汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

1、.汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)1.概述 汽油直接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)（Gasoline Direct Injection）簡(jiǎn)稱(chēng)為GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)燃機(jī)研究的熱點(diǎn)。專(zhuān)家認(rèn)為，汽油機(jī)直噴技術(shù)的 出現(xiàn)，使汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入了一個(gè)嶄新它在21 世紀(jì)有取代傳統(tǒng)汽油機(jī)和柴油機(jī)的趨勢(shì)，成為理想的轎車(chē)動(dòng)力裝置。傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是將汽油噴射到進(jìn)氣管中，與空氣混合后再進(jìn)入氣缸內(nèi)燃燒，而GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)是將汽油直接噴入氣缸，利用缸內(nèi)氣流和活塞表面的燃料霧化與空氣形成混合氣進(jìn)行燃燒。GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的工作穩(wěn)定性和負(fù)荷性能，同時(shí)低溫啟動(dòng)性能得到了明顯改善，能實(shí)現(xiàn)分層燃燒，燃油經(jīng)濟(jì)性大大提高，其油耗可達(dá)到渦輪增壓直噴（TD

2、I）柴油機(jī)的水平，且省略了渦輪增壓裝置，省卻了復(fù)雜的高壓噴射系統(tǒng)。GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)能采用稀薄燃燒技術(shù)，空燃比可高達(dá)40：1，最高甚至可達(dá)100：1，使的功率和轉(zhuǎn)矩均高于傳統(tǒng)汽油機(jī)，油耗、噪聲及CO2的排放量都較低。GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)工作的均勻性、瞬時(shí)反應(yīng)性、啟動(dòng)性等均比傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)有較大的改進(jìn)。因此，各國(guó)汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)都在大力開(kāi)發(fā)這種技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)異的GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)。2 .1GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)于汽油機(jī)缸內(nèi)直噴的工作方式 ,20 世紀(jì) 50年代德國(guó)的Benz300SL 車(chē)型和 60 年代 MAN FM系統(tǒng) ,70 年代美國(guó) Texaco 的 TCCS系統(tǒng)和 Ford 的PROCO 系統(tǒng)就曾

3、經(jīng)采用過(guò) 。這些早期技術(shù)大多基于每缸 2 氣門(mén)和碗形活塞燃燒室 ,利用柴油機(jī)的機(jī)械泵和噴油器實(shí)現(xiàn)后噴。這些早期的 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)在大部分負(fù)荷范圍實(shí)現(xiàn)了無(wú)節(jié)氣門(mén)控制并且燃油經(jīng)濟(jì)性接近非直噴柴油機(jī)。其主要缺點(diǎn)是由于采用機(jī)械式供油系統(tǒng) ,各負(fù)荷甚至全負(fù)荷時(shí)后噴時(shí)刻是固定的 ,燃燒煙度限制了空燃比不能超過(guò) 20 1。采用柴油機(jī)供油系統(tǒng)并利用渦輪增壓技術(shù)來(lái)增加功率輸出,使得汽油機(jī)性能與柴油機(jī)相似 ,且在部分負(fù)荷時(shí)有更差的 HC 排放。空氣利用效率低 ,機(jī)械供油系統(tǒng)受到轉(zhuǎn)速范圍的限制 ,使得發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率非常低。因此 ,受當(dāng)時(shí)內(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)水平的限制 ,加之尚無(wú)電控噴射手段 ,開(kāi)發(fā)出的 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)性

4、能和排放并不理想 ,沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用。20 世紀(jì) 90 年代以后 ,由于發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的迅速提高 ,制造精密、性能優(yōu)良的內(nèi)燃機(jī)部件的應(yīng)用和精度高、響應(yīng)快的電控汽油直噴系統(tǒng)的應(yīng)用使得GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的研究與應(yīng)用得到快速發(fā)展。GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)好 ,可以實(shí)現(xiàn)精確的空燃比控制 ,具有快速冷起動(dòng)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(jìn)氣道噴射汽油機(jī)更優(yōu)越 。采用先進(jìn)的電子控制技術(shù) ,解決了早期直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的控制和排放等方面的許多問(wèn)題 。新技術(shù)和電子控制策略的發(fā)展使得許多發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)重新考慮 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的潛在優(yōu)點(diǎn)。1996 年日本三菱汽車(chē)公司率先推出 1. 8 L 頂置雙凸輪軸 16

5、氣門(mén)4G93 壁面引導(dǎo)型直噴發(fā)動(dòng)機(jī);豐田公司開(kāi)發(fā)出了同時(shí)采用 GDI和 PFI兩套供油系統(tǒng)的 2GR FSE V6發(fā)動(dòng)機(jī);通用公司 2004 年開(kāi)發(fā)出了采用可變氣門(mén)定時(shí) VVT 技術(shù)的分層稀燃直噴發(fā)動(dòng)機(jī);寶馬公司在低壓均質(zhì)混合氣直噴 GDI V12 發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上 ,2006 年又開(kāi)發(fā)出了可以實(shí)現(xiàn)分層稀燃的 R6 直噴發(fā)動(dòng)機(jī);德國(guó)大眾公司 2000 年底利用電子控制系統(tǒng)把與 TDI柴油機(jī)相似的原理用在汽油機(jī)上 ,開(kāi)發(fā)了壁面引導(dǎo)型燃油分層直噴 FSI 發(fā)動(dòng)機(jī) ,并用于 Lupo車(chē)上 ,其 100 km 的平均油耗只有 4. 9 L ,成為世界上第一輛 5 L 汽油機(jī)汽車(chē);2004 年奧迪公司開(kāi)始

6、將其 2.0T FSI燃油分層直接噴射增壓汽油機(jī)推向市場(chǎng)。目前 ,引進(jìn)的大眾 FSI 發(fā)動(dòng)機(jī)是我國(guó)唯一量產(chǎn)的 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)。缸內(nèi)直噴技術(shù)對(duì)汽油的油品質(zhì)量是個(gè)嚴(yán)格考驗(yàn) ,正是基于這個(gè)原因 ,大眾在中國(guó)的FSI發(fā)動(dòng)機(jī)上取消了分層燃燒技術(shù) ,只保留了均勻燃燒模式。由于排放、燃燒穩(wěn)定性、燃油品質(zhì)、性能及可靠性等方面的問(wèn)題限制了 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)普遍應(yīng)用 ,GDI技術(shù)完全替代 PFI 技術(shù)目前仍然存在一些技術(shù)難題。國(guó)內(nèi)外的公司和研究機(jī)構(gòu)也都在積極地開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新型直噴發(fā)動(dòng)機(jī) ,如 AVL 公司正在開(kāi)發(fā)基于噴射引導(dǎo)和激光點(diǎn)火系統(tǒng)的新一代分層稀燃直噴發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。目前 ,國(guó)內(nèi)一汽集團(tuán)、華晨、奇瑞、長(zhǎng)安和吉利等汽車(chē)企

7、業(yè)聯(lián)合高校正在開(kāi)發(fā)理論空燃比混合氣或多種燃燒模式相結(jié)合的 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)。 2.2 現(xiàn)代GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)20 世紀(jì)90 年代以后，以數(shù)值模擬和可視化為代表的內(nèi)燃機(jī)研究手段的應(yīng)用加深了人們對(duì)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)、混合氣形成和燃燒的認(rèn)識(shí)，加之精度高、響應(yīng)快的電控手段的開(kāi)發(fā)，促使缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的研究得到長(zhǎng)足的發(fā)展。下面介紹幾種GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)：2.2.1 三菱公司的GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)據(jù)Kume、Ando、Kuwahara 和Iwamato 等人的報(bào)道， 三菱汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)的4G93 型GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是利用進(jìn)氣滾流配合優(yōu)化設(shè)計(jì)的活塞頂曲面形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)合理的分層混合氣結(jié)構(gòu)，部分負(fù)荷及怠速工況下空燃比為20

8、40。采用了先進(jìn)的電控高壓汽油泵和高壓旋流噴油器，以及較為復(fù)雜的多區(qū)控制策略。該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性比同等排量的PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)改善35左右， 充氣效率平均提高了5，全負(fù)荷的功率輸出提高了10。2.2.2 豐田公司的D-4 發(fā)動(dòng)機(jī)據(jù)Matsushita、Harada 和Tomoda 等人的報(bào)道，豐田公司開(kāi)發(fā)的第一代D-4 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有， 進(jìn)氣道由帶渦流控制閥（SCV）的直進(jìn)氣道和螺旋型進(jìn)氣道組成，以形成不同強(qiáng)度的旋流，燃燒室的形狀設(shè)計(jì)采用了復(fù)雜的漸開(kāi)線(xiàn)形曲面活塞凹坑，小負(fù)荷及怠速工況時(shí)的空燃比可達(dá)2540。除了采用電控高壓汽油泵和高壓旋流噴油器外，還采用了可變氣門(mén)定時(shí)（ VVT-i）

9、技術(shù)，結(jié)合SCV 技術(shù)，共同對(duì)不同工況混合氣進(jìn)行調(diào)節(jié)。D-4 發(fā)動(dòng)機(jī)與同排量PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃油經(jīng)濟(jì)性改善30，動(dòng)力性能和加速性能也提高10左右，可變氣門(mén)定時(shí)導(dǎo)致的內(nèi)部廢氣再循環(huán)（EGR）也可使NOx 排放降低95。1999 年，豐田汽車(chē)公司又開(kāi)發(fā)了第二代D-4 發(fā)動(dòng)機(jī)。主要變化是采用了一種具有狹長(zhǎng)狀噴孔的噴嘴和殼狀的燃燒室。用這種噴油形成分散范圍更廣的扇形噴霧，噴霧直接噴向燃燒室凹坑底部，在氣流運(yùn)動(dòng)、燃燒凹坑壁面引導(dǎo)和噴霧反彈的作用下，火花塞周?chē)纬蓾獾幕旌蠚狻?.2.3 奔馳(Mercedes-Benz)公司的GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)奔馳汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)的GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是采用了比較

10、簡(jiǎn)單的燃燒室形狀，噴油器和火花塞近距離布置，使得火花塞周?chē)菀仔纬蓾獾幕旌蠚?，其燃燒系統(tǒng)為半球形氣缸蓋，活塞頂有盆形凹坑，噴油器中心布置，火花塞位于噴射油束側(cè)面。奔馳GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)還采用了可變高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，噴油壓力可在4MPa12MPa 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。這種GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)NOx 比同類(lèi)型的PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)降低35，但UBHC 排放較高。此種形式的GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)在2000r/min 下獲得最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性，但發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高或降低，燃油經(jīng)濟(jì)性都下降。2.2.4 FEV 公司的GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)FEV 公司開(kāi)發(fā)的GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)， 其主要特點(diǎn)是以一定形式和優(yōu)化的滾流和渦流運(yùn)動(dòng)為主來(lái)控制混合氣分層的結(jié)構(gòu)，

11、并使火花塞周?chē)纬蓾獾幕旌蠚?。?jù)Hupperich 等人的報(bào)道，這種燃燒系統(tǒng)的放熱速率比壁面引導(dǎo)或者噴霧引導(dǎo)的都快，熱功轉(zhuǎn)化效率較高。但該燃燒系統(tǒng)性能受氣流運(yùn)動(dòng)的影響較大， 不容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的分層混合氣和燃燒，在過(guò)渡工況發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)波動(dòng)大，難以實(shí)際應(yīng)用和推廣。3 GDI 技術(shù)與 PFI 氣門(mén)口噴射技術(shù)的比較混合氣形成策略不同是 PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)與 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別。PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中 ,20 %噴嘴裝在氣缸蓋上進(jìn)氣門(mén)的背面 ,80 %安裝在進(jìn)氣歧管上靠近氣缸蓋位置 ,在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí) ,會(huì)在進(jìn)氣門(mén)附近形成瞬時(shí)的液態(tài)油膜 ,這些燃油會(huì)在每次進(jìn)氣過(guò)程逐漸蒸發(fā)進(jìn)入氣缸燃燒。因此 ,進(jìn)氣口處的油膜如

12、同電容 ,具有積分的作用 ,發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)的供油量不能通過(guò)噴油器實(shí)現(xiàn)精確控制。由于部分蒸發(fā)現(xiàn)象導(dǎo)致油量控制延遲和計(jì)量偏差 ,冷機(jī)起動(dòng)時(shí)由于燃油蒸發(fā)困難 ,使得實(shí)際供油量遠(yuǎn)大于需求空燃比的供油量 ,這樣會(huì)導(dǎo)致冷起動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)有 4 個(gè)10 個(gè)循環(huán)的不穩(wěn)定燃燒 ,顯著加大發(fā)動(dòng)機(jī)未燃 HC 排放。GDI技術(shù)可以避免氣門(mén)口燃油濕壁現(xiàn)象 ,實(shí)現(xiàn)燃燒各階段準(zhǔn)確供油 ,能夠?qū)崿F(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(dòng) ,冷起動(dòng)首循環(huán)不需加濃控制 ,降低瞬態(tài)工況 HC 的排放 。然而GDI發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油蒸發(fā)和混合物形成有更嚴(yán)格的要求 ,需要通過(guò)更高的噴油壓力提高燃油的霧化率。PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的另一限制是中、小負(fù)

13、荷時(shí)采用節(jié)氣門(mén)來(lái)控制負(fù)荷 ,存在節(jié)流損失 ,GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)在中、小負(fù)荷時(shí)采用分層充氣工作模式 ,通過(guò)控制噴入氣缸的油量來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷 ,不采用節(jié)氣門(mén)可以降低泵氣損失和熱損失。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)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(wú)節(jié)氣門(mén)節(jié)流損失的優(yōu)點(diǎn)外 ,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)具有優(yōu)于 PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)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(zhì)量和霧化率 ,這使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)前兩個(gè)循環(huán)無(wú)需額外供油就能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒 ,這樣 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)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(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)減速斷油 ,提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低 HC排放 ,對(duì) PFI發(fā)動(dòng)機(jī)

14、而言 ,減速斷油不是可行的選擇 ,因?yàn)檫@樣會(huì)減少或消除氣門(mén)口附近的油膜 ,而在氣門(mén)口附近建立穩(wěn)定的油膜是一個(gè)需要幾個(gè)循環(huán)的瞬態(tài)過(guò)程 ,這個(gè)過(guò)程能夠使燃燒室內(nèi)形成很稀的混合氣,導(dǎo)致失火或回火。另一個(gè)潛在的優(yōu)點(diǎn)是 ,缸內(nèi)直噴能夠降低進(jìn)氣溫度 ,提高充氣效率 ,燃油的蒸發(fā)能夠冷卻進(jìn)氣 ,汽化潛熱主要來(lái)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(jìn)氣 ,故在進(jìn)氣過(guò)程噴油能夠提高充氣效率。GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性能夠得到顯著改善 ,對(duì)于不同的測(cè)試循環(huán) ,最大可以提高 20 %30 % 。PFI系統(tǒng)相比 GDI系統(tǒng)也仍具有一定的優(yōu)點(diǎn)如 PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管相當(dāng)于預(yù)蒸發(fā)室 ,能夠增加燃油蒸

15、發(fā)的時(shí)間 ,而 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油直接噴入氣缸 ,混合氣形成的時(shí)間少 ,燃油噴霧微粒必須足夠小以保證燃油在噴油與點(diǎn)火之間的有限時(shí)間內(nèi)能夠蒸發(fā) ,如果燃油液滴沒(méi)能蒸發(fā)就會(huì)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(dǎo)致燃油沖擊到活塞頂部和缸壁表面 ,這些因素可能導(dǎo)致微粒和 HC 排放的增加 ,并加大了發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的其他優(yōu)點(diǎn) ,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(duì) GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。4GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中存在的問(wèn)題GDI發(fā)動(dòng)機(jī)具有柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性并保持了汽油機(jī)的特點(diǎn) ,相對(duì)于技術(shù)成熟的 PFI發(fā)動(dòng)機(jī)具有顯著優(yōu)點(diǎn),但是排放

16、、燃燒穩(wěn)定性等方面的問(wèn)題限制了其普遍應(yīng)用 ,目前 ,GDI 技術(shù)完全替代 PFI 技術(shù)仍然存在一些技術(shù)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(dǎo)致NO x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(shí)缸內(nèi)噴油濕壁現(xiàn)象會(huì)使活塞頂部和氣缸壁混合氣過(guò)濃的區(qū)域燃燒不好 ,使得小負(fù)荷時(shí) HC排放相對(duì)較高;分層燃燒工況由于混合氣濃度分布不均勻 ,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)增加了微粒排放;b)穩(wěn)定燃燒控制GDI發(fā)動(dòng)機(jī)分層充氣稀燃區(qū)域的穩(wěn)定燃燒控制難度較大 ,部分負(fù)荷分層稀燃和大負(fù)荷均質(zhì)燃燒模式轉(zhuǎn)變時(shí)的

17、控制也非常復(fù)雜;為了降低 NO x排放GDI發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)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(dòng)機(jī)機(jī)械損失 ,噴嘴、油泵驅(qū)動(dòng)額外增加了電能消耗,催化器快速起燃和再生補(bǔ)償也增加了燃油消耗;d)性能和可靠性相對(duì) PFI發(fā)動(dòng)機(jī) ,GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)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(rùn)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(jìn)氣門(mén)和燃燒室的沉積物也增加;e)控制復(fù)雜性GDI發(fā)動(dòng)機(jī)從冷起動(dòng)到全負(fù)荷各種工況需要復(fù)雜的供油和燃燒控制 ,并需要復(fù)

18、雜的排放控制系統(tǒng)和控制策略 ,同時(shí)也增加了系統(tǒng)優(yōu)化的標(biāo)定參數(shù)。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)要求復(fù)雜的供油系統(tǒng)硬件 ,需要高壓油泵和更復(fù)雜的控制系統(tǒng) ,由于三效催化器在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)上不能有效地使用 ,目前 ,GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的重要問(wèn)題是 NO x排放控制。雖然 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃能夠降低 NO x的排放 ,但是達(dá)不到三效催化器降低 NO x排放 90 %的水平。世界范圍內(nèi)正在開(kāi)發(fā)稀燃催化器 ,但目前在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域的NO x轉(zhuǎn)化效率仍低于三效催化器 ,小負(fù)荷時(shí) HC 排放增加仍待解決。5 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)分析燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)是 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一 ,由于要兼顧大負(fù)荷均質(zhì)預(yù)混和中小負(fù)荷分層稀薄

19、的不同要求 ,增加了設(shè)計(jì)難度。GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì) ,需要進(jìn)行燃油噴束、氣流運(yùn)動(dòng)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(duì)位置和方位的選取、進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)與布置、噴油定時(shí)和點(diǎn)火時(shí)間的優(yōu)化等細(xì)節(jié)的問(wèn)題 。按照層流充氣方式 ,GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)可以分為 3 種:噴束引導(dǎo)型 ,即分層混合氣形成主要依賴(lài)于噴束動(dòng)態(tài)特性;壁面引導(dǎo)型 ,即分層混合氣的形成主要依賴(lài)于油束和活塞表面形狀及相互作用;氣流引導(dǎo)型 ,依賴(lài)于缸內(nèi)的流場(chǎng)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(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)可以分為窄間距和寬間距兩種。壁面引導(dǎo)型和氣流引導(dǎo)型燃燒系統(tǒng)屬于寬間距設(shè)計(jì) ,其優(yōu)點(diǎn)

20、為可降低燃燒室?guī)缀纬叽绾蜔崃W(xué)的設(shè)計(jì)約束 ,增加燃油由噴嘴到火花塞的傳輸時(shí)間 ,增強(qiáng)混合氣的形成 ,其缺點(diǎn)是混合氣形成時(shí)間相對(duì)窄間距系統(tǒng)長(zhǎng)且循環(huán)波動(dòng)使形成的滾流不穩(wěn)定 ,不容實(shí)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(dǎo)型燃燒系統(tǒng)屬于窄間距設(shè)計(jì);其優(yōu)點(diǎn)為具有實(shí)現(xiàn)超稀薄燃燒、擴(kuò)大稀燃區(qū)域的潛力 ,其缺點(diǎn)為混合氣的形成時(shí)間短 ,增加了火花塞積炭的傾向 ,并且對(duì)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。基于窄間距設(shè)計(jì)的噴束引導(dǎo)燃燒系統(tǒng)由于具有實(shí)現(xiàn)更稀薄燃燒并擴(kuò)大稀燃區(qū)域的潛力 ,因此 ,成為目前發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的下一代燃燒系統(tǒng)。6 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)由上述分

21、析可知 , GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展面臨排放、穩(wěn)定燃燒控制、燃油經(jīng)濟(jì)性提高、性能可靠性以及控制復(fù)雜性等方面的挑戰(zhàn)。GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒技術(shù)將按照?qǐng)D 1 所示的方向發(fā)展。6.1采用均質(zhì)混合燃燒方式采用a =1 的均質(zhì)混合燃燒方式的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠采用目前 PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛使用的三效催化器 ,可以避免采用稀燃 NO x 催化轉(zhuǎn)化器 ,使其排放能夠達(dá)到越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī)。同 PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)和分層稀燃 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)相比 , a =1 的均質(zhì)混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)具有較多優(yōu)點(diǎn) :a)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程具有更快速的起動(dòng),較少的起動(dòng)加濃和降低起動(dòng) HC排放的潛力;b)瞬變工況能夠提高瞬態(tài)響應(yīng) ,減少加速加濃 ,實(shí)現(xiàn)更精

22、確的空燃比控制 ,并能夠最大限度地實(shí)現(xiàn)減速斷油;c)燃燒過(guò)程不需要分層充氣和均質(zhì)充氣的模式轉(zhuǎn)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(zhì)充氣模式工作時(shí)系統(tǒng)不需要修改;d)燃油經(jīng)濟(jì)性燃油經(jīng)濟(jì)性能夠提高 5 %,容積效率也能夠提高 5 %;能夠最大限度地實(shí)現(xiàn)減速斷油 ,并能應(yīng)用直接起 停技術(shù) ,取消怠速 ,實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)油;e)動(dòng)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(dòng)機(jī)扭矩和功率不變的前提下減小發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸;f)系統(tǒng)的靈活性和復(fù)雜性控制系統(tǒng)比分層稀燃簡(jiǎn)化 ,增加了系

23、統(tǒng)優(yōu)化的靈活性;g)與其他技術(shù)的匹配更容易實(shí)現(xiàn)其他技術(shù) ,如增壓、取消發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、采用直接起 停技術(shù)、采用無(wú)級(jí)變速器 CVT和采用混合動(dòng)力技術(shù);h)排放不需要稀燃 NO x后處理系統(tǒng) ,可以使用三效催化器 ,同分層稀燃 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhì)理論空燃比 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)具有達(dá)到未來(lái)超低排放法規(guī)的潛力 ,是 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。6.2 采用分層充氣或均質(zhì)充氣渦輪增壓技術(shù)通過(guò)提高進(jìn)氣壓力、提高空氣利用效率來(lái)減小發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸是提高發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的有效途徑 ,傳統(tǒng)的 PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)由于受到爆震限制和渦輪增壓器響應(yīng)滯后等因素的影響 ,使得汽油機(jī)渦

24、輪增壓技術(shù)未能迅速發(fā)展。GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)混合氣在缸內(nèi)停留的時(shí)間相對(duì)較短 ,相同壓縮比條件下 ,GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)要比 PFI發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傾向小 ,對(duì)燃料辛烷值的要求低。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷時(shí)不使用節(jié)氣門(mén) ,進(jìn)氣量相對(duì)較大 ,渦輪增壓器轉(zhuǎn)速高 ,使得 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)在瞬態(tài)工況能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)隨負(fù)荷變化引起的渦輪增壓變化。GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用渦輪增壓技術(shù)具有下面優(yōu)勢(shì) :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(jié)合多階段噴油可以有效地降低爆震傾向 ,因此 ,可以實(shí)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(dòng)機(jī)的充氣量 ,所以

25、 ,可以擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃區(qū)域的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍;c)提高渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)小負(fù)荷時(shí)不采用節(jié)氣門(mén) ,發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量大 ,渦輪增壓器轉(zhuǎn)速高 ,因此 ,即使在部分負(fù)荷稀燃區(qū)域時(shí)渦輪增壓的響應(yīng)延遲也較小。6.3 優(yōu)化燃燒系統(tǒng)擴(kuò)大分層稀燃區(qū)域燃油經(jīng)濟(jì)性的提高是影響未來(lái) GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)和小型高壓共軌柴油機(jī)在市場(chǎng)所占比率的重要因素。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在分層稀燃區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)節(jié)油 20 %25 %,可以?xún)?yōu)化 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù) ,采用新一代噴射引導(dǎo)型燃燒系統(tǒng) ,擴(kuò)大分層稀燃范圍 ,進(jìn)一步提高 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性 。表 1 列出 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)各部分的效率提高與 a 之間的關(guān)系 ,由表可看出 ,提高 a能夠大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率 ,擴(kuò)大直噴發(fā)動(dòng)機(jī)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(shì)。因此 ,基于窄間距設(shè)計(jì)的噴束引導(dǎo)燃燒系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)更稀薄燃燒并擴(kuò)大稀燃區(qū)域的潛力 ,將成為下一代 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的首選燃燒系統(tǒng) 。6.4 實(shí)現(xiàn) GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的 HCCI燃燒分層稀燃 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣不均勻 ,NO x會(huì)在燃料較稀的高溫區(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(guò)程中 ,理論上是均勻混合氣完全壓燃、自燃、無(wú)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程 ,這樣可以阻止 NO x和微粒的生成,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的燃油經(jīng)濟(jì)性。若實(shí)現(xiàn) HCCI燃燒可以