車用缸內(nèi)直噴汽油機(jī)應(yīng)用前景展望

伍賽特

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海 200438)

0 引言

由于具有油耗低、轉(zhuǎn)矩大和功率高的優(yōu)點(diǎn)，直噴式柴油機(jī)只用了約15年就幾乎完全取代了間接噴射式柴油機(jī)的技術(shù)地位。而目前，汽油機(jī)也發(fā)生了與此相同的變化。雖然幾乎一個(gè)世紀(jì)以來，為了提高汽油機(jī)功率，始終在進(jìn)行汽油缸內(nèi)直接噴射技術(shù)的試驗(yàn)研究[1]，但是只是在最近15年來，從三菱公司在歐洲推出缸內(nèi)直噴汽油機(jī)開始，才首次提供了可實(shí)際應(yīng)用的汽油缸內(nèi)直接噴射技術(shù)，車用直噴式汽油機(jī)才得以成功進(jìn)入市場(chǎng)。

1 車用缸內(nèi)直噴汽油機(jī)及相關(guān)研究方向

與直噴式柴油機(jī)相比，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)需解決的難題要復(fù)雜得多，因此它要占領(lǐng)汽油機(jī)市場(chǎng)需花費(fèi)明顯較長(zhǎng)的時(shí)間，但是缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)在功率和轉(zhuǎn)矩方面所能取得的效益，及其在降低油耗和有害物排放方面所存在的巨大潛力，使汽油機(jī)缸內(nèi)直接噴射成為車用內(nèi)燃機(jī)未來發(fā)展的必由之路。目前主要有3種具有不同效果的缸內(nèi)直噴技術(shù)研究方向：(1)均質(zhì)混合直接噴射；(2)分層混合直接噴射；(3)均質(zhì)充量壓縮著火/壓燃直接噴射。

1.1 均質(zhì)混合直接噴射

開發(fā)均質(zhì)混合直接噴射較為簡(jiǎn)單，由于在內(nèi)燃機(jī)上通常會(huì)采用相應(yīng)的廢氣后處理系統(tǒng)，無須使用特別的燃料，因而該類方法適用于全球范圍。其開發(fā)重點(diǎn)在于優(yōu)化功率、轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)性能。因受早期在賽車上所取得的技術(shù)成果的影響，該方案適用于對(duì)動(dòng)力性要求較高的運(yùn)動(dòng)型汽車。

1.2 分層混合直接噴射

繼續(xù)開發(fā)分層混合直接噴射主要是為了降低燃油耗和CO2排放。除了三菱公司的壁面導(dǎo)向方案之外，歐洲方面采用的空氣導(dǎo)向型燃燒技術(shù)也已用于批量生產(chǎn)。然而，該燃燒過程所期望實(shí)現(xiàn)的燃油耗優(yōu)勢(shì)，因受到相關(guān)機(jī)制的限制，在較高的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)尚未得以實(shí)現(xiàn)。

由于在超化學(xué)計(jì)量比的工況運(yùn)行范圍內(nèi)進(jìn)行廢氣后處理的費(fèi)用會(huì)有所增加，另外必須采用無硫燃油也會(huì)使運(yùn)行成本隨之提升，因而該技術(shù)方案目前尚無法在全球得以廣泛應(yīng)用。

鑒于上述原因，汽油機(jī)噴束導(dǎo)向型燃燒技術(shù)又逐漸成為該領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)。雖然該類燃燒過程對(duì)混合氣形成的要求更為嚴(yán)苛，但是由于其實(shí)際期望的節(jié)油潛力最高，可達(dá)20%，甚至

堪比柴油機(jī)從間接噴射方式轉(zhuǎn)換到直接噴射方式時(shí)所達(dá)到的油耗的降低幅度。因此，相對(duì)于車用汽油機(jī)而言，車用柴油機(jī)僅能保有10%～15%(體積分?jǐn)?shù))的油耗優(yōu)勢(shì)。

1.3 均質(zhì)充量壓縮著火/壓燃直接噴射

在汽油缸內(nèi)直接噴射研究領(lǐng)域內(nèi)，已對(duì)均質(zhì)充量壓縮著火(Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI)和可控自著火(Controlled Auto-Ignition，CAI)兩大燃燒過程開展了長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究，目前已被開發(fā)成為可使用汽油和柴油兩類燃料運(yùn)行的新型內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)[2]。

由于兩類方案在提高燃燒效率和降低廢氣排放方面具有很大的技術(shù)潛力，因而對(duì)其寄予較高的期望，同時(shí)又專門為匹配燃燒過程開發(fā)了相關(guān)燃料。就從當(dāng)前的汽油機(jī)和柴油機(jī)燃燒過程來看，該兩類燃燒方案可謂是兼有這兩種內(nèi)燃機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的最佳的新型燃燒過程。

2 車用缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

降低燃油耗和有害物排放，不僅現(xiàn)在而且未來都將是車用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的重要任務(wù)。盡管當(dāng)今的技術(shù)已發(fā)展至較高的水平，但是直噴柴油機(jī)和缸內(nèi)直噴汽油機(jī)在降低油耗方面仍具有巨大的潛力。目前，汽油機(jī)技術(shù)持續(xù)不斷的發(fā)展及其技術(shù)潛力的實(shí)現(xiàn)，已使其能夠接近目前和未來柴油機(jī)的節(jié)油水平。在汽油機(jī)上，缸內(nèi)直接噴射與渦輪增壓相結(jié)合已呈現(xiàn)出非常明顯的趨勢(shì)，不僅能夠降低油耗和有害物排放，而且還有望適度地提升駕駛樂趣。

在發(fā)動(dòng)機(jī)的中低負(fù)荷和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分層充量運(yùn)行具有重要意義，并且未來也將應(yīng)用得日益廣泛，而噴束導(dǎo)向型混合氣形成和燃燒過程則特別適合于這種運(yùn)行范圍。從目前的發(fā)展和知識(shí)狀況來看，尚需要對(duì)這種方案進(jìn)行廣泛的研究和開發(fā)工作，才能充分利用其在提高效率和降低有害物排放方面的全部潛力。

在該方面，近年內(nèi)這種噴射方式必須使混合氣形成能夠成功地實(shí)現(xiàn)，在所有希望采用分層充量運(yùn)行的范圍內(nèi)，通過廢氣分層，在新鮮混合氣與其周圍的空氣及廢氣之間形成理想的分層[3]。由德國(guó)方面開發(fā)的噴束導(dǎo)向型缸內(nèi)直噴汽油機(jī)已投放市場(chǎng)。在今后幾年中，其他的制造商必定會(huì)緊跟這種發(fā)展趨勢(shì)，積極地開發(fā)這種機(jī)型。

噴油系統(tǒng)對(duì)于噴束導(dǎo)向型缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的最佳運(yùn)行具有特別重要的意義。目前在降低油耗以及達(dá)到最低有害物排放方面顯示出了進(jìn)一步的潛力[4]。開發(fā)噴射壓力持續(xù)提高的噴油系統(tǒng)的必要性及其時(shí)間進(jìn)度，則完全取決于是否能補(bǔ)償所必需的高壓燃油泵的驅(qū)動(dòng)功率，從而將其潛力轉(zhuǎn)化成實(shí)際的節(jié)油效果。

3 車用缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀

到目前為止，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的試驗(yàn)研究和開發(fā)工作仍處于發(fā)展的初級(jí)階段，特別是噴束導(dǎo)向型稀薄分層缸內(nèi)直接噴射在全球推廣應(yīng)用方面尚未取得進(jìn)一步的進(jìn)展。為此，現(xiàn)在和今后數(shù)年間，幾乎所有汽車制造商的汽油機(jī)缸內(nèi)直接噴射都采用均質(zhì)混合氣形成，并且在大多數(shù)情況下與渦輪增壓相組合，其優(yōu)點(diǎn)一方面是與外部混合氣形成發(fā)動(dòng)機(jī)相比，具有明顯更高的升功率，從而能帶來更大的駕駛樂趣；另一方面，能夠采用可靠的三元催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)行廢氣后處理，滿足現(xiàn)在和未來全球生效的廢氣排放法規(guī)的要求，從而使汽油機(jī)缸內(nèi)直接噴射在全球應(yīng)用成為可能。

從已生產(chǎn)的幾十萬臺(tái)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)來看，早在1995—2000年間，日本方面具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但是在最近幾年中，歐洲最重要的幾家汽車制造商已明顯超過日本，并且還將繼續(xù)擴(kuò)大缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)的生產(chǎn)規(guī)模[5]。這些缸內(nèi)直噴汽油機(jī)最初采用壁面導(dǎo)向型燃燒過程，在發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)中分層充量運(yùn)行只占很小的比例。特別是對(duì)于歐洲市場(chǎng)，由于其燃油價(jià)格較高，可以預(yù)見，數(shù)年后除了傳統(tǒng)的缸外混合氣形成的汽油機(jī)以及柴油機(jī)之外，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)在歐洲市場(chǎng)上將會(huì)占有較大的份額。

當(dāng)前的研究工作表明，未來數(shù)年中汽油機(jī)與柴油機(jī)的比例將接近歐洲方面的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r。在今后幾年中，與進(jìn)氣道噴射相比，缸內(nèi)直接噴射、可變氣門機(jī)構(gòu)以及增壓和發(fā)動(dòng)機(jī)小型化在汽油機(jī)上的應(yīng)用將越來越廣泛，此外諸如缸內(nèi)直接噴射和增壓等不同汽油機(jī)技術(shù)的組合系統(tǒng)也將應(yīng)用得越來越多。今后數(shù)年間，由于歐洲大多數(shù)交通狀況的框架條件與日本和美國(guó)(特別是加利福尼亞州)有所不同，預(yù)計(jì)在歐洲諸如混合動(dòng)力那樣的替代動(dòng)力裝置只有很少的數(shù)量。與此同時(shí)，如今混合動(dòng)力車在日本和美國(guó)市場(chǎng)所占據(jù)的份額也并不高。

目前認(rèn)為有望替代汽油機(jī)和柴油機(jī)的車用動(dòng)力裝置通常僅限于四沖程氣體燃料內(nèi)燃機(jī)、混合動(dòng)力裝置、往復(fù)活塞式或轉(zhuǎn)子式氫內(nèi)燃機(jī)以及燃料電池等寥寥數(shù)類[6-11]。但是，所有這些替代動(dòng)力裝置只能部分地滿足當(dāng)今乘用車用內(nèi)燃機(jī)及其多種多樣的要求，其成本與內(nèi)燃機(jī)相比仍然較高，因而就經(jīng)濟(jì)性方面而言，它們難以取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的地位。此外，由于這些替代動(dòng)力裝置通常是專門按照對(duì)排放法規(guī)有效的試驗(yàn)循環(huán)開發(fā)的，因而在實(shí)際的CO2排放方面也并沒有顯示出這些替代動(dòng)力裝置倡導(dǎo)者所再三宣傳的那些優(yōu)勢(shì)。

4 車用缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的前景展望

從2015年起，汽油機(jī)與電機(jī)組合的混合動(dòng)力裝置的保有量開始有所增長(zhǎng)，而柴油機(jī)與電機(jī)組合的混合動(dòng)力裝置預(yù)計(jì)從2025年起也將開始得以應(yīng)用。由于目前從可再生能源中制取氫能仍有一定的技術(shù)難度，同時(shí)考慮到應(yīng)用礦物能源制氫的成本過于昂貴而無顯著效益，因此預(yù)計(jì)從2035—2045年間起，首批燃料電池動(dòng)力裝置才可望在乘用車領(lǐng)域獲得大規(guī)模的應(yīng)用。

如果在今后數(shù)年中，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)能像車用柴油機(jī)在過去的20年中那樣持續(xù)不斷地得到技術(shù)進(jìn)展，那么它就可在滿足最嚴(yán)厲的廢氣排放法規(guī)的同時(shí)，具有類似于乘用車用柴油機(jī)那樣的熱循環(huán)效率和油耗。即使目前車用汽油機(jī)的技術(shù)發(fā)展已達(dá)130年，但考慮到它目前尚有進(jìn)一步開發(fā)和提升的潛力，因此在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)汽油機(jī)仍將繼續(xù)成為乘用車的主流動(dòng)力裝置。

與此同時(shí)，內(nèi)燃機(jī)與相電機(jī)組合的混合動(dòng)力系統(tǒng)也是未來一大主流技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。從能量利用效率和廢氣排放的角度來看，與不依附于混合動(dòng)力系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比，只要其相關(guān)成本可得以接受，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)與小功率電機(jī)的組合可被看作是未來乘用車動(dòng)力裝置的最佳方案，其中汽油機(jī)則采用噴束導(dǎo)向型結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)直接噴射，并且在行駛運(yùn)行中僅用于整車動(dòng)力來源。

而電機(jī)則應(yīng)該既可用作發(fā)電機(jī)將車輛減速期間的制動(dòng)能量轉(zhuǎn)變成電能，同時(shí)又可用作電動(dòng)機(jī)，在起動(dòng)、起步過程和在交通路況較為順暢的情況下驅(qū)動(dòng)整車行駛。此外，在加速期間如有相應(yīng)的技術(shù)需求，電機(jī)還應(yīng)承擔(dān)輔助動(dòng)力輸出任務(wù)，并且與蓄電池聯(lián)合為汽車電氣系統(tǒng)供應(yīng)能量，以此就能使內(nèi)燃機(jī)發(fā)揮其作為車用動(dòng)力裝置的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

如果缸內(nèi)直噴汽油機(jī)或直噴柴油機(jī)作為未來車用內(nèi)燃機(jī)僅主要用于為車輛提供動(dòng)力來源，而其他車用設(shè)備所需的能量則由混合動(dòng)力供給，則整車油耗依然可得以顯著降低，同時(shí)有害物排放就有可能達(dá)到幾乎為零的水平，而且依然保有一定的駕駛樂趣。

在此，純電動(dòng)汽車由于目前依然有著蓄電池質(zhì)量大、蓄電池成本高、活動(dòng)半徑小、缺乏相應(yīng)匹配的公共設(shè)施、充電時(shí)間過長(zhǎng)等諸多方面的技術(shù)劣勢(shì)，一定程度上限制了其未來的技術(shù)應(yīng)用范圍。據(jù)此以內(nèi)燃機(jī)為代表的傳統(tǒng)車用動(dòng)力裝置，依然有其自身的技術(shù)應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

就目前而言，內(nèi)燃機(jī)依然將會(huì)長(zhǎng)期作為車用動(dòng)力裝置而得以廣泛應(yīng)用，其他形式的動(dòng)力設(shè)備尚無法取代其現(xiàn)有的統(tǒng)治性地位。同時(shí)，以缸內(nèi)直噴汽油機(jī)為代表的先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)盡管目前技術(shù)水平仍有待進(jìn)一步提升，但以其所具備的節(jié)能減排等重要功效，在乘用車動(dòng)力裝置范疇內(nèi)依然有著較好的應(yīng)用前景。