汽車發動機新技術

缸內直噴技術是一種新型進氣燃燒技術，它采用一種類似于柴油發動機的供油/氣原理，通過一個活塞泵提供約100bar以上的壓力，將汽油供給位于氣缸內的電磁噴射器。然后通過電腦控制噴射器將燃料在最恰當時間直接注入氣缸內燃燒，其控制的精確度接近毫秒，所以能最有效的將油氣混合比調整至最佳狀態，保證了汽油的充分燃燒，動力損失降到最低。

1.缸內直噴技術的發展歷程

汽油機經歷了100多年的漫長歷史，經歷油氣混合方式和機理的變遷。上世紀50年代，德國的二沖程直噴汽油機，因機械制造技術和電控水平較低，性能和排放不理想。90年代后，缸內直噴汽油機的研究有較大的進展。缸內直噴汽油機改變了預混合汽油機的混合機理，采用稀薄分層燃燒技術，降低HC等有害排放。直噴方式的油滴蒸發主要依靠空氣吸熱而非壁面吸熱，降低了混合氣溫度和體積，降低爆燃傾向，提高發動機壓縮比。GDI汽油機具有瞬態響應好，易實現精確的空燃比控制，具有快速的冷起動和減速快速斷油能力等特點，GDI汽油機明顯優于進氣道噴射汽油機。為此，許多外國汽車公司成功開發出了GDI發動機機型。1996年，三菱公司率先采用立式進氣道與彎曲頂面活塞。在進氣行程中吸入的空氣通過立式進氣道被吸入氣缸，形成強烈的滾流。噴射的燃油經曲面形的燃燒室壁面引導被送到位于氣缸中央的火花塞附近，形成穩定的燃燒。汽油直噴發動機用在運動型轎車Galant上，其油耗和排放比傳統汽油車降低了30%。2000年，大眾公司研發了稀燃直噴式汽油機Lupo PSI，其高行駛功率下的百公里燃油消耗僅4. 9L，是世界上第一輛5L汽油機汽車。Lupo PSI的燃油消耗與同輸出功率的進氣道噴射汽油機相比，降低了34%。2004年，奧迪公司研發了2. 0T-FSI燃油分層直接噴射增壓汽油機。2005年被權威雜志評為全球十大發動機第一名，代表了世界汽車發動機技術的頂尖水平。豐田公司的GDI發動機使用了可變渦流技術，通過缸內氣流運動的組織，在火花塞周圍形成可點燃的混合氣。為了降低NOx排放，在使用EGR的同時采用了NOx吸附催化反應器。美國福特公司的GDI發動機采用均質的當量燃空比附近的混合氣，利用傳統的三元催化反應器，降低排放。

2.缸內直噴技術的技術現狀

現代的GDI發動機燃油供給系統設計，為了達到分層稀薄混合氣所要求的噴霧質量和靈活的噴油定時，采用了高壓共軌噴射系統加電磁驅動噴油器，是滿足缸內靈活噴射要求的噴射系統之一。該系統由低壓輸油泵、燃油壓力傳感器、噴油壓力控制閥、高壓油泵、蓄壓燃油軌、噴油器等組成。電動輸油泵把燃油從油箱輸送到高壓油泵，高壓油泵由發動機凸輪軸驅動，將送來的壓力約0.35MPa的燃油壓力增高到8～12MPa，并送往蓄壓燃油軌，充滿各缸噴油器的油腔。當ECU使噴油器的電磁線圈通電令針閥打開，汽油通過噴嘴噴人氣缸。GDI發動機需要形成高質量的混合氣，除了依靠進氣渦流外，對噴油器的噴霧質量要求也很高。由于燃油蒸發混合的時間很短，要求噴霧要汽化，一般缸內直接噴射的平均油粒直徑在20～25μm，為此，噴油壓力要維持在4～13MPa。為了實現油氣均勻混合，必須使噴霧廣泛分散在整個燃燒室。噴油器應能保證噴射出來的汽油微粒的速度在噴射直線方向上急劇衰減，而圓周運動方向上的油粒應盡量保持高速運動，這樣才有利于混合氣的形成。燃油噴射系統中，噴油器的結構形式對噴霧質量的影響很大。由于汽油機的噴射壓力遠低于柴油機，如采用多孔噴油器，其噴嘴在工作中易積碳，霧化分層不好，燃燒火焰傳播不穩定，在GDI發動機上不用多孔噴油器，而用內開式旋流噴油器，只有一個噴孔，工作油壓為5.0—10MPa，其內部設有燃油旋流腔，它可以通過渦流比的選擇而實現較好的噴霧形態和合適的貫穿度的配合，且噴束方向便于調整，方便在氣缸內的布置。

GDI發動機燃油噴射模式可以分為單階段噴射模式和多階段噴射模式。單階段噴射模式是指在中小負荷時，燃油在壓縮行程后期噴入，實現混合氣分層稀燃并采用質調節以避免節流閥的節流損失，使GDI汽油機達到與柴油機的經濟性；在大負荷和全負荷時，燃油在進氣行程中噴人氣缸，實現均質預燃和燃燒，以保持汽油機升功率高的特點。多階段噴射模式是指在進氣行程中先噴入所需燃料的1/4，形成極稀的均質混合氣，其余燃料在壓縮行程后期再次噴入，形成分層混合氣。火花塞點火時，首先在濃混合氣處形成較強的火焰，然后向稀混合氣空間迅速傳播。應用該技術可實現發動機從中小負荷到大負荷的平穩過渡，降低氣缸內的氣體溫度，抑制爆燃的產生。

燃燒系統的設計是GDI發動機的關鍵技術。要成功實現中小負荷時的分層稀燃和大負荷時的均質預混，就需要進行燃油噴束、氣流運動和燃燒室形狀的優化合理配合。已經開發的GDI發動機燃燒系統有3種類型。“噴束引導法”“壁面引導法”“氣流引導法”。

3.缸內直噴技術研究開發方向

現在GDI技術尚處于逐步成熟時期，各種問題的出現是必然的，但GDI的研究一定要在確保動力性能的基礎上盡可能的“節能減排”。而從當前的形式來看低碳問題又是中之重。稀燃催化器的開發將直接影響到GDI汽油機排放問題的解決。目前開發的有稀燃催化還原型NOx催化器、NOx搜捕型等。這些催化器都不同程度的存在轉化率低，性能不如傳統的三元催化器等問題，需深入研究。二次燃燒是指在進行正常分層燃燒的怠速運轉時，除了在壓縮行程后期噴油外，在膨脹行程后期再次噴入少量燃油，在缸內高溫、高壓氣體的作用下點火燃燒并使排氣溫度提高，較好地降低HC和NOx排放。