缸內(nèi)直噴汽油機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢分析

高友松

摘要：介紹了缸內(nèi)直噴（GDI）發(fā)動機(jī)技術(shù)的主要難點(diǎn)，探討了GDI發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，闡述了過量空氣系數(shù)Фa=1的GDI均質(zhì)混合燃燒方式、分層充氣或均質(zhì)（Фa=1）充氣的渦輪增壓技術(shù)、優(yōu)化燃燒系統(tǒng)擴(kuò)大分層稀燃區(qū)域、實(shí)現(xiàn)GDI發(fā)動機(jī)的HCCI燃燒等4個GDI發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī)；缸內(nèi)直噴；稀薄燃燒；均質(zhì)充氣；渦輪增壓；均質(zhì)壓燃

日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問題使得人們在追求車用汽油機(jī)良好動力性的同時對汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放提出愈來愈高的要求。為此，近年來世界各國開發(fā)了許多發(fā)動機(jī)新技術(shù)，其中汽油機(jī)缸內(nèi)直噴（以下簡稱汽油機(jī)GDI）技術(shù)無論在節(jié)能還是在降低排放效果方面均十分明顯，已成為車用汽油機(jī)一個十分重要的發(fā)展方向。

一、GDl發(fā)動機(jī)面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)分析

GDI發(fā)動機(jī)具有柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性.但由于柴油是自燃著火。初始著火總是發(fā)生于混合氣中最適宜著火的地方，汽油需點(diǎn)燃著火。火花塞的固定使初始著火位置也隨之固定，所以在汽油機(jī)上要達(dá)到類似于柴油機(jī)那樣的工作方式一方面要兼顧不同工況下對混合氣的要求和不同工況間的平穩(wěn)過渡上，另一方面又要對缸內(nèi)隨時間、空間快速變化的油氣運(yùn)動精確控制。以便能在相對同定的點(diǎn)火位置周圍形成可供點(diǎn)燃的混合氣濃度，并形成一定的分層結(jié)構(gòu)，促使稀薄氣體的快速燃燒。因此圍繞這些核心缸內(nèi)直噴汽油機(jī)技術(shù)難點(diǎn)應(yīng)主要有燃油噴射系統(tǒng)的適應(yīng)、油氣混合過程的研究、燃燒系統(tǒng)的設(shè)計、燃燒排放特性研究和控制等幾方面。

GDI發(fā)動機(jī)燃油直接噴入氣缸，混合氣形成的時間少。未蒸發(fā)燃油液滴可能導(dǎo)致燃油沖擊到活塞頂部和缸壁表面，加大發(fā)動機(jī)的磨損，且導(dǎo)致微粒和HC排放的增加。為實(shí)現(xiàn)燃油噴射微粒化并限制噴霧的穿透力形成高質(zhì)量的混合氣，燃油噴射系統(tǒng)高速時應(yīng)提高壓力.縮短噴油時間，以便顯著提高燃油經(jīng)濟(jì)性能.低速時為防止燃油聚集。應(yīng)采取低燃油壓力，并延長噴油時間。GDl高的噴射壓力要求使汽油泵和噴油器功率要求增加、汽油的潤滑性較差。因此，開發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)、抗磨損能力強(qiáng)、功率消耗低的燃油供給和噴射系統(tǒng)。是直噴汽油機(jī)需要解決的一個問題。

排放控方面.分層稀燃GDI由于混合氣不均勻，燃料較稀的高溫區(qū)使NOx產(chǎn)生較多。而較濃的區(qū)域易產(chǎn)生碳煙，分層混合氣外邊界較稀的部分易發(fā)生火焰延遲、熄滅現(xiàn)象和缸內(nèi)噴油濕壁現(xiàn)象會使燃燒不好未燃碳?xì)洌║BHC）的排放增多，而總體混合氣較稀不能有效利用三效催化器。廢氣排溫較低也不利于它的起燃.限制了它在直噴汽油機(jī)上的應(yīng)用。另外，GDI發(fā)動機(jī)較高的壓縮比和較快的反應(yīng)放熱率也會引起NOx升高。

二、GDI發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)發(fā)展趨勢

1.采用均質(zhì)混合燃燒方式

采用Фa=1的均質(zhì)混合燃燒方式的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠采用目前PFI發(fā)動機(jī)上廣泛使用的三效催化器，可以避免采用稀燃NOx催化轉(zhuǎn)化器，使其排放能夠達(dá)到越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)。同PFI發(fā)動機(jī)和分層稀燃GDI發(fā)動機(jī)相比，Фa=1的均質(zhì)混合燃燒發(fā)動機(jī)具有較多優(yōu)點(diǎn)：

1）發(fā)動機(jī)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；

2）瞬變工況

能夠提高瞬態(tài)響應(yīng)，減少加速加濃，實(shí)現(xiàn)更精確的空燃比控制，并能夠最大限度地實(shí)現(xiàn)減速斷油；

3）燃燒過程

不需要分層充氣和均質(zhì)充氣的模式轉(zhuǎn)換；缸內(nèi)燃油蒸發(fā)冷卻充氣，壓縮行程可以減少熱損失，有利于提高燃燒穩(wěn)定性和EGR率，并能夠提高受爆震限制的壓縮比；若改為稀燃均質(zhì)充氣模式工作時系統(tǒng)不需要修改；

4）燃油經(jīng)濟(jì)性

燃油經(jīng)濟(jì)性能夠提高5%，容積效率也能夠提高5%；能夠最大限度地實(shí)現(xiàn)減速斷油，并能應(yīng)用直接起一停技術(shù)，取消怠速，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)油；

5）動力性能

由于容積效率提高5%，能夠提高峰值扭矩和功率7%左右，可以在保持發(fā)動機(jī)扭矩和功率不變的前提下減小發(fā)動機(jī)的尺寸；

6）系統(tǒng)的靈活性和復(fù)雜性

控制系統(tǒng)比分層稀燃簡化，增加了系統(tǒng)優(yōu)化的靈活性；

7）與其他技術(shù)的匹配

更容易實(shí)現(xiàn)其他技術(shù)，如增壓、取消發(fā)動機(jī)怠速、采用直接起一停技術(shù)、采用無級變速器（CVT）和采用混合動力技術(shù)；

8）排放

不需要稀燃NOx后處理系統(tǒng)，可以使用三效催化器，同分層稀燃GDI發(fā)動機(jī)相比具有更低的排放，并能夠降低瞬態(tài)工況的排放。因此，均質(zhì)理論空燃比GDI發(fā)動機(jī)具有達(dá)到未來超低排放法規(guī)的潛力，是GDI發(fā)動機(jī)的一個重要發(fā)展方向。

2.采用分層充氣或均質(zhì)充氣渦輪增壓技術(shù)

通過提高進(jìn)氣壓力、提高空氣利用效率來減小發(fā)動機(jī)的尺寸是提高發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性的有效途徑，傳統(tǒng)的PFI發(fā)動機(jī)由于受到爆震限制和渦輪增壓器響應(yīng)滯后等因素的影響，使得汽油機(jī)渦輪增壓技術(shù)未能迅速發(fā)展。GDI發(fā)動機(jī)由于缸內(nèi)形成混合氣，燃料蒸發(fā)能夠降低混合氣溫度，同時混合氣在缸內(nèi)停留的時間相對較短，相同壓縮比條件下，GDI發(fā)動機(jī)要比PFI發(fā)動機(jī)爆震傾向小，對燃料辛烷值的要求低。GDI發(fā)動機(jī)小負(fù)荷時不使用節(jié)氣門，進(jìn)氣量相對較大，渦輪增壓器轉(zhuǎn)速高，使得GDI發(fā)動機(jī)在瞬態(tài)工況能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)隨負(fù)荷變化引起的渦輪增壓變化。GDI發(fā)動機(jī)應(yīng)用渦輪增壓技術(shù)具有下面優(yōu)勢：

1）缸內(nèi)充氣冷卻

由于燃油在氣缸內(nèi)蒸發(fā)能夠顯著冷卻缸內(nèi)充氣，結(jié)合多階段噴油可以有效地降低爆震傾向，因此，可以實(shí)現(xiàn)比常規(guī)PFI更高的壓縮比；

2）分層充氣

由于增加了發(fā)動機(jī)的充氣量，所以，可以擴(kuò)大發(fā)動機(jī)稀燃區(qū)域的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍；

3）提高渦輪增壓發(fā)動機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)小負(fù)荷時不采用節(jié)氣門，發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量大，渦輪增壓器轉(zhuǎn)速高，因此，即使在部分負(fù)荷稀燃區(qū)域時渦輪增壓的響應(yīng)延遲也較小。

3.優(yōu)化燃燒系統(tǒng)擴(kuò)大分層稀燃區(qū)域

燃油經(jīng)濟(jì)性的提高是影響未來GDI發(fā)動機(jī)和小型高壓共軌柴油機(jī)在市場所占比率的重要因素。GDI發(fā)動機(jī)在分層稀燃區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)節(jié)油20%～25%，可以優(yōu)化GDI發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)，采用新一代噴射引導(dǎo)型燃燒系統(tǒng)，擴(kuò)大分層稀燃范圍，進(jìn)一步提高GDI發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性。

4.實(shí)現(xiàn)GDI發(fā)動機(jī)的HCCI燃燒

分層稀燃GDI發(fā)動機(jī)的混合氣不均勻，NOx會在燃料較稀的高溫區(qū)產(chǎn)生，而在混合氣較濃的區(qū)域易產(chǎn)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?zhèn)鞑ミ^程，這樣可以阻止NOx和微粒的生成，同時能夠?qū)崿F(xiàn)較高的燃油經(jīng)濟(jì)性。若實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒可以不需要任何后處理裝置即可達(dá)到歐Ⅵ或更加嚴(yán)格的排放法規(guī)，但是，HCCI燃燒的實(shí)現(xiàn)需要解決兩個問題，即點(diǎn)火時刻的控制和發(fā)動機(jī)整個工況內(nèi)的燃燒速率的控制。

HCCI燃燒需要通過控制氣缸內(nèi)溫度、壓力和混合氣的濃度來控制整個氣缸內(nèi)混合氣的燃燒時刻，沒有明確的觸發(fā)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(guān)鍵變量，使燃燒控制變得十分困難。采用GDI技術(shù)燃油直接噴入氣缸內(nèi)，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(shí)現(xiàn)提供了可能。

結(jié)束語

總之，通過上述技術(shù)途徑，GDI發(fā)動機(jī)在滿足排放要求的前提下，能夠極大地提高燃油經(jīng)濟(jì)性，因此，隨著燃油價格不斷上漲和CO2排放限值日益嚴(yán)格，GDI發(fā)動機(jī)將會取代PFI發(fā)動機(jī)成為車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置。

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