得到长足的发展。

发动机采用分层稀燃（稀薄燃烧）方式工作，则能够大大降低机内生成的CO、HC和NOx排放。由于燃料燃烧比较充分，同时燃烧温度也有所降低，所以CO、HC和NOx，有害排放都减少。稀燃时的混合气和燃气的比热容较小，压缩指数n升高，再加上进气节流造成的泵气损失减少，因而，能够提高发动机的热效率，改善发动机的燃油经济性。

汽油机是火花点燃的，稀燃时虽然混合气的浓度仍在稀火焰传播极限以上，但火焰传播速度变慢，发动机燃用稀的混合气时一方面需要高的点火能量，火核的形成或火焰的发展期延长，有可能导致较大的燃烧循环变动，另一方面，由于稀混合气的火焰传播速度降低，使燃烧持续期延长，发动机的热效率有可能下降。如果提高混合气的温度和压力，则可以克服上述稀燃发动机燃烧过程的不足，于是分层燃烧稀燃发动机应运而生。

发动机的分层燃烧就是在火花塞处形成空燃比A/F=12.0～13.5易于着火的浓混合气，由火花塞处向外，混合气的空燃比依次增加，燃料的浓度变稀，燃烧过程中利用内层已燃混合气的能量，提高外邻层较稀混合气的温度和压力，提高火焰传播速度和燃烧的稳定性，依次类推，直至最外层的空气，则整体上燃烧速度加快，燃烧循环波动率减小，使分层稀燃发动机的性能得以改善提高。

2.均质充量压燃（homogenous charge compression ignition）发动机

近年来，其受到了普遍关注，是一种全新的燃烧理念。其主要内容是压缩燃烧前将着火控制在上止点后，从而实现较低缸内压力和温度下的快速燃烧，达到高效清洁目的。与预混燃烧和扩散燃烧相比，HCCI燃烧方式因其均质压燃的特性，燃烧速度取决于燃料的化学特性，一般具有很高的燃烧放热速率，放热率接近奥托循环；由于燃烧速率快，减小了热损失，循环热效率很高。相对于传统汽油机，HCCI发动机无节流阀，无泵气损失，热损失小。由于采用稀燃的燃烧方式，压缩比较高，这些都有利于提高发动机的燃油经济性。并且HCCI的均质混合气较稀，且火焰在多处起燃，燃烧速率快，火焰温度低，所以，有利于控制NOx的生成。由于采用预混燃烧，且燃烧速率很快，使气缸内局部浓混合区域减少，有利于抑制PM排放。因此，低排放与高经济性的特点使其成为高效清洁内燃机的研究热点。

美国能源部的技术报告指出，HCCI燃烧技术尚待解决的问题如下：

（1）随发动机转速和负荷改变控制着火定时（Ignition Timing）；

（2）高负荷运行时燃烧率的控制（使放热率放慢，限止噪声或过高燃烧压力）；

（3）发动机冷起动；

（4）排放（特别是低负荷HC 和CO 排放）控制系统的发展；

（5）发动机变工况运行；

（6）发动机控制策略和系统（闭环反馈系统）的发展以及相应传感器的研制；

（7）合适燃料（包括混合燃料）的开发；

未来车用发动机的发展关键是提高发动机的能量利用效率，降低污染物的排放。缸内直喷汽油机开发的成功为此提供了一个重要的可供选择的方案。对于HCCI发动机的研究也初步显示了它在降低油耗、NOx和微粒排放方面的优势，但在实际环境中很难控制HCCI燃烧，这也是该技术商业化运作的主要障碍之一。HCCI发动机的研究还有待于进一步深化。HCCI发展的方向将是结合其它燃烧方式，开发混合燃烧模式的发动机，这是未来高效低污染汽油机的发展方向。

参考文献：

[1]魏若男.车用发动机节能环保新技术研究进展.哈尔滨职业技术学院学报，2007，（5）.

[2]黄靖雄，赖瑞海.现代汽车新配置实务.人民交通出版社，2005，6.

[3]蒋德明.内燃机研究的新进展.柴油机·Diesel Engine.2003，（1）.