汽油機缸內直噴技術應用現狀與發展趨勢

魏崇亮 郭曉鑫 馮志鵬 李國棟 王兆甲

（1-中國汽車工程研究院股份有限公司重慶4011202-北京科技大學車輛工程研究所）

·綜述·

汽油機缸內直噴技術應用現狀與發展趨勢

魏崇亮1郭曉鑫1馮志鵬2李國棟1王兆甲1

（1-中國汽車工程研究院股份有限公司重慶4011202-北京科技大學車輛工程研究所）

主要介紹了汽油機缸內直噴技術的發展過程、應用現狀、技術難點以及存在的問題，并對汽油機缸內直噴技術的發展趨勢進行了展望，同時也對國內自主品牌汽油機缸內直噴技術的發展寄予希望。

汽油機缸內直噴排放燃油經濟性

引言

隨著汽車給環境帶來的排放污染和能源短缺問題日益嚴峻，世界各國對排放標準法規要求也愈加嚴格。我國于2013年發布了國V排放標準并于近期審查通過了《乘用車燃料消耗量限值》第四階段標準。由于目前中國汽油車占據相當大比例，所以在降低汽油車油耗和排放方面具有一定技術優勢的缸內直噴技術的發展就顯得尤為重要。相對傳統進氣道噴油式汽油機，汽油機缸內直噴技術（簡稱GDI）燃油經濟性可以提高15%左右，HC排放量可減少30%[1、2]。目前汽油機缸內直噴技術雖然已經比較成熟，但其在燃燒控制、燃油噴射、排放控制、增壓技術等方面還需進行深入研究。

1 缸內直噴技術的發展過程及應用現狀

缸內直噴技術誕生于20世紀20年代，最初應用于軍事技術，直到20世紀50年代奔馳公司生產的300SL才實現缸內直噴技術在汽車領域的真正應用。此后由于低廉的燃油價格以及電控技術的限制，缸內直噴技術一直未能得到進一步的發展。20世紀70年代，福特公司開發出一種采用分層燃燒技術的ProCo系統[3]，由于電控技術不夠成熟和成本過高以及排放超標，該系統也未能得到發展。

20世紀90年代以來，隨著各國對環境和能耗的嚴格控制以及電控和制造技術水平的提高，各大汽車廠商紛紛發展缸內直噴技術，見表1。三菱公司于1996年率先把具有缸內直噴技術的自然吸氣式發動機4G93安裝在轎車Galant上，該發動機首次采用曲頂活塞和豎直進氣道，可減少進氣阻力并有利于在高負荷工況下噴油產生很強的混合氣渦流，從而使燃燒更充分、動力更強、油耗更少。豐田公司于1998年推出D4直噴系統并應用在SZ和ZN系列發動機上，在2005年又應用于3GR-FSE發動機上，該系統只有一組噴油嘴伸入氣缸并能實現均質燃燒。在D4直噴系統基礎上，豐田又開發出D4-S直噴技術并應用在2GR-FSE發動機上，該系統結合了直噴和間接噴射的優點，每缸分別配置低壓噴油嘴和缸內直噴高壓油嘴，可實現不同負荷工況下的燃油噴射和燃燒控制要求。大眾公司于2001年推出FSI缸內直噴系統，大眾、奧迪大部分車型目前都已經采用該技術，是當前業界最成熟、最先進的缸內直噴技術之一。通用公司推出的缸內直噴技術SIDI依靠缸內均質燃燒來提升效率，沒有使用稀薄分層燃燒技術，該技術最大的優勢是不受油品的限制，不需要特別的養護。奔馳公司于2006年推出其缸內直噴系統CGI，并于2010年推出最新一代缸內直噴系統BlueDirect，該系統采用多點噴射、多重火花點火技術和壓電式噴油裝置使得燃燒效率和排放水平更高。福特公司于2007年推出EcoBoost缸內直噴技術，該系統融合了高壓直噴、渦輪增壓和雙獨立可變氣門正時系統三大技術，能提供更佳的燃油經濟性。隨著GDI發動機優勢的體現，保時捷、法拉利等公司近年來也相繼推出了自己的缸內直噴技術。

表1 世界主要汽油機缸內直噴技術統計

2 缸內直噴技術的關鍵技術現狀

缸內直噴發動機的關鍵技術包括燃油供給與噴射系統、燃燒系統的優化設計、GDI的燃油噴射和燃燒過程控制策略等。

GDI燃油供給系統主要依靠高精度快速響應的電控系統，燃油噴射系統則主要采用高壓共軌系統與電磁驅動噴油器相結合的形式，其中高壓油泵、高壓油軌、噴油器、發動機控制模塊（ECM）是噴射系統的關鍵部件。ECM是直噴發動機的大腦并由軟件、執行器、芯片等組成，其主要作用是采集發動機數據，并按照預定程序控制噴油時機和噴油量，從而實現最佳燃燒效率。

高壓油泵和高壓油軌對于制造精度和工作環境的要求很嚴格，高壓油泵通過油壓調節器控制燃油的壓力并實現平衡噴油嘴壓力的作用，通常可給燃油加壓到15 MPa，并最終將燃油送入油軌。

燃燒系統的優化設計是GDI發動機開發的關鍵技術，只有通過合理配置燃燒室形狀、燃油噴束、氣流運動等，特別是優化活塞頂部的設計，才能實現在中小負荷時的分層稀薄和大負荷時的均質預混的要求，其中進氣行程和壓縮行程中缸內瞬時流場的組織尤為重要，可促進燃料與空氣的有效混合，同時控制氣流的流動以生成穩定的分層混合氣。

按照可燃混合氣形成的控制方式以及火花塞和噴油器的相對位置，缸內直噴燃燒系統包括氣流導向型、壁面導向型、噴射導向型。研究表明，噴射導向型系統燃燒效率損失和泵氣損失相對較小，比氣流導向型和壁面導向性有著更好的燃油經濟性[4]。

3 缸內直噴技術的難點與制約因素

GDI發動機已經在實踐中證明了其獨特的優勢，但在目前缸內直噴技術的應用中，還存在一些技術性難點和亟待解決的問題。

3.1 排放控制問題

相對傳統進氣道發動機，GDI發動機在燃油經濟性和動力性方面具有一定的優勢，同時車輛的整體排放量也得到下降。但由于GDI發動機的技術特性，其在中小負荷HC排放、NOx排放、顆粒排放方面還存在一些問題。

由于GDI發動機燃燒特性與進氣道發動機不同，GDI發動機火焰傳播方式是從火花塞附近的濃混合區到稀混合區，導致在濃混合區域出現高溫區域，造成NOx排放升高。另外，GDI發動機較高的壓縮比和較快的反應放熱率也是導致NOx升高的原因。由于GDI發動機的空燃比相對較高，氣缸內燃燒溫度整體較低，導致氣缸內未燃HC不能完全被氧化，另外由于GDI發動機在噴油時刻造成的缸內濕壁現象嚴重，導致活塞腔、進氣門底座、排氣門底座等區域燃燒不好，造成在中小負荷時HC排放較高。為了在HC排放升高不多的前提下有效地控制NOx排放，業界也嘗試采用給直噴汽油機加裝EGR系統，加裝之后在動力性和經濟性方面都有一定的提升，目前國內外對于此項研究已經取得一定的進展[5]。

由于GDI發動機特別的噴油模式，使其在低負荷、冷起動和工況轉換的狀況下尾氣顆粒物排放的質量濃度和數量都高于傳統的進氣發動機。其微粒產生機理主要是由于燃油高壓噴入氣缸內，造成混合氣混合時間短、局部過濃、缸內濕壁等現象加重，又因缸內燃燒溫度低導致微粒氧化不足所致。目前業內主要研究方向是GDI發動機的顆粒質量分析，隨著未來排放法規把直噴發動機的微粒數量納入檢測，對于顆粒物的數量和粒徑方面的研究愈發重要[6]。

3.2 冷起動控制策略問題

由于GDI發動機產生的HC排放的80%以上是冷起動過程中產生的未燃HC[7]，通過復雜的參數標定可實現GDI發動機從冷起動到適應不同的負荷工況，并實現精確的供油和燃燒及排放控制。由于GDI技術能精確地控制噴入氣缸內的燃油量，有效控制缸內油氣的混合過程，改善汽油機冷啟動排放，因此如何優化GDI發動機冷起動階段的控制策略是一個重要的研究課題。

3.3 零部件制約問題

由于GDI發動機的技術特點，對于關鍵零部件有著非常嚴格的要求。

GDI發動機噴油壓力高，需配備高壓噴油嘴來提高油氣的霧化特性和混合效率，為了在分層燃燒時更好地控制氣體的流向，需要對燃燒室形狀和活塞進行優化設計，同時對氣缸的材質也提出更高的要求。

缸內直噴汽油機的噴油器置于氣缸內，由于噴油壓力高、汽油清潔狀況、低速運轉，且噴孔無自潔能力，容易產生積垢，造成燃油經濟性下降、排放惡劣、無法低溫冷起動，并且動力性和加速性能也下降，影響駕駛性能。

除了噴油器的設計，業界也采用噴油嘴清潔劑來解決該問題，具體功效還需要進一步驗證。為了使油氣在進入燃燒室后產生氣旋渦流，從而提高混合油氣的霧化效果與燃燒效率，GDI發動機的燃燒室、活塞大多設計有特殊的導流槽。

雖然GDI發動機可以整體降低污染物的排放，但其燃燒模式提高了缸內溫度并導致氮氧化物的排放增大。由于傳統的三元催化器對稀混合氣的氮氧化物轉化效率不高，需配備特殊的三元催化器裝置來降低氮氧化物，導致車輛整體成本上升，限制了GDI發動機的發展。同時由于國內燃油標號不高，高硫含量的燃油對催化器傷害較大，煉油成本也需提高，都制約了GDI發動機的發展。

3.4 超級爆燃及噪聲控制問題

GDI發動機在低速大負荷工況下容易發生非正常燃燒模式即“早燃”現象而引發超級爆燃，特別是對小排量增壓缸內直噴發動機尤為突出。超級爆燃是GDI發動機降低油耗和提高升功率的主要障礙，其爆發壓力是正常爆壓的兩倍以上并呈大幅振蕩現象，超過了發動機的爆燃承受極限，導致發動機油耗增加和噪聲加大，并可能對氣缸體、活塞、曲柄連桿機構等部件造成致命損壞。

超級爆燃的發生具有不可預測性和間歇性，其產生機理至今尚未有定論，主流觀點認為超級爆燃是缸內在火花塞在點火之前已經發生早燃，使得汽油、機油和其混合液滴形成的未燃氣全面自燃而形成的。

研究表明，對于由早燃引發的超級爆燃，其發生頻率和強度的影響因素主要包括燃油揮發性、機油品質、點火時刻、噴油器設計、機油及冷卻液溫度、進排氣運動、缸內殘余廢氣和燃燒系統設計等。

對于超級爆燃的抑制方法，研究發現加濃混合氣、掃氣、壓縮行程噴射燃油形成分層混合氣、中冷EGR對超級爆燃都具有一定的抑制效果[8]。在國內，奇瑞公司開發了一種防止超級爆燃的活塞，通對對活塞倒角進行改進，可減少未燃碳氫的排放和可能引發超級爆燃的源頭碳煙顆粒，從而大大降低超級爆燃發生的概率，目前該活塞的應用效果還有待驗證。

由于GDI發動機與普通進氣道噴射發動機的燃油噴射模式不同，其發動機噪聲較大，而超級爆燃所引發的噪聲更大，對于GDI發動機的噪聲控制也是亟待解決的問題。

4 基于缸內直噴技術汽油機的發展趨勢

4.1 燃燒控制技術

GDI發動機在分層稀燃區域有著良好的燃油經濟性，如何擴大其分層稀燃區域將是GDI發動機的一個研究重點。由于GDI發動機在分層燃燒時的混合氣不均勻，容易產生NOx和碳煙，而HCCI（均質充量壓燃）的燃燒特點可以抑制NOx和微粒的生成。有效地控制點火時刻和發動機整個燃燒工況內的燃燒速率是實現HCCI燃燒的重要因素，也是GDI發動機燃燒控制技術的一個發展趨勢[9]。

4.2 燃油復合噴射技術

為了能夠兼顧發動機的動力性和經濟性，同時滿足日益嚴格的排放標準，理論上最理想的技術方案就是歧管噴射+缸內直噴雙噴射系統。目前豐田和大眾已經走在了前面，豐田率先推出了采用混合缸內直噴和歧管噴射兩種方式的D4-S雙噴射系統；繼豐田之后，大眾也推出了裝備此項技術的第三代EA888發動機。如何把兩種噴射技術更好地融合到一起將是GDI發動機一個發展趨勢。

4.3 發動機小型化

由于缸內直噴技術所體現的技術優勢以及環境和能源危機，GDI發動機發展的趨勢無疑是小型化，發動機小型化可以增強汽油機的實際負荷能力并能降低泵氣損失。通過采用渦輪增壓技術、排氣歧管集成設計、鋁制缸蓋、凸輪軸可變正時技術以及高精度的燃油噴射技術來實現GDI發動機的小排量高輸出，提高汽油機的燃油經濟性。2014年，福特發布了最新一代1.0T EcoBoost?？怂?，油耗為4.3L/100km；菲亞特推出了0.9L 2缸Twin Air空氣渦輪增壓發動機并搭載在2014款阿爾法羅密歐MiTo上，油耗能達到4.2L/100km。

5 結束語

雖然目前缸內直噴技術已經比較成熟，但由于關鍵技術都掌握在國外公司手中，國內自主品牌在缸內直噴技術方面還處于起步階段，目前長城、奇瑞、比亞迪、吉利等都已經推出了自己的GDI發動機。長城于2012年推出了搭配在哈弗H7上的低功率版GW4C20渦輪增壓缸內直噴發動機；奇瑞2013年推出了一款1.2T三缸缸內直噴發動機，該發動機配置了包括缸內直噴、改善三缸發動機運轉平順性的平衡軸、可變排量機油泵以及雙凸輪軸結構的配氣機構等主流技術，性能可與同型號的進口發動機相媲美，目前該款發動機正處于測試階段?？傊谛履茉雌囘€未普及之前，缸內直噴技術必將是汽油機的主流技術，而國內自主品牌缸內直噴技術發展還任重道遠。

1Anderson R W，Brehob D D，Yang J，et al.A new direct injection spark ignition（DISI）combustion system for low emissions[C].Proceedings of FISITA 96，Congress No. P0201，1996

2Byron Thomas Shaw.Modeling and control of automotive cold start hydrocarbon emissions[D].Berkeley：University of California，2002

3Carlos Queiroz，Eduardo Tomanik.Gasoline direct injection engines a bibliographical review[C].SAE Paper 973113

4耿文娟，袁銀南，居鈺生.汽油機缸內直噴技術探析[J].小型內燃機與摩托車，2010，39（3）：23～28

5潘鎖柱，宋崇林，裴毅強，等.EGR對GDI汽油機燃燒和排放特性的影響[J].內燃機學報，2012，30（5）：409～414

6潘鎖柱，裴毅強，宋崇林，等.汽油機顆粒物數量排放及粒徑的分布特性[J].燃燒科學與技術，2012，18（2）：181～185

7黃佐華，蔣德明，周龍保.影響火花點火發動機碳氫排放因素的研究[J].中國機械工程，1997，8（1）：48～51

8李元平，平銀生，尹琪.增壓缸內直噴汽油機早燃及超級爆震試驗研究[J].內燃機工程，2012，33（5）：63～66

9王志，王建昕，帥石金，等.缸內直噴燃料改質控制HCCI著火時刻和燃燒速率的研究[J].自然科學進展，2006，16（9）：1191～1195

Current Application Situations and Development Trend of Gasoline Direct Injection Engine

Wei Chongliang1，Guo Xiaoxin1，Feng Zhipeng2，Li Guodong1，Wang Zhaojia1
1-China Automotive Engineering Research Institute Co.，Ltd.（Chongqing，401120，China）2-Institute of Vehicular Engineering，Beijing University of Science and Technology

This paper introduces the development of the gasoline engine direct injection technology involved inapplication situations，technical difficulties and existing problems.Meanwhile，the development trend and research orientation of gasoline direct injection technology were also discussed especially for self-owned brand.

Gasoline engine，Direct injection，Emission，Fuel economy

U464.11+4

A

2095-8234（2014）05-0078-04

2014-09-03）

魏崇亮（1978-），男，學士，主要研究方向為汽車檢測及試驗開發。