2.2 汽油機的混合氣形成和燃燒

在大多處常規點燃式發動機中，燃燒是在空氣和燃料混合形成可燃混合氣后由火花塞點火引發的。因此混合氣形成過程和燃燒過程可以在理論分析或是實踐中分成兩個獨立的部分處理。盡管點燃式發動機可以燃用汽油和其它燃料（如天然氣），但在本節中我們將集中討論汽油機。在汽油機中有兩種形成油氣混合氣的基本方法。一是將燃油送入進氣道，并和空氣在進氣道中混合，另一種是直接將燃油噴入到氣缸中。基于前一種方法的電控進氣道噴射（PFI）在20世紀70年代后期取代了化油器，該技術利用安裝在進氣歧管上的噴油器將燃油噴入進氣道，通常一個氣缸用一個噴油器。

在PFI發動機中，當閉閥噴射（Close-Valve Injection，CVI）或開閥噴射（Open-Valve Injection，OVI）時，燃油被約0.3MPa的噴射壓力噴入進氣道。圖2-5（見彩插）展示了數值模擬的CVI和OVI的噴油過程[8]，模擬發動機的溫度為20℃。在CVI條件下，燃油噴向進氣門背面，該處的溫度是進氣系統中最高的。燃油噴霧液滴和在進氣門及進氣道表面形成的油膜發生蒸發并汽化，燃油蒸氣與周圍空氣混合。當進氣門打開時，空氣和燃油形成的混合氣以及剩余的液態燃油進入氣缸，并在進氣和壓縮行程過程中繼續混合。在接近壓縮末期，火花塞點火前，進入氣缸的空氣和燃油充分混合。在進氣門開啟的早期階段，氣缸內的氣體首先高速流出氣缸進入進氣道，沖刷氣門開口處的油膜并使之剝落，這種回流現象有助于燃油與空氣的混合。在OVI條件下，燃油噴霧穿越開啟的進氣門進入氣缸，一些油滴由于噴霧動量和氣體運動動量的共同作用會碰撞到缸蓋頂部和缸壁表面上。

出于控制污染物排放的目的，汽油機暖機工況下油氣混合氣按化學當量比制備。但在發動機冷起動時，因為發動機溫度低，燃油蒸發困難，只有汽油中的易揮發性成分能夠蒸發。因此，為了形成可燃混合氣，需要噴入過量的燃油。這會導致很高的HC和CO排放，冷起動工況下的排放是在測試循環中占比最多的部分。混合氣加濃也被用于大負荷或全負荷工況下，這有利于轉矩輸出最大化，同時減小爆燃傾向并且降低排氣溫度。

在20世紀90年代后期，多種汽油缸內直接噴射的概念被運用到量產汽油機中[9-13]，盡管在這之前，歷史上數次量產直噴汽油機的嘗試都因碳煙高等問題在很短一段時間內結束。在直噴汽油機中，燃油被直接噴入氣缸內形成所需的油氣混合氣。燃油噴射技術和發動機燃燒研發工具（如CFD模擬和光學診斷技術）的長足進步使現代直噴汽油機得以實現。直噴燃燒系統大致可分為均勻混合氣直噴（Homogeneous-Charge Direct Injection，HCDI）和組合分層/均勻混合氣直噴或者簡稱為分層混合氣直噴（Stratified-Charge Direct Injection，SCDI）。

在均勻混合氣直噴系統中，燃油噴射發生在進氣行程，在火花點火前形成均勻的當量混合氣。由于缸內燃油蒸發使得混合氣受到冷卻，提高了充量系數并改善了爆燃燃燒傾向[14]，所以這些系統體現了超過PFI汽油機的性能優勢；也可以提高發動機的壓縮比從而改善發動機全負荷下的輸出轉矩和部分負荷下的燃油經濟性。

分層混合氣直噴系統在發動機大負荷下采用均勻混合氣燃燒，在部分負荷下采用分層混合氣燃燒。在形成分層混合氣時，在壓縮行程后期噴油，在火花塞附近形成局部接近化學當量比的油氣混合氣。分層混合氣直噴汽油機在部分負荷下的燃油消耗率比PFI汽油機小，這主要是由于減小了泵氣損失，提高了壓縮比以及混合氣整體稀薄的緣故。

分層混合氣直噴系統可以進一步劃分，常見的為壁面引導式直噴（Wall-Guided Direct Injection，WGDI）和噴霧引導式直噴（Spray-Guided Direct Injec-tion，SGDI）[15]。還可以基于空氣流動、噴射技術和燃燒室設計等特征進一步分類。雖然人們創建這些術語是為了以一種簡單的方式描述這些系統中混合氣形成的主要特征，但它們確實反映了直噴系統的復雜性和噴射技術的不斷發展。

作為壁面引導式直噴系統的示例，圖2-6（見彩插）展示了一臺窄域分層混合氣（Light Stratified-Charge，LSC）直噴汽油機的燃燒系統[16]。該系統采用了安裝在進氣門下方的高壓渦流噴油器、中置的火花塞和淺凹坑活塞的燃燒室。燃油噴霧被噴射進活塞頂部的淺坑中，油滴、燃油蒸氣以及卷吸的氣體向活塞凹坑運動，混合氣氣團被活塞坑壁以及噴霧引起的氣流重新定向，朝火花塞方向運動。該直噴汽油機與作為基準的PFI汽油機相比，在NEDC循環下，車輛燃油經濟性提高了10.1%。

圖2-7（見彩插）用CFD模擬結果展示了一臺分層混合氣直噴汽油機中分層混合氣形成的過程[17]，給出了燃油噴霧、空燃比以及氣體流場分布隨曲軸轉角的變化。噴霧引起了空氣卷吸而導致強烈的渦旋運動，該渦旋運動將油氣混合氣氣團帶向火花塞。火花塞設置在接近燃燒室中心的位置，火花塞電極間隙突出到燃燒室內。燃油在上止點前70°時被噴入氣缸，液相燃油開始蒸發汽化。濃混合氣在噴霧內部形成，并在其邊緣區域變得稀薄。一旦噴霧碰撞到活塞壁面，就會形成混合氣靠近壁面濃而遠離壁面稀的混合氣結構。由于壁面油膜的蒸發，壁面附近的氣體不斷地被補充燃油蒸氣，使得該區域的空燃比維持在較低的數值。在遠離活塞壁面的混合氣氣團邊緣，由于對流和擴散作用，燃油蒸氣不斷地與新鮮空氣混合。在壓縮行程后期，氣體的渦旋運動使得混合氣氣團向火花塞附近運動。為了保證穩定的點燃著火，必須進行優化設計以保證在點火時刻火花塞間隙附近的混合氣空燃比在可燃范圍之內（即9～23）。

在噴霧引導式直噴汽油機中，噴油器安裝在發動機缸蓋上靠近火花塞的位置。大錐角燃油噴霧在壓縮行程后期被噴入氣缸，在噴霧附近形成局部濃混合氣。火花塞電極間隙位于存在可燃混合氣的噴霧邊緣。圖2-8（見彩插）展示了噴霧引導式分層混合氣直噴汽油機的一個示例[18]。這個特指的分層混合氣系統被稱為渦旋引導分層燃燒（Vortex Induced Stratification Combustion，VISC）系統。它使用軸針外開式噴油器。火花塞電極間隙位于噴霧邊緣處由噴霧引起的氣體回流區內。VISC系統采用非常淺的活塞頂設計，將氣體渦旋運動維持在火花塞附近，避免其發散。采用這種活塞頂設計能使混合氣在火花塞附近停留更長時間，并在噴射結束后10°甚至更長的曲軸轉角內被點燃。有關VISC的更多細節在7.6節有詳細闡述。

CFD計算的空燃比分布以及疊加的噴霧和氣體流場如圖2-9（見彩插）所示，圖中展示了噴霧引導VISC發動機中的混合氣形成過程[19]。在這個示例里，當活塞接近上止點時，噴油器噴入80°錐角的噴霧。在上止點前24°（CA）（BT-DC，Before Top Dead Center）時，燃油噴射結束。可以看出燃油被噴入氣缸時會在熱空氣環境里快速蒸發，由于高速噴霧油滴與周圍低速氣體之間的黏性剪切作用，在噴霧尖端產生大尺度旋渦運動。所形成的旋渦促進空氣卷吸，從而促使空氣和燃油蒸氣混合。在16°（CA）（BTDC）時，可燃混合氣氣團在火花塞電極間隙（如圖中十字標記所示）周圍形成了即將被點燃的可燃混合氣氣團。

對于成功的直噴汽油機設計來講，精確地控制燃油噴射和空氣與燃油的混合過程以形成理想的缸內混合氣是核心問題之一（參見7.3～7.6節）。可形成理想燃油噴霧的噴射技術是實現這一過程的關鍵。通常需要大錐角噴霧和小噴霧油滴。壓力渦流噴油器（Pressure-Swirl injector）被用在20世紀90年代末推出的直噴汽油機中，它能通過燃油液膜破碎霧化產生60°～80°的空錐噴霧（參見5.2.3小節）。在10MPa的噴射壓力下，油滴的索特平均直徑（Sauter Mean Di-ameter，SMD）約為20μm。在VISC直噴汽油機上使用了軸針外開式噴油器，它可以在10MPa的噴射壓力下產生SMD約為14μm的80°～90°空錐噴霧。近些年來，多孔噴油器得到廣泛的應用[20，21]。為了降低污染物排放，在過去的20年里量產發動機的噴油壓力從10MPa提升到了35MPa，以增加多次噴射的靈活性，并減少燃油濕壁。多孔噴油器的主要優勢之一是提高了噴油油束幾何形狀和空間方向的設計靈活性，從而可以分別設計單個噴霧油束的方向，以便更好地匹配燃燒室形狀。圖2-10給出了在室內條件下拍攝的三種不同種類噴油器的噴霧圖像，這些噴霧的整體結構和細節有很大不同。

隨著噴射壓力的增加，噴霧被霧化為更小的油滴。當噴射壓力從10MPa提高到20MPa乃至35MPa時，多孔噴油器噴霧油滴的SMD在大氣環境條件下從20μm降低到13μm，乃至9μm。油滴尺寸的變化對油滴蒸發有顯著影響。根據蒸發理論（參見第5.4節），油滴的蒸發時間（油滴存續時間）與油滴的直徑平方成正比。這意味著，在火花點火之前，隨著噴射壓力的增加，油滴尺寸減小，油滴存續時間縮短，油滴蒸發前可用時間更加充足，因而可以更加靈活地應用多次噴射和更晚的噴射。

在常規PFI汽油機中，燃燒是由火花塞電極的放電引起的（參見6.6.1小節）。點火正時是控制點燃式發動機燃燒的重要參數。它影響發動機性能、燃油消耗量和廢氣污染物排放。從點火開始到達到最大燃燒速率大約需要2ms。因此，必須根據當前工況下的發動機轉速、負荷和空燃比來調整點火提前時間。為了提高燃燒效率，必須在上止點后不久（5°～7°（CA））消耗大約50%的燃油。這樣就可以實現近似于理想的定容燃燒。

點火開始后，在燃燒室內的火焰由火核開始向外傳播（參見6.3節）。火焰前鋒面受燃燒室形狀和缸內流動的影響發生變形。此外，燃燒室內的溫度分布、燃燒室壁面溫度以及燃燒過程中油氣混合氣的均勻性都會影響火焰傳播過程中火焰前鋒的輪廓。圖2-11顯示了使用激光輔助高速成像技術測量的點燃式汽油機在800r·min-1運行時的單個燃燒循環的火焰傳播圖像[22]。試驗中在進氣流中加入了硅油油滴作為標記，以識別已燃氣體區域。點火開始于上止點前16°（CA）（BTDC），6°（CA）之后在火花塞間隙可以清晰地看到火核（深黑色區域）。火焰以不規則的前鋒面自火花塞電極間隙傳播出去，大概16°（CA）之后穿過觀測窗口。

提高汽油機的壓縮比可以提高其熱效率和功率輸出。然而，發動機在高負荷下工作時，過大的壓縮比會導致發動機爆燃燃燒（異常燃燒），從而導致發動機嚴重損壞。眾所周知，爆燃燃燒是在正常燃燒的后期，在火焰前峰面未到達的未燃混合氣區域內的末端混合氣團自燃的結果。末端混合氣區域的局部自燃會引發壓力波，壓力波的振幅取決于發生自燃的末端混合氣中的壓力、溫度、混合氣成分和氣團體積等因素。壓力波在燃燒室中傳播并在燃燒室壁面上反射。在測得的壓力曲線中可以識別壓力振蕩的特征。因為普通的爆燃燃燒具有良好的重現性和可控性，所以可以通過推遲點火時刻來緩解，盡管這會降低發動機燃油經濟性。

在一些高增壓直噴汽油機中，可能會發生更極端的爆燃燃燒，尤其是在低速、高負荷條件下。這被稱為超級爆燃。它的特點是壓力振幅明顯高于普通爆燃。此外，超級爆燃是隨機發生的，所以不能用控制普通爆燃的方法來控制它。一般認為超級爆燃源于早燃[2，23]。

減小汽油機的燃油消耗量在很大程度上取決于抑制爆燃的能力。許多抑制爆燃的方法已在直噴汽油機上被證明是有效的，包括延遲點火始點、加濃混合氣、采用冷卻EGR、增強燃燒室中的湍流，以及采用多次噴射等。消除早燃是抑制超級爆燃的有效途徑。早燃的主要成因包括機油液滴和沉積的顆粒。關于爆燃燃燒的研究很可能從汽油機誕生之日起就開始了，這方面的豐富成果可以在一些最近的文獻[24，25]中找到。

在分層混合氣直噴汽油機中，燃燒通常是這樣組織的：在一定的發動機負荷和轉速條件下，均勻混合氣和分層混合氣燃燒模式相互切換，以利用每種模式的優勢。圖2-12（見彩插）在速度-負荷圖上從概念上說明了LSC直噴汽油機（見圖2-6）的運行模式。在每個運行區域內均顯示了相對空燃比λ（稀混合氣λ＞1，濃混合氣λ＜1）。發動機在大負荷至全負荷下以化學計量比均勻混合氣模式運行。在中等負荷和轉速范圍內，發動機以化學計量比均勻混合氣附加高EGR率運行，以提高燃油經濟性。在低負荷和低轉速下，發動機以分層混合氣模式運行，以進一步提高燃油經濟性。LSC直噴汽油機系統使用了從怠速到低速低負荷的窄域分層混合氣范圍。這樣的好處是降低分層混合氣的應用范圍使得該系統對稀薄燃燒后處理系統（氮氧化物捕集器）的要求顯著放寬，但其相對于非分層混合氣燃燒而言仍能顯著提高燃油經濟性。

直噴汽油機的均勻混合氣燃燒現象與以預混火焰傳播為特征的PFI汽油機燃燒相同。然而，分層混合氣燃燒卻由于局部濃混合氣燃燒和由噴霧碰壁形成的油膜引起的池火燃燒而造成未燃碳氫化合物和碳煙排放量增加[17，26，27]。減少燃油濕壁（油膜）量可以顯著減少分層混合氣燃燒的未燃碳氫化合物和碳煙排放。提高燃油噴射壓力也可以減少碳煙排放。因為噴射壓力提高后，燃油噴霧的平均尺寸SMD和表征大油滴的尺寸D_V90都降低了[28]。噴霧SMD和D_V90的降低有利于燃油蒸發和混合，有利于減少局部濃混合氣燃燒。

比較進氣道噴射汽油機、壁面引導直噴汽油機和噴霧引導直噴汽油機的燃油消耗量很有意義，盡管經常缺乏相同條件下的數據而很難進行公平的比較。VanDerWege等做了這樣的比較[18]，他們在同樣的發動機規格和工況條件下獲得了相關數據，由圖2-13給出。圖中的發動機數據來自一個配備i-VCT（Variable Intake Cam Timing，可變進氣凸輪正時）的進氣道噴射PFI燃燒系統、一個帶i-VCT的壁面引導式直噴WGDI系統以及一個固定凸輪正時的噴霧引導式渦旋直噴VISC系統。發動機為一臺0.5L工作容積的單缸發動機，上述系統的壓縮比分別為10.5、11.0和10.6。在8個工況點上測量獲得了發動機的凈燃油消耗率（Net Specific Fuel Consumption，NSFC）。NSFC基于凈指示平均壓力（Net Indica-ted Mean Effective Pressure，NIMEP）計算求得，而NIMEP是對實測缸壓曲線整個循環（720°）的積分，NIMEP在定義上包含了泵氣所需要的功。

圖2-13中從左起的前三個工況點，WGDI和VISC均以分層混合氣模式運行。可以看到，WGDI相對于PFI，VISC相對于WGDI燃油消耗率都有明顯的改善，這主要是因為稀薄分層混合氣燃燒降低了泵氣損失和傳熱損失。VISC的額外收益主要源于由于HC和CO排放降低而提高的燃燒效率，以及燃燒相位的改善。在第四和第五個工況點，只有VISC是以分層燃燒模式運行的，因為它可以在高于WGDI的負荷下實現分層燃燒。隨著負荷的增加，分層混合氣的效益越來越小。在最后的三個工況點下，這三個系統都使用化學當量均勻混合氣燃燒。正如預期的一樣，油耗結果非常相似。通過模擬還預測了使用這三種發動機的整車燃油經濟性，但沒有考慮冷起動和氮氧化物捕集器等瞬態效應。結果表明，在車輛試驗循環中VISC的燃油消耗量比PFI減少了約18%，比WGDI減少了6%。