淺析汽油機(jī)稀薄燃燒控制技術(shù)

文：趙寶平、董旻

淺析汽油機(jī)稀薄燃燒控制技術(shù)

文：趙寶平、董旻

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展以及電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用，很多中高檔轎車發(fā)動(dòng)機(jī)已采用了稀薄燃燒控制技術(shù)。汽油機(jī)稀薄燃燒控制技術(shù)采用氣缸內(nèi)直接噴射方式，將高壓燃油直接噴人活塞頂部的深坑型燃燒室內(nèi)，配合進(jìn)氣渦流及燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)，形成分層燃燒，同時(shí)精確控制缸內(nèi)的燃油噴射量和噴射時(shí)間，實(shí)現(xiàn)空燃比為50:1的超稀薄燃燒。結(jié)合提高壓縮比和廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)，可有效地改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性。汽油機(jī)缸內(nèi)直噴（Gasoline Direct Injection，GDI）稀薄燃燒技術(shù)已成為現(xiàn)在汽油機(jī)的發(fā)展方向。

一、概述

汽車油耗、NOx和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的變動(dòng)量（△Ttq）隨空燃比（A/F）的變化特性如圖1所示。 在理論空燃比下，通過(guò)三元催化轉(zhuǎn)化器可將CO、 HC和NOx的排量控制在很低的水平，但并不是最佳經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，還需要進(jìn)一步提高空燃比（A/F）。通常A/F增加，NOx排量增加，當(dāng)A/F ≈16時(shí)，NOx排量達(dá)到最大值。繼續(xù)增加A/F，由于空氣冷卻，燃燒溫度降低，NOx排量反而降低，但△Ttq增加。因此要求稀薄燃燒系統(tǒng)必須精確地控制A/F，將△Ttq控制在允許范圍內(nèi)。

為了改善燃燒過(guò)程，擴(kuò)大稀薄燃燒范圍，主要采用立式（滾動(dòng)式）進(jìn)氣道，在燃燒室內(nèi)形成強(qiáng)大的縱向進(jìn)氣渦流，以提高混合氣的湍流強(qiáng)度；同時(shí)，在進(jìn)氣行程進(jìn)行燃油噴射，利用混合氣渦流，在火花塞附近形成比平均混合氣濃度更濃的混合氣，形成分層燃燒狀態(tài)。

二、稀薄燃燒方式及特點(diǎn)

稀薄燃燒控制技術(shù)建立在混合氣分層燃燒的基礎(chǔ)上，分層燃燒是在著火時(shí)刻火花塞周圍分布適合于著火的濃混合氣，而燃燒室其他位置為稀混合氣。在氣缸內(nèi)如何形成適合的混合氣濃度梯度分布是稀薄燃燒的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)氣缸內(nèi)渦流形式的不同，分為軸向分層稀薄燃燒和縱向分層稀薄燃燒；根據(jù)噴射方式不同，分為氣道噴射（PFI）稀薄燃燒和缸內(nèi)直噴（GDI）稀薄燃燒。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放特性明顯優(yōu)于PFI發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃燒過(guò)程比較見圖2所示。

GDI汽油機(jī)不同工況下的混合氣特征如圖3所示，在整個(gè)運(yùn)行工況范圍內(nèi)采用混合燃燒模式，即稀薄燃燒僅對(duì)中小負(fù)荷工況進(jìn)行。在壓縮行程后期噴油，通過(guò)晚噴在氣缸內(nèi)形成上濃下稀的分層混合氣，點(diǎn)火后能高效穩(wěn)定燃燒，混合氣的平均空燃比可達(dá)到25，同時(shí)通過(guò)推遲點(diǎn)火時(shí)刻，采用EGR技術(shù)等控制排放；在大負(fù)荷或全負(fù)荷區(qū)，為了輸出最大轉(zhuǎn)矩，提供功率混合氣，為此在進(jìn)氣行程中提前噴油，點(diǎn)火時(shí)缸內(nèi)已形成均勻混合氣;在中等負(fù)荷、高速區(qū)采用均質(zhì)的理論混合氣燃燒，通過(guò)三元催化轉(zhuǎn)化器降低排放。

1.PFI稀薄燃燒技術(shù)

如圖4所示，4氣門發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)氣流與噴射時(shí)刻的匹配，在缸內(nèi)形成混合氣濃度的梯度分布。缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律通過(guò)直進(jìn)氣道和螺旋氣道控制，在中小負(fù)荷正況運(yùn)行時(shí)關(guān)閉直進(jìn)氣道，進(jìn)入氣缸的氣流在螺旋氣道的導(dǎo)向作用下，在缸內(nèi)形成一定強(qiáng)度的渦流，并與噴油時(shí)刻配合，實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒；大負(fù)荷時(shí)，直進(jìn)氣道和螺旋進(jìn)氣道同時(shí)開啟，減小缸內(nèi)渦流強(qiáng)度，提高充氣效率，實(shí)現(xiàn)功率混合氣的均質(zhì)燃燒。

PFI稀薄燃燒分為軸向分層稀薄燃燒和橫向分層稀薄燃燒。軸向分層稀薄燃燒配合缸內(nèi)氣流在進(jìn)氣晚期進(jìn)行噴射，通過(guò)缸內(nèi)強(qiáng)渦流實(shí)現(xiàn)混合氣濃度的梯度分布。噴油時(shí)刻決定缸內(nèi)濃混合氣的位置，從而確定火花塞位置。分層原理如圖5所示，利用進(jìn)氣道的導(dǎo)向作用在缸內(nèi)形成較強(qiáng)的軸向渦流，在壓縮過(guò)程中軸向渦流強(qiáng)度有所衰減，但能保持一定強(qiáng)度，配合缸內(nèi)的氣流特性，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）控制噴油器在進(jìn)氣后期的恰當(dāng)時(shí)刻噴油，由此通過(guò)缸內(nèi)軸向渦流的作用，在氣缸內(nèi)形成上濃下稀的混合氣濃度梯度分布，實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒。

軸向分層燃燒的關(guān)鍵技術(shù)在于噴射時(shí)間與進(jìn)氣渦流的匹配，通過(guò)進(jìn)氣道導(dǎo)向行程的氣缸內(nèi)的螺旋形渦流，可分解為徑向分量和軸向分量，通常徑向分量大于軸向分量。通過(guò)徑向分量使進(jìn)氣門進(jìn)人氣缸的混合氣向氣缸圓周擴(kuò)散分布，混合氣沿軸向形成濃度梯度分布，保證火花塞附近形成濃混合氣，空燃比可達(dá)到22，相對(duì)均質(zhì)燃燒，油耗可降低12%。稀薄燃燒汽油機(jī)普遍采用多氣門機(jī)構(gòu)和進(jìn)氣可變系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氣缸內(nèi)的斜軸渦流。

橫向分層稀薄燃燒利用滾流式進(jìn)氣道，進(jìn)氣過(guò)程中在氣缸內(nèi)繞垂直于氣缸中心線且平行于曲軸軸線產(chǎn)生縱向滾流，并配合噴射方式在缸內(nèi)形成混合氣濃度梯度分布，如圖6所示。滾流在壓縮過(guò)程中隨壓縮程度越來(lái)越強(qiáng)。噴油器在進(jìn)氣歧管中心布置，順氣流沿氣門方向噴油。在滾流作用下，濃混合氣經(jīng)過(guò)氣缸中央布置的火花塞，兩側(cè)為空氣，實(shí)現(xiàn)橫向混合氣濃度梯度分布，空燃比可達(dá)到23，經(jīng)濟(jì)性可提高6%～8% ，NOx排放可降低80%。

PFI式稀薄燃燒技術(shù)能改善經(jīng)濟(jì)性和排放特性，但由于節(jié)氣門的存在，泵氣損失增大，影響中小負(fù)荷燃燒效率的提高；混合氣形成過(guò)程中，進(jìn)氣道及氣門處黏附油膜，直接影響氣缸內(nèi)的混合氣質(zhì)量，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)、瞬態(tài)過(guò)渡響應(yīng)特性以及更精確地控制混合氣濃度；空燃比小于27，節(jié)能效果有限，進(jìn)一步降低NOx排放困難。

2. GDI稀薄燃燒技術(shù)

GDI技術(shù)包括缸內(nèi)氣流特性（滾流和渦流）控制、采用高壓旋流式噴油器的噴霧及噴射時(shí)間控制、噴射壓力（2～5 MPa）控制和稀薄燃燒等。

GDI汽油機(jī)的噴油器安裝在燃燒室內(nèi)，見圖7所示，在氣缸內(nèi)更容易形成不均勻的混合氣濃度梯度分布，消除了氣道油膜蒸發(fā)量對(duì)缸內(nèi)混合氣質(zhì)量的影響，減小泵氣損失，更容易實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，且混合氣A/F范圍變寬，有利于進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放特性。

GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)氣流的組織方式如圖8所示，壁面導(dǎo)向方式通過(guò)活塞頂部燃燒室的形狀將噴油器噴射的燃油導(dǎo)向氣缸上部流動(dòng)，配合燃燒室內(nèi)形成的擠流，在火花塞附近形成濃混合氣。氣流導(dǎo)向方式通過(guò)燃燒室結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)，配合進(jìn)氣道的導(dǎo)向作用，在氣缸內(nèi)形成渦流和滾流，配合噴射時(shí)間實(shí)現(xiàn)混合氣濃度分層分布，在適當(dāng)位置設(shè)置火花塞可靠點(diǎn)燃混合氣。噴霧導(dǎo)向方式配合氣缸內(nèi)的氣流特性，合理布置火花塞及噴油器噴射的相對(duì)位置實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒?；鸹ㄈ惭b在靠近噴油器的下游，噴油器噴射的燃油偏向火花塞位置方向，通過(guò)噴射時(shí)刻和點(diǎn)火時(shí)間的合理控制，可靠點(diǎn)燃梯度分布的混合氣。

GDI噴射方式不僅能實(shí)現(xiàn)均質(zhì)混合氣燃燒，也可實(shí)現(xiàn)混合氣濃度分層的稀薄燃燒。目前利用GDI技術(shù)正在開發(fā)研究預(yù)混合壓燃（PC-CI）和均質(zhì)壓燃（HCCI）技術(shù)。

（1）GDI分層稀薄燃燒

GDI分層稀薄燃燒如圖9所示。缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的啟噴壓力為2 MPa，采用螺旋氣道在缸內(nèi)產(chǎn)生一定強(qiáng)度的進(jìn)氣渦流，沿氣流方向火花塞布置在噴油器下游的油束下方。噴油器順氣流噴射時(shí)在缸內(nèi)氣流的作用下噴霧偏向火花塞方向擴(kuò)散，形成火花塞附近為濃混合氣的分層分布。對(duì)應(yīng)噴射時(shí)間控制點(diǎn)火時(shí)刻實(shí)現(xiàn)可靠著火，并向稀薄混合氣擴(kuò)散燃燒；已燃?xì)怏w被氣流帶離火花塞區(qū)，新鮮氣體被帶人噴油區(qū)，依次循環(huán)工作。發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比可提高到12，從而提高熱效率，改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

（2）GDI滾流分層稀薄燃燒

缸內(nèi)組織滾流的方式主要有2種。

①對(duì)應(yīng)切向進(jìn)氣道利用燃燒室結(jié)構(gòu)形狀，在壓縮過(guò)程中缸內(nèi)形成壓縮滾流，隨壓縮過(guò)程的進(jìn)行滾流越來(lái)越強(qiáng)，配合噴射時(shí)間一在缸內(nèi)形成不同的混合氣濃度分層分布，如圖10所示，空燃比可達(dá)到40，燃油經(jīng)濟(jì)性提高30%，采用40%的EGR率可降低NOx排放達(dá)90%。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況控制噴油器的早噴射和晚噴射，可實(shí)現(xiàn)均質(zhì)燃燒和分層燃燒，也可從小負(fù)荷到大負(fù)荷實(shí)現(xiàn)分層稀薄燃燒。

②采用直立式進(jìn)氣道，進(jìn)氣過(guò)程中在氣缸內(nèi)直接產(chǎn)生進(jìn)氣滾流，結(jié)合壓縮過(guò)程中不斷加強(qiáng)的滾流強(qiáng)度控制最佳噴射時(shí)間，在缸內(nèi)形成混合氣濃度的分層分布，如圖11所示，空燃比可達(dá)到50，能有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放特性。

汽油機(jī)采用GDI技術(shù)后，經(jīng)濟(jì)性可達(dá)到或接近柴油機(jī)水平，動(dòng)力性也相應(yīng)提高，瞬態(tài)響應(yīng)特性明顯改善，起動(dòng)時(shí)間短，冷起動(dòng)時(shí)HC排放降低。但仍存在以下問(wèn)題，需進(jìn)一步完善。

①分層燃燒對(duì)燃油蒸氣在氣缸內(nèi)的分布要求高，需噴油時(shí)刻、點(diǎn)火時(shí)刻、空氣運(yùn)動(dòng)、噴霧特性和燃燒室形狀匹配，否則燃燒不穩(wěn)定。

②低負(fù)荷時(shí)HC排放較多，高負(fù)荷時(shí)NOX排放較多，若燃燒組織不好，有可能形成炭煙。

③由于噴油器安裝在燃燒室內(nèi)，與高溫燃?xì)庵苯咏佑|，所以易堵塞且無(wú)自潔作用，直接影響噴霧質(zhì)量。

④因混合氣濃度超出理論空燃比，三元催化轉(zhuǎn)換器不能應(yīng)用，而稀薄混合氣的還原裝置成本高，技術(shù)難度較大。

⑤氣缸和燃料供給系統(tǒng)的磨損加劇。

三、稀薄燃燒的控制方法

目前稀薄燃燒系統(tǒng)精確控制空燃比的方法有空燃比反饋控制式和燃燒壓力反饋控制式。

1.空燃比反饋控制式

空燃比反饋控制式稀薄燃燒系統(tǒng)利用空燃比傳感器測(cè)出排氣中的氧濃度，由此求出該循環(huán)空燃比的大小，進(jìn)行下一循環(huán)空燃比的反饋控制?？杖急葌鞲衅鬏敵龅男盘?hào)為模擬信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)調(diào)幅等前處理后，再輸人到ECU中進(jìn)行排氣中氧濃度的測(cè)量，并利用儲(chǔ)存在ROM中由發(fā)動(dòng)機(jī)工況確定的目標(biāo)空燃比的脈譜圖，算出該工況下排氣中的目標(biāo)氧濃度。然后將目標(biāo)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，求出偏差量，并對(duì)偏差量進(jìn)行修正，確定最終的噴射持續(xù)時(shí)間?？杖急确答伩刂屏鞒倘鐖D12所示。

2.燃燒壓力反饋控制式

燃燒壓力反饋控制式稀薄燃燒系統(tǒng)通過(guò)燃燒壓力傳感器直接檢測(cè)氣缸內(nèi)的燃燒壓力，由此求出發(fā)動(dòng)機(jī)每循環(huán)輸出轉(zhuǎn)矩的變動(dòng)量，并通過(guò)空燃比的反饋控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)矩變動(dòng)量控制在允許范圍內(nèi)。控制空燃比使實(shí)際轉(zhuǎn)矩變動(dòng)量更接近允許的界限值。與空燃比傳感器方式相比，空燃比控制范圍更大，可進(jìn)一步降低NOx排放。