缸内直喷汽油机技术发展趋势分析

高友松

摘要：介绍了缸内直喷（GDI）发动机技术的主要难点，探讨了GDI发动机燃烧系统的发展趋势，阐述了过量空气系数Фa=1的GDI均质混合燃烧方式、分层充气或均质（Фa=1）充气的涡轮增压技术、优化燃烧系统扩大分层稀燃区域、实现GDI发动机的HCCI燃烧等4个GDI发动机技术发展方向。

关键词：汽油机；缸内直喷；稀薄燃烧；均质充气；涡轮增压；均质压燃

日益严峻的能源和环境问题使得人们在追求车用汽油机良好动力性的同时对汽油机的燃油经济性和排放提出愈来愈高的要求。为此，近年来世界各国开发了许多发动机新技术，其中汽油机缸内直喷（以下简称汽油机GDI）技术无论在节能还是在降低排放效果方面均十分明显，已成为车用汽油机一个十分重要的发展方向。

一、GDl发动机面临的主要技术难点分析

GDI发动机具有柴油机的经济性.但由于柴油是自燃着火。初始着火总是发生于混合气中最适宜着火的地方，汽油需点燃着火。火花塞的固定使初始着火位置也随之固定，所以在汽油机上要达到类似于柴油机那样的工作方式一方面要兼顾不同工况下对混合气的要求和不同工况间的平稳过渡上，另一方面又要对缸内随时间、空间快速变化的油气运动精确控制。以便能在相对同定的点火位置周围形成可供点燃的混合气浓度，并形成一定的分层结构，促使稀薄气体的快速燃烧。因此围绕这些核心缸内直喷汽油机技术难点应主要有燃油喷射系统的适应、油气混合过程的研究、燃烧系统的设计、燃烧排放特性研究和控制等几方面。

GDI发动机燃油直接喷入气缸，混合气形成的时间少。未蒸发燃油液滴可能导致燃油冲击到活塞顶部和缸壁表面，加大发动机的磨损，且导致微粒和HC排放的增加。为实现燃油喷射微粒化并限制喷雾的穿透力形成高质量的混合气，燃油喷射系统高速时应提高压力.缩短喷油时间，以便显著提高燃油经济性能.低速时为防止燃油聚集。应采取低燃油压力，并延长喷油时间。GDl高的喷射压力要求使汽油泵和喷油器功率要求增加、汽油的润滑性较差。因此，开发适应性强、抗磨损能力强、功率消耗低的燃油供給和喷射系统。是直喷汽油机需要解决的一个问题。

排放控方面.分层稀燃GDI由于混合气不均匀，燃料较稀的高温区使NOx产生较多。而较浓的区域易产生碳烟，分层混合气外边界较稀的部分易发生火焰延迟、熄灭现象和缸内喷油湿壁现象会使燃烧不好未燃碳氢（UBHC）的排放增多，而总体混合气较稀不能有效利用三效催化器。废气排温较低也不利于它的起燃.限制了它在直喷汽油机上的应用。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。

二、GDI发动机燃烧技术发展趋势

1.采用均质混合燃烧方式

采用Фa=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NOx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，Фa=1的均质混合燃烧发动机具有较多优点：

1）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；

2）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；

3）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；

4）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，并能应用直接起一停技术，取消怠速，实现进一步节油；

5）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；

6）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；

7）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、采用直接起一停技术、采用无级变速器（CVT）和采用混合动力技术；

8）排放

不需要稀燃NOx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。

2.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：

1）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；

2）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；

3）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。

3.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。

4.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，NOx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NOx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。

结束语

总之，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CO2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。

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