2.2 汽油机的混合气形成和燃烧

在大多处常规点燃式发动机中，燃烧是在空气和燃料混合形成可燃混合气后由火花塞点火引发的。因此混合气形成过程和燃烧过程可以在理论分析或是实践中分成两个独立的部分处理。尽管点燃式发动机可以燃用汽油和其它燃料（如天然气），但在本节中我们将集中讨论汽油机。在汽油机中有两种形成油气混合气的基本方法。一是将燃油送入进气道，并和空气在进气道中混合，另一种是直接将燃油喷入到气缸中。基于前一种方法的电控进气道喷射（PFI）在20世纪70年代后期取代了化油器，该技术利用安装在进气歧管上的喷油器将燃油喷入进气道，通常一个气缸用一个喷油器。

在PFI发动机中，当闭阀喷射（Close-Valve Injection，CVI）或开阀喷射（Open-Valve Injection，OVI）时，燃油被约0.3MPa的喷射压力喷入进气道。图2-5（见彩插）展示了数值模拟的CVI和OVI的喷油过程[8]，模拟发动机的温度为20℃。在CVI条件下，燃油喷向进气门背面，该处的温度是进气系统中最高的。燃油喷雾液滴和在进气门及进气道表面形成的油膜发生蒸发并汽化，燃油蒸气与周围空气混合。当进气门打开时，空气和燃油形成的混合气以及剩余的液态燃油进入气缸，并在进气和压缩行程过程中继续混合。在接近压缩末期，火花塞点火前，进入气缸的空气和燃油充分混合。在进气门开启的早期阶段，气缸内的气体首先高速流出气缸进入进气道，冲刷气门开口处的油膜并使之剥落，这种回流现象有助于燃油与空气的混合。在OVI条件下，燃油喷雾穿越开启的进气门进入气缸，一些油滴由于喷雾动量和气体运动动量的共同作用会碰撞到缸盖顶部和缸壁表面上。

出于控制污染物排放的目的，汽油机暖机工况下油气混合气按化学当量比制备。但在发动机冷起动时，因为发动机温度低，燃油蒸发困难，只有汽油中的易挥发性成分能够蒸发。因此，为了形成可燃混合气，需要喷入过量的燃油。这会导致很高的HC和CO排放，冷起动工况下的排放是在测试循环中占比最多的部分。混合气加浓也被用于大负荷或全负荷工况下，这有利于转矩输出最大化，同时减小爆燃倾向并且降低排气温度。

在20世纪90年代后期，多种汽油缸内直接喷射的概念被运用到量产汽油机中[9-13]，尽管在这之前，历史上数次量产直喷汽油机的尝试都因碳烟高等问题在很短一段时间内结束。在直喷汽油机中，燃油被直接喷入气缸内形成所需的油气混合气。燃油喷射技术和发动机燃烧研发工具（如CFD模拟和光学诊断技术）的长足进步使现代直喷汽油机得以实现。直喷燃烧系统大致可分为均匀混合气直喷（Homogeneous-Charge Direct Injection，HCDI）和组合分层/均匀混合气直喷或者简称为分层混合气直喷（Stratified-Charge Direct Injection，SCDI）。

在均匀混合气直喷系统中，燃油喷射发生在进气行程，在火花点火前形成均匀的当量混合气。由于缸内燃油蒸发使得混合气受到冷却，提高了充量系数并改善了爆燃燃烧倾向[14]，所以这些系统体现了超过PFI汽油机的性能优势；也可以提高发动机的压缩比从而改善发动机全负荷下的输出转矩和部分负荷下的燃油经济性。

分层混合气直喷系统在发动机大负荷下采用均匀混合气燃烧，在部分负荷下采用分层混合气燃烧。在形成分层混合气时，在压缩行程后期喷油，在火花塞附近形成局部接近化学当量比的油气混合气。分层混合气直喷汽油机在部分负荷下的燃油消耗率比PFI汽油机小，这主要是由于减小了泵气损失，提高了压缩比以及混合气整体稀薄的缘故。

分层混合气直喷系统可以进一步划分，常见的为壁面引导式直喷（Wall-Guided Direct Injection，WGDI）和喷雾引导式直喷（Spray-Guided Direct Injec-tion，SGDI）[15]。还可以基于空气流动、喷射技术和燃烧室设计等特征进一步分类。虽然人们创建这些术语是为了以一种简单的方式描述这些系统中混合气形成的主要特征，但它们确实反映了直喷系统的复杂性和喷射技术的不断发展。

作为壁面引导式直喷系统的示例，图2-6（见彩插）展示了一台窄域分层混合气（Light Stratified-Charge，LSC）直喷汽油机的燃烧系统[16]。该系统采用了安装在进气门下方的高压涡流喷油器、中置的火花塞和浅凹坑活塞的燃烧室。燃油喷雾被喷射进活塞顶部的浅坑中，油滴、燃油蒸气以及卷吸的气体向活塞凹坑运动，混合气气团被活塞坑壁以及喷雾引起的气流重新定向，朝火花塞方向运动。该直喷汽油机与作为基准的PFI汽油机相比，在NEDC循环下，车辆燃油经济性提高了10.1%。

图2-7（见彩插）用CFD模拟结果展示了一台分层混合气直喷汽油机中分层混合气形成的过程[17]，给出了燃油喷雾、空燃比以及气体流场分布随曲轴转角的变化。喷雾引起了空气卷吸而导致强烈的涡旋运动，该涡旋运动将油气混合气气团带向火花塞。火花塞设置在接近燃烧室中心的位置，火花塞电极间隙突出到燃烧室内。燃油在上止点前70°时被喷入气缸，液相燃油开始蒸发汽化。浓混合气在喷雾内部形成，并在其边缘区域变得稀薄。一旦喷雾碰撞到活塞壁面，就会形成混合气靠近壁面浓而远离壁面稀的混合气结构。由于壁面油膜的蒸发，壁面附近的气体不断地被补充燃油蒸气，使得该区域的空燃比维持在较低的数值。在远离活塞壁面的混合气气团边缘，由于对流和扩散作用，燃油蒸气不断地与新鲜空气混合。在压缩行程后期，气体的涡旋运动使得混合气气团向火花塞附近运动。为了保证稳定的点燃着火，必须进行优化设计以保证在点火时刻火花塞间隙附近的混合气空燃比在可燃范围之内（即9～23）。

在喷雾引导式直喷汽油机中，喷油器安装在发动机缸盖上靠近火花塞的位置。大锥角燃油喷雾在压缩行程后期被喷入气缸，在喷雾附近形成局部浓混合气。火花塞电极间隙位于存在可燃混合气的喷雾边缘。图2-8（见彩插）展示了喷雾引导式分层混合气直喷汽油机的一个示例[18]。这个特指的分层混合气系统被称为涡旋引导分层燃烧（Vortex Induced Stratification Combustion，VISC）系统。它使用轴针外开式喷油器。火花塞电极间隙位于喷雾边缘处由喷雾引起的气体回流区内。VISC系统采用非常浅的活塞顶设计，将气体涡旋运动维持在火花塞附近，避免其发散。采用这种活塞顶设计能使混合气在火花塞附近停留更长时间，并在喷射结束后10°甚至更长的曲轴转角内被点燃。有关VISC的更多细节在7.6节有详细阐述。

CFD计算的空燃比分布以及叠加的喷雾和气体流场如图2-9（见彩插）所示，图中展示了喷雾引导VISC发动机中的混合气形成过程[19]。在这个示例里，当活塞接近上止点时，喷油器喷入80°锥角的喷雾。在上止点前24°（CA）（BT-DC，Before Top Dead Center）时，燃油喷射结束。可以看出燃油被喷入气缸时会在热空气环境里快速蒸发，由于高速喷雾油滴与周围低速气体之间的黏性剪切作用，在喷雾尖端产生大尺度旋涡运动。所形成的旋涡促进空气卷吸，从而促使空气和燃油蒸气混合。在16°（CA）（BTDC）时，可燃混合气气团在火花塞电极间隙（如图中十字标记所示）周围形成了即将被点燃的可燃混合气气团。

对于成功的直喷汽油机设计来讲，精确地控制燃油喷射和空气与燃油的混合过程以形成理想的缸内混合气是核心问题之一（参见7.3～7.6节）。可形成理想燃油喷雾的喷射技术是实现这一过程的关键。通常需要大锥角喷雾和小喷雾油滴。压力涡流喷油器（Pressure-Swirl injector）被用在20世纪90年代末推出的直喷汽油机中，它能通过燃油液膜破碎雾化产生60°～80°的空锥喷雾（参见5.2.3小节）。在10MPa的喷射压力下，油滴的索特平均直径（Sauter Mean Di-ameter，SMD）约为20μm。在VISC直喷汽油机上使用了轴针外开式喷油器，它可以在10MPa的喷射压力下产生SMD约为14μm的80°～90°空锥喷雾。近些年来，多孔喷油器得到广泛的应用[20，21]。为了降低污染物排放，在过去的20年里量产发动机的喷油压力从10MPa提升到了35MPa，以增加多次喷射的灵活性，并减少燃油湿壁。多孔喷油器的主要优势之一是提高了喷油油束几何形状和空间方向的设计灵活性，从而可以分别设计单个喷雾油束的方向，以便更好地匹配燃烧室形状。图2-10给出了在室内条件下拍摄的三种不同种类喷油器的喷雾图像，这些喷雾的整体结构和细节有很大不同。

随着喷射压力的增加，喷雾被雾化为更小的油滴。当喷射压力从10MPa提高到20MPa乃至35MPa时，多孔喷油器喷雾油滴的SMD在大气环境条件下从20μm降低到13μm，乃至9μm。油滴尺寸的变化对油滴蒸发有显著影响。根据蒸发理论（参见第5.4节），油滴的蒸发时间（油滴存续时间）与油滴的直径平方成正比。这意味着，在火花点火之前，随着喷射压力的增加，油滴尺寸减小，油滴存续时间缩短，油滴蒸发前可用时间更加充足，因而可以更加灵活地应用多次喷射和更晚的喷射。

在常规PFI汽油机中，燃烧是由火花塞电极的放电引起的（参见6.6.1小节）。点火正时是控制点燃式发动机燃烧的重要参数。它影响发动机性能、燃油消耗量和废气污染物排放。从点火开始到达到最大燃烧速率大约需要2ms。因此，必须根据当前工况下的发动机转速、负荷和空燃比来调整点火提前时间。为了提高燃烧效率，必须在上止点后不久（5°～7°（CA））消耗大约50%的燃油。这样就可以实现近似于理想的定容燃烧。

点火开始后，在燃烧室内的火焰由火核开始向外传播（参见6.3节）。火焰前锋面受燃烧室形状和缸内流动的影响发生变形。此外，燃烧室内的温度分布、燃烧室壁面温度以及燃烧过程中油气混合气的均匀性都会影响火焰传播过程中火焰前锋的轮廓。图2-11显示了使用激光辅助高速成像技术测量的点燃式汽油机在800r·min-1运行时的单个燃烧循环的火焰传播图像[22]。试验中在进气流中加入了硅油油滴作为标记，以识别已燃气体区域。点火开始于上止点前16°（CA）（BTDC），6°（CA）之后在火花塞间隙可以清晰地看到火核（深黑色区域）。火焰以不规则的前锋面自火花塞电极间隙传播出去，大概16°（CA）之后穿过观测窗口。

提高汽油机的压缩比可以提高其热效率和功率输出。然而，发动机在高负荷下工作时，过大的压缩比会导致发动机爆燃燃烧（异常燃烧），从而导致发动机严重损坏。众所周知，爆燃燃烧是在正常燃烧的后期，在火焰前峰面未到达的未燃混合气区域内的末端混合气团自燃的结果。末端混合气区域的局部自燃会引发压力波，压力波的振幅取决于发生自燃的末端混合气中的压力、温度、混合气成分和气团体积等因素。压力波在燃烧室中传播并在燃烧室壁面上反射。在测得的压力曲线中可以识别压力振荡的特征。因为普通的爆燃燃烧具有良好的重现性和可控性，所以可以通过推迟点火时刻来缓解，尽管这会降低发动机燃油经济性。

在一些高增压直喷汽油机中，可能会发生更极端的爆燃燃烧，尤其是在低速、高负荷条件下。这被称为超级爆燃。它的特点是压力振幅明显高于普通爆燃。此外，超级爆燃是随机发生的，所以不能用控制普通爆燃的方法来控制它。一般认为超级爆燃源于早燃[2，23]。

减小汽油机的燃油消耗量在很大程度上取决于抑制爆燃的能力。许多抑制爆燃的方法已在直喷汽油机上被证明是有效的，包括延迟点火始点、加浓混合气、采用冷却EGR、增强燃烧室中的湍流，以及采用多次喷射等。消除早燃是抑制超级爆燃的有效途径。早燃的主要成因包括机油液滴和沉积的颗粒。关于爆燃燃烧的研究很可能从汽油机诞生之日起就开始了，这方面的丰富成果可以在一些最近的文献[24，25]中找到。

在分层混合气直喷汽油机中，燃烧通常是这样组织的：在一定的发动机负荷和转速条件下，均匀混合气和分层混合气燃烧模式相互切换，以利用每种模式的优势。图2-12（见彩插）在速度-负荷图上从概念上说明了LSC直喷汽油机（见图2-6）的运行模式。在每个运行区域内均显示了相对空燃比λ（稀混合气λ＞1，浓混合气λ＜1）。发动机在大负荷至全负荷下以化学计量比均匀混合气模式运行。在中等负荷和转速范围内，发动机以化学计量比均匀混合气附加高EGR率运行，以提高燃油经济性。在低负荷和低转速下，发动机以分层混合气模式运行，以进一步提高燃油经济性。LSC直喷汽油机系统使用了从怠速到低速低负荷的窄域分层混合气范围。这样的好处是降低分层混合气的应用范围使得该系统对稀薄燃烧后处理系统（氮氧化物捕集器）的要求显著放宽，但其相对于非分层混合气燃烧而言仍能显著提高燃油经济性。

直喷汽油机的均匀混合气燃烧现象与以预混火焰传播为特征的PFI汽油机燃烧相同。然而，分层混合气燃烧却由于局部浓混合气燃烧和由喷雾碰壁形成的油膜引起的池火燃烧而造成未燃碳氢化合物和碳烟排放量增加[17，26，27]。减少燃油湿壁（油膜）量可以显著减少分层混合气燃烧的未燃碳氢化合物和碳烟排放。提高燃油喷射压力也可以减少碳烟排放。因为喷射压力提高后，燃油喷雾的平均尺寸SMD和表征大油滴的尺寸D_V90都降低了[28]。喷雾SMD和D_V90的降低有利于燃油蒸发和混合，有利于减少局部浓混合气燃烧。

比较进气道喷射汽油机、壁面引导直喷汽油机和喷雾引导直喷汽油机的燃油消耗量很有意义，尽管经常缺乏相同条件下的数据而很难进行公平的比较。VanDerWege等做了这样的比较[18]，他们在同样的发动机规格和工况条件下获得了相关数据，由图2-13给出。图中的发动机数据来自一个配备i-VCT（Variable Intake Cam Timing，可变进气凸轮正时）的进气道喷射PFI燃烧系统、一个带i-VCT的壁面引导式直喷WGDI系统以及一个固定凸轮正时的喷雾引导式涡旋直喷VISC系统。发动机为一台0.5L工作容积的单缸发动机，上述系统的压缩比分别为10.5、11.0和10.6。在8个工况点上测量获得了发动机的净燃油消耗率（Net Specific Fuel Consumption，NSFC）。NSFC基于净指示平均压力（Net Indica-ted Mean Effective Pressure，NIMEP）计算求得，而NIMEP是对实测缸压曲线整个循环（720°）的积分，NIMEP在定义上包含了泵气所需要的功。

图2-13中从左起的前三个工况点，WGDI和VISC均以分层混合气模式运行。可以看到，WGDI相对于PFI，VISC相对于WGDI燃油消耗率都有明显的改善，这主要是因为稀薄分层混合气燃烧降低了泵气损失和传热损失。VISC的额外收益主要源于由于HC和CO排放降低而提高的燃烧效率，以及燃烧相位的改善。在第四和第五个工况点，只有VISC是以分层燃烧模式运行的，因为它可以在高于WGDI的负荷下实现分层燃烧。随着负荷的增加，分层混合气的效益越来越小。在最后的三个工况点下，这三个系统都使用化学当量均匀混合气燃烧。正如预期的一样，油耗结果非常相似。通过模拟还预测了使用这三种发动机的整车燃油经济性，但没有考虑冷起动和氮氧化物捕集器等瞬态效应。结果表明，在车辆试验循环中VISC的燃油消耗量比PFI减少了约18%，比WGDI减少了6%。