1、缸內(nèi)直噴汽油機技術發(fā)展趨勢分析前言 近幾十年來，受能源日益枯竭、油價不斷上漲、全球變暖等問題的困擾，在滿足發(fā)動機排放要求的前提下改善發(fā)動機燃油經(jīng)濟性顯得格外迫切。由于汽油機的燃油經(jīng)濟性比柴油機差，所以。降低汽油機的能耗已經(jīng)成為汽車界當前必須要解決的問題。開發(fā)具有汽油機優(yōu)點同時又具備柴油機部分負荷高燃油經(jīng)濟性優(yōu)點的車用發(fā)動機是主要的研究目標。汽油缸內(nèi)直(GDI)是提高汽油機燃油經(jīng)濟性的重要手段，近些年來，以缸內(nèi)直噴為代表的新型混合氣形成模式的研究與應用極大地提高了汽油機的燃油經(jīng)濟性。1.GDI發(fā)動機技術發(fā)展現(xiàn)狀 對于汽油機缸內(nèi)直噴的工作方式，20世紀50年代德國的Benz300SL車型和60年代

2、MANFM系統(tǒng)，70年代美國Texaco的TCCS系統(tǒng)和Ford的PROCO系統(tǒng)就曾經(jīng)采用過o“。這些早期技術大多基于每缸2氣門和碗形活塞燃燒室，利用柴油機的機械泵和噴油器實現(xiàn)后噴。這些早期的GDI發(fā)動機在大部分負荷范圍實現(xiàn)了無節(jié)氣門控制并且燃油經(jīng)濟性接近非直噴柴油機。其主要缺點是由于采用機械式供油系統(tǒng)，各負荷甚至全負荷時后噴時刻是固定的，燃燒煙度限制了空燃比不能超過20：l口采用柴油機供油系統(tǒng)并利用渦輪增壓技術來增加功率輸出，使得汽油機性能與柴油機相似，且在部分負荷時有更差的HC排放?？諝饫眯实?，機械供油系統(tǒng)受到轉速范圍的限制，使得發(fā)動機的輸出功率非常低。因此，受當時內(nèi)燃機制造技術水平的

3、限制，加之尚無電控噴射手段，開發(fā)出的GDI發(fā)動機性能和排放并不理想，沒有得到實際應用。20世紀90年代以后，由于發(fā)動機制造技術的提高，制造精密、性能優(yōu)良的內(nèi)燃機部件的應用和精度高、響應快的電控汽油直噴系統(tǒng)的應用使得GDI發(fā)動機的研究與應用得到快速發(fā)展。GDI發(fā)動機瞬態(tài)響應好，可以實現(xiàn)精確的空燃比控制，具有快速冷起動和減速斷油能力及潛在的系統(tǒng)優(yōu)化能力，這些都顯示了它比進氣道噴射汽油機更優(yōu)越。采用先進的電子控制技術，解決了早期直噴發(fā)動機的控制和排放等方面的許多問題。新技術和電子控制策略的發(fā)展使得許多發(fā)動機制造企業(yè)重新考慮GDI發(fā)動機的潛在優(yōu)點。1996年日本三菱汽車公司率先推出18L頂置雙凸輪軸1

4、6氣門4G93壁面引導型直噴發(fā)動機；豐田公司開發(fā)出了同時采用GDI和PFI兩套供油系統(tǒng)的2GR-FSEV6發(fā)動機；通用公司2004年開發(fā)出了采用可變氣門定時(VVT)技術的分層稀燃直噴發(fā)動機寶馬公司在低壓均質混合氣直噴GDIV12發(fā)動機的基礎上，2006年又開發(fā)出了可以實現(xiàn)分層稀燃的R6直噴發(fā)動機；德國大眾公司2000年底利用電子控制系統(tǒng)把與TDI柴油機相似的原理用在汽油機上，開發(fā)了壁面引導型燃油分層直噴FSI發(fā)動機，并用于Lupo車上，其i00km的平均油耗只有49 L，成為世界上第一輛5L汽油機汽車；2004年奧迪公司開始將其2OTFsI燃油分層直接噴射增壓汽油機推向市場。目前，引進的大眾

5、FSI發(fā)動機是我國唯一量產(chǎn)的GDI發(fā)動機。缸內(nèi)直噴技術對汽油的油品質量是個嚴格考驗，正是基于這個原因，大眾在中國的FSI發(fā)動機上取消了分層燃燒技術，只保留了均勻燃燒模式。由于排放、燃燒穩(wěn)定性、燃油品質、性能及可靠性等方面的問題限制了GDI發(fā)動機普遍應用，GDI技術完全替代PFI技術目前仍然存在一些技術難題。國內(nèi)外的公司和研究機構也都在積極地開發(fā)設計新型直噴發(fā)動機，如AVL公司正在開發(fā)基于噴射引導和激光點火系統(tǒng)的新一代分層稀燃直噴發(fā)動機技術。目前，國內(nèi)一汽集團、華晨、奇瑞、長安和吉利等汽車企業(yè)聯(lián)合高校正在開發(fā)理論空燃比混合氣或多種燃燒模式相結合的GDI發(fā)動機。2.GDI技術與PFI氣門口噴射技術

6、的比較 混合氣形成策略不同是PFI發(fā)動機與GDI發(fā)動機的主要區(qū)別。PFI發(fā)動機產(chǎn)品中，20噴嘴裝在氣缸蓋上進氣門的背面，80安裝在進氣歧管上靠近氣缸蓋位置，在發(fā)動機起動時，會在進氣門附近形成瞬時的液態(tài)油膜，這些燃油會在每次進氣過程逐漸蒸發(fā)進入氣缸燃燒。因此，進氣口處的油膜如同電容具有積分的作用，發(fā)動機瞬時的供油量不能通過噴油器實現(xiàn)精確控制。由于部分蒸發(fā)現(xiàn)象導致油量控制延遲和計量偏差，冷機起動時由于燃油蒸發(fā)困難，使得實際供油量遠大于需求空燃比的供油量，這樣會導致冷起動時發(fā)動機有4個10個循環(huán)的不穩(wěn)定燃燒，顯著加大發(fā)動機未燃HC排放。GDI技術可以避免氣門口燃油濕壁現(xiàn)象，實現(xiàn)燃燒各階段準確供油，能

7、夠實現(xiàn)更稀薄燃燒并且降低缸與缸之間、循環(huán)與循環(huán)之間的變動，冷起動首循環(huán)不需加濃控制，降低瞬態(tài)工況HC的排放o。然而GDI發(fā)動機對燃油蒸發(fā)和混合物形成有更嚴格的要求，需要通過更高的噴油壓力提高燃油的霧化率。PFI發(fā)動機的另一限制是中、小負荷時采用節(jié)氣門來控制負荷，存在節(jié)流損失，GDI發(fā)動機在中、小負荷時采用分層充氣工作模式，通過控制噴人氣缸的油量來控制發(fā)動機的負荷，不采用節(jié)氣門可以降低泵氣損失和熱損失。GDI發(fā)動機理論上不存在上述兩方面的限制。除了具有消除油膜濕壁現(xiàn)象和無節(jié)氣門節(jié)流損失的優(yōu)點外，GDI發(fā)動機具有優(yōu)于PFI發(fā)動機的熱力學特性。GDI共軌供油系統(tǒng)可以顯著提高供油壓力，提高霧化質量和霧

8、化率，這使發(fā)動機起動時前兩個循環(huán)無需額外供油就能實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，這樣GDI發(fā)動機冷起動時的HC排放具有降低到穩(wěn)態(tài)工況的潛力。另外，潛在的優(yōu)點是可以實現(xiàn)減速斷油，提高燃油經(jīng)濟性和降低HC排放，對PFI發(fā)動機而言，減速斷油不是可行的選擇，因為這樣會減少或消除氣門口附近的油膜，而在氣門口附近建立穩(wěn)定的油膜是一個需要幾個循環(huán)的瞬態(tài)過程，這個過程能夠使燃燒室內(nèi)形成很稀的混合氣，導致失火或回火。另一個潛在的優(yōu)點是，缸內(nèi)直噴能夠降低進氣溫度，提高充氣效率，燃油的蒸發(fā)能夠冷卻進氣，汽化潛熱主要來自新鮮充氣，而不是燃燒室壁面，在燃油早噴和后噴階段均能冷卻進氣，故在進氣過程噴油能夠提高充氣效率。GDI發(fā)動機燃油經(jīng)濟

9、性能夠得到顯著改善，對于不同的測試循環(huán)，最大可以提高2030。PFI系統(tǒng)相比GDI系統(tǒng)也仍具有一定的優(yōu)點，如PFI發(fā)動機的進氣管相當于預蒸發(fā)室，能夠增加燃油蒸發(fā)的時間，而GDI發(fā)動機燃油直接噴人氣缸，混合氣形成的時間少，燃油噴霧微粒必須足夠小以保證燃油在噴油與點火之間的有限時間內(nèi)能夠蒸發(fā)，如果燃油液滴沒能蒸發(fā)就會形成微粒和未燃的HC排放。此外，燃油直接噴到缸內(nèi)，可能導致燃油沖擊到活塞頂部和缸壁表面，這些因素可能導致微粒和Hc排放的增加，并加大了發(fā)動機的磨損。PFI發(fā)動機的其他優(yōu)點，如低壓噴射系統(tǒng)、可以采用三效催化器、更高的排溫提高三效催化器的效率，這些都對GDI發(fā)動機的發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。3.GD

10、I發(fā)動機應用中存在的問題GDI發(fā)動機具有柴油機的經(jīng)濟性并保持了汽油機的特點，相對于技術成熟的PFI發(fā)動機具有顯著優(yōu)點，但是排放、燃燒穩(wěn)定性等方面的問題限制了其普遍應用，目前，GDI技術完全替代PFI技術仍然存在一些技術挑戰(zhàn)。a)排放控制分層混合氣濃度非均勻分布，存在較濃的混合氣，在這些區(qū)域中局部燃燒溫度仍然較高，導致Nq排放較多，然而總體混合氣較稀不能有效利用三效催化器；分層混合氣外邊界較稀的部分易發(fā)生火焰熄滅現(xiàn)象，同時缸內(nèi)噴油濕壁現(xiàn)象會使活塞頂部和氣缸壁混合氣過濃的區(qū)域燃燒不好，使得小負荷時HC排放相對較高；分層燃燒工況由于混合氣濃度分布不均勻，GDI發(fā)動機增加了微粒排放；b)穩(wěn)定燃燒控制

11、GDI發(fā)動機分層充氣稀燃區(qū)域的穩(wěn)定燃燒控制難度較大。部分負荷分層稀燃和太負荷均質燃燒模式轉變時的控制也非常復雜；為了降低Nq排放GDI發(fā)動機采用較高的EGR率，且噴油嘴沉積物增加，都增加了穩(wěn)定燃燒控制的難度。c)燃油經(jīng)濟性 燃油缸內(nèi)直噴需要較高的供油壓力，提高噴油壓力和油泵回流增加了發(fā)動機機械損失，噴嘴、油泵驅動額外增加了電能消耗，催化器快速起燃和再生補償也增加了燃油消耗；d)性能和可靠性 相對PFI發(fā)動機，GDI發(fā)動機噴嘴沉積物和積炭增多，并且由于提高了系統(tǒng)壓力，降低了燃油的潤滑性，增加了供油系統(tǒng)的磨損；由于使用較稀的混合氣，缸套的磨損增加，進氣門和燃燒室的沉積物也增加。e)控制復雜性GDI

12、發(fā)動機從冷起動到全負荷各種工況需要復雜的供油和燃燒控制，并需要復雜的排放控制系統(tǒng)和控制策略，同時也增加了系統(tǒng)優(yōu)化的標定參數(shù)。 GDI發(fā)動機要求復雜的供油系統(tǒng)硬件，需要高壓油泵和更復雜的控制系統(tǒng)，由于三效催化器在GDI發(fā)動機上不能有效地使用，目前，GDI發(fā)動機面臨的重要問題是NO。排放控制。雖然GDI發(fā)動機稀燃能夠降低Nq的排放，但是達不到三效催化器降低Nq排放90的水平。世界范圍內(nèi)正在開發(fā)稀燃催化器，但目前在整個發(fā)動機工作區(qū)域的N吐轉化效率仍低于三效催化器，小負荷時HC排放增加仍待解決。4.GDI發(fā)動機燃燒系統(tǒng)分析燃燒系統(tǒng)設計是GDI發(fā)動機開發(fā)的關鍵技術之一，由于要兼顧大負荷均質預混和中小負荷

13、分層稀薄的不同要求，增加了設計難度。GDI發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)設計，需要進行燃油噴柬、氣流運動和燃燒室形狀等的優(yōu)化合理配合，這其中還涉及到噴油器和火花塞的相對位置和方位的選取、進氣道的設計與布置、噴油定時和點火時間的優(yōu)化等細節(jié)的問題。按照層流充氣方式，GDI發(fā)動機燃燒系統(tǒng)可以分為3種：噴束引導型，即分層混合氣形成主要依賴于噴束動態(tài)特性；壁面引導型，即分層混合氣的形成主要依賴于油束和活塞表面形狀及相互作用；氣流引導型，依賴于缸內(nèi)的流場形成分層混合氣。按照噴油嘴和火花塞之間的距離，GDI發(fā)動機燃燒系統(tǒng)可以分為窄間距和寬間距兩種。壁面引導型和氣流引導型燃燒系統(tǒng)屬于寬間距設計，其優(yōu)點為可降低燃燒室?guī)缀纬叽?/p>

14、和熱力學的設計約束，增加燃油由噴嘴到火花塞的傳輸時問，增強混合氣的形成，其缺點是混合氣形成時問相對窄間距系統(tǒng)長且循環(huán)波動使形成的滾流不穩(wěn)定，不容實現(xiàn)更稀薄的燃燒，故不適合更稀薄的燃燒系統(tǒng)。噴束引導型燃燒系統(tǒng)屬于窄間距設計；其優(yōu)點為具有實現(xiàn)超稀薄燃燒、擴大稀燃區(qū)域的潛力，其缺點為混合氣的形成時間短，增加了火花塞積炭的傾向，并且對噴束的幾何參數(shù)、噴嘴的安裝誤差以及霧化程度等非常敏感?；谡g距設計的噴束引導燃燒系統(tǒng)由于具有實現(xiàn)更稀薄燃燒并擴大稀燃區(qū)域的潛力，因此，成為目前發(fā)動機生產(chǎn)廠和科研機構開發(fā)的下一代燃燒系統(tǒng)。5.GDI發(fā)動機燃燒技術發(fā)展趨勢由上述分析可知，GDI發(fā)動機的發(fā)展面臨排放、穩(wěn)定燃燒

15、控制、燃油經(jīng)濟性提高、性能可靠性以及控制復雜性等方面的挑戰(zhàn)。GDI發(fā)動機的燃燒技術攙按照圖1所示的方向發(fā)展。51 采用均質混臺燃燒方式 采用蟲=1的均質混合燃燒方式的主要優(yōu)點是能夠采用目前PFI發(fā)動機上廣泛使用的三效催化器，可以避免采用稀燃Nq催化轉化器，使其排放能夠達到越來越嚴格的排放法規(guī)。同PFI發(fā)動機和分層稀燃GDI發(fā)動機相比，屯一1的均質混合燃燒發(fā)動機具有較多優(yōu)點。a)發(fā)動機起動過程 具有更快速的起動，較少的起動加濃和降低起動HC排放的潛力；b)瞬變工況 能夠提高瞬態(tài)響應，減少加速加濃，實現(xiàn)更精確的空燃比控制，并能夠最大限度地實現(xiàn)減速斷油fc)燃燒過程 不需要分層充氣和均質充氣的模式轉

16、換；缸內(nèi)燃油蒸發(fā)冷卻充氣，壓縮行程可以減少熱損失，有利于提高燃燒穩(wěn)定性和EGR率，并能夠提高受爆震限制的壓縮比；若改為稀燃均質充氣模式工作時系統(tǒng)不需要修改；d)燃油經(jīng)濟性 燃油經(jīng)濟性能夠提高5，客積效率也能夠提高5i能夠最大限度地實現(xiàn)減速斷油，并能應用直接起一停技術，取消息速，實現(xiàn)進一步節(jié)油；e)動力性能 由于容積效率提高5，能夠提高峰值扭矩和功率7左右，可以在保持發(fā)動機扭矩和功率不變的前提下減小發(fā)動機的尺寸；f)系統(tǒng)的靈活性和復雜性 控制系統(tǒng)比分層稀燃簡化，增加了系統(tǒng)優(yōu)化的靈活性；g)與其他技術的匹配 更容易實現(xiàn)其他技術，如增壓、取消發(fā)動機怠速、采用直接起一停技術、采用無級變速器(CVT)和

17、采用混合動力技術。h)排放 不需要稀燃Nq后處理系統(tǒng)，可以使用三效催化器，同分層稀燃GDI發(fā)動機相比具有更低的排放，并能夠降低瞬態(tài)工況的排放。 因此，均質理論空燃比GDl發(fā)動機具有達到未來超低排放法規(guī)的潛力，是GDI發(fā)動機的一個重要發(fā)展方向。5.2 采用分層充氣或均質充氣渦輪增壓技術通過提高迸氣壓力、提高空氣利用效率來減小發(fā)動機的尺寸是提高發(fā)動機經(jīng)濟性的有效途徑，傳統(tǒng)的PFI發(fā)動機由于受到爆震限制和渦輪增壓器響應滯后等因素的影響，使得汽油機渦輪增壓技術未能迅速發(fā)展。GDI發(fā)動機由于缸內(nèi)形成混合氣，燃料蒸發(fā)能夠降低混合氣溫度，同時混合氣在缸內(nèi)停留的時間相對較短，相同壓縮比條件下，GDI發(fā)動機要比

18、PF發(fā)動機爆震傾向小，對燃料辛烷值的要求低。GDI發(fā)動機小負荷時不使用節(jié)氣門，進氣量相對較大，渦輪增壓器轉速高，使得GDI發(fā)動機在瞬態(tài)工況能夠實現(xiàn)快速響應隨負荷變化引起的渦輪增壓變化。GDI發(fā)動機應用渦輪增壓技術具有下面優(yōu)勢。a)缸內(nèi)充氣冷卻 由于燃油在氣缸內(nèi)蒸發(fā)能夠顯著冷卻缸內(nèi)充氣，結合多階段噴油可以有效地降低爆震傾向，因此，可以實現(xiàn)比常規(guī)PFI更高的壓縮比；b)分層充氣 由于增加了發(fā)動機的充氣量，所以，可以擴大發(fā)動機稀燃區(qū)域的轉速和負荷范圍；c)提高渦輪增壓發(fā)動機瞬態(tài)響應 小負荷時不采用節(jié)氣門，發(fā)動機的進氣量大，渦輪增壓器轉速高，因此，即使在部分負荷稀燃區(qū)域時渦輪增壓的響應延遲也較小。5.

19、3 優(yōu)化燃燒系統(tǒng)擴大分層稀燃區(qū)域 燃油經(jīng)濟性的提高是影響未來GDI發(fā)動機和小型高壓共軌柴油機在市場所占比率的重要因素。GDI發(fā)動機在分層稀燃區(qū)域可以實現(xiàn)節(jié)油2025，可以優(yōu)化GDI發(fā)動機燃燒技術，采用新一代噴射引導型燃燒系統(tǒng)，擴大分層稀燃范圍，進一步提高GDI發(fā)動機經(jīng)濟性“”。表1列出GDI發(fā)動機各部分的效率提高與屯之間的關系，由表可看出，提高屯能夠大幅提高發(fā)動機的熱效率，擴大直噴發(fā)動機分層充氣稀燃區(qū)域是新一代直噴供油系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。因此，基于窄間距設計的噴束引導燃燒系統(tǒng)具有實現(xiàn)更稀薄燃燒并擴大稀燃區(qū)域的潛力，將成為下一代GDI發(fā)動機的首選燃燒系統(tǒng)。5.4 實現(xiàn)GDI發(fā)動機的HCCI燃燒 分層稀燃GDI發(fā)動機的混合氣不均勻，NOx會在燃科較稀的高溫區(qū)產(chǎn)生，而在混合氣較濃的區(qū)域易產(chǎn)生碳煙。在HCCI的燃燒過程中，理論上是均勻混合氣完全壓燃、自燃，無火焰?zhèn)鞑ミ^程，這樣可以阻止NOx和微粒的生成，同時能夠實現(xiàn)較高的燃油經(jīng)濟性。若實現(xiàn)HCCI燃燒可以不需要任何后處理裝置即可達到歐或更加嚴格的排放法規(guī)，但是，HCCI燃燒的實現(xiàn)需要解央兩個問題，即點火時刻的控制和發(fā)動機整個工況內(nèi)的燃燒速率的控制。 HCCI燃燒需要通過控制氣缸內(nèi)溫度、壓力和混合氣的濃度來控制整個氣缸內(nèi)混合氣的燃燒時刻，沒有明確的觸發(fā)手段來控制燃燒，局部的