汽车发动机新技术

汽车发动机新技术

作者：梁景生

来源：《知识文库》2017年第08期

缸内直喷技术是一种新型进气燃烧技术，它采用一种类似于柴油发动机的供油/气原理，通过一个活塞泵提供约100bar以上的压力，将汽油供给位于气缸内的电磁喷射器。然后通过电脑控制喷射器将燃料在最恰当时间直接注入气缸内燃烧，其控制的精确度接近毫秒，所以能最有效的将油气混合比调整至最佳状态，保证了汽油的充分燃烧，动力损失降到最低。

1.缸内直喷技术的发展历程

汽油机经历了100多年的漫长历史，经历油气混合方式和机理的变迁。上世纪50年代，德国的二冲程直喷汽油机，因机械制造技术和电控水平较低，性能和排放不理想。90年代后，缸内直喷汽油机的研究有较大的进展。缸内直喷汽油机改变了预混合汽油机的混合机理，采用稀薄分层燃烧技术，降低HC等有害排放。直喷方式的油滴蒸发主要依靠空气吸热而非壁面吸热，降低了混合气温度和体积，降低爆燃倾向，提高发动机压缩比。GDI汽油机具有瞬态响应好，易实现精确的空燃比控制，具有快速的冷起动和减速快速断油能力等特点，GDI汽油机明显优于进气道喷射汽油机。为此，许多外国汽车公司成功开发出了GDI发动机机型。1996年，三菱公司率先采用立式进气道与弯曲顶面活塞。在进气行程中吸入的空气通过立式进气道被吸入气缸，形成强烈的滚流。喷射的燃油经曲面形的燃烧室壁面引导被送到位于气缸中央的火花塞附近，形成稳定的燃烧。汽油直喷发动机用在运动型轿车Galant上，其油耗和排放比传统汽油车降低了30%。2000年，大众公司研发了稀燃直喷式汽油机Lupo PSI，其高行驶功率下的百公里燃油消耗仅4. 9L，是世界上第一辆5L汽油机汽车。Lupo PSI的燃油消耗与同输出功率的进气道喷射汽油机相比，降低了34%。2004年，奥迪公司研发了2. 0T-FSI燃油分层直接喷射增压汽油机。2005年被权威杂志评为全球十大发动机第一名，代表了世界汽车发动机技术的顶尖水平。丰田公司的GDI发动机使用了可变涡流技术，通过缸内气流运动的组织，在火花塞周围形成可点燃的混合气。为了降低NOx排放，在使用EGR的同时采用了NOx吸附催化反应器。美国福特公司的GDI发动机采用均质的当量燃空比附近的混合气，利用传统的三元催化反应器，降低排放。

2.缸内直喷技术的技术现状

现代的GDI发动机燃油供给系统设计，为了达到分层稀薄混合气所要求的喷雾质量和灵活的喷油定时，采用了高压共轨喷射系统加电磁驱动喷油器，是满足缸内灵活喷射要求的喷射系统之一。该系统由低压输油泵、燃油压力传感器、喷油压力控制阀、高压油泵、蓄压燃油轨、喷油器等组成。电动输油泵把燃油从油箱输送到高压油泵，高压油泵由发动机凸轮轴驱动，将送来的压力约0.35MPa的燃油压力增高到8～12MPa，并送往蓄压燃油轨，充满各缸喷油器的油腔。当ECU使喷油器的电磁线圈通电令针阀打开，汽油通过喷嘴喷人气缸。GDI发动机需要形成高质量的混合气，除了依靠进气涡流外，对喷油器的喷雾质量要求也很高。由于

燃油蒸發混合的时间很短，要求喷雾要汽化，一般缸内直接喷射的平均油粒直径在20～

25μm，为此，喷油压力要维持在4～13MPa。为了实现油气均匀混合，必须使喷雾广泛分散在整个燃烧室。喷油器应能保证喷射出来的汽油微粒的速度在喷射直线方向上急剧衰减，而圆周运动方向上的油粒应尽量保持高速运动，这样才有利于混合气的形成。燃油喷射系统中，喷油器的结构形式对喷雾质量的影响很大。由于汽油机的喷射压力远低于柴油机，如采用多孔喷油器，其喷嘴在工作中易积碳，雾化分层不好，燃烧火焰传播不稳定，在GDI发动机上不用多孔喷油器，而用内开式旋流喷油器，只有一个喷孔，工作油压为5.0—10MPa，其内部设有燃油旋流腔，它可以通过涡流比的选择而实现较好的喷雾形态和合适的贯穿度的配合，且喷束方向便于调整，方便在气缸内的布置。

GDI发动机燃油喷射模式可以分为单阶段喷射模式和多阶段喷射模式。单阶段喷射模式是指在中小负荷时，燃油在压缩行程后期喷入，实现混合气分层稀燃并采用质调节以避免节流阀的节流损失，使GDI汽油机达到与柴油机的经济性；在大负荷和全负荷时，燃油在进气行程中喷人气缸，实现均质预燃和燃烧，以保持汽油机升功率高的特点。多阶段喷射模式是指在进气行程中先喷入所需燃料的1/4，形成极稀的均质混合气，其余燃料在压缩行程后期再次喷入，形成分层混合气。火花塞点火时，首先在浓混合气处形成较强的火焰，然后向稀混合气空间迅速传播。应用该技术可实现发动机从中小负荷到大负荷的平稳过渡，降低气缸内的气体温度，抑制爆燃的产生。

燃烧系统的设计是GDI发动机的关键技术。要成功实现中小负荷时的分层稀燃和大负荷时的均质预混，就需要进行燃油喷束、气流运动和燃烧室形状的优化合理配合。已经开发的GDI发动机燃烧系统有3种类型。“喷束引导法”“壁面引导法”“气流引导法”。

3.缸内直喷技术研究开发方向

现在GDI技术尚处于逐步成熟时期，各种问题的出现是必然的，但GDI的研究一定要在确保动力性能的基础上尽可能的“节能减排”。而从当前的形式来看低碳问题又是中之重。稀燃催化器的开发将直接影响到GDI汽油机排放问题的解决。目前开发的有稀燃催化还原型NOx 催化器、NOx搜捕型等。这些催化器都不同程度的存在转化率低，性能不如传统的三元催化器等问题，需深入研究。二次燃烧是指在进行正常分层燃烧的怠速运转时，除了在压缩行程后期喷油外，在膨胀行程后期再次喷入少量燃油，在缸内高温、高压气体的作用下点火燃烧并使排气温度提高，较好地降低HC和NOx排放。