高等内燃机学

汽油机缸内直喷对于一台汽油发动机来说，将汽油送入气缸，并与空气混合，再使油气混合物充分燃烧才能获得强大的动力，因此油气混合技术也是发动机的关键之一。

在经历了化油器、单点电喷、多点电喷技术阶段之后，油气混合技术终于进入了直喷时代，越来越多的车型开始采用直喷发动机。

（一）分层燃烧和均质燃烧缸内直喷（GDI）燃烧可实现直喷发动机有两种燃烧模式：分层燃烧和均质燃烧。

在一般的正常行驶状态下，发动机处于低速或中速运转的工况下，采用分层燃烧模式，此时节气门为半开状态，空气由进气管进入气缸撞在活塞顶部，由于活塞顶部制作成特殊的形状从而在火花塞附近形成期望中的涡流。

当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷射器喷出，形成可燃混合气，此时只有火花塞周围状态较好的油气混合体被点燃，这时周围的新鲜空气以及来自废气再循环的气体形成了很好的隔热保护，减少了缸壁散热，提升了热效率，大大降低了燃油消耗和尾气排放。

这种模式可充分提高发动机的经济性，因为在转速较低、负荷较小时除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室的其它地方只需空气含量较高的混合气即可，而FSI使其与理想状态非常接近。

当节气门完全开启，发动机高速运转时，大量空气高速进入气缸形成较强涡流并与汽油均匀混合。

发动机处于较为激烈的运转工况下，采用均质燃烧状态，燃烧室内充满均匀的油气混合物，促进燃油充分燃烧，充分的燃烧以提供强劲的动力。

燃油的充分利用不仅提高了燃油的利用效率和发动机的输出而且改善了排放。

FSI发动机具有以下优点：1）燃油经济性提高，部分负荷经济性改善可达30%～50%，一般为20%，并相应降低CO2排放；2）由于燃油直接喷射到缸内，发动机瞬态相应改善；3）启动时间短；4）冷启动HC排放改善。

FSI发动机燃油经济性的改善主要归功于：1）混合气采用变质调节，无节气门装置，泵气损失降低；2）部分负荷使用稀混合气，混合气等熵指数κ增加；3）燃油缸内早期喷射，燃油蒸发吸热使进气温度下降，充量系数提高；4）燃油蒸发使末端混合气温度降低，许用压缩比提高；5）分层混合气燃烧，外围空气起到隔热层的作用，避免传热损失降低。

缸内直喷均质燃烧汽油机可以降低汽油机的爆震倾向，使压缩比有所提高；还可以提高充量效率，因此在同样的最大扭矩和最大功率的情况下汽油机的排量可以相应减小一些。

在部分负荷工况时，较小排量的汽油机将在较高的平均有效压力下工作来达到同样的扭矩，工作点向高效率方向移动，使热效率提高。

由于汽油油滴蒸发的冷却作用，采用直喷后，混合气和燃气的温度有所降低，使在压缩上止点附近的传热损失减少，热效率增加。

直喷的应用使进入气缸的油量滞后问题得到彻底解决，在变动工况时改进对空燃比的控制，可减少因空燃比波动所带来的不必要的油耗增加。

此外，在部分负荷工况比较容易采用“停缸"的方法使一个或几个气缸停止工作，使其它气缸的平均有效压力提高，改善整机的热效率。

在车辆减速时还可以完全停止供油，进一步节省燃油。

采用直喷均匀混合燃烧可以避免分层燃烧的一些主要问题。

首先，由于使用当量空燃比的混合气和三效催化器，排气中氮氧化物的后处理问题可以得到妥善解决，不再需要使用超低硫汽油。

其次，使用均匀混合气可以更容易地避免在缸内形成过浓或过稀的混合气区，不仅避免了在过浓混合气区生成碳烟，也避免于火焰不能传播进过稀混合气的情况出现，使碳氢排放降低，保持较高的燃烧效率。

同时，均匀混合直喷汽油机的控制比较简单，不需要周期性地改变空燃比，因此其成本也比较低。

尽管均匀混合直喷汽油机有种种优点，与分层燃烧直喷汽油机相比，均匀混合直喷汽油机不能在部分负荷工况通过提高空燃比来减少泵气损失和提高混合气的比热比，因此其部分负荷工况的热效率远低于分层燃烧直喷汽油机的热效率。

采用均匀混合直喷技术后，车辆在整个运行工况，平均燃油效率约提高3％～4％。

同样，缸内直喷这种先进的燃烧技术也会带来一些负面影响。

因为在低负荷工况下，会产生相当大量的NOx（氮氧化物），这样对于三元催化器的要求会很高。

但是按照现在一些已经采用缸内直喷技术的发动机来看，这个问题已经得到解决。

缸内直喷技术对于一些硬件设施也要求很高，例如需要配备高压喷油嘴，以提高油气的雾化程度与混合效率；缸内直喷系统的发动机除了在材质上更加讲究，而且为了分层燃烧时控制气体的流向，就连活塞、燃烧室形状也都需要特别设计；最最重要的一点，缸内直喷需要稳定品质的高标号燃油，这也是在国内推广需要克服的难点之一。

（二）燃烧过程控制在GDI发动机在启动时刻探测处于压缩冲程的气缸并向该气缸内喷油，在压缩冲程中完成混合气的混合，到上止点时开始点火，保证了GDI发动机的优异的启动性能。

GDI发动机可以自由控制扭矩输出，即当空气量保持一定时，只要改变燃油喷射量，就能改变扭矩，可最大限度降低燃油消耗。

爆震控制方面GDI发动机采用“二步燃烧”来实现，即在进气冲程中喷射1／4的喷油量，形成与理论空燃比相比约为0．25左右的极稀薄混合气。

此为预燃混合气，剩余的3／4燃油则在压缩冲程后期加以喷射，形成高度集中的浓混合气，前期反应时间极短，限制了爆燃现象的发生。

为控制排放，发动机启动后的怠速状态中，采用分层燃烧方式，即压缩行程的喷油在做功行程前半期完成燃烧，后半期重新喷油使催化器迅速达到工作所需温度，则启动后排出的HC大幅度降低。

在轻负荷时采用强分层燃烧，中负荷时采用弱分层燃烧，利用炭黑传播中重新燃烧降低炭烟的排出。

（三）缸内直喷可燃混合气的三种形成方式按照可燃混合气形成的控制方式，缸内直喷方式又可分为油束控制燃烧、壁面控制燃烧和气流控制燃烧三类。

在油束控制燃烧系统中，喷油器安置在燃烧室中央，火花塞安置在喷油器附近，油束控制对空气的利用率依靠油束的贯穿深度保证，而后者则受喷油器的喷油压力控制。

这种方式可以在低负荷的分层燃烧实现良好的燃油经济性，而当发动机处于中高负荷工况时，ECM调节高压油泵压力，使油束贯穿深度增大，从而实现均质加浓燃烧。

在壁面控制燃烧系统中，喷油器和火花塞相隔较远，喷油器把燃油喷入活塞凹坑中，然后依靠进气流的惯性将油气混合送往火花塞。

为了避免喷油器的温度过高，一般安置在进气门侧，活塞凹坑开口对向进气门侧，油气混合后直接流向火花塞。

这种类型形成混合气的时间较长，易于形成较大区域的可燃混合气。

在气流控制燃烧系统中，利用轮廓特殊的活塞表面形状形成的缸内气流和油束相互作用。

此种系统不是把油雾朝活塞的凹坑喷射，而是朝火花塞喷，特殊形状的进气道与喷油器呈一定的夹角，给混合气在气缸内一定的回旋力，气缸内形成的气流使油气不是直接喷向火花塞，而是在气缸内形成涡流围绕火花塞旋转。

这样就使大部分工况都能实行恰当的混合气充量分层和均质化。

（四）喷油嘴的合理布置对于缸内直喷中喷油嘴的安放问题，由于气缸顶部已经布置了火花塞和多个气门，已经相当紧凑，所以要将喷油嘴布置在靠近排气门侧。

由于喷油嘴的加入导致了对气缸顶设计和制造的要求都相当的高，如果布置不合理、制造精度达不到要求导致刚度不足甚至漏气只能得不偿失。

同时由于油、气的混合空间、时间都相当短暂，故缸内直喷系统的喷油嘴必须辅以高增压系统，以大幅提高燃油的喷射压力与效率，并达到高度雾化的效果，期有更佳的混合表现。

此外，缸内直喷系统的燃烧室、活塞也大多具有特殊的导流槽，以供油气在进入燃烧室后能够产生气旋涡流，以提高混合油气的雾化效果与燃烧效率。

直喷发动机的整个工作过程：是通过燃油泵输出3—4bar的压力给高压油泵，高压油泵是由发动机凸轮轴带动的，并且使之加压到近200bar的压力。

然后再输送到油轨并至高压喷油嘴，这些高压喷油嘴是通过发动机ECU精确控制的。

燃油通过高压直接喷射到燃烧室内，使之完全雾化，达到充分的燃烧效果。

由于采用了缸内直喷技术，汽油与空气混合的时间以及外界条件都大有不同，而且为了提高混合气的燃烧效率，直喷发动机的压缩比通常都比较高，因此直喷发动机对于汽油品质的要求非常高，而且不只是对燃油标号的要求，更加重要的是其他各项例如化学特性和燃烧特性的指标。

例如国内奥迪（大众）车型的FSI缸内直喷发动机，就是因为油品的问题而不得不忍痛屏蔽分层稀薄燃烧的重要功能，实在可惜。

不过国内凯迪拉克车型的SIDI双模直喷发动机，分层燃烧和均匀燃烧两大功能都有配备，甚至能够使用93号汽油。

目前国外开发较完善的GDI产品,均采用“远距离输送”方式,即火花塞布置离喷油器较远,油束直接喷向具有一定形状凹坑的活塞顶部,通过气流和燃烧室壁面的引导作用形成分层混合气。

这种燃烧系统不仅要利用进气滚流配合,并且需要采用优化设计的活塞顶曲面形状来实现合理的分层结构。

缸内直喷汽油机可采用两次燃油喷射技术来控制缸内混合气的形成分层混合气，这种燃烧系统不仅要利用进气滚流配合,并且需要采用优化设计的活塞顶曲面形状来实现合理分层结构。

（五）缸内直喷汽油机的技术优势GDI共轨供油系统可以显著提高供油压力，提高雾化质量和雾化率，通常发动机起动时前两个循环无需额外供油就可着火，实现冷起动迅速且未燃HC 排放少。

在GDI发动机中，可以自由控制扭矩输出，即当空气量保持一定时，只要改变燃油喷射量，就能改变扭矩。

其潜在的优点就是可以实现减速断油，提高燃油经济性和降低HC排放。

GDI发动机在进气过程喷油能够利用燃油的蒸发冷却进气，降低进气温度，汽化潜热主要来自新鲜充气，而不是燃烧室壁面，可实现提高充气效率的目的。

这些优点使得GDI发动机燃油经济性可以提高25%左右，动力输出也比进气道喷射的汽油增加了将近10%。

另外GDI技术瞬态反应快，空燃比的控制精确，潜在的系统优化能力也显示了它的优越性。

由于直喷发动机的工作温度更高，因此对缸体强度和冷却系的要求也更高一些。

在保证强度的前提下，更多的新型直喷发动机采用了散热更好的铝合金缸体，同时还采用了强化的冷却系统，保证发动机更高的热效率。

（六）GDI发动机面临的主要技术难点分析GDI发动机具有柴油机的经济性，但由于柴油是自然着火，初始着火总是发生于混合气中最适宜的地方，汽油需点燃着火，火花塞的固定使初始着火位置也随之固定，所以在汽油机上要达到类似于柴油机那样的工作方式一方面要兼顾不同工况下对混合气的要求和不同工况的平稳过渡上，另一方面又要对缸内随时间、空间快速变化的油气运动精确控制，以便能在相对固定的点火位置周围形成可供点燃的混合气浓度，并形成一定的分层结构，促使稀薄气体的快速燃烧。

因此围绕这些核心缸内直喷汽油机技术难点应主要有燃油喷射系统的适应、油气混合过程的研究、燃烧系统的设计燃烧排放特性研究和控制等几方面。

GDI发动机燃油直接喷入气缸，混合气形成的时间少，未蒸发燃油液滴可能导致燃油冲击到活塞顶部和缸壁表面，加大发动机的磨损，且导排致微粒和HC排放的增加。