1、Geely Automobile Institute汽油機燃燒技術汽油機燃燒技術Geely Automobile Institute23214Geely Automobile Institute3引言引言 內燃機按照所燃用燃料的不同可分成：內燃機按照所燃用燃料的不同可分成： 汽油機、柴油機和代用燃料發動機（汽油機、柴油機和代用燃料發動機（CNG、LPG） 按照燃燒方式的不同：按照燃燒方式的不同： 火花點火燃燒火花點火燃燒汽油機汽油機 壓縮著火燃燒壓縮著火燃燒柴油機柴油機 目前，汽油機廣泛應用于轎車上。目前，汽油機廣泛應用于轎車上。 加深對汽油機燃燒工作原理的認識。加深對汽油機燃燒工作原理的認識

2、。Geely Automobile Institute43124Geely Automobile Institute5傳統汽油發動機燃燒傳統汽油發動機燃燒 對于四沖程發動機而言，一個完整的工作循環對于四沖程發動機而言，一個完整的工作循環由進氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣四個沖程組成。由進氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣四個沖程組成。 通常將內燃機從排氣門開啟至進氣門關閉的整通常將內燃機從排氣門開啟至進氣門關閉的整個過程稱為內燃機的充量更換過程。個過程稱為內燃機的充量更換過程。 整個過程是將已燃氣體排出并為下一循環吸入整個過程是將已燃氣體排出并為下一循環吸入新鮮充量，因此整個過程充量更換的完善程度新鮮充量，因

3、此整個過程充量更換的完善程度對于燃燒有重要的影響。對于燃燒有重要的影響。Geely Automobile Institute6排氣提前（EO）：如果排氣門剛好在膨脹行程下止點時開啟，則排氣流通截面增加過緩，缸內壓力下降緩慢，活塞在向上止點運動時將造成較大的反壓力，增大排氣行程所消耗的功，因此排氣門要提前開啟。排氣滯后（EC）：活塞上行，排氣門流通截面逐漸縮小，氣門處的節流作用加強，因此TDC處壓力再次上升，使得排氣所消耗的功與缸內的殘余廢氣量增加，因此排氣門在上止點后一定角度再關，利用缸內氣體運動規律進一步將廢氣排出，實現過后排氣，故而排氣門要在TDC點后一定角度關閉。充量更換之排氣過程充量更

4、換之排氣過程Geely Automobile Institute7進氣提前（IO）：為了使得在進氣過程開始時，進氣門有一定的流通截面，減少進氣過程的阻力，增加進入氣缸的新鮮充量，進氣門也一般在上止點（TDC）前提前開啟。進氣滯后（IC）：為了充分利用吸氣過程中形成的進氣管內氣流的流動慣性，實現缸內的過后充氣，進氣門不在下止點關閉，而是在下止點后一定角度關閉充量更換之進氣過程充量更換之進氣過程Geely Automobile Institute8充量更換之疊開角充量更換之疊開角 進氣早開、排氣晚關使得存在進、進氣早開、排氣晚關使得存在進、排氣門同時開啟的現象，通常將排氣門同時開啟的現象，通常將這

5、一現象稱為氣門疊開。這一現象稱為氣門疊開。此時，進氣管、氣缸、排氣管三者直接相通，此時，進氣管、氣缸、排氣管三者直接相通，這樣部分新鮮充量直接排入排氣管中，一方面這樣部分新鮮充量直接排入排氣管中，一方面有利于掃除缸內的殘余廢氣，增加氣缸充量；有利于掃除缸內的殘余廢氣，增加氣缸充量；一方面可以降低燃燒室內的氣缸蓋、排氣門、一方面可以降低燃燒室內的氣缸蓋、排氣門、活塞頂、缸套的溫度。活塞頂、缸套的溫度。合適的疊開角一方面可以改善缸內充量，另外合適的疊開角一方面可以改善缸內充量，另外還可以達到對受熱嚴重的部位進行冷卻。還可以達到對受熱嚴重的部位進行冷卻。但過大的疊開角將使得部分高溫廢氣有可能倒但過大

6、的疊開角將使得部分高溫廢氣有可能倒流入進氣管中，引起進氣管回火。同時對汽油流入進氣管中，引起進氣管回火。同時對汽油機而言，新鮮充量是油氣混合物，疊開角過大機而言，新鮮充量是油氣混合物，疊開角過大將導致燃料的損失以及排氣中未燃將導致燃料的損失以及排氣中未燃HC的排放的排放增加。增加。Geely Automobile Institute9充量更換之缸內流動充量更換之缸內流動 研究表明，內燃機缸內空氣運動對混合氣形研究表明，內燃機缸內空氣運動對混合氣形成和燃燒過程有決定性影響，因而也影響發成和燃燒過程有決定性影響，因而也影響發動機的動力性、經濟性、燃燒噪音和有害廢動機的動力性、經濟性、燃燒噪音和有害

7、廢氣的排放。氣的排放。 一般來說，缸內的空氣運動有渦流、滾流、一般來說，缸內的空氣運動有渦流、滾流、擠流和湍流幾種。擠流和湍流幾種。 進氣渦流：在進氣過程中形成，繞氣缸軸線進氣渦流：在進氣過程中形成，繞氣缸軸線有組織的氣流運動，它的主要作用是增加火有組織的氣流運動，它的主要作用是增加火焰傳播速率，實現快速燃燒。焰傳播速率，實現快速燃燒。 產生進氣渦流的方法：導氣屏、切向氣道、產生進氣渦流的方法：導氣屏、切向氣道、螺旋氣道螺旋氣道Geely Automobile Institute10充量更換之缸內流動充量更換之缸內流動 導氣屏：強制空氣從導氣屏的前導氣屏：強制空氣從導氣屏的前面流出，依靠氣缸壁

8、面約束，產面流出，依靠氣缸壁面約束，產生旋轉氣流。生旋轉氣流。 這種方法在試驗時調整方便，通這種方法在試驗時調整方便，通常在單缸機上作測試用，為新氣常在單缸機上作測試用，為新氣道的設計提供參考意見。道的設計提供參考意見。 由于氣門上有到氣屏，為保證工由于氣門上有到氣屏，為保證工作時的氣流旋轉方向和強度，進作時的氣流旋轉方向和強度，進氣門必須有導向裝置，使結構變氣門必須有導向裝置，使結構變得復雜，制造成本增加。得復雜，制造成本增加。Geely Automobile Institute11充量更換之缸內流動充量更換之缸內流動 切向氣道：切向氣道形狀較平直，在切向氣道：切向氣道形狀較平直，在氣門座前

9、強烈收縮，引導氣流以單邊氣門座前強烈收縮，引導氣流以單邊切線方向進入氣缸，切線方向進入氣缸， 對氣口的位置較敏感，沙芯誤差對氣對氣口的位置較敏感，沙芯誤差對氣道的質量影響較大道的質量影響較大。 螺旋氣道：在氣門座上方的氣門腔內螺旋氣道：在氣門座上方的氣門腔內做成螺旋形，使氣流在螺旋氣道內就做成螺旋形，使氣流在螺旋氣道內就形成一定強度的旋轉。形成一定強度的旋轉。 采用強渦流螺旋氣道燃燒室的性能與采用強渦流螺旋氣道燃燒室的性能與氣道質量的關系極為密切，因此就大氣道質量的關系極為密切，因此就大大提高了對鑄造工藝和加工的要求大提高了對鑄造工藝和加工的要求Geely Automobile Institu

10、te12充量更換之缸內流動充量更換之缸內流動滾流：進氣過程中，繞垂直于氣缸軸線有組織的空氣旋流。滾流：進氣過程中，繞垂直于氣缸軸線有組織的空氣旋流。滾流在壓縮過程中其動量衰減較少，活塞接近于滾流在壓縮過程中其動量衰減較少，活塞接近于TDCTDC時，時，大尺度的滾流將破裂成眾多小尺度的渦，使湍流強度和湍大尺度的滾流將破裂成眾多小尺度的渦，使湍流強度和湍流動能增加，大大提高火焰傳播速率，改善發動機性能。流動能增加，大大提高火焰傳播速率，改善發動機性能。這種方式較適宜用于四氣門汽油機上，特別是在缸內直噴這種方式較適宜用于四氣門汽油機上，特別是在缸內直噴汽油機上具有十分重要的地位。汽油機上具有十分重要

11、的地位。Geely Automobile Institute13充量更換之缸內流動充量更換之缸內流動 擠流：在壓縮過程后期，活塞表面的某一部擠流：在壓縮過程后期，活塞表面的某一部分和氣缸蓋彼此靠近時產生的徑向或橫向氣分和氣缸蓋彼此靠近時產生的徑向或橫向氣流運動。其強度主要由擠氣面積和擠氣間隙流運動。其強度主要由擠氣面積和擠氣間隙的大小決定。的大小決定。 擠流在汽油機上得到了廣泛的應用：汽油機擠流在汽油機上得到了廣泛的應用：汽油機的燃燒室比較緊湊，這樣就有利于組織較強的燃燒室比較緊湊，這樣就有利于組織較強的擠流運動，以增強燃燒室內的湍流強度，的擠流運動，以增強燃燒室內的湍流強度，促進混合氣快速燃

12、燒。促進混合氣快速燃燒。 湍流：在氣缸內形成的無規則的氣流運動。湍流：在氣缸內形成的無規則的氣流運動。 在汽油機上主要用于提高火焰傳播速度。在汽油機上主要用于提高火焰傳播速度。Geely Automobile Institute14 汽油機供油方式的歷史發展汽油機供油方式的歷史發展 在時間上可分在時間上可分為三個階段：為三個階段：1.1. 2020世紀世紀9090年代前，年代前，化 油 器 式 汽 油 機化 油 器 式 汽 油 機（carburetorcarburetor）2.2. 9090年代開始，進氣年代開始，進氣道多點電噴式汽油道多點電噴式汽油機（機（MPIMPI）3.3. 9090年代

13、后期開始出年代后期開始出現，缸內直噴汽油現，缸內直噴汽油機（機（GDIGDI）。）。 汽油機供油方式的變遷汽油機供油方式的變遷 混合氣的形成混合氣的形成Geely Automobile Institute15汽油機的燃燒過程汽油機的燃燒過程 進到缸內的新鮮混合氣在壓縮進到缸內的新鮮混合氣在壓縮沖程末期，通過火花點燃，實沖程末期，通過火花點燃，實現著火燃燒。現著火燃燒。通常把汽油機燃燒的實際燃燒人為的分成著火通常把汽油機燃燒的實際燃燒人為的分成著火階段、速燃期和后燃期三個階段階段、速燃期和后燃期三個階段1-21-2：著火階段：電火花跳火到形成火焰核心階段：著火階段：電火花跳火到形成火焰核心階段2

14、 2-3-3：速燃期：火焰核心遍布整個燃燒室：速燃期：火焰核心遍布整個燃燒室3-43-4： 后燃期：速燃期終點到燃料基本完全燃燒后燃期：速燃期終點到燃料基本完全燃燒 一般來說，為了保證汽油機工作柔和和好的動力性，一般應使一般來說，為了保證汽油機工作柔和和好的動力性，一般應使2 2點在點在TDCTDC前前12-15CA12-15CA，最高燃燒壓力點，最高燃燒壓力點3 3在在TDCTDC后后12-15CA12-15CA，壓力，壓力升高率升高率dp/ddp/d為為0.175-0.25MPa/CA 0.175-0.25MPa/CA 。Geely Automobile Institute16汽油機的燃燒

15、過程汽油機的燃燒過程 可燃混合氣著火以后，形成火焰核心，可燃混合氣著火以后，形成火焰核心，此火焰中心以一定的速率傳播到整個燃此火焰中心以一定的速率傳播到整個燃燒室。燒室。1 1、層流火焰傳播速率：火焰前鋒面相對、層流火焰傳播速率：火焰前鋒面相對于未燃混合氣的相對速率，對發動機使于未燃混合氣的相對速率，對發動機使用的混合氣，其值在用的混合氣，其值在0.41.8ms0.41.8ms之間。之間。2 2、湍流火焰速率：缸內存在湍流，大標、湍流火焰速率：缸內存在湍流，大標尺的湍流將使火焰前鋒面發生扭曲，除尺的湍流將使火焰前鋒面發生扭曲，除了使其面積增大外，還可使火焰前鋒分了使其面積增大外，還可使火焰前鋒

16、分裂成許多燃燒中心，導致湍流火焰速率裂成許多燃燒中心，導致湍流火焰速率大大增加，小標尺的湍流也可大大增加大大增加，小標尺的湍流也可大大增加焰面中分子與新鮮混合氣分子的相互滲焰面中分子與新鮮混合氣分子的相互滲透，因此使湍流速率增加。透，因此使湍流速率增加。Geely Automobile Institute17汽油機的燃燒過程汽油機的燃燒過程 燃燒循環變動：發動機在某一工況穩定運行時，不同燃燒循環變動：發動機在某一工況穩定運行時，不同循環燃燒過程進行情況不斷變化，具體表現在缸內壓循環燃燒過程進行情況不斷變化，具體表現在缸內壓力曲線和發動機功率輸出的變化。力曲線和發動機功率輸出的變化。汽油機中典型

17、的循環壓力變動情況稀混合氣COVimep = 4.5%濃混合氣COVimep = 3.6%Geely Automobile Institute18產生燃燒循環變動的原因 導致點燃式發動機燃燒循環變動的原因很多，以下導致點燃式發動機燃燒循環變動的原因很多，以下兩個因素被認為是最主要的：兩個因素被認為是最主要的： Geely Automobile Institute19產生燃燒循環變動的原因 Geely Automobile Institute20汽油機的燃燒過程汽油機的燃燒過程 一個典型工況下的循環變動一個典型工況下的循環變動Geely Automobile Institute21汽油機的不正常

18、燃燒汽油機的不正常燃燒在某些條件下，汽油機的在某些條件下，汽油機的燃燒會變得不正常。常見燃燒會變得不正常。常見的不正常燃燒有爆燃（爆的不正常燃燒有爆燃（爆震燃燒）和表面點火震燃燒）和表面點火輕微的爆燃，發動機的功輕微的爆燃，發動機的功率略有上升率略有上升 。強烈爆燃，輸出功率、熱強烈爆燃，輸出功率、熱效率降低，零件的應力增效率降低，零件的應力增大，加速發動機的磨損。大，加速發動機的磨損。爆燃：在爆燃：在TDCTDC處出現壓力處出現壓力升高率急劇波動，火焰升高率急劇波動，火焰傳播速度和火焰前鋒形傳播速度和火焰前鋒形狀發生急劇變化。狀發生急劇變化。Geely Automobile Institut

19、e22爆燃的原因 電火花點燃以后，火焰以正常傳播速率電火花點燃以后，火焰以正常傳播速率(30-70m/s)(30-70m/s)向向前推進，使得處于最后燃燒位置上的那部分終燃混合氣，前推進，使得處于最后燃燒位置上的那部分終燃混合氣，在壓縮終點溫度的基礎上進一步受到壓縮和熱輻射，加在壓縮終點溫度的基礎上進一步受到壓縮和熱輻射，加速其先期反應，并放出部分熱量，使本身的溫度不斷升速其先期反應，并放出部分熱量，使本身的溫度不斷升高，以致在正常火焰未到達前，終燃混合氣內部最適宜高，以致在正常火焰未到達前，終燃混合氣內部最適宜著火部位已出現一個或數個火焰中心，并從這些中心以著火部位已出現一個或數個火焰中心，

20、并從這些中心以100-300m100-300ms(s(輕微爆燃輕微爆燃) )直到直到800-1000m/s800-1000m/s或更高的速或更高的速率率( (強烈爆燃強烈爆燃) )傳播火焰，迅速將終燃混合氣燃燒完畢。傳播火焰，迅速將終燃混合氣燃燒完畢。 因此，汽油機的爆燃現象就是終燃混合氣的自燃現象。因此，汽油機的爆燃現象就是終燃混合氣的自燃現象。 最容易發生爆震燃燒的地點：離火焰前鋒面最遠以及具最容易發生爆震燃燒的地點：離火焰前鋒面最遠以及具有高溫的地方（排氣門）。有高溫的地方（排氣門）。Geely Automobile Institute23汽油機的不正常燃燒汽油機的不正常燃燒表面點火：在

21、點燃式發動機中，凡是不靠電火花點火，而由表面點火：在點燃式發動機中，凡是不靠電火花點火，而由于熾熱表面（過熱的火花塞、排氣門、積碳處等）點燃混合于熾熱表面（過熱的火花塞、排氣門、積碳處等）點燃混合氣而引起的燃燒。氣而引起的燃燒。一般而言，爆燃和表面點火是兩種不同的不正常燃燒。爆燃是一般而言，爆燃和表面點火是兩種不同的不正常燃燒。爆燃是在電火花點火后末端混合氣自燃的現象，而表面點火是由熾熱在電火花點火后末端混合氣自燃的現象，而表面點火是由熾熱物點燃混合氣所致。物點燃混合氣所致。但兩者也有一定的相互促進的關系：但兩者也有一定的相互促進的關系： 強烈的爆燃必然增加向氣缸壁的傳熱，從而促使熾熱點的形強

22、烈的爆燃必然增加向氣缸壁的傳熱，從而促使熾熱點的形成，導致表面點火；由這些熾熱點引起的表面點火又使得氣缸成，導致表面點火；由這些熾熱點引起的表面點火又使得氣缸壓力升高率和最高燃燒壓力增加，從而使壓力升高率和最高燃燒壓力增加，從而使 未燃混合氣受到較未燃混合氣受到較大的壓縮和傳熱，從而促進爆燃的發生。大的壓縮和傳熱，從而促進爆燃的發生。Geely Automobile Institute242134Geely Automobile Institute25缸內噴射（缸內噴射（GDI）技術）技術汽油缸內直噴（汽油缸內直噴（GDI：Gasoline Direct Injection）是指汽油機采用與柴

23、油機燃）是指汽油機采用與柴油機燃料噴射相同的方式將燃料通過安裝在缸料噴射相同的方式將燃料通過安裝在缸蓋上的噴油器直接噴到缸內使之燃燒的蓋上的噴油器直接噴到缸內使之燃燒的一種新型技術。一種新型技術。噴嘴火花塞當燃油直接噴到缸內時，可自由控制燃當燃油直接噴到缸內時，可自由控制燃燒室內的燃油分布，利用優化設計的進燒室內的燃油分布，利用優化設計的進氣道與活塞形成空氣流動，實現混合氣氣道與活塞形成空氣流動，實現混合氣在缸內分層分布，由此可獲得在傳統發在缸內分層分布，由此可獲得在傳統發動機中不可達到的稀空燃比（如動機中不可達到的稀空燃比（如40:140:1），），實現超稀薄混合氣穩定燃燒。實現超稀薄混合氣

24、穩定燃燒。這種系統主要的目的是實現汽油混合氣這種系統主要的目的是實現汽油混合氣在氣缸內的分層燃燒，降低汽油機的燃在氣缸內的分層燃燒，降低汽油機的燃油消耗率，特別是低負荷工況下的燃油油消耗率，特別是低負荷工況下的燃油消耗率，同時也能夠實現較好的缸內排消耗率，同時也能夠實現較好的缸內排放凈化效果。放凈化效果。Geely Automobile Institute26GDIGDI與與MPIMPI的對比的對比進氣門關閉時將燃油噴在各缸進氣閥進氣門關閉時將燃油噴在各缸進氣閥的背面，形成混合氣，同時有大量的的背面，形成混合氣，同時有大量的燃油附著在進氣道和氣門表面。在進燃油附著在進氣道和氣門表面。在進氣沖程

25、時才使油氣混合物進入氣缸。氣沖程時才使油氣混合物進入氣缸。在冷起動時蒸發更不完全，在進氣道、在冷起動時蒸發更不完全，在進氣道、進氣閥背部表面形成的油膜使得實際進氣閥背部表面形成的油膜使得實際噴入的燃油量遠遠超過理論值，以致噴入的燃油量遠遠超過理論值，以致在啟動的前在啟動的前410個循環中會明顯出個循環中會明顯出現失火或部分燃燒現象，導致現失火或部分燃燒現象，導致HC的的排放顯著增加。排放顯著增加。燃油的蒸發主要依賴于進氣道和進氣燃油的蒸發主要依賴于進氣道和進氣閥等熱源對油膜的熱源傳遞，因而無閥等熱源對油膜的熱源傳遞，因而無法顯著冷卻缸內混合氣負荷的變化依法顯著冷卻缸內混合氣負荷的變化依靠節氣門

26、調節，較大的泵氣損失導致靠節氣門調節，較大的泵氣損失導致熱效率下降熱效率下降 噴射壓力較低，一般為噴射壓力較低，一般為3.5barMPI供油方式供油方式在缸內直接噴射汽油，沒有燃油著壁在缸內直接噴射汽油，沒有燃油著壁問題；可以在進氣行程噴油，也可以問題；可以在進氣行程噴油，也可以在壓縮行程噴油，從而提高燃料利用在壓縮行程噴油，從而提高燃料利用率率燃油是以較細的霧化顆粒形式進入氣燃油是以較細的霧化顆粒形式進入氣缸，在蒸發氣化過程中從周圍的空氣缸，在蒸發氣化過程中從周圍的空氣中吸熱，可以有效地降低缸內溫度；中吸熱，可以有效地降低缸內溫度；同時可以實現混合氣分層，實現稀薄同時可以實現混合氣分層，實現

27、稀薄燃燒，空燃比可以達到燃燒，空燃比可以達到4040：1 1，既可降，既可降低低CO2CO2的排放，又可提高壓縮比，從而的排放，又可提高壓縮比，從而提高熱效率提高熱效率可以不用節氣門，節流損失少。進一可以不用節氣門，節流損失少。進一步改善燃料利用率步改善燃料利用率冷起動時可以精確控制混合氣濃度，冷起動時可以精確控制混合氣濃度，HCHC排放量不大。在第二個循環就可以排放量不大。在第二個循環就可以正常燃燒。另外，沒有著壁存在，所正常燃燒。另外，沒有著壁存在，所以以HCHC的排放顯著降低。的排放顯著降低。噴射壓力較高，噴射壓力較高，50150 bar50150 bar瞬態工況響應性有望改善，更精確的

28、瞬態工況響應性有望改善，更精確的控制空燃比控制空燃比GDI供油方式供油方式Geely Automobile Institute27GDI的兩種工作方式的兩種工作方式分層燃燒和均質燃燒分層燃燒和均質燃燒 一般來說，按照混合氣在缸內的分布情況，一般來說，按照混合氣在缸內的分布情況，可將可將GDI燃燒分成均質和分層燃燒兩種。燃燒分成均質和分層燃燒兩種。Geely Automobile Institute28均質燃燒對均質預混合燃燒而言：對均質預混合燃燒而言：盡管稀薄燃燒指的是要比理論空燃比盡管稀薄燃燒指的是要比理論空燃比14.7更稀的燃燒，但在實際應用中更稀的燃燒，但在實際應用中為了保證各缸不失火，

29、混合氣不能太稀，實際的空燃比控制在以理論空為了保證各缸不失火，混合氣不能太稀，實際的空燃比控制在以理論空燃比為核心的一個狹窄區域內，也就是說把實際空燃比控制在燃比為核心的一個狹窄區域內，也就是說把實際空燃比控制在25以內。以內。燃油按照化學當量比或稍濃在進氣行程早期噴入汽缸形成均勻混合氣燃油按照化學當量比或稍濃在進氣行程早期噴入汽缸形成均勻混合氣蒸發吸熱、充氣效率提高、所需燃料辛烷值下降、壓縮比可提高（蒸發吸熱、充氣效率提高、所需燃料辛烷值下降、壓縮比可提高（12）主要應用在高轉速大負荷主要應用在高轉速大負荷這種方式存在的主要問題：這種方式存在的主要問題：a a）為保證所要求的空燃比，只能采用

30、進氣管節流的方式對混合氣充量進）為保證所要求的空燃比，只能采用進氣管節流的方式對混合氣充量進行調節，這就會引起較大的泵氣損失，從而造成低負荷時的燃油經濟性行調節，這就會引起較大的泵氣損失，從而造成低負荷時的燃油經濟性較差。較差。b b）由于缸內充滿了均勻的易著火和燃燒的混合氣，容易產生爆燃，因此）由于缸內充滿了均勻的易著火和燃燒的混合氣，容易產生爆燃，因此限定了壓縮比的提高，從而使熱效率降低。限定了壓縮比的提高，從而使熱效率降低。c c）這種條件下所采用的混合氣比熱容較低，既降低了熱效率，也使）這種條件下所采用的混合氣比熱容較低，既降低了熱效率，也使NOxNOx的排放較高。的排放較高。Geel

31、y Automobile Institute29分層燃燒分層燃燒由于均質預混合燃燒的缺點，使得目前以由于均質預混合燃燒的缺點，使得目前以分層進氣（分層燃燒）為主要分層進氣（分層燃燒）為主要特征的特征的非均質燃燒是實現稀薄燃燒的主要方式。非均質燃燒是實現稀薄燃燒的主要方式。采用分層充氣燃燒，可提高稀燃界限，以保證在空燃比大于采用分層充氣燃燒，可提高稀燃界限，以保證在空燃比大于2020的條件下的條件下在火花塞附近形成易著火的可燃混合氣，而在周邊區域和燃燒室的大部在火花塞附近形成易著火的可燃混合氣，而在周邊區域和燃燒室的大部分區域是稀混合氣。在濃稀之間，有從濃到稀的各種空燃比混合氣，有分區域是稀混合

32、氣。在濃稀之間，有從濃到稀的各種空燃比混合氣，有利于火焰的傳播。利于火焰的傳播。分層燃燒缸內直噴發動機的空燃比的稀限可以提高到分層燃燒缸內直噴發動機的空燃比的稀限可以提高到4040以上。以上。小負荷工況不需要關小節氣門來限制進氣量小負荷工況不需要關小節氣門來限制進氣量 ，基本上避免了發動機換氣，基本上避免了發動機換氣過程中的泵氣損失。過程中的泵氣損失。大空燃比時，由于混合氣物性的改變，絕熱指數增加，傳熱損失減少，大空燃比時，由于混合氣物性的改變，絕熱指數增加，傳熱損失減少，發動機的熱效率進一步提高。發動機的熱效率進一步提高。汽車發動機經常在小負荷工況下工作，因此采用這種燃燒方式工作時，汽車發動

33、機經常在小負荷工況下工作，因此采用這種燃燒方式工作時，可使其平均油耗降低可使其平均油耗降低15-20%15-20%，NOxNOx排放顯著降低。排放顯著降低。但為了使發動機在燃用稀混合氣時工作穩定可靠，需同時實現：但為了使發動機在燃用稀混合氣時工作穩定可靠，需同時實現：q 改善混合氣的制備和分層；改善混合氣的制備和分層；q 控制燃燒過程，使之實現快速燃燒；控制燃燒過程，使之實現快速燃燒；q 改進或強化點火系。改進或強化點火系。Geely Automobile Institute30福特福特PROCOPROCO稀燃系統：稀燃系統：美國福特公司的美國福特公司的PROCOPROCO（Programme

34、d Programmed Combustion ProcessCombustion Process，程序化燃燒過程），程序化燃燒過程）是是GDIGDI稀燃方式中應用較早的系統。稀燃方式中應用較早的系統。其層狀燃燒系統采用統一式汽油直接噴射。其層狀燃燒系統采用統一式汽油直接噴射。利用螺旋氣道形成渦流，汽油由噴油器直利用螺旋氣道形成渦流，汽油由噴油器直接噴入燃燒室內，噴油器兩側各裝一只火接噴入燃燒室內，噴油器兩側各裝一只火花塞，在火花塞附近分層為濃混合氣，利花塞，在火花塞附近分層為濃混合氣，利用渦流和滾流進行油氣混合。噴油隨負荷用渦流和滾流進行油氣混合。噴油隨負荷的增大逐漸提前，使混合氣近于均勻。

35、的增大逐漸提前，使混合氣近于均勻。燃油在缸內霧化需要吸收熱量，燃油在缸內霧化需要吸收熱量， 因此使因此使混合氣溫度下降，充量增加，從而使發動混合氣溫度下降，充量增加，從而使發動機可采用更高的壓縮比。機可采用更高的壓縮比。福特PROCO稀燃系統低速時功率可增加低速時功率可增加5-10%5-10%，部分負荷和怠，部分負荷和怠速時的油耗可分別降低速時的油耗可分別降低5%5% 和和12%12% 。與進。與進氣管單點噴射（氣管單點噴射（PFIPFI）相比，）相比，NOxNOx和冷啟動和冷啟動時未燃時未燃HCHC排放降低。排放降低。幾種典型的幾種典型的GDI燃燒方式燃燒方式Geely Automobile

36、 Institute31三菱三菱4G系列缸內直噴稀燃發動機系列缸內直噴稀燃發動機Geely Automobile Institute32立式進氣道與傳統進氣道比較彎彎曲曲頂頂面面活活塞塞分層混合氣形成過程分層混合氣形成過程立立式式進進氣氣道道Geely Automobile Institute33三菱三菱4G1.8L GDI發動機發動機發動機前視圖發動機前視圖1.8L 1.8L 直列直列4 4缸、缸、4 4閥、雙頂置凸輪軸閥、雙頂置凸輪軸噴油控制策略外特性曲線對比Geely Automobile Institute34豐田豐田D-4稀燃系統稀燃系統 進氣道上裝有電子渦流控制閥（進氣道上裝有電子

37、渦流控制閥（E-SCVE-SCV），可形成不），可形成不同角度的斜向進氣渦流，促進缸內混合氣的形成。同角度的斜向進氣渦流，促進缸內混合氣的形成。 燃燒室為半球屋頂形，活塞頂部有深凹坑，與進氣燃燒室為半球屋頂形，活塞頂部有深凹坑，與進氣渦流旋轉方向及高精度的噴油時間和噴油方向協同控渦流旋轉方向及高精度的噴油時間和噴油方向協同控制，在火花塞周圍形成較濃的易點燃的混合氣區域。制，在火花塞周圍形成較濃的易點燃的混合氣區域。Geely Automobile Institute35豐田豐田D-4稀燃系統稀燃系統采用高壓（采用高壓（813MPa）旋流噴嘴，可實現高度微粒化（噴霧粒度小于）旋流噴嘴，可實現高度

38、微粒化（噴霧粒度小于5微米）噴射，微米）噴射，以抑制擴散燃燒產生的碳煙。以抑制擴散燃燒產生的碳煙。靈活的電噴系統：可對不同工況采用不同的燃燒方式，保證所有工況下都能穩定燃靈活的電噴系統：可對不同工況采用不同的燃燒方式，保證所有工況下都能穩定燃燒。燒。 低負荷及部分負荷：壓縮沖程后期噴油，形成明顯的分層燃燒；低負荷及部分負荷：壓縮沖程后期噴油，形成明顯的分層燃燒； 高速及大負荷：高速及大負荷： 進氣沖程就開始噴油，形成均質化學計量比燃燒；進氣沖程就開始噴油，形成均質化學計量比燃燒； 其余工況：有弱分層燃燒和均質燃燒兩個區域。其余工況：有弱分層燃燒和均質燃燒兩個區域。采用電控采用電控EGR系統控制分層燃燒時系統控制分層燃燒時NOx的產生的產生帶有寬域氧傳感器、緊湊耦合三效催化器和吸附還原型稀燃主催化器降低帶有寬域氧傳感器、緊湊耦合三效催化器和吸附還原型稀燃主催化器降低NOx排放。排放。通過裝有該發動機的整車工況試驗顯示，油耗比傳統汽油機節油通過裝有該發動機的整車工況試驗顯示，油耗比傳統汽油機節油35%采用稀燃方式并保證燃燒穩定性后，怠速時的穩定工作轉速可降至采用稀燃方式并保證燃燒穩定性后，怠速時的穩定工作轉速可降至600r/min600r/min，由此可節油，由此可節油4040% %。由于稀燃界限擴大，較以化學計量比工作的普通汽油機節油由于稀燃界限擴大，較以化學計量比工作的普通汽油機