第十三章 油的高效低污染燃烧
§ 13.1 汽油机燃烧技术
13.1稀薄燃烧技术
1）分层充气燃烧
汽油机燃烧室内混合气的空燃比是不均匀
的,火花塞附近的混合比较浓，一般为 12~14,
而在其余的大部分区域，空燃比 A/F大约在 20
以上。
分层燃烧系统的类型,
1）福特汽车公司的 ProCo
（可控燃烧发动机）
2）德士古石油公司的 TCCS
发动机
统称为 DISC发动机,意为直喷分层燃烧发动机。
稀燃系统机构示意图
1.涡流控制阀 2,3,喷油器 4,5,火花塞
涡流轴向分层示意图
滚流分层稀燃系统机构示意图
1.涡流控制阀 2,3,喷油器 4,5,火花塞
滚流均质稀燃系统机构示意图
1.涡流控制阀 2,3,喷油器 4,5,火花塞
13.2 缸内直喷式汽油机
缸内直喷发动机的研究经历了三个阶段,
节流阀单点喷射,
进气道多点喷射（进气道同步喷射与顺序喷射
缸内直喷。
13.1.3 多气门技术
多气门技术的优点为
1,进, 排气面积增大, 吸气及排气冲程损失减少, 从而
提高了每缸的比功率, 同时改善了比油耗并降低了排放污
染 。
2,进气门的增加不仅提高了进气效率, 也提高了进气运动,
从而改善了混合气的形成 。
3．可提高压缩比、提高热效率。而压缩比的提高使缸内残
余废气减少,点火延迟缩短,着火性能变好。
曲轴转角
§ 13.2 柴油机燃烧技术
保持快速燃
烧和燃烧温
度
PM降低
缩短扩散燃烧
改善燃油经济
性与降低 PM
低 NOx
排放区
13.2.1 均质充量压缩燃烧（ HCCI）
电加热
发动机
E G R 阀 喷油器
喷油泵
美国西南研究所提出了均匀充量压缩燃烧
(HCCI) 实验装置
HCCI 燃烧相位控制方法
可变技术在 HCCI 中的应用
HCCI燃烧相位控制方法
改变混合气特性 改变时间 -温度进程
混合燃烧
燃烧添加剂
燃料预处理
EGR
调节进气温度
喷射定时
向气缸喷水
可变压缩比
可变配气定时
EGR
可变压缩比 ( VCR)
压缩比是另一个影响燃烧相位较大的因素,改
变压缩比可以改变混合气的密度和压力,从而对其
自燃温度产生影响。改变压缩比的主要方法是调
整燃烧室容积、工作容积和改变配气相位调节
可变配气正时 ( VVT)
斯坦福大学对 HCCI 的研究主要集中在
VVT的应用方面,其目的是在无节流损失的情况
下,使 HCCI 能够运转于更大的工况范围,并使
其油耗满足。喷射时刻提前,混合气在高温环境
下所处的时间加长,所形成的混合气更趋均匀,
对 HCCI 的形成有利。
利用 VVT 改变发动机气门的开启持续时间、升
程和相位,以改变缸内新鲜工质的量和残余废气
量,起到了改变压缩比的效果。因为残余废气量
的多少对缸内混合气的温度影响很大,从而达到
改变混合气的时间温度进程的效果,这种效果同
EGR 类似,因此 VVT 又被称作内部 EGR。
可变压缩比和可变配气相位技术具有响应快,
能随工况变化进行及时调整、优化燃烧的特点。但
由于结构复杂,增加了发动机的成本和复杂度。
可变喷射定时及喷射量
喷射时刻的不同对发动机性能和排放影响很
大。喷射时刻提前,混合气在高温环境下所处的时
间加长,所形成的混合气更趋均匀,对 HCCI 的形成
有利。
日本丰田公司的 UNIBUS 所使用的两个喷油嘴
能够根据工况进行喷射量和喷射时刻的调节以利于均
质混合气的形成。
13.2,2 均质预混稀薄燃烧 MK
所谓 MK燃烧方式是指, 低温、预混合燃烧, 。
降低N O x
降低燃烧温度 氧浓度下降
烟度增大
降低烟度
提高预混合
燃烧比例
燃油耗恶化
延长滞燃期
S O F,U B H C 恶化
优化燃烧系统（涡流比、燃烧室形状等）
推迟喷油定时
高E G R
图 12.10 MK 概念图
排气温度升高
喷油持续期延长
高负荷
低负荷
喷油率
燃烧始点
滞燃期
缩短喷油持续期
高压喷射
延长滞燃期
冷却EG R气体
降低压缩比
扩大MK 燃烧区
扩大喷嘴
图 13.11 扩大 MK燃烧区的方法
13.2.3 柴油机电控技术
对喷油系统的期望是要有足够的喷射压
力同时具有柔性喷油曲线。
柴油机电控喷油系统可分为,
位置控制系统：包括直列泵, 电控分配泵系统
时间控制系统：包括电控泵 — 喷嘴系统, 电控单
体泵等系统
压力时间控制系统：主要有增压式共轨系统 （ 或
称中压共轨系统 ） 与高压共轨系统
§ 13.3 代用燃料与清洁燃料的开发与应用
13.3.1 LPG与 NG（ CNG）
A,NG（ CNG）
天然气作为汽车燃料始用于 30年代,但是受
到天然气存储技术的限制未能得到广泛应用,直到
本世纪 70年代,随着材料科学技术和制造工艺的进
步,使天然气在车辆上的使用成为可能,
另一方面,在严格排放法规的要求和激烈的商业竞
争作用下,以电子控制技术为核心的车用发动机技术已日
益成熟,促进了天然气汽车的技术进步,各种天然气发动
机的燃料存储和供给系统、专用电子控制系统、排放控
制和废气净化系统不断地涌现 ;对各种不同的发动机总体
结构方案和控制策略的研究,使天然气发动机的动力性、
经济性、排放性等各项性能不断提高,与车辆的匹配也更
加优化,天然气作为优质燃料的潜力也充分发挥出来,
2 各种不同类型的天然气发动机
（ 1） 由柴油机改造的天然气发动机,采用压燃工作方式；
（ 2） 类似汽油机的天然气发动机,采用火花塞点燃。
根据其供气方式和控制技术又可以大致分为 3种,
1） 包含一个与化油器类似的部件,用于形成混合气,例
如美国底特律柴油机公司 50GNGV的预混合供气系统,
这种类型的优点是结构简单,价格较低。但控制精确不够，
难以达到较高的排放控制水平
2）采用电控单点喷射 (SI),并结合氧传感器进行闭环控制
以较精确地控制空燃比,从而使发动机具有较好的经济性
和排放性,但是难于在设定的空燃比附近实现快速振荡控
制 ;尤其是在加速和减速时不能迅速响应空燃比的变化,从
而影响了整体排放指标。
3）电控多点喷射系统 (MJ)
可以实现对空燃比按周期和按缸进行控制,具有良好
的响应性 ;能实现精确地爆震控制,从而可以采用较高的
压缩比,因而排放性、动力性和经济性都有很大提高。
本田公司研制的天然气发动机采用了电控多点气体喷射系统
(PGM-GI),发动机的排放值明显降低,CO和 HC分别比燃用汽
油时下降了 78%和 80%,
美国西南研究院 (SWRI)开发的天然气电控缸内直喷 (NGDI)系
统,采用专用喷气装置通过电子控制实现天然气的缸内直接喷
射,稀薄燃烧,结合催化技术实现发动机超低排放,
B,LPG
LPG在发动机中的应用有以下 4种类型,
① 在汽油机基础上改造的单一燃用ＬＰＧ的发动机 ;
② LPG-汽油双燃料发动机,它是指具有ＬＰＧ、汽油两
套燃料供给系统,通过选择开关切换可灵活使用ＬＰＧ
或汽油的发动机 ;
③ 在柴油机基础上改造的单一燃用ＬＰＧ的发动机 ;
④ ＬＰＧ -柴油双燃料发动机,它是指采用柴油引燃
ＬＰＧ与空气混合气的工作方式的发动机。
同时,ＬＰＧ燃料供给系统也随着ＬＰＧ发动
机技术的发展由早期的机械控制式结构发展到电子
控制系统。
13.3.2 甲醇
甲醇具有降低温室效应气体排放的潜力。以目
前的技术来看,源自于天然气的甲醇,其温室效应气体
的排放比汽油小得多。
甲醇经济价值
对比于汽油来说,甲醇是个高成本燃料,但是对比
于其他选择来说甲醇又是相对便宜的。源,而且在一
定条件下可以产生于废旧原料。但是,乙醇作为燃料
也存在着缺陷,
ａ,作为一种酒精,乙醇包含羟 (ＯＨ ),使得它跟水有
很强的亲和力,也使得它跟水分离更加困难。
13.3,3 乙醇
乙醇是目前世界上使用最为广泛的代用燃料之一
。它主要来源于含糖份的农作物,或者来自于淀粉农作物
的预处理。
乙醇的热值大约是汽油的 2/3,即 21.2ＭＪ /Ｌ左右。但
是它体现出不同的燃烧特性,热效率更高。它比甲醇的
毒性小,腐蚀性也小,但排放水平很接近。
2.5 氢气 (Ｈ 2)
有两种普通的原料可以产生氢气：水和某种碳氢
化合物 (例如甲烷 )。
a.可以通过电解水来产生氢气,
2Ｈ 2 2Ｈ 2+Ｏ 2
b.碳氢化合物与水蒸气发生化学反应就能产生氢气。
(电解 )
使用氢气的主要技术难题是它的储存。如果以
压缩或者液化的形式储存,就需要笨重昂贵的设备。
另一方面是安全性。在氢气的使用和分配过程
中,氢气在很大的空燃比范围内都容易着火,若在高
压下它燃烧迅速且产生无色火焰,会发生爆炸。
含氧燃料
内燃机用的含氧燃料是指分子中含氧元素的醇类、
醚类、酯类等物质,如甲醇、乙醇、二甲醚 (ＤＭＥ )、
生物柴油、碳酸二甲酯 (ＤＭＣ )、二甲氧基甲烷 (ＤＭ
Ｍ )等,
目前，新型燃油含氧添加剂乙酸 -2-甲氧基乙酯
(ＭＥＡ )则以其与柴油互溶,且可以显著降低柴油机
的碳烟排放,可使ＨＣ和ＣＯ的排放有一定程度的降低,
但对 Nox排放没有明显的影响 。
3）电控多点喷射系统 (MJ),
这种系统可以实现对空燃比按周期和按缸进行控制,具
有良好的响应性 ;能实现精确地爆震控制,从而可以采用
较高的压缩比,因而排放性、动力性和经济性都有很大
提高,
例如本田公司研制的天然气发动机采用了在电控燃油喷
射系统 (PGM-FI)的基础上发展的电控多点气体喷射系
统 (PGM-GI),天然气由气体喷射器供到发动机进气门处,
发动机的排放值明显降低,CO和
HC分别比燃用汽油时下降了 78%和 80%.美国福特公司
1998年推出的天然气发动机也采
用多点喷射系统,新一代缸内喷射系统也正在接近实用
化,例如美国西南研究院 (SWRI)开
发的天然气电控缸内直喷 (NGDI)系统,采用专用喷气装
置通过电子控制实现天然气的缸内
直接喷射,稀薄燃烧,结合催化技术实现发动机超低排放,
§ 13.1 汽油机燃烧技术
13.1稀薄燃烧技术
1）分层充气燃烧
汽油机燃烧室内混合气的空燃比是不均匀
的,火花塞附近的混合比较浓，一般为 12~14,
而在其余的大部分区域，空燃比 A/F大约在 20
以上。
分层燃烧系统的类型,
1）福特汽车公司的 ProCo
（可控燃烧发动机）
2）德士古石油公司的 TCCS
发动机
统称为 DISC发动机,意为直喷分层燃烧发动机。
稀燃系统机构示意图
1.涡流控制阀 2,3,喷油器 4,5,火花塞
涡流轴向分层示意图
滚流分层稀燃系统机构示意图
1.涡流控制阀 2,3,喷油器 4,5,火花塞
滚流均质稀燃系统机构示意图
1.涡流控制阀 2,3,喷油器 4,5,火花塞
13.2 缸内直喷式汽油机
缸内直喷发动机的研究经历了三个阶段,
节流阀单点喷射,
进气道多点喷射（进气道同步喷射与顺序喷射
缸内直喷。
13.1.3 多气门技术
多气门技术的优点为
1,进, 排气面积增大, 吸气及排气冲程损失减少, 从而
提高了每缸的比功率, 同时改善了比油耗并降低了排放污
染 。
2,进气门的增加不仅提高了进气效率, 也提高了进气运动,
从而改善了混合气的形成 。
3．可提高压缩比、提高热效率。而压缩比的提高使缸内残
余废气减少,点火延迟缩短,着火性能变好。
曲轴转角
§ 13.2 柴油机燃烧技术
保持快速燃
烧和燃烧温
度
PM降低
缩短扩散燃烧
改善燃油经济
性与降低 PM
低 NOx
排放区
13.2.1 均质充量压缩燃烧（ HCCI）
电加热
发动机
E G R 阀 喷油器
喷油泵
美国西南研究所提出了均匀充量压缩燃烧
(HCCI) 实验装置
HCCI 燃烧相位控制方法
可变技术在 HCCI 中的应用
HCCI燃烧相位控制方法
改变混合气特性 改变时间 -温度进程
混合燃烧
燃烧添加剂
燃料预处理
EGR
调节进气温度
喷射定时
向气缸喷水
可变压缩比
可变配气定时
EGR
可变压缩比 ( VCR)
压缩比是另一个影响燃烧相位较大的因素,改
变压缩比可以改变混合气的密度和压力,从而对其
自燃温度产生影响。改变压缩比的主要方法是调
整燃烧室容积、工作容积和改变配气相位调节
可变配气正时 ( VVT)
斯坦福大学对 HCCI 的研究主要集中在
VVT的应用方面,其目的是在无节流损失的情况
下,使 HCCI 能够运转于更大的工况范围,并使
其油耗满足。喷射时刻提前,混合气在高温环境
下所处的时间加长,所形成的混合气更趋均匀,
对 HCCI 的形成有利。
利用 VVT 改变发动机气门的开启持续时间、升
程和相位,以改变缸内新鲜工质的量和残余废气
量,起到了改变压缩比的效果。因为残余废气量
的多少对缸内混合气的温度影响很大,从而达到
改变混合气的时间温度进程的效果,这种效果同
EGR 类似,因此 VVT 又被称作内部 EGR。
可变压缩比和可变配气相位技术具有响应快,
能随工况变化进行及时调整、优化燃烧的特点。但
由于结构复杂,增加了发动机的成本和复杂度。
可变喷射定时及喷射量
喷射时刻的不同对发动机性能和排放影响很
大。喷射时刻提前,混合气在高温环境下所处的时
间加长,所形成的混合气更趋均匀,对 HCCI 的形成
有利。
日本丰田公司的 UNIBUS 所使用的两个喷油嘴
能够根据工况进行喷射量和喷射时刻的调节以利于均
质混合气的形成。
13.2,2 均质预混稀薄燃烧 MK
所谓 MK燃烧方式是指, 低温、预混合燃烧, 。
降低N O x
降低燃烧温度 氧浓度下降
烟度增大
降低烟度
提高预混合
燃烧比例
燃油耗恶化
延长滞燃期
S O F,U B H C 恶化
优化燃烧系统（涡流比、燃烧室形状等）
推迟喷油定时
高E G R
图 12.10 MK 概念图
排气温度升高
喷油持续期延长
高负荷
低负荷
喷油率
燃烧始点
滞燃期
缩短喷油持续期
高压喷射
延长滞燃期
冷却EG R气体
降低压缩比
扩大MK 燃烧区
扩大喷嘴
图 13.11 扩大 MK燃烧区的方法
13.2.3 柴油机电控技术
对喷油系统的期望是要有足够的喷射压
力同时具有柔性喷油曲线。
柴油机电控喷油系统可分为,
位置控制系统：包括直列泵, 电控分配泵系统
时间控制系统：包括电控泵 — 喷嘴系统, 电控单
体泵等系统
压力时间控制系统：主要有增压式共轨系统 （ 或
称中压共轨系统 ） 与高压共轨系统
§ 13.3 代用燃料与清洁燃料的开发与应用
13.3.1 LPG与 NG（ CNG）
A,NG（ CNG）
天然气作为汽车燃料始用于 30年代,但是受
到天然气存储技术的限制未能得到广泛应用,直到
本世纪 70年代,随着材料科学技术和制造工艺的进
步,使天然气在车辆上的使用成为可能,
另一方面,在严格排放法规的要求和激烈的商业竞
争作用下,以电子控制技术为核心的车用发动机技术已日
益成熟,促进了天然气汽车的技术进步,各种天然气发动
机的燃料存储和供给系统、专用电子控制系统、排放控
制和废气净化系统不断地涌现 ;对各种不同的发动机总体
结构方案和控制策略的研究,使天然气发动机的动力性、
经济性、排放性等各项性能不断提高,与车辆的匹配也更
加优化,天然气作为优质燃料的潜力也充分发挥出来,
2 各种不同类型的天然气发动机
（ 1） 由柴油机改造的天然气发动机,采用压燃工作方式；
（ 2） 类似汽油机的天然气发动机,采用火花塞点燃。
根据其供气方式和控制技术又可以大致分为 3种,
1） 包含一个与化油器类似的部件,用于形成混合气,例
如美国底特律柴油机公司 50GNGV的预混合供气系统,
这种类型的优点是结构简单,价格较低。但控制精确不够，
难以达到较高的排放控制水平
2）采用电控单点喷射 (SI),并结合氧传感器进行闭环控制
以较精确地控制空燃比,从而使发动机具有较好的经济性
和排放性,但是难于在设定的空燃比附近实现快速振荡控
制 ;尤其是在加速和减速时不能迅速响应空燃比的变化,从
而影响了整体排放指标。
3）电控多点喷射系统 (MJ)
可以实现对空燃比按周期和按缸进行控制,具有良好
的响应性 ;能实现精确地爆震控制,从而可以采用较高的
压缩比,因而排放性、动力性和经济性都有很大提高。
本田公司研制的天然气发动机采用了电控多点气体喷射系统
(PGM-GI),发动机的排放值明显降低,CO和 HC分别比燃用汽
油时下降了 78%和 80%,
美国西南研究院 (SWRI)开发的天然气电控缸内直喷 (NGDI)系
统,采用专用喷气装置通过电子控制实现天然气的缸内直接喷
射,稀薄燃烧,结合催化技术实现发动机超低排放,
B,LPG
LPG在发动机中的应用有以下 4种类型,
① 在汽油机基础上改造的单一燃用ＬＰＧ的发动机 ;
② LPG-汽油双燃料发动机,它是指具有ＬＰＧ、汽油两
套燃料供给系统,通过选择开关切换可灵活使用ＬＰＧ
或汽油的发动机 ;
③ 在柴油机基础上改造的单一燃用ＬＰＧ的发动机 ;
④ ＬＰＧ -柴油双燃料发动机,它是指采用柴油引燃
ＬＰＧ与空气混合气的工作方式的发动机。
同时,ＬＰＧ燃料供给系统也随着ＬＰＧ发动
机技术的发展由早期的机械控制式结构发展到电子
控制系统。
13.3.2 甲醇
甲醇具有降低温室效应气体排放的潜力。以目
前的技术来看,源自于天然气的甲醇,其温室效应气体
的排放比汽油小得多。
甲醇经济价值
对比于汽油来说,甲醇是个高成本燃料,但是对比
于其他选择来说甲醇又是相对便宜的。源,而且在一
定条件下可以产生于废旧原料。但是,乙醇作为燃料
也存在着缺陷,
ａ,作为一种酒精,乙醇包含羟 (ＯＨ ),使得它跟水有
很强的亲和力,也使得它跟水分离更加困难。
13.3,3 乙醇
乙醇是目前世界上使用最为广泛的代用燃料之一
。它主要来源于含糖份的农作物,或者来自于淀粉农作物
的预处理。
乙醇的热值大约是汽油的 2/3,即 21.2ＭＪ /Ｌ左右。但
是它体现出不同的燃烧特性,热效率更高。它比甲醇的
毒性小,腐蚀性也小,但排放水平很接近。
2.5 氢气 (Ｈ 2)
有两种普通的原料可以产生氢气：水和某种碳氢
化合物 (例如甲烷 )。
a.可以通过电解水来产生氢气,
2Ｈ 2 2Ｈ 2+Ｏ 2
b.碳氢化合物与水蒸气发生化学反应就能产生氢气。
(电解 )
使用氢气的主要技术难题是它的储存。如果以
压缩或者液化的形式储存,就需要笨重昂贵的设备。
另一方面是安全性。在氢气的使用和分配过程
中,氢气在很大的空燃比范围内都容易着火,若在高
压下它燃烧迅速且产生无色火焰,会发生爆炸。
含氧燃料
内燃机用的含氧燃料是指分子中含氧元素的醇类、
醚类、酯类等物质,如甲醇、乙醇、二甲醚 (ＤＭＥ )、
生物柴油、碳酸二甲酯 (ＤＭＣ )、二甲氧基甲烷 (ＤＭ
Ｍ )等,
目前，新型燃油含氧添加剂乙酸 -2-甲氧基乙酯
(ＭＥＡ )则以其与柴油互溶,且可以显著降低柴油机
的碳烟排放,可使ＨＣ和ＣＯ的排放有一定程度的降低,
但对 Nox排放没有明显的影响 。
3）电控多点喷射系统 (MJ),
这种系统可以实现对空燃比按周期和按缸进行控制,具
有良好的响应性 ;能实现精确地爆震控制,从而可以采用
较高的压缩比,因而排放性、动力性和经济性都有很大
提高,
例如本田公司研制的天然气发动机采用了在电控燃油喷
射系统 (PGM-FI)的基础上发展的电控多点气体喷射系
统 (PGM-GI),天然气由气体喷射器供到发动机进气门处,
发动机的排放值明显降低,CO和
HC分别比燃用汽油时下降了 78%和 80%.美国福特公司
1998年推出的天然气发动机也采
用多点喷射系统,新一代缸内喷射系统也正在接近实用
化,例如美国西南研究院 (SWRI)开
发的天然气电控缸内直喷 (NGDI)系统,采用专用喷气装
置通过电子控制实现天然气的缸内
直接喷射,稀薄燃烧,结合催化技术实现发动机超低排放,
