缸內直噴式汽油機的研究進展及發展趨勢

楊陽

摘要：缸內直噴技術是一種新型進氣燃燒技術，它采用的是一種類似于柴油發動機的供油/氣原理，通過一個活塞泵提供約100bar以上的壓力，將汽油供給位于氣缸內的電磁噴射器。然后通過電腦控制噴射器將燃料在最恰當的時間直接注入氣缸內燃燒，由于其控制的精確度接近毫秒，所以能最有效的將油氣混合比調整至最佳狀態，從而保證了汽油的充分燃燒，動力損失降為最低。

關鍵詞：汽油機；缸內直噴技術；分層燃燒；燃油經濟性

1.缸內直噴技術的發展歷程

汽油機的發展經歷了100多年的漫長歷史，其中具有里程碑意義的發展階段無不是以油氣混合方式和機理的變遷為標志的。上世紀50年代，德國研制出了二沖程直噴汽油機，限于當時機械制造技術和電控水平較低，其性能和排放并不理想。90年代后，缸內直噴汽油機的研究有了較大的進展。缸內直噴汽油機改變了預混合汽油機的混合機理，可采用稀薄分層燃燒技術，降低HC等有害排放。直噴方式的油滴蒸發主要依靠空氣吸熱而非壁面吸熱，降低了混合氣溫度和體積，可降低爆燃傾向，提高發動機壓縮比。此外，GDI汽油機還具有瞬態響應好，易于實現精確的空燃比控制，具有快速的冷起動和減速快速斷油能力等特點。這些方面GDI汽油機都明顯優于進氣道噴射汽油機。為此許多外國汽車公司和研究機構都成功開發出了自己的GDI發動機機型。

汽油缸內直接噴射從油氣混合機理上可以解決變工況（如車輛加速時）和冷啟動時油氣混合不足的問題。早期的缸內直噴式汽油機因噴射技術水平的限制，噴霧油滴的直徑約為80μm。計算表明，一滴這樣大小的油滴在200℃空氣中需要大約55ms才能完全蒸發。如果發動機的轉速為1500r/min的話，這段時間相當于495°CA（曲軸轉角）。顯然，蒸發時間過長，在這種情況下油氣混合不能主要依靠噴霧來實現。隨著汽油噴射技術的進步，現代缸內直噴式汽油機應用的汽油泵的供油壓力已達到5～12MPa，又采用帶旋流的噴油嘴，霧化性能得以提高，噴霧的油滴直徑約為20μm，噴霧錐角可達50～100°，常壓下的貫穿度約為100mm 。此時一滴20μm 的油滴在上述同樣情況下僅需3.4 ms或31°CA就能完全蒸發，因而汽油的蒸發和與空氣的混合可主要依靠噴霧來實現，再加上缸內空氣運動的輔助，變工況（如車輛加速時）和冷啟動時不再需要過量噴油，冷啟動噴油量得以大大減少（圖1），有害物排放也將大為降低。同時，由于汽油直接噴入汽缸內，消除了進氣道噴射時形成壁面油膜的弊病，特別是在發動機尚未暖機的狀態下，因而能改善變工況時對空燃比的控制，不但能改善車輛的加速響應性，而且還能降低此時的有害物排放。

此外，缸內直接噴射還可帶來很多其它好處，從而有利于降低燃油耗，達到節能和減少溫室氣體二氧化碳排放的目標。例如：汽油在缸內直接噴射時油滴主要依靠從缸內空氣中吸熱而非從壁面吸熱，因而能使混合汽的溫度降低和體積減小，從而有利于提高充氣效率，降低爆震傾向和提高壓縮比。計算表明，在汽油油滴蒸發完全依靠從空氣中吸熱或者完全依靠從壁面吸熱這兩種極端情況下，缸內混合汽的體積在空燃比為12.5時將相差大約7%，而混合汽的溫度在上止點前將相差大約50℃。因此，與進氣道噴射汽油機相比，缸內直噴式汽油機的充氣效率提高了10%，同時爆震傾向也大為降低，表現在受爆震限制的點火時刻可提前若干曲軸轉角，因而壓縮比可提高1.5～2，有利于提高汽油機的熱效率，降低燃油耗（約2%）。特別是有利于汽油機采用增壓，并應用較高的壓縮比，克服了由于增壓汽油機壓縮比較小而對部分負荷燃油耗所帶來的不利影響，同時提高了增壓汽油機在2500r/min以下低轉速范圍內的增壓壓力，1200r/min時的扭矩能夠提高25%，大大改善汽油機的低速扭矩特性和車輛的行駛性能。此外，由于汽油直接噴入汽缸內，可實現稀薄混合汽分層燃燒，使得低負荷工況時的空燃比可提高到40以上，從而無需關小節氣門來限制進氣量，采用像柴油機那樣的質調節方式，基本上避免了發動機在換氣過程中的泵氣損失，有利于降低燃油耗。同時，在高空燃比情況下，由于混合汽物性的改變、絕熱指數的增加以及混合汽分層致使熱損失減少，使得發動機的熱效率進一步提高。由于汽車發動機經常在低負荷工況下運行，因此分層混合汽燃燒的直噴式汽油機可使平均燃油耗降低15～20%。在歐洲機動車排放組合循環（MVEG）行駛試驗中，其燃油耗明顯低于進氣道噴射汽油機已達到了相當于非直噴式柴油機的燃油耗水平（圖2）

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3.缸內直噴技術研究開發方向

現在GDI技術尚處于逐步成熟時期，各種問題的出現是必然的，但GDI的研究一定要在確保動力性能的基礎上盡可能的“節能減排”。而從當前的形式來看低碳問題又是中之重。稀燃催化器的開發將直接影響到GDI汽油機排放問題的解決。目前開發的有稀燃催化還原型NOx催化器、NOx搜捕型等。但這些催化器都不同程度的存在轉化率低、工作溫度范圍窄、控制復雜、性能不如傳統的三元催化器等問題，還需深入研究。二次燃燒是指在進行正常分層燃燒的怠速運轉時，除了在壓縮行程后期噴油外，在膨脹行程后期再次噴入少量燃油，在缸內高溫、高壓氣體的作用下點火燃燒并使排氣溫度提高。三菱汽車公司采用二次燃燒和反應式排氣管技術，較好地降低HC和NOx排放。

參考文獻：

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[2] 孫勇，王燕軍，王建昕，等.缸內直噴式汽油機的研究進展及技術難點[J]

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