缸內直噴GDI發動機技術的發展趨勢分析

史博宇

摘 要：通過對比分析了GDI發動機與氣門口噴射PFI系統，分析了發動機燃燒技術的發展趨勢，提出了GDI發動機將會取代 PFI發動機成為車輛的標準配置的結論。

關鍵詞：汽油機；缸內直噴；稀薄燃燒；均質充氣；渦輪增壓；均質壓燃

1 GDI技術與PFI氣門口噴射技術的比較

混合氣形成策略不同是PFI發動機與GDI發動機的主要區別。PFI發動機具有油膜濕壁現象和節氣門節流損失的缺點，而GDI發動機理論上不存在上述兩方面的限制。

PFI發動機產品中，20%噴嘴裝在氣缸蓋上進氣門的背面，80%安裝在進氣歧管上靠近氣缸蓋位置，在發動機起動時，會在進氣門附近形成瞬時的液態油膜，這些燃油會在每次進氣過程逐漸蒸發進入氣缸燃燒。由于部分蒸發現象導致油量控制延遲和計量偏差，冷機起動時由于燃油蒸發困難，使得實際供油量遠大于需求空燃比的供油量，這樣會導致冷起動時發動機有4個～10個循環的不穩定燃燒，顯著加大發動機未燃HC排放。GDI技術可以避免氣門口燃油濕壁現象，實現燃燒各階段準確供油，能夠實現更稀薄燃燒并且降低缸與缸之間、循環與循環之間的變動，冷起動首循環不需加濃控制，降低瞬態工況HC的排放。然而GDI發動機對燃油蒸發和混合物形成有更嚴格的要求，需要通過更高的噴油壓力提高燃油的霧化率。

PFI發動機的另一限制是中、小負荷時采用節氣門來控制負荷，存在節流損失，GDI發動機在中、小負荷時采用分層充氣工作模式，通過控制噴入氣缸的油量來控制發動機的負荷，不采用節氣門可以降低泵氣損失和熱損失。

2 GDI發動機燃燒技術發展趨勢

2.1 采用均質混合燃燒方式

采用∮a=1的均質混合燃燒方式的主要優點是能夠采用目前PFI發動機上廣泛使用的三效催化器，可以避免采用稀燃NOx催化轉化器，使其排放能夠達到越來越嚴格的排放法規。同PFI發動機和分層稀燃GDI發動機相比，∮a=1的均質混合燃燒發動機具有較多優點：a）發動機起動過程具有更快速的起動，較少的起動加濃和降低起動HC排放的潛力。b）能夠提高瞬態響應，減少加速加濃，實現更精確的空燃比控制c）燃燒過程不需要分層充氣和均質充氣的模式轉換；缸內燃油蒸發冷卻充氣，壓縮行程可以減少熱損失，有利于提高燃燒穩定性和EGR率，并能夠提高受爆震限制的壓縮比d）燃油經濟性能夠提高5%。e）控制系統比分層稀燃簡化，增加了系統優化的靈活性。f）與其他技術的匹配。g）排放低。

2.2 采用分層充氣或均質充氣渦輪增壓技術

通過提高進氣壓力、提高空氣利用效率來減小發動機的尺寸是提高發動機經濟性的有效途徑，傳統的PFI發動機由于受到爆震限制和渦輪增壓器響應滯后等因素的影響，使得汽油機渦輪增壓技術未能迅速發展。GDI發動機由于缸內形成混合氣，燃料蒸發能夠降低混合氣溫度，同時混合氣在缸內停留的時間相對較短，相同壓縮比條件下，GDI發動機要比PFI發動機爆震傾向小，對燃料辛烷值的要求低。GDI發動機小負荷時不使用節氣門，進氣量相對較大，渦輪增壓器轉速高，使得GDI發動機在瞬態工況能夠實現快速響應隨負荷變化引起的渦輪增壓變化。GDI發動機應用渦輪增壓技術具有下面優勢：

a）缸內充氣冷卻。由于燃油在氣缸內蒸發能夠顯著冷卻缸內充氣，結合多階段噴油可以有效地降低爆震傾向，因此，可以實現比常規PFI更高的壓縮比。b由于增加了發動機的充氣量，所以，可以擴大發動機稀燃區域的轉速和負荷范圍。c）提高渦輪增壓發動機瞬態響應。小負荷時不采用節氣門，發動機的進氣量大，渦輪增壓器轉速高，因此，即使在部分負荷稀燃區域時渦輪增壓的響應延遲也較小。

2.3 優化燃燒系統擴大分層稀燃區域

燃油經濟性的提高是影響未來GDI發動機和小型高壓共軌柴油機在市場所占比率的重要因素。GDI發動機在分層稀燃區域可以實現節油20%～25%，可以優化GDI發動機燃燒技術，采用新一代噴射引導型燃燒系統，擴大分層稀燃范圍，進一步提高GDI發動機經濟性。擴大直噴發動機分層充氣稀燃區域是新一代直噴供油系統的發展趨勢。因此，基于窄間距設計的噴束引導燃燒系統具有實現更稀薄燃燒并擴大稀燃區域的潛力，將成為下一代GDI發動機的首選燃燒系統。

2.4 實現GDI發動機的HCCI燃燒

分層稀燃GDI發動機的混合氣不均勻，NOx會在燃料較稀的高溫區產生，而在混合氣較濃的區域易產生碳煙。在HCCI的燃燒過程中，理論上是均勻混合氣完全壓燃、自燃、無火焰傳播過程，這樣可以阻止NOx和微粒的生成，同時能夠實現較高的燃油經濟性。若實現HCCI燃燒可以不需要任何后處理裝置即可達到歐Ⅵ或更加嚴格的排放法規，但是，HCCI燃燒的實現需要解決兩個問題，即點火時刻的控制和發動機整個工況內的燃燒速率的控制。HCCI燃燒需要通過控制氣缸內溫度、壓力和混合氣的濃度來控制整個氣缸內混合氣的燃燒時刻，沒有明確的觸發手段來控制燃燒，局部的溫度變化或空燃比變化都是控制HCCI燃燒起始時刻的關鍵變量，使燃燒控制變得十分困難。采用GDI技術燃油直接噴入氣缸內，能夠更加靈活地控制噴油時刻和精確控制噴油量，為HCCI燃燒模式的實現提供了可能。應用GDI技術實現HCCI燃燒具有以下優點：a）缸內直噴可以通過改變噴油時刻來改變局部混合氣濃度。b）缸內燃油蒸發可以改變缸內局部溫度。c）燃油早噴能夠為燃油蒸發和形成均質混合氣提供足夠的時間；壓縮行程的后噴能夠控制氣缸內局部區域混合氣濃度，從而控制HCCI燃燒，應用GDI的多階段噴射可實現這兩種噴射。d）缸內直噴技術在瞬態工況能夠實現精確的噴油量控制，有效避免瞬態工況HCCI燃燒爆震或失火。因此，實現HCCI燃燒是GDI技術發展的一個重要方向。