缸內直噴汽油機技術發展趨勢分析

高友松

摘要：介紹了缸內直噴（GDI）發動機技術的主要難點，探討了GDI發動機燃燒系統的發展趨勢，闡述了過量空氣系數Фa=1的GDI均質混合燃燒方式、分層充氣或均質（Фa=1）充氣的渦輪增壓技術、優化燃燒系統擴大分層稀燃區域、實現GDI發動機的HCCI燃燒等4個GDI發動機技術發展方向。

關鍵詞：汽油機；缸內直噴；稀薄燃燒；均質充氣；渦輪增壓；均質壓燃

日益嚴峻的能源和環境問題使得人們在追求車用汽油機良好動力性的同時對汽油機的燃油經濟性和排放提出愈來愈高的要求。為此，近年來世界各國開發了許多發動機新技術，其中汽油機缸內直噴（以下簡稱汽油機GDI）技術無論在節能還是在降低排放效果方面均十分明顯，已成為車用汽油機一個十分重要的發展方向。

一、GDl發動機面臨的主要技術難點分析

GDI發動機具有柴油機的經濟性.但由于柴油是自燃著火。初始著火總是發生于混合氣中最適宜著火的地方，汽油需點燃著火。火花塞的固定使初始著火位置也隨之固定，所以在汽油機上要達到類似于柴油機那樣的工作方式一方面要兼顧不同工況下對混合氣的要求和不同工況間的平穩過渡上，另一方面又要對缸內隨時間、空間快速變化的油氣運動精確控制。以便能在相對同定的點火位置周圍形成可供點燃的混合氣濃度，并形成一定的分層結構，促使稀薄氣體的快速燃燒。因此圍繞這些核心缸內直噴汽油機技術難點應主要有燃油噴射系統的適應、油氣混合過程的研究、燃燒系統的設計、燃燒排放特性研究和控制等幾方面。

GDI發動機燃油直接噴入氣缸，混合氣形成的時間少。未蒸發燃油液滴可能導致燃油沖擊到活塞頂部和缸壁表面，加大發動機的磨損，且導致微粒和HC排放的增加。為實現燃油噴射微粒化并限制噴霧的穿透力形成高質量的混合氣，燃油噴射系統高速時應提高壓力.縮短噴油時間，以便顯著提高燃油經濟性能.低速時為防止燃油聚集。應采取低燃油壓力，并延長噴油時間。GDl高的噴射壓力要求使汽油泵和噴油器功率要求增加、汽油的潤滑性較差。因此，開發適應性強、抗磨損能力強、功率消耗低的燃油供給和噴射系統。是直噴汽油機需要解決的一個問題。

排放控方面.分層稀燃GDI由于混合氣不均勻，燃料較稀的高溫區使NOx產生較多。而較濃的區域易產生碳煙，分層混合氣外邊界較稀的部分易發生火焰延遲、熄滅現象和缸內噴油濕壁現象會使燃燒不好未燃碳氫（UBHC）的排放增多，而總體混合氣較稀不能有效利用三效催化器。廢氣排溫較低也不利于它的起燃.限制了它在直噴汽油機上的應用。另外，GDI發動機較高的壓縮比和較快的反應放熱率也會引起NOx升高。

二、GDI發動機燃燒技術發展趨勢

1.采用均質混合燃燒方式

采用Фa=1的均質混合燃燒方式的主要優點是能夠采用目前PFI發動機上廣泛使用的三效催化器，可以避免采用稀燃NOx催化轉化器，使其排放能夠達到越來越嚴格的排放法規。同PFI發動機和分層稀燃GDI發動機相比，Фa=1的均質混合燃燒發動機具有較多優點：

1）發動機起動過程

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；

2）瞬變工況

能夠提高瞬態響應，減少加速加濃，實現更精確的空燃比控制，并能夠最大限度地實現減速斷油；

3）燃燒過程

不需要分層充氣和均質充氣的模式轉換；缸內燃油蒸發冷卻充氣，壓縮行程可以減少熱損失，有利于提高燃燒穩定性和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不需要修改；

4）燃油經濟性

燃油經濟性能夠提高5%，容積效率也能夠提高5%；能夠最大限度地實現減速斷油，并能應用直接起一停技術，取消怠速，實現進一步節油；

5）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，可以在保持發動機扭矩和功率不變的前提下減小發動機的尺寸；

6）系統的靈活性和復雜性

控制系統比分層稀燃簡化，增加了系統優化的靈活性；

7）與其他技術的匹配

更容易實現其他技術，如增壓、取消發動機怠速、采用直接起一停技術、采用無級變速器（CVT）和采用混合動力技術；

8）排放

不需要稀燃NOx后處理系統，可以使用三效催化器，同分層稀燃GDI發動機相比具有更低的排放，并能夠降低瞬態工況的排放。因此，均質理論空燃比GDI發動機具有達到未來超低排放法規的潛力，是GDI發動機的一個重要發展方向。

2.采用分層充氣或均質充氣渦輪增壓技術

通過提高進氣壓力、提高空氣利用效率來減小發動機的尺寸是提高發動機經濟性的有效途徑，傳統的PFI發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展。GDI發動機由于缸內形成混合氣，燃料蒸發能夠降低混合氣溫度，同時混合氣在缸內停留的時間相對較短，相同壓縮比條件下，GDI發動機要比PFI發動機爆震傾向小，對燃料辛烷值的要求低。GDI發動機小負荷時不使用節氣門，進氣量相對較大，渦輪增壓器轉速高，使得GDI發動機在瞬態工況能夠實現快速響應隨負荷變化引起的渦輪增壓變化。GDI發動機應用渦輪增壓技術具有下面優勢：

1）缸內充氣冷卻

由于燃油在氣缸內蒸發能夠顯著冷卻缸內充氣，結合多階段噴油可以有效地降低爆震傾向，因此，可以實現比常規PFI更高的壓縮比；

2）分層充氣

由于增加了發動機的充氣量，所以，可以擴大發動機稀燃區域的轉速和負荷范圍；

3）提高渦輪增壓發動機瞬態響應小負荷時不采用節氣門，發動機的進氣量大，渦輪增壓器轉速高，因此，即使在部分負荷稀燃區域時渦輪增壓的響應延遲也較小。

3.優化燃燒系統擴大分層稀燃區域

燃油經濟性的提高是影響未來GDI發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發動機在分層稀燃區域可以實現節油20%～25%，可以優化GDI發動機燃燒技術，采用新一代噴射引導型燃燒系統，擴大分層稀燃范圍，進一步提高GDI發動機經濟性。

4.實現GDI發動機的HCCI燃燒

分層稀燃GDI發動機的混合氣不均勻，NOx會在燃料較稀的高溫區產生，而在混合氣較濃的區域易產生碳煙。在HCCI的燃燒過程中，理論上是均勻混合氣完全壓燃、自燃、無火焰傳播過程，這樣可以阻止NOx和微粒的生成，同時能夠實現較高的燃油經濟性。若實現HCCI燃燒可以不需要任何后處理裝置即可達到歐Ⅵ或更加嚴格的排放法規，但是，HCCI燃燒的實現需要解決兩個問題，即點火時刻的控制和發動機整個工況內的燃燒速率的控制。

HCCI燃燒需要通過控制氣缸內溫度、壓力和混合氣的濃度來控制整個氣缸內混合氣的燃燒時刻，沒有明確的觸發手段來控制燃燒，局部的溫度變化或空燃比變化都是控制HCCI燃燒起始時刻的關鍵變量，使燃燒控制變得十分困難。采用GDI技術燃油直接噴入氣缸內，能夠更加靈活地控制噴油時刻和精確控制噴油量，為HCCI燃燒模式的實現提供了可能。

結束語

總之，通過上述技術途徑，GDI發動機在滿足排放要求的前提下，能夠極大地提高燃油經濟性，因此，隨著燃油價格不斷上漲和CO2排放限值日益嚴格，GDI發動機將會取代PFI發動機成為車輛的標準配置。

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