汽油机缸内直喷技术发展分析与研究

汽油机缸内直喷技术发展分析与研究

摘要：本文详细介绍了汽油机缸内直喷(GDI)技术的发展历程、技术特点、亟待解决的问题及今后研究工作的重点。指出了排放的控制措施将成为决定其推广实用的关键因素。最后对汽油机缸内直喷技术的发展进行了展望。

关键词：汽油机缸内直喷排放

1 GDI技术的发展

上世纪50年代，德国研制出了二冲程直喷汽油机，限于当时机械制造技术和电控水平较低，其性能和排放并不理想。90年代后，缸内直喷汽油机的研究有了较大的进展。缸内直喷汽油机改变了预混合汽油机的混合机理，可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，可降低爆燃倾向，提高发动机压缩比。此外，GDI汽油机还具有瞬态响应好，易于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。这些方面GDI汽油机都明显优于进气道喷射汽油机。为此许多外国汽车公司和研究机构都成功开发出了自己的GDI发动机机型。1996年，日本的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。开发的汽油直喷发动机应用于运动型轿车Galant 上，其油耗和二氧化碳的排放比同功率的传统汽油车降低了30%。随后，装备了GDI发动机的中级轿车Carisma投放到西欧市场。2000年底，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。实验表明，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。随后为A级轿车研发了1. 8T-FSI高性能发动机，2007年初装备到新款奥迪A3轿车上。2005年配备在全新奥迪A4 2. 0T上的TFSI涡轮增压汽油直喷发动机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。日本丰田公司的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。试验结果表明，装有该发动机的汽车油耗为17. 4Km/L，而相应的装有PFI发动机的汽车油耗为13Km/L，节油达34%左右。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，降低了排放处理方面的困难。稳态试验表明，部分负荷下，汽油机的燃油经济性有5%的提高，而怠速时能提高10%。

2缸内直喷汽油机的技术特点

缸内直喷汽油机以传统电控喷射系统为基础，对结构和控制技术进行优化，以此改善了混合气的形成与燃烧过程。

2. 1分层燃烧缸内直喷汽油机

这种发动机，部分负荷情况下采用分层燃烧，在火花塞附近形成极易点燃的较浓混合气，而在其他区域，则追求无油区，即形成空燃比趋向无穷大区域。主要有壁面阻挡型和软喷射型等燃烧系统。丰田D-4发动机采用壁面阻挡型稀薄燃烧系统(图1)。当活塞运动到一定位置时，喷油器喷出的油束到达与活塞顶部凹坑基本垂直的壁面上，与壁面碰撞并飞溅。进气气流经过电控涡流阀(E-SCV)，形成斜向进气涡流。空气涡流运动使已蒸发的汽油蒸气和飞溅的油滴沿壁面横向运动，促进缸内混合气的形成。喷油器为高压旋流式(8MPa~13MPa)，雾化性能好，雾滴高度微粒化，雾滴直径小于5μm。喷射方式控制灵活，对不同转速与负荷采用不同的喷油控制方式，并带有电控废气再循环系统和氧传感器、三元催化器闭环控制系统等。试验结果表明，其轿车工况试验油耗为17. 4Km/L，而相应的装有PFI发动机的汽车油耗为13Km/L，节油达34%左右[1]。

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图1丰田D-4稀薄燃烧系统

三菱4G稀燃系统(图2)与丰田D-4系统相近。进气采用立式进气道，能够产生强大的进气气流，直接流入气缸，流速可达40m/s~50 m/s，充气效果好，以保证高度的纵向涡流及充气系统。活塞顶部的凹坑浅，且壁面有一定的斜度。在部分负荷输出时，油束与壁面碰撞后飞溅的油滴，随含有汽油蒸气和细小油滴的气流斜向上运动(图2中倒滚流)，被位于缸盖中部的火花塞点燃。与丰田D-4系统一样采用高压旋流式喷油器，但喷油压力为5. 0MPa，低于D-4系统。发动机通过ECU直接用脉冲电流的宽度控制高压旋流式喷油器(如图2所示)喷油量的多少，利用特殊的喷孔形状，向气缸内喷出旋转的雾状燃油，与挤压空气涡流快速地混合，以便点火分层燃烧。高压旋流式喷油器采用的是瞬时高电压和大电流“峰值保持型”控制方式(用100V~110V和17A~20A打开，又用限流电阻以3A~5A的电流保持开启状态)。这样，喷油器可以小型化，又缩短了"无效喷射时间"，开启速度快，响应性好，计量准确。

图2三菱4G稀薄燃烧系统[2]

软喷射型缸内直喷汽油机主要依靠适当的喷雾特性来形成分层混合气。由于喷雾具有贯穿度较低、喷雾锥角较大、雾滴平均直径较小等喷雾特性，故称为软喷射(如图3所示)[2]。

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图3软喷射型缸内直喷汽油机

2. 2匀质混合燃烧缸内直喷汽油机

福特汽车公司PROCO (Programmed Combustion Injection)稀薄燃烧系统是程序化燃烧过程的缩写，采用匀质混合缸内直喷汽油机(如图4所示)。进气道为螺旋式气道，汽油直接喷射到燃烧室内，利用涡流和滚流进行油气混合。喷油器位于中央，两侧各有一个火花塞。由于汽油在缸内雾化需要吸收能量，混合气温度下降。因而可以采用高压缩比(ε=15)的发动机，并可在空燃比A/F=25的条件下工作[1]。

图4福特PROCO稀薄燃烧系统3

3 GDI发动机目前存在的问题

GDI发动机拥有很多优良的性能，如:油耗低、污染小、动力性能好等等。但是GDI技术同样存在着许多技术瓶颈制约了它的进一步发展和应用，亟待改进。

3. 1排放问题[2]

GDI汽油机的开发成功，极大地提高了汽油机的燃油经济性。但其排放总体上要高于工作在理论空燃比下，附加三元催化等尾气处理装置的进气道喷射汽油机。其排放问题主要有:1)中小负荷下未燃HC 排放较多。采用混合气分层后，极易造成火焰从浓区向稀区传播时熄灭。同时，稀燃造成缸内温度偏低，不利于未燃HC随后的继续氧化。壁面阻挡型直喷系统，因喷雾碰壁较多，而活塞顶和缸壁的温度低，使HC排放较高。

2)NOx的排放。虽然因采用较稀的空燃比，气缸内的反应温度较低，但由于分层混合气由浓到稀将不可避免地出现混合气过浓或浓混合气区域过大的状况，这些区域恰恰是高温区域，使NOx生成增加。另外，GDI发动机较高的压缩比和较快的反应放热率也会引起NOx升高。

3)微粒排放。因为局部区域过浓的混合气和未蒸发的液态油滴扩散燃烧而引起颗粒排放增加，并且缸内温度低也造成了微粒氧化不完全。

3. 2催化器问题[3]

GDI汽油机工作在稀空燃比条件下，其造成的富氧和较低的排气温度使传统的三元催化器对NOx 的转化率不高，废气排温较低不利于三元催化器的起燃，限制了它在GDI汽油机上的应用。

3. 3积炭问题[4]