汽油发动机燃烧研究进展
Alex C. Alkidas
奥克兰大学、 机电工程署、工程和计算机科学学院，罗切斯特，ＭＩ48309-4478，美国，在线，２００７年９月１１日。
摘 要
本文是关于汽油机上用于减少燃油消耗和发动机排放的最新燃烧研究进展，及其相关技术的一篇综述。为了优化在转速/负荷范围内的燃烧，发动机应该以三种燃烧模式运行：分层充量点燃（SCSI）、均质充量点燃（HCSI）和均质充量压燃（HCCI）。能够实现这一目标，最大程度降低油耗和排放的重要技术是：导向喷射直喷系统，灵活可变气门机构以及基于发动机控制的缸内压力。
关键词：汽油机；火花点火；DISI；HCCI；HCSI；HCSI；直喷；压燃；分层燃烧。
1.简介：
全世界绝大多数的乘用车都装载了进气道喷射（PFI），火花点火式汽油机。尽管这类发动机取得了长足的进步，然而它的局限性根本不能克服，因此我们已经找到了能够克服其中一个或者更多局限的其它类型的汽油机。让PFI，SI，汽油机性能变坏的基本局限是：（a）在部分负荷工况下导致很大泵气损失的节气门负荷控制方式；（b）在低速或者高负荷工况下汽油的爆震倾向导致了发动机压缩比的降低；（c）3效排气后处理系统要求发动机在化学当量空燃比的工况下运行，这就导致了由于产生高浓度的二氧化碳和水的聚合物而使混合气具有不好的特性（偏低率的比热）；（d）主要由于裂缝油气而导致较高的未燃碳氢排放；（e）由化学当量比燃烧引起的燃烧温度过高导致较高的NO排放量。
其中局限（a）-（c）使发动机的油耗极大的增加。另一方面，较高的发动机HC和NO排放物并不是问题，因为在化学当量工况下的发动机具有很高的三效催化转化效率。
能够解决上述问题、在乘用车用发动机上有巨大潜力的两种汽油机燃烧技术是直喷（DI）分层燃烧点燃技术（SCSI）和均匀充量压燃技术（HCCI）。这些技术都使用了完全稀薄燃烧，并采取了高度稀释和无节气门操作。和PFI汽油机相比，DI SCSI发动机极大地降低了燃油消耗和发动机排气中的NO排放量，在HC排放量上性能相当。HCCI发动机在降低燃油消耗性能上和DI SCSI发动机相似，并且在NO排放量的降低上有着不俗的表现（经后处理之后，可减少90%以上），可是HCCI发动机却有着很高的HC排放量。
以上两种发动机技术所具有的共同缺点是它们受限制的转速/负荷范围（小负荷-中等负荷），这就要求发动机使用混合的燃烧模型，稀薄燃烧和较低的排气温度，要实现以上要求所使用的后处理技术与三效催化转换原理不同，这还有待成熟。一个简单的混合燃烧模型发动机实例是两种模型DISI的混合，在较低负荷和转速工况下采用完全稀混合比的分层混合气，当发动机运行在全负荷、高转速工况下，采用均质混合气或者化学当量比混合气模型。本文接下来会介绍更复杂的模型切换。
本文综述了了在DISI发动机上取得的研究进展，能够在分层燃烧工况下运行，提高燃油经济性，提高燃烧稳定性，以及降低发动机排放，同时综述了HCCI燃烧用于实现自动点火控制和过度散热率以及在扩大HCCI燃烧上限的研究进展。加之，本文还讨论了先进汽油机在工作转速/负荷范围内使用不同的燃烧模型所需要的技术。这次研究的仅仅是汽油机，因此只讨论压缩比较低的发动机，如13:1，虽然偶尔也有必要引用一下并没有考虑这一因素的著作。而且由于重点在于研究燃烧，所以不会涉及排气后处理技术。
2.直接喷射火花点火发动机（DISI）
目前有两种主要的DISI技术的变型——“均质”DISI以化学当量比混合气运行，以及混合的DISI模型，混合气在小负荷和低转速工况下以完全的等比稀薄混合气，而在更高的负荷和转速工况下使用“均质”模型。混合的DISI模型拥有最高的燃油经济效益潜力。因此我们只讨论混合模型的DISI发动机。使用稀薄燃烧，泵气损失和传热损失都会减少，并且由于改善的热力学工况，循环效率提高。加之，DISI发动机由于将燃油直接喷射到气缸中而具有附加的充量冷却效果，这使得发动机压缩比得到提高。压缩比的显著提高将大大提高循环效率。
术语名称
AFR 空燃比
BMEP 平均有效压力
BSFC 制动燃油消耗量
bTDC 上止点前
CI 压燃
COMB 燃烧
COV 变化系数
CR 压缩比
DI 直接喷射
DISI 直接喷射火花点火
EGR 排气再循环
EVC 排气门关闭
FE 燃油经济性
HC 碳氢化合物
HCCI 均质充量压缩点燃
HCSI 均质充量火花点燃
HT 传热
IMEP 平均指示压力
IVC 进气门关闭
NEDC 新欧洲行驶循环
NMEP 净平均有效压力
NO 氮氧化合物
NSFC 净燃油消耗量
NVO 负的气门重叠
PUMP 泵气损失
SI 火花点火
VVT 可变气门正时
一种可以应用的DISI发动机模型的实例如图1所示。如上所述，混合DISI发动机模型在小负荷，低转速工况下以分层充量，稀薄混合气运行，而在更高的转速和负荷工况下以“均质”充量运行。均质充量工况可以分为两部分，中等负荷区域的完全稀薄混合气或者高度稀薄混合气，更高负荷区域的化学当量空燃比混合气或者更浓的混合气。在一些情况中，不考虑中等负荷工况，而且当发动机运行在全负荷工况下时，既不使用稀薄分层模型，也不使用化学当量比或者更浓的混合气模型。除最高负荷工况以外，废气再循环被广泛的用于控制NOx排放。使用过量空气和EGR稀释的程度主要取决于最大化燃油经济性的要求，并在同时保证排放和和燃烧稳定性维持在可以接受的水平上。
图1 直喷点燃发动机运行模型 [1].
直喷火花点火发动机的燃烧系统在广义上分为三种类型，如图2所示，根据控制混合气形成的机械结构：气流导向，壁面导向和喷射导向。在气流导向和壁面导向的燃烧系统中，喷油器放置在距火花塞很远的位置上，燃油喷雾被精确定义的缸内气体流动或者与活塞燃烧室的相互作用组织向火花塞方向流动。在喷雾导向燃烧系统中，喷油器和火花塞的近距离布置提供了燃油准备和点火之间强大的连接。
图2. 直喷点火发动机燃烧系统分类 [6].
产品化的第一代DISI发动机的发展主要采用壁面导向燃烧系统，然而，在第二代DISI发动机上最有可能使用喷射导向系统，由于它所具有附加的使燃油经济性提升，使稀薄燃烧工况范围更广以及使发动机排放得到改善的潜力。
壁面或者充量流动导向系统的SIDI发动机相对于进气道喷射发动机来说具有燃油经济性优势的主要原因是：更低的泵气损失，由于使用稀燃使混合气特性更好，由于更低的充量温度使热耗损更低，直接喷射的充量冷却效果使压缩比更高。如果没有更低的燃烧效率，逐步燃烧损失和更高的摩擦损失SIDI发动机燃油经济性的优势会更大。在喷雾导向的SIDI发动机实例中，燃烧效率损失和逐步燃烧损失都变得更小，使喷雾导向系统相对壁面或者充量导向系统在燃油经济性上有了质的提高。
图3清楚地说明了许多专家实测过的分层DISI燃烧的次优阶段，比较了了各种分层和均质燃烧系统的热扩散过程。与均质火花点火（最优阶段）相比较，两种燃烧系统中，分层燃烧系统是更先进的，均质燃烧系统导致了无用功的增加，结果使发动机效率降低。图三也对早在上文讨论过的喷雾导向系统相对于壁面导向系统的进程优势有所说明。
发动机模拟计算比较一款压缩比11.2的DISI发动机和相应的一款压缩比9.4的进气道喷射发动机，结果显示DISI发动机的制动效率高出进气道喷射发动机15%，从而在FTP循环中有高出进气道喷射式发动机燃油经济性15%的优势。图4展示了影响燃油经济性各种因素的作用。提高DISI发动机燃油经济性的有力因素是从压缩比（CR），混合气传热特性以及泵吸几方面获得；消极影响因素则是从燃烧，摩擦两方面获得。图四的结果显示，DISI发动机和进气道喷射式发动机相比，使其具有燃油经济性优势的最主要因素是泵吸过程，表现出大约10%的燃油经济性优势，同时混合气特性（~7.5%），热传导（~2%）和压缩比（~3%）也分别具有如图所示优势。另一方面，燃烧和摩擦分别导致DISI发动机约4%的燃油经济性损失。
4%的燃油经济性损失归咎于DISI燃烧，其中的1%由相位损失引起（非最佳相位的热损耗进程），另外的3%是由于燃烧效率的降低，这主要导致了HC排放的恶化。令一方面，引起热传递损失2%的主要原因如下：由于在DISI 发动机中有更大的表面面积，这是由活塞坑和非平面活塞顶（使活塞表面增加40%）造成的，6.3%的燃油经济性提高是由于缸内气体温度的降低。后者并没有考虑这样一个因素，就是应该将DISI发动机缸内热对流流量和进气道喷射式发动机跟多的关联起来，这是由于DISI发动机缸内更高的流动和更大的气体密度引起的更大的传热系数。
图3. 典型的分层和均质燃烧的热扩散过程 [26].
图4。让直喷点燃发动机燃油经济性比基础进气道喷射式发动机提高的各种因素的贡献[7]。
表1表述用于在暖机过程中模拟FTP循环的7点稳定工况测试系列。这些工况点的选择是基于和2400kg车用以及4挡自动变速的匹配。根据测试工况将测试点分成三类：怠速，小负荷和中等负荷。在怠速工况和小负荷工况，燃烧室分层的，通过使用延迟喷油策略。在中等负荷工况，燃烧是均质的，化学当量比的，通过使用提前喷油策略。表格1还描述了在每个工况点所取得燃油经济性提高的百分点。正如我们所期望的，DI分层燃烧比PFI发动机燃油经济性高出19-23个百分点，DI均质，化学当量比燃烧要高出约7个百分点。
对于怠速附近工况，使DISI发动机的燃油经济性优势高于PFI发动机的最主要因素是泵气过程，同时也受混合气特性和热损耗的影响。在这些工况中燃烧和摩擦对燃油经济性有着极其不利的影响。在小负荷工况取得DISI发动机燃油经济性提高的原因是在PFI发动机中随着负荷的增加节气损失降低使泵气损失被减小。然而，在DISI发动机中混合气特性对于燃油经济性提高的贡献相对于怠速负荷时有所提高，此时此刻几乎和泵气过程的作用相当。DISI传热的积极作用仍旧十分明显，当燃烧和摩擦的消极作用被降低时。最后，在中等负荷工况下，使用提前喷油策略，混合气特性对燃油经济性提高作用最大，同时压缩比和泵吸作用也起到一定作用。正如我们所期望的，摩擦，传热和燃烧的影响很小。补充说明一下，比其他CR和不同活塞位置时，DISI发动机和PFI发动机的主要不同点，也是在这些工况下能够影响发动机指示效率的是在DISI发动机上使用很高程度的EGR。
表1
稳定工况，单缸直喷点燃发动机
7点模拟FTP测试 [7]
Near-idl Light-lo Medium-l
Test points: 1 2 3 4 5 6 7
Speed, rev/min 600 846 1133 1357 1400 1520 1736 BMEP, kPa 136 115 204 401 260 445 549 NMEP, kPa 158 133 232 291 431 484 590 Time weighted, % 19.7 38.98 15.29 9.91 6.09 4.97 3.28 Combustion mode Stratified Stratified Homogeneous FE % improvement 20.2 19.4 20.4 22.9 5.6 6.7 7.3
上述结果表明，显而易见可以通过排除燃烧损失和接近最佳相位以及提高发动机燃烧效率使燃烧达到与PFI发动机相对应的水平，并通过使燃烧室表面积减少和缸内气体流动减少而降低热损失，这样可以期望得到5-7个百分点的燃油经济性的提升。
分层充量，喷雾导向DISI发动机提供更多的保障以实现和优化上述目标。这个系统的优点在于喷油器放置位置接近火花塞，这样燃烧过程和相对应的壁面导向系统相比并没有没有先进多少，由于它的燃烧过程更接近于理想过程，所以它能更好的控制活塞坑中的燃油，这样能够确保降低碳氢化合物的排放，所以它具有更高的燃烧效率，这要求活塞坑设计的要简单，要浅，重要的是减小表面积，它同时要求很小甚至没有缸内气体流动。
图5是一个活塞坑，火花塞和喷油器的部分视图，图中还显示了在一台喷雾导向DISI可视发动机燃烧室中的燃油喷雾和水蒸气，用于分层燃烧工况点。压电输出开关打开，喷油器（油压达到20MPa），喷出两组相继的燃油。非常重要的一点，照片中显示没有液体燃料出现在坑型壁面的现象。这和Raimann et al.[13]的发现相吻合，这有很大可能是由于压电喷射的穿透力偏低引起的现象。活塞表面的油滴是排气中HC和烟尘的来源。
图5.照片显示了分层工况时燃烧的几何形状和燃油喷雾以及水汽分布 [10].
Frohlich和Borgmann论证了一辆搭载了使用喷雾导向燃烧系统和压电喷油器发动机的车辆和一辆相应的搭载了PFI发动机的车辆相比具有能搞提高燃油经济性超过20个百分点的潜力，并且有提高动力性能超过60 kW/L的可能性。Wirth et al.[3]在一款2L，I4喷雾导向，使用多孔喷油器的SIDI发动机上进行测试。基于在相关转速和负荷区域内的发动机全脉谱图，他们设计了如下的新欧洲行驶工况燃油经济性收益，超过相应的无EGR的PFI发动机：和使用双VCT的PFI发动机相比4个百分点，和使用壁面导向的SIDI发动机相比11个百分点，和使用喷雾导向的SIDI发动机相比15.5个百分点。Van Der Wege et al. [4]开发出一款使用大锥角（80o），向外开启，以公称压力20MPa运行的轴针式喷油器的喷雾导向，SIDI燃烧系统。在这个被称作涡致分层燃烧（VISC）的燃烧系统中，，最佳点火位置在燃油喷雾以外的再流通区域，这样就提供了防止任何燃油浸湿火花塞的好处。和被期望的喷雾导向系统的
