稀燃发动机技术的发展


“缸内喷注式汽油发动机”一文中,提到了“稀燃”技术。什么叫稀燃?顾名思义就是发动机混合气中的汽油含量低,汽油与空气之比可达1:25以上。

其实,在20多年前就已经有人在研究稀燃技术。面对21世纪70年代初欧美国家的排放规定以及石油危机引起的降低油耗的需求,人们探索了由稀混合气运行,用氧化催化剂净化排气的方法,采用了一种带副燃烧室的发动机。这种由丰田及本田公司发明的燃烧方式由于从副燃烧室喷出火焰会造成热能损失,稀混合气发动机改进对油耗的效果不明显。

从那以后,随着进气口的改进,气缸内旋涡生成技术的进步,由通用、福特、丰田、本田、日产等汽车公司先后搞成的开口式燃烧室可以形成比带副燃烧室还好的稀薄混合气燃烧,并且随着进气口燃料喷射技术的发展和稀混合气传感器技术的开发,精密控制空燃比已成为可能。80年代中期,丰田正式使稀混合气发动机(T-LCS)产品化,三菱、本田也相继将其产品实行产品化。

进入90年代,三菱汽车公司研制出来的缸内直喷技术使稀燃技术又进了一步。目前,各大公司都拥有自己的稀燃技术,其共同点都是利用缸内涡流运动,使聚集在火花塞附近的混合气最浓,先被点燃后迅速向外层推进燃烧,并有较高的压缩比。

比较著名的三菱缸内喷注汽油机(GDI),可令混合比达到40:1。
它采用立式吸气口方式,从气缸盖的上方吸气的独特方式产生强大的下沉气流。这种下沉气流在弯曲顶面活塞附近得到加强并在气缸内形成纵向涡旋转流。在高压旋转喷注器的作用下,压缩过程后期被直接喷注进气缸内的燃料形成浓密的喷雾,喷雾在弯曲顶面活塞的顶面空间中不是扩散而是气化。
这种混和气被纵向涡旋转流带到火花塞附近,在火花塞四周形成较浓的层状混和状态。这种混合状态虽从燃烧室整体来看十分稀薄,但由于呈现从浓厚到稀薄的层状分布,因此能保证点火并实现稳定燃烧。

大众的直喷汽油发动机(FSI),则是采用了一个高压泵,汽油通过一个分流轨道(共轨)到达电磁控制的高压喷射气门。它的特点是在进气道中已经产生可变涡流,使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内,以分层填充的方式推动,使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。

本田最新的VTEC发动机也将采用稀燃技术。这款取名为VTEC-i 2.0升发动机将比一般本田发动机省油20%,其特点是将VTEC技术与稀燃技术相结合,也是当低转速时令其中一组进气门关闭,在燃烧室内形成一道稀薄的混合气体涡流,层状分布集结在火花塞周围作点燃引爆,从而起到稀薄燃烧作用。

综上所述,汽车汽油发动机实现稀燃的关键技术归纳起来有以下三个主要方面:

一、提高压缩比
采用紧凑型燃烧室,通过进气口位置改进使缸内形成较强的空气运动旋流,提高气流速度;将火花塞置于燃烧室中央,缩短点火距离;提高压缩比至13:1左右,促使燃烧速度加快。

二、分层燃烧
如果稀燃技术的混合比达到25:1以上,按照常规是无法点燃的,因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气,混合比达到12:1左右,外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后,燃烧迅速波及外层。为了提高燃烧的稳定性,降低氮氧化物(NOx),现在采用燃油喷射定时与分段喷射技术,即将喷油分成两个阶段,进气初期喷油,燃油首先进入缸内下部随后在缸内均匀分布,进气后期喷油,浓混合气在缸内上部聚集在火花塞四周被点燃,实现分层燃烧。

三、高能点火
高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成,火焰传播距离缩短,燃烧速度增快,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。

以上三点只是对整体汽油发动机稀燃技术而言,具体到某种机型会有所偏重。因为各种汽油发动机稀燃方式的技术措施不完全一样,甚至同一部发动机在不同的工况下稀燃方式也会不完全一样。有些着重缸内气流运动及燃油分布的配合,重点在分层燃烧。有些着重加大点火能量、增快火焰传播速度和缩短火焰传播距离,重点在高能点火。

车汇通
2001年9月15日

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