浅析汽油机稀薄燃烧控制技术

文：赵宝平、董旻

浅析汽油机稀薄燃烧控制技术

文：赵宝平、董旻

随着汽车技术的发展以及电子技术在汽车上的应用，很多中高档轿车发动机已采用了稀薄燃烧控制技术。汽油机稀薄燃烧控制技术采用气缸内直接喷射方式，将高压燃油直接喷人活塞顶部的深坑型燃烧室内，配合进气涡流及燃烧室内的气流运动，形成分层燃烧，同时精确控制缸内的燃油喷射量和喷射时间，实现空燃比为50:1的超稀薄燃烧。结合提高压缩比和废气再循环（EGR）技术，可有效地改善发动机燃油经济性和排放特性。汽油机缸内直喷（Gasoline Direct Injection，GDI）稀薄燃烧技术已成为现在汽油机的发展方向。

一、概述

汽车油耗、NOx和发动机输出转矩的变动量（△Ttq）随空燃比（A/F）的变化特性如图1所示。 在理论空燃比下，通过三元催化转化器可将CO、 HC和NOx的排量控制在很低的水平，但并不是最佳经济点，还需要进一步提高空燃比（A/F）。通常A/F增加，NOx排量增加，当A/F ≈16时，NOx排量达到最大值。继续增加A/F，由于空气冷却，燃烧温度降低，NOx排量反而降低，但△Ttq增加。因此要求稀薄燃烧系统必须精确地控制A/F，将△Ttq控制在允许范围内。

为了改善燃烧过程，扩大稀薄燃烧范围，主要采用立式（滚动式）进气道，在燃烧室内形成强大的纵向进气涡流，以提高混合气的湍流强度；同时，在进气行程进行燃油喷射，利用混合气涡流，在火花塞附近形成比平均混合气浓度更浓的混合气，形成分层燃烧状态。

二、稀薄燃烧方式及特点

稀薄燃烧控制技术建立在混合气分层燃烧的基础上，分层燃烧是在着火时刻火花塞周围分布适合于着火的浓混合气，而燃烧室其他位置为稀混合气。在气缸内如何形成适合的混合气浓度梯度分布是稀薄燃烧的关键技术。根据气缸内涡流形式的不同，分为轴向分层稀薄燃烧和纵向分层稀薄燃烧；根据喷射方式不同，分为气道喷射（PFI）稀薄燃烧和缸内直喷（GDI）稀薄燃烧。GDI发动机的经济性和排放特性明显优于PFI发动机，其燃烧过程比较见图2所示。

GDI汽油机不同工况下的混合气特征如图3所示，在整个运行工况范围内采用混合燃烧模式，即稀薄燃烧仅对中小负荷工况进行。在压缩行程后期喷油，通过晚喷在气缸内形成上浓下稀的分层混合气，点火后能高效稳定燃烧，混合气的平均空燃比可达到25，同时通过推迟点火时刻，采用EGR技术等控制排放；在大负荷或全负荷区，为了输出最大转矩，提供功率混合气，为此在进气行程中提前喷油，点火时缸内已形成均匀混合气;在中等负荷、高速区采用均质的理论混合气燃烧，通过三元催化转化器降低排放。

1.PFI稀薄燃烧技术

如图4所示，4气门发动机通过气流与喷射时刻的匹配，在缸内形成混合气浓度的梯度分布。缸内气流运动规律通过直进气道和螺旋气道控制，在中小负荷正况运行时关闭直进气道，进入气缸的气流在螺旋气道的导向作用下，在缸内形成一定强度的涡流，并与喷油时刻配合，实现稀薄燃烧；大负荷时，直进气道和螺旋进气道同时开启，减小缸内涡流强度，提高充气效率，实现功率混合气的均质燃烧。

PFI稀薄燃烧分为轴向分层稀薄燃烧和横向分层稀薄燃烧。轴向分层稀薄燃烧配合缸内气流在进气晚期进行喷射，通过缸内强涡流实现混合气浓度的梯度分布。喷油时刻决定缸内浓混合气的位置，从而确定火花塞位置。分层原理如图5所示，利用进气道的导向作用在缸内形成较强的轴向涡流，在压缩过程中轴向涡流强度有所衰减，但能保持一定强度，配合缸内的气流特性，通过发动机控制单元（ECU）控制喷油器在进气后期的恰当时刻喷油，由此通过缸内轴向涡流的作用，在气缸内形成上浓下稀的混合气浓度梯度分布，实现稀薄燃烧。

轴向分层燃烧的关键技术在于喷射时间与进气涡流的匹配，通过进气道导向行程的气缸内的螺旋形涡流，可分解为径向分量和轴向分量，通常径向分量大于轴向分量。通过径向分量使进气门进人气缸的混合气向气缸圆周扩散分布，混合气沿轴向形成浓度梯度分布，保证火花塞附近形成浓混合气，空燃比可达到22，相对均质燃烧，油耗可降低12%。稀薄燃烧汽油机普遍采用多气门机构和进气可变系统，实现气缸内的斜轴涡流。

横向分层稀薄燃烧利用滚流式进气道，进气过程中在气缸内绕垂直于气缸中心线且平行于曲轴轴线产生纵向滚流，并配合喷射方式在缸内形成混合气浓度梯度分布，如图6所示。滚流在压缩过程中随压缩程度越来越强。喷油器在进气歧管中心布置，顺气流沿气门方向喷油。在滚流作用下，浓混合气经过气缸中央布置的火花塞，两侧为空气，实现横向混合气浓度梯度分布，空燃比可达到23，经济性可提高6%～8% ，NOx排放可降低80%。

PFI式稀薄燃烧技术能改善经济性和排放特性，但由于节气门的存在，泵气损失增大，影响中小负荷燃烧效率的提高；混合气形成过程中，进气道及气门处黏附油膜，直接影响气缸内的混合气质量，不利于发动机快速起动、瞬态过渡响应特性以及更精确地控制混合气浓度；空燃比小于27，节能效果有限，进一步降低NOx排放困难。

2. GDI稀薄燃烧技术

GDI技术包括缸内气流特性（滚流和涡流）控制、采用高压旋流式喷油器的喷雾及喷射时间控制、喷射压力（2～5 MPa）控制和稀薄燃烧等。

GDI汽油机的喷油器安装在燃烧室内，见图7所示，在气缸内更容易形成不均匀的混合气浓度梯度分布，消除了气道油膜蒸发量对缸内混合气质量的影响，减小泵气损失，更容易实现稀薄燃烧，且混合气A/F范围变宽，有利于进一步改善发动机的经济性和排放特性。

GDI发动机燃烧室内气流的组织方式如图8所示，壁面导向方式通过活塞顶部燃烧室的形状将喷油器喷射的燃油导向气缸上部流动，配合燃烧室内形成的挤流，在火花塞附近形成浓混合气。气流导向方式通过燃烧室结构形状设计，配合进气道的导向作用，在气缸内形成涡流和滚流，配合喷射时间实现混合气浓度分层分布，在适当位置设置火花塞可靠点燃混合气。喷雾导向方式配合气缸内的气流特性，合理布置火花塞及喷油器喷射的相对位置实现稀薄燃烧。火花塞安装在靠近喷油器的下游，喷油器喷射的燃油偏向火花塞位置方向，通过喷射时刻和点火时间的合理控制，可靠点燃梯度分布的混合气。

GDI喷射方式不仅能实现均质混合气燃烧，也可实现混合气浓度分层的稀薄燃烧。目前利用GDI技术正在开发研究预混合压燃（PC-CI）和均质压燃（HCCI）技术。

（1）GDI分层稀薄燃烧

GDI分层稀薄燃烧如图9所示。缸内直喷汽油机的启喷压力为2 MPa，采用螺旋气道在缸内产生一定强度的进气涡流，沿气流方向火花塞布置在喷油器下游的油束下方。喷油器顺气流喷射时在缸内气流的作用下喷雾偏向火花塞方向扩散，形成火花塞附近为浓混合气的分层分布。对应喷射时间控制点火时刻实现可靠着火，并向稀薄混合气扩散燃烧；已燃气体被气流带离火花塞区，新鲜气体被带人喷油区，依次循环工作。发动机压缩比可提高到12，从而提高热效率，改善燃油经济性。

（2）GDI滚流分层稀薄燃烧

缸内组织滚流的方式主要有2种。

①对应切向进气道利用燃烧室结构形状，在压缩过程中缸内形成压缩滚流，随压缩过程的进行滚流越来越强，配合喷射时间一在缸内形成不同的混合气浓度分层分布，如图10所示，空燃比可达到40，燃油经济性提高30%，采用40%的EGR率可降低NOx排放达90%。根据发动机不同工况控制喷油器的早喷射和晚喷射，可实现均质燃烧和分层燃烧，也可从小负荷到大负荷实现分层稀薄燃烧。

②采用直立式进气道，进气过程中在气缸内直接产生进气滚流，结合压缩过程中不断加强的滚流强度控制最佳喷射时间，在缸内形成混合气浓度的分层分布，如图11所示，空燃比可达到50，能有效改善发动机的经济性和排放特性。

汽油机采用GDI技术后，经济性可达到或接近柴油机水平，动力性也相应提高，瞬态响应特性明显改善，起动时间短，冷起动时HC排放降低。但仍存在以下问题，需进一步完善。

①分层燃烧对燃油蒸气在气缸内的分布要求高，需喷油时刻、点火时刻、空气运动、喷雾特性和燃烧室形状匹配，否则燃烧不稳定。

②低负荷时HC排放较多，高负荷时NOX排放较多，若燃烧组织不好，有可能形成炭烟。

③由于喷油器安装在燃烧室内，与高温燃气直接接触，所以易堵塞且无自洁作用，直接影响喷雾质量。

④因混合气浓度超出理论空燃比，三元催化转换器不能应用，而稀薄混合气的还原装置成本高，技术难度较大。

⑤气缸和燃料供给系统的磨损加剧。

三、稀薄燃烧的控制方法

目前稀薄燃烧系统精确控制空燃比的方法有空燃比反馈控制式和燃烧压力反馈控制式。

1.空燃比反馈控制式

空燃比反馈控制式稀薄燃烧系统利用空燃比传感器测出排气中的氧浓度，由此求出该循环空燃比的大小，进行下一循环空燃比的反馈控制。空燃比传感器输出的信号为模拟信号，对该信号进行A/D转换，经调幅等前处理后，再输人到ECU中进行排气中氧浓度的测量，并利用储存在ROM中由发动机工况确定的目标空燃比的脉谱图，算出该工况下排气中的目标氧浓度。然后将目标值与实测值进行比较，求出偏差量，并对偏差量进行修正，确定最终的喷射持续时间。空燃比反馈控制流程如图12所示。

2.燃烧压力反馈控制式

燃烧压力反馈控制式稀薄燃烧系统通过燃烧压力传感器直接检测气缸内的燃烧压力，由此求出发动机每循环输出转矩的变动量，并通过空燃比的反馈控制，使发动机输出的实际转矩变动量控制在允许范围内。控制空燃比使实际转矩变动量更接近允许的界限值。与空燃比传感器方式相比，空燃比控制范围更大，可进一步降低NOx排放。