汽油机缸内直喷技术发展趋势分析

汽油机缸内直喷技术发展趋势
1.概述
汽油直接喷射发动机（Gasoline Direct Injection）简称为GDI 发动机，是近年来国内燃机研究的热点。

专家认为，汽油机直喷技术的出现，使汽车发动机进入了一个崭新它在21 世纪有取代传统汽油机和柴油机的趋势，成为理想的轿车动力装置。

传统的汽油发动机是将汽油喷射到进气管中，与空气混合后再进入气缸内燃烧，而GDI 发动机是将汽油直接喷入气缸，利用缸内气流和活塞表面的燃料雾化与空气形成混合气进行燃烧。

GDI 发动机具有良好的工作稳定性和负荷性能，同时低温启动性能得到了明显改善，能实现分层燃烧，燃油经济性大大提高，其油耗可达到涡轮增压直喷（TDI）柴油机的水平，且省略了涡轮增压装置，省却了复杂的高压喷射系统。

GDI 发动机能采用稀薄燃烧技术，空燃比可高达40：1，最高甚至可达100：1，使的功率和转矩均高于传统汽油机，油耗、噪声及CO2的排放量都较低。

GDI 发动机工作的均匀性、瞬时反应性、启动性等均比传统汽油发动机有较大的改进。

因此，各国汽车生产企业都在大力开发这种技术先进、性能优异的GDI 发动机。

2 .1 GDI 发动机技术发展现状
对于汽油机缸内直喷的工作方式 ,20 世纪 50年代德国的Benz300SL 车型和 60 年代MAN —FM系统 ,70 年代美国 Texaco 的 TCCS系统和 Ford 的PROCO 系统就曾经采用过。

这些早期技术大多基于每缸 2 气门和碗形活塞燃烧室 ,利用柴油机的机械泵和喷油器实现后喷。

这些早期的 GDI 发动机在大部分负荷范围实现了无节气门控制并且燃油经济性接近非直喷柴油机。

其主要缺点是由于采用机械式供油系统 ,各负荷甚至全负荷时后喷时刻
是固定的 ,燃烧烟度限制了空燃比不能超过 20 ∶1。

采用柴油机供油系统并利用涡轮增压技术来增加功率输出,使得汽油机性能与柴油机相似 ,且在部分负荷时有更差的 HC 排放。

空气利用效率低 ,机械供油系统受到转速范围的限制 ,使得发动机的输出功率非常低。

因此 ,受当时内燃机制造技术水平的限制 ,加之尚无电控喷射手段 ,开发出的 GDI 发动机性能和排放并不理想 ,没有得到实际应用。

20 世纪 90 年代以后 ,由于发动机制造技术的迅速提高 ,制造精密、性能优良的内燃机部
件的应用和精度高、响应快的电控汽油直喷系统的应用使得GDI发动机的研究与应用得到快速发展。

GDI 发动机瞬态响应好 ,可以实现精确的空燃比控制 ,具有快速冷起动和减速断油能力及潜在的系统优化能力 ,这些都显示了它比进气道喷射汽油机更优越。

采用先进的电子控制技术 ,解决了早期直喷发动机的控制和排放等方面的许多问题。

新技术和电子控制策略的发展使得许多发动机制造企业重新考虑 GDI发动机的潜在优点。

1996 年日本三菱
汽车公司率先推出 1. 8 L 顶置双凸轮轴 16 气门4G93 壁面引导型直喷发动机;丰田公司开发出了同时采用 GDI和 PFI两套供油系统的 2GR —FSE V6发动机;通用公司 2004 年开发出了采用可变气门定时 VVT 技术的分层稀燃直喷发动机;宝马公司在低压均质混合气直喷 GDI V12 发动机的基础上 ,2006 年又开发出了可以实现分层稀燃的 R6 直喷发动机;德国大众公司 2000 年底利用电子控制系统把与 TDI柴油机相似的原理用在汽油机上 ,开发了壁面引导型燃油分层直喷 FSI 发动机 ,并用于 Lupo车上 ,其 100 km 的平均油耗只有4. 9 L ,成为世界上第一辆 5 L 汽油机汽车;2004 年奥迪公司开始将其—FSI燃油分层直接喷射增压汽油机推向市场。

目前 ,引进的大众 FSI 发动机是我国唯一量产的 GDI发动机。

缸内直喷技术对汽油的油品质量是个严格考验 ,正是基于这个原因 ,大众在中国的FSI发动机上取消了分层燃烧技术 ,只保留了均匀燃烧模式。

由于排放、燃烧稳定性、燃油品质、性能及可靠性等方面的问题限制了 GDI 发动机普遍应用 ,GDI技术完全替代 PFI 技术目前仍然存在一些技术难题。

国内外的公司和研究机构也都在积极地开发设计新型直喷发动机 ,如 AVL 公司正在开发基于喷射引导和激光点火系统的新一代分层稀燃直喷发动机技术。

目前 ,国内一汽集团、华晨、奇瑞、长安和吉利等汽车企业联合高校正在开发理论空燃比混合气或多种燃烧模式相结合的 GDI发动机。

现代GDI 发动机
20 世纪90 年代以后，以数值模拟和可视化为代表的内燃机研究手段的应用加深了人们对缸内气流运动、混合气形成和燃烧的认识，加之精度高、响应快的电控手段的开发，促使缸内直喷汽油机的研究得到长足的发展。

下面介绍几种GDI 发动机：
三菱公司的GDI 发动机
据Kume、Ando、Kuwahara 和Iwamato 等人的报道，三菱汽车公司开发的4G93 型GDI 发动机，燃烧系统的主要特点是利用进气滚流配合优化设计的活塞顶曲面形状来实现合理的分层混合气结构，部分负荷及怠速工况下空燃比为20～40。

采用了先进的电控高压汽油泵和高压旋流喷油器，以及较为复杂的多区控制策略。

该发动机的燃油经济性比同等排量的PFI 发动机改善35％左右，充气效率平均提高了5％，全负荷的功率输出提高了10％。

丰田公司的D-4 发动机
据Matsushita、Harada 和Tomoda 等人的报道，丰田公司开发的第一代D-4 发动机燃烧系统的特点主要有，进气道由带涡流控制阀（SCV）的直进气道和螺旋型进气道组成，以形成不同强度的旋流，燃烧室的形状设计采用了复杂的渐开线形曲面活塞凹坑，小负荷及怠速
工况时的空燃比可达25～40。

除了采用电控高压汽油泵和高压旋流喷油器外，还采用了可变气门定时（ VVT-i）技术，结合SCV 技术，共同对不同工况混合气进行调节。

D-4 发动机与同排量PFI 发动机相比，燃油经济性改善30％，动力性能和加速性能也提高10％左右，可变气门定时导致的内部废气再循环（EGR）也可使NOx 排放降低95％。

1999 年，丰田汽车公司又开发了第二代D-4 发动机。

主要变化是采用了一种具有狭长状喷孔的喷嘴和壳状的燃烧室。

用这种喷油形成分散范围更广的扇形喷雾，喷雾直接喷向燃烧室凹坑底部，在气流运动、燃烧凹坑壁面引导和喷雾反弹的作用下，火花塞周围形成浓的混合气。

奔驰(Mercedes-Benz)公司的GDI 发动机
奔驰汽车公司开发的GDI 发动机燃烧系统的主要特点是采用了比较简单的燃烧室形状，喷油器和火花塞近距离布置，使得火花塞周围容易形成浓的混合气，其燃烧系统为半球形气缸盖，活塞顶有盆形凹坑，喷油器中心布置，火花塞位于喷射油束侧面。

奔驰GDI 发动机还采用了可变高压共轨燃油喷射系统，喷油压力可在4MPa～12MPa 范围内调节。

这种GDI 发动机NOx 比同类型的PFI 发动机降低35％，但UBHC 排放较高。

此种形式的GDI 发动机在2000r/min 下获得最佳的燃油经济性，但发动机转速提高或降低，燃油经济性都下降。

FEV 公司的GDI 发动机
FEV 公司开发的GDI 发动机，其主要特点是以一定形式和优化的滚流和涡流运动为主来控制混合气分层的结构，并使火花塞周围形成浓的混合气。

据Hupperich 等人的报道，这种燃烧系统的放热速率比壁面引导或者喷雾引导的都快，热功转化效率较高。

但该燃烧系统
性能受气流运动的影响较大，不容易实现稳定的分层混合气和燃烧，在过渡工况发动机循环波动大，难以实际应用和推广。

3 GDI 技术与 PFI 气门口喷射技术的比较
混合气形成策略不同是 PFI 发动机与 GDI 发动机的主要区别。

PFI 发动机产品中 ,20 %喷嘴装在气缸盖上进气门的背面 ,80 %安装在进气歧管上靠近气缸盖位置 ,在发动机起动时 ,会在进气门附近形成瞬时的液态油膜 ,这些燃油会在每次进气过程逐渐蒸发进入气缸燃烧。

因此 ,进气口处的油膜如同电容 ,具有积分的作用 ,发动机瞬时的供油量不能通过喷油器实现精确控制。

由于部分蒸发现象导致油量控制延迟和计量偏差 ,冷机起动时由于燃油蒸
发困难 ,使得实际供油量远大于需求空燃比的供油量 ,这样会导致冷起动时发动机有 4 个～10 个循环的不稳定燃烧 ,显著加大发动机未燃 HC 排放。

GDI技术可以避免气门口燃油湿壁现象 ,实现燃烧各阶段准确供油 ,能够实现更稀薄燃烧并且降低缸与缸之间、循环与循环之间的变动 ,冷起动首循环不需加浓控制 ,降低瞬态工况HC 的排放。

然而GDI发动机对燃油蒸发和混合物形成有更严格的要求 ,需要通过更高的喷油压力提高燃油的雾化率。

PFI发动机的另一限制是中、小负荷时采用节气门来控制负荷 ,存在节流损失 ,GDI 发动机在中、小负荷时采用分层充气工作模式 ,通过控制喷入气缸的油量来控制发动机的负荷 ,不采用节气门可以降低泵气损失和热损失。

GDI发动机理论上不存在上述两方面的限制。

除了具有消除油膜湿壁现象和无节气门节流损失的优点外 ,GDI发动机具有优于 PFI发动机的热力学特性。

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 ,这使发动机起动时前两个循环无需额外供油就能实现稳定燃烧 ,这样 GDI发动机冷起动时的HC排放具有降低到稳态工况的潜力。

另外 ,潜在的优点是可以实现减速断油 ,提高燃油经济性和降低 HC排放 ,对 PFI发动机而言 ,减速断油不是可行的选择 ,因为这样会减少或消除气门口附近的油膜 ,而在气门口附近建立稳定的油膜是一个需要几个循环的瞬态过程 ,这个过程能够使燃烧室内形成很稀的混合气,导致失火或回火。

另一个潜在的优点是 ,缸内
直喷能够降低进气温度 ,提高充气效率 ,燃油的蒸发能够冷却进气 ,汽化潜热主要来自新鲜充气 ,而不是燃烧室壁面 ,在燃油早喷和后喷阶段均能冷却进气 ,故在进气过程喷油能够提高
充气效率。

GDI 发动机燃油经济性能够得到显著改善 ,对于不同的测试循环 ,最大可以提高20 %～30 % 。

PFI系统相比 GDI系统也仍具有一定的优点如 PFI发动机的进气管相当于预蒸发室 ,能够增加燃油蒸发的时间 ,而 GDI 发动机燃油直接喷入气缸 ,混合气形成的时间少 ,燃油喷雾微粒必须足够小以保证燃油在喷油与点火之间的有限时间内能够蒸发 ,如果燃油液滴没能蒸发就会形成微粒和未燃的HC排放。

此外 ,燃油直接喷到缸内 ,可能导致燃油冲击到活塞顶部和缸壁表面 ,这些因素可能导致微粒和 HC 排放的增加 ,并加大了发动机的磨损PFI 发动机的其他优点 ,如低压喷射系统、可以采用三效催化器、更高的排温提高三效催化器的效率 ,这些都对 GDI发动机的发展提出了挑战。

4 GDI 发动机应用中存在的问题
GDI发动机具有柴油机的经济性并保持了汽油机的特点 ,相对于技术成熟的 PFI发动机具有显著优点,但是排放、燃烧稳定性等方面的问题限制了其普遍应用 ,目前 ,GDI 技术完全替代 PFI 技术仍然存在一些技术挑战 :
a)排放控制
分层混合气浓度非均匀分布 ,存在较浓的混合气 ,在这些区域中局部燃烧温度仍然较高,导致NO x排放较多 ,然而总体混合气较稀不能有效利用三效催化器;分层混合气外边界较稀的部分易发生火焰熄灭现象 ,同时缸内喷油湿壁现象会使活塞顶部和气缸壁混合气过浓的区域燃烧不好 ,使得小负荷时 HC排放相对较高;分层燃烧工况由于混合气浓度分布不均匀 ,GDI发动机增加了微粒排放;
b)稳定燃烧控制
GDI发动机分层充气稀燃区域的稳定燃烧控制难度较大 ,部分负荷分层稀燃和大负荷均质燃烧模式转变时的控制也非常复杂;为了降低 NO x排放GDI发动机采用较高的 EGR 率 ,且喷油嘴沉积物增加 ,都增加了稳定燃烧控制的难度;
c)燃油经济性
燃油缸内直喷需要较高的供油压力 ,提高喷油压力和油泵回流增加了发动机机械损失 ,喷嘴、油泵驱动额外增加了电能消耗,催化器快速起燃和再生补偿也增加了燃油消耗;
d)性能和可靠性
相对 PFI发动机 ,GDI 发动机喷嘴沉积物和积炭增多 ,并且由于提高了系统压力 ,降低了燃油的润滑性 ,增加了供油系统的磨损;由于使用较稀的混合气 ,缸套的磨损增加 ,进气门和燃烧室的沉积物也增加;
e)控制复杂性
GDI发动机从冷起动到全负荷各种工况需要复杂的供油和燃烧控制 ,并需要复杂的排放控制系统和控制策略 ,同时也增加了系统优化的标定参数。

GDI发动机要求复杂的供油系统硬件 ,需要高压油泵和更复杂的控制系统 ,由于三效催化器在GDI发动机上不能有效地使用 ,目前 ,GDI 发动机面临的重要问题是 NO x排放控制。

虽然 GDI发动机稀燃能够降低 NO x的排放 ,但是达不到三效催化器降低 NO x排放 90 %的水平。

世界范围内正在开发稀燃催化器 ,但目前在整个发动机工作区域的NO x转化效率仍低于三效催化器 ,小负荷时 HC 排放增加仍待解决。

5 GDI 发动机燃烧系统分析
燃烧系统设计是 GDI 发动机开发的关键技术之一 ,由于要兼顾大负荷均质预混和中小负荷分层稀薄的不同要求 ,增加了设计难度。

GDI 发动机的燃烧系统设计 ,需要进行燃油喷束、气流运动和燃烧室形状等的优化合理配合 ,这其中还涉及到喷油器和火花塞的相对位置和方位的选取、进气道的设计与布置、喷油定时和点火时间的优化等细节的问题。

按照层流充气方式 ,GDI 发动机燃烧系统可以分为 3 种:喷束引导型 ,即分层混合气形成主要依赖于喷束动态特性;壁面引导型 ,即分层混合气的形成主要依赖于油束和活塞表面形状及相互作用;气流引导型 ,依赖于缸内的流场形成分层混合气。

按照喷油嘴和火花塞之间的距离 ,GDI 发动机燃烧系统可以分为窄间距和宽间距两种。

壁面引导型和气流引导型燃烧系统属于宽间距设计 ,其优点为可降低燃烧室几何尺寸和热力学的设计约束 ,增加燃油由喷嘴到火花塞的传输时间 ,增强混合气的形成 ,其缺点是混
合气形成时间相对窄间距系统长且循环波动使形成的滚流不稳定 ,不容实现更稀薄的燃烧 ,故不适合更稀薄的燃烧系统。

喷束引导型燃烧系统属于窄间距设计;其优点为具有实现超稀薄燃烧、扩大稀燃区域的潜力 ,其缺点为混合气的形成时间短 ,增加了火花塞积炭的倾向 ,并且对喷束的几何参数、喷嘴的安装误差以及雾化程度等非常敏感。

基于窄间距设计的喷束引导燃烧系统由于具有实现更稀薄燃烧并扩大稀燃区域的潜力 ,因此 ,成为目前发动机生产厂和科研机构开发的下一代燃烧系统。

6 GDI 发动机燃烧技术发展趋势
由上述分析可知 , GDI 发动机的发展面临排放、稳定燃烧控制、燃油经济性提高、性能可靠性以及控制复杂性等方面的挑战。

GDI 发动机的燃烧技术将按照图 1 所示的方向发展。

采用均质混合燃烧方式
采用∮a =1 的均质混合燃烧方式的主要优点是能够采用目前 PFI 发动机上广泛使用的三效催化器 ,可以避免采用稀燃 NO x 催化转化器 ,使其排放能够达到越来越严格的排放法规。

同 PFI 发动机和分层稀燃 GDI发动机相比 , ∮a =1 的均质混合燃烧发动机具有较多优点 :
a)发动机起动过程
具有更快速的起动,较少的起动加浓和降低起动 HC排放的潜力;
b)瞬变工况
能够提高瞬态响应 ,减少加速加浓 ,实现更精确的空燃比控制 ,并能够最大限度地实现减速断油;
c)燃烧过程
不需要分层充气和均质充气的模式转换;缸内燃油蒸发冷却充气,压缩行程可以减少热损失 ,有利于提高燃烧稳定性和 EGR 率 ,并能够提高受爆震限制的压缩比;若改为稀燃均质充气模式工作时系统不需要修改;
d)燃油经济性
燃油经济性能够提高 5 %,容积效率也能够提高 5 %;能够最大限度地实现减速断油 ,
并能应用直接起—停技术 ,取消怠速 ,实现进一步节油;
e)动力性能
由于容积效率提高 5 %,能够提高峰值扭矩和功率 7 %左右 ,可以在保持发动机扭矩和功率不变的前提下减小发动机的尺寸;
f)系统的灵活性和复杂性
控制系统比分层稀燃简化 ,增加了系统优化的灵活性;
g)与其他技术的匹配
更容易实现其他技术 ,如增压、取消发动机怠速、采用直接起—停技术、采用无级变速器 CVT和采用混合动力技术;
h)排放
不需要稀燃 NO x后处理系统 ,可以使用三效催化器 ,同分层稀燃 GDI 发动机相比具有更低的排放 ,并能够降低瞬态工况的排放。

因此 ,均质理论空燃比 GDI发动机具有达到未来超低排放法规的潜力 ,是 GDI发动机的一个重要发展方向。

采用分层充气或均质充气涡轮增压技术
通过提高进气压力、提高空气利用效率来减小发动机的尺寸是提高发动机经济性的有效途径 ,传统的 PFI 发动机由于受到爆震限制和涡轮增压器响应滞后等因素的影响 ,使得汽油机涡轮增压技术未能迅速发展。

GDI 发动机由于缸内形成混合气 ,燃料蒸发能够降低混合气温度 ,同时混合气在缸内停留的时间相对较短 ,相同压缩比条件下 ,GDI 发动机要比 PFI发动机爆震倾向小 ,对燃料辛烷值的要求低。

GDI发动机小负荷时不使用节气门 ,进气量相对较大 ,涡轮增压器转速高 ,使得 GDI 发动机在瞬态工况能够实现快速响应随负荷变化引起的涡轮增压变化。

GDI 发动机应用涡轮增压技术具有下面优势 :
a)缸内充气冷却
由于燃油在气缸内蒸发能够显著冷却缸内充气 ,结合多阶段喷油可以有效地降低爆震倾向 ,因此 ,可以实现比常规 PFI更高的压缩比;
b)分层充气
由于增加了发动机的充气量 ,所以 ,可以扩大发动机稀燃区域的转速和负荷范围;
c)提高涡轮增压发动机瞬态响应
小负荷时不采用节气门 ,发动机的进气量大 ,涡轮增压器转速高 ,因此 ,即使在部分负荷稀燃区域时涡轮增压的响应延迟也较小。

优化燃烧系统扩大分层稀燃区域
燃油经济性的提高是影响未来 GDI 发动机和小型高压共轨柴油机在市场所占比率的重要因素。

GDI发动机在分层稀燃区域可以实现节油 20 %～25 %,可以优化 GDI 发动机燃烧技术 ,采用新一代喷射引导型燃烧系统 ,扩大分层稀燃范围 ,进一步提高 GDI发动机经济性。

表 1 列出 GDI发动机各部分的效率提高与 <a 之间的关系 ,由表可看出 ,提高 < a 能够大幅提高发动机的热效率 ,扩大直喷发动机分层充气稀燃区域是新一代直喷供油系统的发展趋势。

因此 ,基于窄间距设计的喷束引导燃烧系统具有实现更稀薄燃烧并扩大稀燃区域的潜力 ,将成为下一代 GDI发动机的首选燃烧系统。

实现 GDI发动机的 HCCI燃烧
分层稀燃 GDI发动机的混合气不均匀 ,NO x会在燃料较稀的高温区产生,而在混合气较浓的区域易产生碳烟。

在 HCCI的燃烧过程中 ,理论上是均匀混合气完全压燃、自燃、无火焰传播过程 ,这样可以阻止 NO x和微粒的生成,同时能够实现较高的燃油经济性。

若实现HCCI燃烧可以不需要任何后处理装置即可达到欧Ⅵ或更加严格的排放法规 ,但是 ,HCCI燃烧的实现需要解决两个问题 ,即点火时刻的控制和发动机整个工况内的燃烧速率的控制。

HCCI燃烧需要通过控制气缸内温度、压力和混合气的浓度来控制整个气缸内混合气的燃烧时刻 ,没有明确的触发手段来控制燃烧 ,局部的温度变化或空燃比变化都是控制 HCCI燃烧起始时刻的关键变量 ,使燃烧控制变得十分困难。

采用 GDI技术燃油直接喷入气缸内 ,能够更加灵活地控制喷油时刻和精确控制喷油量 ,为 HCCI 燃烧模式的实现提供了可能。

应用 GDI 技术实现 HCCI 燃烧具有以下优点:
a)缸内直喷可以通过改变喷油时刻来改变局部混合气浓度;
b)缸内燃油蒸发可以改变缸内局部温度;
c)燃油早喷能够为燃油蒸发和形成均质混合气提供足够的时间;压缩行程的后喷能够控制气缸内局部区域混合气浓度 ,从而控制 HCCI燃烧 ,应用GDI的多阶段喷射可实现这两种喷射;
d)缸内直喷技术在瞬态工况能够实现精确的喷油量控制 ,有效避免瞬态工况 HCCI 燃烧爆
震或失火。

因此 ,实现 HCCI燃烧是 GDI技术发展的一个重要方向。

7 结束语
GDI 发动机采用 < a= 1 的均质混合气燃烧方式 ,利用三效催化器 ,即可达到目前的排放法规 ,并且燃油经济性能够提高 5 %;采用分层充气或均质< a =1 充气时结合涡轮增压技术 ,通过提高空气利用效率减小发动机的尺寸 ,可以进一步提高发动机经济性;GDI发动机分层稀燃区域可以实现节油20 %～25 %,优化 GDI发动机燃烧技术采用新一代燃烧系统 ,扩大分层稀燃范围 ,可进一步提高 GDI发动机的经济性; HCCI 是可实现高效低污染的内燃机燃烧技术 ,缸内直喷多段喷射是 HCCI 燃烧在车用发动机上应用更有前途并更具可行性的方式通过上述技术途径 ,GDI 发动机在满足排放要求的前提下 ,能够极大地提高燃油经济性 ,因此 ,随着燃油价格不断上涨和 CO 排放限值日益严格 ,GDI发动机将会取代 PFI 发动机成为车辆的标准配置。