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汽油机缸内直喷技术发展趋势
1.概述
汽油直接喷射发动机（Gasoline Direct Injection）简称为GDI 发动机，是近年来国内燃机研究的热点。专家认为，汽油机直喷技术的 出现，使汽车发动机进入了一个崭新它在21 世纪有取代传统汽油机和柴油机的趋势，成为理想的轿车动力装置。 传统的汽油发动机是将汽油喷射到进气管中，与空气混合后再进入气缸内燃烧，而GDI 发动机是将汽油直接喷入气缸，利用缸内气流和活塞表面的燃料雾化与空气形成混合气进行燃烧。GDI 发动机具有良好的工作稳定性和负荷性能，同时低温启动性能得到了明显改善，能实现分层燃烧，燃油经济性大大提高，其油耗可达到涡轮增压直喷（TDI）柴油机的水平，且省略了涡轮增压装置，省却了复杂的高压喷射系统。GDI 发动机能采用稀薄燃烧技术，空燃比可高达40：1，最高甚至可达100：1，使的功率和转矩均高于传统汽油机，油耗、噪声及CO2的排放量都较低。GDI 发动机工作的均匀性、瞬时反应性、启动性等均比传统汽油发动机有较大的改进。因此，各国汽车生产企业都在大力开发这种技术先进、性能优异的GDI 发动机。
2 .1 GDI 发动机技术发展现状
对于汽油机缸内直喷的工作方式 ,20 世纪 50年代德国的Benz300SL 车型和 60 年代 MAN —FM系统 ,70 年代美国 Texaco 的 TCCS系统和 Ford 的PROCO 系统就曾经采用过 。这些早期技术大多基于每缸 2 气门和碗形活塞燃烧室 ,利用柴油机的机械泵和喷油器实现后喷。这些早期的 GDI 发动机在大部分负荷范围实现了无节气门控制并且燃油经济性接近非直喷柴油机。其主要缺点是由于采用机械式供油系统 ,各负荷甚至全负荷时后喷时刻 是固定的 ,燃烧烟度限制了空燃比不能超过 20 ∶1。
采用柴油机供油系统并利用涡轮增压技术来增加功率输出,使得汽油机性能与柴油机相似 ,且在部分负荷时有更差的 HC 排放。空气利用效率低 ,机械供油系统受到转速范围的限制 ,使得发动机的输出功率非常低。因此 ,受当时内燃机制造技术水平的限制 ,加之尚无电控喷射手段 ,开发出的 GDI 发动机性能和排放并不理想 ,没有得到实际应用。 20 世纪 90 年代以后 ,由于发动机制造技术的迅速提高 ,制造精密、性能优良的内燃机部件的应用和精度高、响应快的电控汽油直喷系统的应用使得GDI发动机的研究与应用得到快速发展。GDI 发动机瞬态响应好 ,可以实现精确的空燃比控制 ,具有快速冷起动和减速断油能力及潜在的系统优化能力 ,这些都显示了它比进气道喷射汽油机更优越 。采用先进的电子控制技术 ,解决了早期直喷发动机的控制和排放等方面的许多问题 。新技术和电子控制策略的发展使得许多发动机制造企业重新考虑 GDI发动机的潜在优点。1996 年日本三菱 汽车公司率先推出 1. 8 L 顶置双凸轮轴 16 气门4G93 壁面引导型直喷发动机;丰田公司开发出了同时采用 GDI和 PFI两套供油系统的 2GR —FSE V6发动机;通用公司 2004 年开发出了采用可变气门定时 VVT 技术的分层稀燃直喷发动机;宝马公司在低压均质混合气直喷 GDI V12 发动机的基础上 ,2006 年又开发出了可以实现分层稀燃的 R6 直喷发动机;德国大众公司 2000 年底利用电子控制系统把与 TDI柴油机相似的原理用在汽油机上 ,开发了壁面引导型燃油分层直喷 FSI 发动机 ,并用于 Lupo车上 ,其 100 km 的平均油耗只有 4. 9 L ,成为世界上第一辆 5 L 汽油机汽车;2004 年奥迪公司开始将其 2.0T —FSI燃油分层直接喷射增压汽油机推向市场。
目前 ,引进的大众 FSI 发动机是我国唯一量产的 GDI发动机。缸内直喷技术对汽油的油品质量是个严格考验 ,正是基于这个原因 ,大众在中国的FSI发动机上取消了分层燃烧技术 ,
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只保留了均匀燃烧模式。
由于排放、燃烧稳定性、燃油品质、性能及可靠性等方面的问题限制了 GDI 发动机普遍应用 ,GDI技术完全替代 PFI 技术目前仍然存在一些技术难题。国内外的公司和研究机构也都在积极地开发设计新型直喷发动机 ,如 AVL 公司正在开发基于喷射引导和激光点火系统的新一代分层稀燃直喷发动机技术。目前 ,国内一汽集团、华晨、奇瑞、长安和吉利等汽车企业联合高校正在开发理论空燃比混合气或多种燃烧模式相结合的 GDI发动机。
2.2 现代GDI 发动机
20 世纪90 年代以后，以数值模拟和可视化为代表的内燃机研究手段的应用加深了人们对缸内气流运动、混合气形成和燃烧的认识，加之精度高、响应快的电控手段的开发，促使缸内直喷汽油机的研究得到长足的发展。下面介绍几种GDI 发动机：
2.2.1 三菱公司的GDI 发动机
据Kume、Ando、Kuwahara 和Iwamato 等人的报道， 三菱汽车公司开发的4G93 型GDI 发动机，燃烧系统的主要特点是利用进气滚流配合优化设计的活塞顶曲面形状来实现合理的分层混合气结构，部分负荷及怠速工况下空燃比为20～40。采用了先进的电控高压汽油泵和高 压旋流喷油器，以及较为复杂的多区控制策略。该发动机的燃油经济性比同等排量的PFI 发动机改善35％左右， 充气效率平均提高了5％，全负荷的功率输出提高了10％。
2.2.2 丰田公司的D-4 发动机
据Matsushita、Harada 和Tomoda 等人的报道，丰田公司开发的第一代D-4 发动机燃烧系统的特点主要有， 进气道由带涡流控制阀（SCV）的直进气道和螺旋型进气道组成，以形成不同强度的旋流，燃烧室的形状设计采用了复杂的渐开线形曲面活塞凹坑，小负荷及怠速 工况时的空燃比可达25～40。除了采用电控高压汽油泵和高压旋流喷油器外，还采用了可变气门定时（ VVT-i）技术，结合SCV 技术，共同对不同工况混合气进行调节。D-4 发动机与同排量PFI 发动机相比，燃油经济性改善30％，动力性能和加速性能也提高10％左右，可变气门定时导致的内部废气再循环（EGR）也可使NOx 排放降低95％。1999 年，丰田汽车公司又开发了第二代D-4 发动机。主要变化是采用了一种具有狭长状喷孔的喷嘴和壳状的燃烧室。用这种喷油形成分散范围更广的扇形喷雾，喷雾直接喷向燃烧室凹坑底部，在气流运 动、燃烧凹坑壁面引导和喷雾反弹的作用下，火花塞周围形成浓的混合气。
2.2.3 奔驰(Mercedes-Benz)公司的GDI 发动机
奔驰汽车公司开发的GDI 发动机燃烧系统的主要特点是采用了比较简单的燃烧室形状，喷油器和火花塞近距离布置，使得火花塞周围容易形成浓的混合气，其燃烧系统为半球形气缸盖，活塞顶有盆形凹坑，喷油器中心布置，火花塞位于喷射油束侧面。奔驰GDI 发动机还采用了可变高压共轨燃油喷射系统，喷油压力可在4MPa～12MPa 范围内调节。这种GDI 发动机NOx 比同类型的PFI 发动机降低35％，但UBHC 排放较高。此种形式的GDI 发动机在2000r/min 下获得最佳的燃油经济性，但发动机转速提高或降低，燃油经济性都下降。
2.2.4 FEV 公司的GDI 发动机
FEV 公司开发的GDI 发动机， 其主要特点是以一定形式和优化的滚流和涡流运动为主来控制混合气分层的结构，并使火花塞周围形成浓的混合气。据Hupperich 等人的报道，这种燃烧系统的放热速率比壁面引导或者喷雾引导的都快，热功转化效率较高。但该燃烧系统 性能受气流运动的影响较大， 不容易实现稳定的分层混合气和燃烧，在过渡工况发动机循环波动大，难以实际应用和推广。
3 GDI 技术与 PFI 气门口喷射技术的比较
混合气形成策略不同是 PFI 发动机与 GDI 发动机的主要区别。PFI 发动机产品中 ,20 %
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喷嘴装在气缸盖上进气门的背面 ,80 %安装在进气歧管上靠近气缸盖位置 ,在发动机起动时 ,会在进气门附近形成瞬时的液态油膜 ,这些燃油会在每次进气过程逐渐蒸发进入气缸燃烧。因此 ,进气口处的油膜如同电容 ,具有积分的作用 ,发动机瞬时的供油量不能通过喷油器实现精确控制。由于部分蒸发现象导致油量控制延迟和计量偏差 ,冷机起动时由于燃油蒸 发困难 ,使得实际供油量远大于需求空燃比的供油量 ,这样会导致冷起动时发动机有 4 个～10 个循环的不稳定燃烧 ,显著加大发动机未燃 HC 排放。
GDI技术可以避免气门口燃油湿壁现象 ,实现燃烧各阶段准确供油 ,能够实现更稀薄燃烧并且降低缸与缸之间、循环与循环之间的变动 ,冷起动首循环不需加浓控制 ,降低瞬态工况 HC 的排放 。然而GDI发动机对燃油蒸发和混合物形成有更严格的要求 ,需要通过更高的喷油压力提高燃油的雾化率。
PFI发动机的另一限制是中、小负荷时采用节气门来控制负荷 ,存在节流损失 ,GDI 发动机在中、小负荷时采用分层充气工作模式 ,通过控制喷入气缸的油量来控制发动机的负荷 ,不采用节气门可以降低泵气损失和热损失。
GDI发动机理论上不存在上述两方面的限制。
除了具有消除油膜湿壁现象和无节气门节流损失的优点外 ,GDI发动机具有优于 PFI发动机的热力学特性。GDI共轨供油系统可以显著提高供油压力 ,提高雾化质量和雾化率 ,这使发动机起动时前两个循环无需额外供油就能实现稳定燃烧 ,这样 GDI发动机冷起动时的 HC排放具有降低到稳态工况的潜力。另外 ,潜在的优点是可以实现减速断油 ,提高燃油经济性和降低 HC排放 ,对 PFI发动机而言 ,减速断油不是可行的选择 ,因为这样会减少或消除气门口附近的油膜 ,而在气门口附近建立稳定的油膜是一个需要几个循环的瞬态过程 ,这个过程能够使燃烧室内形成很稀的混合气,导致失火或回火。另一个潜在的优点是 ,缸内直喷能够降低进气温度 ,提高充气效率 ,燃油的蒸发能够冷却进气 ,汽化潜热主要来自新鲜充气 ,而不是燃烧室壁面 ,在燃油早喷和后喷阶段均能冷却进气 ,故在进气过程喷油能够提高 充气效率。GDI 发动机燃油经济性能够得到显著改善 ,对于不同的测试循环 ,最大可以提高 20 %～30 % 。
PFI系统相比 GDI系统也仍具有一定的优点如 PFI发动机的进气管相当于预蒸发室 ,能够增加燃油蒸发的时间 ,而 GDI 发动机燃油直接喷入气缸 ,混合气形成的时间少 ,燃油喷雾微粒必须足够小以保证燃油在喷油与点火之间的有限时间内能够蒸发 ,如果燃油液滴没能蒸发就会形成微粒和未燃的HC排放。此外 ,燃油直接喷到缸内 ,可能导致燃油冲击到活塞顶部和缸壁表面 ,这些因素可能导致微粒和 HC 排放的增加 ,并加大了发动机的磨损PFI发动机的其他优点 ,如低压喷射系统、可以采用三效催化器、更高的排温提高三效催化器的效率 ,这些都对 GDI发动机的发展提出了挑战。
4 GDI 发动机应用中存在的问题
GDI发动机具有柴油机的经济性并保持了汽油机的特点 ,相对于技术成熟的 PFI发动机具有显著优点,但是排放、燃烧稳定性等方面的问题限制了其普遍应用 ,目前 ,GDI 技术完全替代 PFI 技术仍然存在一些技术挑战 : a)排放控制
分层混合气浓度非均匀分布 ,存在较浓的混合气 ,在这些区域中局部燃烧温度仍然较高,导致NO x排放较多 ,然而总体混合气较稀不能有效利用三效催化器;分层混合气外边界较稀的部分易发生火焰熄灭现象 ,同时缸内喷油湿壁现象会使活塞顶部和气缸壁混合气过浓的区域燃烧不好 ,使得小负荷时 HC排放相对较高;分层燃烧工况由于混合气浓度分布不均匀 ,GDI发动机增加了微粒排放; b)稳定燃烧控制
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汽油机缸内直喷技术发展趋势分析
