缸內(nèi)直噴汽油機(jī)技術(shù)發(fā)展的分析與研究

1、缸內(nèi)直噴汽油機(jī)技術(shù)發(fā)展的分析與研究陳鳳陽，孫昊，宋嘉庚(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)摘 要：汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)作為目前市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的一種先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，具有廣闊的前景。本文主要介紹汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)（GDI）的發(fā)展背景與過程，技術(shù)特點(diǎn)、面臨的難題及今后研究工作的重點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：汽油機(jī)缸內(nèi)直噴；分層燃燒；均質(zhì)燃燒；排放中圖分類號(hào)：TK413.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A Survey of research situation on Gasoline Direct Injection Technology CHEN Feng-yang，SUN Hao，SONG Jia-g

2、eng(1. School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China；2. School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology，Hefei 230009, China)Abstract：Gasoline engine cylinder direct injection technology is widely used in the market as

3、 a kind of advanced engine technology,it has broad prospects.This paper mainly introduces the development background and process of the gasoline engine cylinder direct injection technology (GDI),introduces the basic theory of the direct injection technology in the cylinder and the superiority of the

4、 PFI engine,expounds the problems faced and the focus of the study in the future. Key words：Gasoline engine Direct injection Stratified combustion Homogeneous combustion Emission1 GDI技術(shù)的發(fā)展上世紀(jì)50年代 , 德國(guó)就研制了直噴二沖程汽油機(jī) ,但由于當(dāng)時(shí)內(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)和電控水平較低,其性能和排放并不理想。90年代后, 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的研究有了快速發(fā)展。缸內(nèi)直噴汽油機(jī)改變了混合機(jī)理,可采用稀薄分層燃燒技術(shù), 有效地

5、降低HC等排放。直噴方式的油滴蒸發(fā)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(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比。此外, GDI汽油機(jī)還具有瞬態(tài)響應(yīng)好, 易于實(shí)現(xiàn)精確的空燃比控制 ,具有快速的冷起動(dòng)和減速快速斷油能力等特點(diǎn)。這些方面 GDI汽油機(jī)都明顯優(yōu)于進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)。為此許多外國(guó)汽車公司和研究機(jī)構(gòu)都成功開發(fā)出了自己的 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型。 1996年 ,日本的三菱公司率先采用立式進(jìn)氣道與彎曲頂面活塞。在進(jìn)氣行程中吸入的空氣通過立式進(jìn)氣道被吸入氣缸 ,形成強(qiáng)烈的滾流。噴射的燃油經(jīng)曲面形的燃燒室壁面引導(dǎo)被送到位于氣缸中央的火花塞附近,形成穩(wěn)定的燃燒。開發(fā)的汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)型轎車

6、Galant上 , 其油耗和二氧化碳的排放比同功率的傳統(tǒng)汽油車降低了 30%。隨后 ,裝備了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的中級(jí)轎車 Carisma投放到西歐市場(chǎng)。 2000年底 , 大眾公司研發(fā)了稀燃直噴式汽油機(jī)LupoPSI,其高行駛功率下的百公里燃油消耗僅4.9L,是世界上第一輛5L汽油機(jī)汽車。實(shí)驗(yàn)表明 , LupoPSI的燃油消耗與同輸出功率的進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)相比,降低了34%。 2004年 ,奧迪公司研發(fā)了2.0T-FSI燃油分層直接噴射增壓汽油機(jī)。隨后為A級(jí)轎車研發(fā)了1.8T-FSI高性能發(fā)動(dòng)機(jī), 2007年初裝備到新款?yuàn)W迪A3轎車上。2005年配備在全新奧迪 A4 2.0T上的 TFSI渦輪增壓汽

7、油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)被權(quán)威雜志評(píng)為全球十大發(fā)動(dòng)機(jī)第一名 ,代表了世界汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的頂尖水平。 日本豐田公司的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)使用了可變渦流技術(shù) ,通過缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的組織, 在火花塞周圍形成可點(diǎn)燃的混合氣。為了降低 NOx排放, 在使用EGR的同時(shí)采用了 NOx吸附催化反應(yīng)器。試驗(yàn)結(jié)果表明 ,裝有該發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車油耗為17.4Km/L,而相應(yīng)的裝有PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車油耗為13Km/L,節(jié)油達(dá)34%左右。 美國(guó)福特公司的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)采用均質(zhì)的當(dāng)量燃空比附近的混合氣,利用傳統(tǒng)的三元催化反應(yīng)器,降低了排放處理方面的困難。穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)表明, 部分負(fù)荷下,汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性有5%的提高, 而怠速時(shí)能提高10%。2 GDI

8、汽油機(jī)燃燒模式 對(duì)應(yīng)于不同的混合氣形成模式，GDI汽油機(jī)具有相應(yīng)不同的燃燒模式。分層混合對(duì)應(yīng)于各種分層燃燒模式，均質(zhì)混合對(duì)應(yīng)于均質(zhì)燃燒模式。不同的燃燒模式適應(yīng)于不同的工況，發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷時(shí)采用均質(zhì)燃燒模式，這樣能滿足其快速響應(yīng)性和動(dòng)力性要求；怠速和部分負(fù)荷時(shí)采用分層燃燒模式，可以大幅度降低油耗。除此之外，還有一種先進(jìn)的燃燒模式，均質(zhì)壓燃（HCCI），這是一種能進(jìn)一步發(fā)揮出缸內(nèi)直噴優(yōu)勢(shì)的燃燒模式，能有效提高汽油機(jī)整體性能。2.1 缸內(nèi)直噴均質(zhì)燃燒模式 均質(zhì)燃燒模式的燃燒過程與進(jìn)氣管噴射發(fā)動(dòng)機(jī)非常相似，在空氣/燃油混合氣點(diǎn)燃之后，一個(gè)幾乎呈球形的火焰前鋒從火花塞開始，向燃燒室傳播。在傳播中，

9、由于與缸內(nèi)氣流的相互作用和湍流的作用，火焰前鋒出現(xiàn)不同程度的扭曲、分裂，燃燒區(qū)加厚。當(dāng)混合氣均質(zhì)化狀態(tài)良好時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)幾乎全面的預(yù)混合燃燒，燃燒以理想的預(yù)混火焰為特征。然而，對(duì)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)來說，獲得理想的混合氣均質(zhì)化并不是一件容易的事。因此，在點(diǎn)火時(shí)刻由于燃不利影響。在汽油缸內(nèi)直噴期間，燃油只有在進(jìn)氣行程噴入燃燒室。在不利的噴注特性和不良的點(diǎn)火正時(shí)的情況下，這將導(dǎo)致噴注接觸活塞表面，使活塞頂表面被燃油濕潤(rùn)，并因?yàn)檎舭l(fā)條件不良而形成油膜。在擴(kuò)散火焰中，這些油膜燃燒緩慢且不完全，從而使碳煙和未燃碳?xì)渑欧旁黾?。特別是對(duì)于噴油器安裝在垂直位置的燃燒過程，這種情況必須考慮。在均質(zhì)工作模式時(shí)，利用在燃燒

10、室內(nèi)具有小的噴注垂直貫穿度的合適的噴射系統(tǒng)，就能避免出現(xiàn)活塞頂濕潤(rùn)現(xiàn)象。因此，為了滿足混合氣準(zhǔn)備期間的高要求，現(xiàn)代缸內(nèi)直噴汽油機(jī)比傳統(tǒng)汽油機(jī)工作要復(fù)雜得多，因而噴射系統(tǒng)成本更高。此外，噴射時(shí)刻必須保證在活塞下行過程中，活塞所處的位置距離噴注有足夠的距離。2.2 缸內(nèi)直噴分層燃燒模式 分層燃燒模式與均質(zhì)燃燒模式存在很大的不同。分層模式的燃燒不會(huì)達(dá)到燃燒室壁面，而是在極為稀薄的混合氣區(qū)域，在離缸壁某一距離處會(huì)停下來。分層燃燒的火焰?zhèn)鞑ハ喈?dāng)困難，在火花塞處的混合氣點(diǎn)燃之后，燃燒限制在局部區(qū)域。特別是噴注導(dǎo)向型燃燒過程，由于火花塞與噴油器靠的很近，應(yīng)該在沒有專門的空氣引導(dǎo)的情況下工作。然而，即使對(duì)噴注

11、導(dǎo)向型燃燒過程，有組織的空氣運(yùn)動(dòng)也能加速混合氣的形成與燃燒?？諝膺\(yùn)動(dòng)能改善噴注的熱能輸入，因而對(duì)必須在極短時(shí)間內(nèi)完成的混合氣形成過程有利。在分層燃燒時(shí)，混合氣準(zhǔn)備不充分，空燃比梯度大，伴有擴(kuò)散燃燒。貫穿整個(gè)氣流結(jié)構(gòu)的有組織的氣流運(yùn)動(dòng)會(huì)在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生湍流，在點(diǎn)火時(shí)刻這些湍流可使火焰前鋒加速，可獲得更快速、更充分的燃燒，總效率得到改善。不同特性的空氣運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)燃燒產(chǎn)生不同的效應(yīng)。通常，渦流維持的時(shí)間比較長(zhǎng)，在點(diǎn)火時(shí)刻和燃燒期間，具有大量的動(dòng)能，從而使燃燒速度加快。滾流對(duì)燃油傳輸產(chǎn)生系統(tǒng)的影響，并防止燃油附著于活塞上，從而對(duì)H排放產(chǎn)生有利影響。通過進(jìn)氣運(yùn)動(dòng)帶入燃燒室的動(dòng)能主要產(chǎn)生擾流脈動(dòng)速度，從而導(dǎo)致

12、燃燒速度的加快。通過一個(gè)遍布整個(gè)燃燒室的氣流，可將火焰引導(dǎo)到燃燒室中心，并穩(wěn)定在這里，從而提高燃燒效率和穩(wěn)定性。2.3 HCCl燃燒模式 HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）具有高熱效率、超低 NO和 PM 排放的優(yōu)點(diǎn)，近年來在汽油缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)可控HCCI燃燒成為國(guó)際上的一個(gè)趨勢(shì)。在均質(zhì)混合氣中，如果先期反應(yīng)時(shí)間足夠長(zhǎng)并且壓力和溫度分布也適當(dāng)?shù)脑?，就?huì)產(chǎn)生自燃。均質(zhì)壓燃期間的自燃與傳統(tǒng)汽油機(jī)的爆燃不同，一方面，混合氣明顯變稀?。ㄈ加蜐舛葴p小），因此局部放熱減?。涣硪环矫?，整個(gè)燃燒室的溫度分布和燃燒反應(yīng)進(jìn)程幾乎均衡的狀態(tài)導(dǎo)致了整個(gè)缸內(nèi)

13、混合氣均勻地出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，并未像爆燃一樣，自燃僅僅出現(xiàn)在局部的有限的末端混合氣中。因此，在均質(zhì)壓燃中，有害的爆燃沖擊波得到了避免。 在HCCI中，不可能通過一個(gè)參數(shù)（例如火花點(diǎn)火的點(diǎn)火正時(shí)或柴油機(jī)的擴(kuò)散燃燒的噴射時(shí)刻）直接影響燃燒過程，并因此來控制燃燒始點(diǎn)。HCCI的燃燒始點(diǎn)受空氣/燃油混合氣的自燃性的京影響，主要影響參數(shù)有混合氣性質(zhì)（自燃傾向）和著火前的瞬時(shí)溫度分布。具體可以描述為：燃料的自燃性，局部的燃油濃度（空燃比和混合氣的均勻度），殘余廢氣量和殘余廢氣成分，燃油進(jìn)入之后的混合氣瞬時(shí)壓力和溫度分布（進(jìn)氣溫度、殘余廢氣溫度、進(jìn)氣管壓力、氣缸壓縮壓力）。相應(yīng)地，可以采用進(jìn)氣預(yù)熱、壓縮比可變、

14、改變?nèi)加统煞?、改變殘余廢氣量等方法來控制燃燒始點(diǎn)。 由于在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上采用HCCI能大幅度提高燃油經(jīng)濟(jì)性并有效改善其排放特性，各大汽車廠商都在HCCI燃燒模式的研發(fā)上傾注了大量的人力物力。但目前HCCI技術(shù)距離在發(fā)動(dòng)機(jī)上大規(guī)模應(yīng)用仍然很遠(yuǎn)。首先，由于均質(zhì)壓燃燃燒時(shí)間的控制是間接的，因此能否對(duì)車用均質(zhì)壓燃汽油機(jī)進(jìn)行可靠的控制就成為能否在車輛上應(yīng)用均質(zhì)壓燃的一個(gè)決定性因素。有不少學(xué)者對(duì)HCCI在車用汽油機(jī)上應(yīng)用的可行性持懷疑態(tài)度就是因?yàn)閾?dān)心燃燒時(shí)間控制的可靠性。車用發(fā)動(dòng)機(jī)需要在工況范圍寬、工況變化速率大、環(huán)境（溫度、濕度、壓力）差別大、所供應(yīng)的燃油品質(zhì)和特性差別大的情況下可靠的工作。點(diǎn)燃式汽油機(jī)和

15、柴油機(jī)依靠點(diǎn)火和噴油時(shí)間來控制燃燒時(shí)間，能夠?qū)囉冒l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)間進(jìn)行可靠控制，而HCCI通過控制混合氣達(dá)到自燃溫度的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒時(shí)間的控制。在某個(gè)特定的工況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)均質(zhì)壓燃燃燒時(shí)間的控制并不難，但要在上述所有情況下對(duì)均質(zhì)壓燃燃燒都能進(jìn)行可靠的控制就不是一件容易的事。 HCCI 汽油機(jī)能否滿足對(duì)燃燒時(shí)間進(jìn)行可靠控制的要求需要從3個(gè)方面來衡量：一是能否在整個(gè)均質(zhì)壓燃工況范圍內(nèi)對(duì)燃燒時(shí)間進(jìn)行可靠的控制；二是能否在環(huán)境溫度、油品特性等外界因素差別很大的情況下對(duì)燃燒時(shí)間進(jìn)行可靠的控制；三是能否在包括冷啟動(dòng)在內(nèi)的工況迅速變化的情況對(duì)燃燒時(shí)間進(jìn)行控制。 雖然HCCI技術(shù)面臨的問題十分困難，但它在節(jié)能減

16、排方面的潛力卻也十分誘人，因此才會(huì)有這么多的商家和學(xué)者愿意為它的實(shí)現(xiàn)付諸不懈的努力。一旦HCCI技術(shù)能滿足上述要求，則均質(zhì)壓燃技術(shù)在車用汽油機(jī)上的應(yīng)用就不遠(yuǎn)了。3 GDI 技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)其他系統(tǒng)的影響 采用GDI技術(shù)后，發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能都會(huì)發(fā)生改變，它對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的其他系統(tǒng)也提出了更高的要求，包括燃油噴射系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、配氣機(jī)構(gòu)、 活塞和機(jī)體都要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油噴射系統(tǒng)的要求較傳統(tǒng)的氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)要高很多。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)要求噴油時(shí)間更加準(zhǔn)確，噴油壓力更高、噴油特性更加穩(wěn)定。特別是在分層燃燒系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能對(duì)噴油特性的依賴更大。對(duì)于噴注引導(dǎo)型燃燒模式，發(fā)動(dòng)機(jī)留給油氣混 合的時(shí)間十分

17、短暫，而且對(duì)于噴油特性的變動(dòng)相當(dāng)敏感。噴注細(xì)小的偏移都將引起極大的燃燒性能惡化。因此，它要求噴油系統(tǒng)能提供很高的噴油壓力來保證燃油的霧化和混合，還要噴油系統(tǒng)的噴油特性極其穩(wěn)定來保證燃燒的穩(wěn)定性。 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)的要求也更高。在分層混合和 HCCI 中，點(diǎn)火時(shí)火花塞附近的混合氣濃度變化很大，為了保證在混合氣較稀時(shí)也能保證可靠點(diǎn)火，點(diǎn)火能量較傳統(tǒng)汽油機(jī)要高。除此之外，由于燃油直接噴到燃燒室內(nèi)，特別是對(duì)于噴注引導(dǎo)型，燃油直接與火花塞接觸，導(dǎo)致火花塞承受很大的熱沖擊并且很容易積碳。這就要求火花塞具有較高的耐熱性，還要有一定的自清潔能力來保證點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠性。 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)還要求活塞和氣門等部件

18、具有更高的質(zhì)量。GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)往往和縮小尺寸、增壓、發(fā)動(dòng)機(jī)高速概念聯(lián)系在一起，這些發(fā)展常常會(huì)導(dǎo)致比輸出的提高，這關(guān)系到活塞熱輸入的增加和氣缸峰值壓力的提高。根據(jù)分層充氣工作的混合氣形成模式（壁面導(dǎo)向型），汽油缸內(nèi)直噴有時(shí)需要在活塞頂上采用復(fù)雜的燃燒室結(jié)構(gòu)，這將對(duì)活塞的質(zhì)量和制造工藝產(chǎn)生很大的影響。在從混合氣缸外形成到缸內(nèi)形成的轉(zhuǎn)變期間，換氣部件（進(jìn)、排氣門及其摩擦學(xué)配合件）、氣門導(dǎo)管和氣門座圈直接接觸燃燒氣體，并且在負(fù)荷范圍和摩擦學(xué)環(huán)境方面經(jīng)歷著復(fù)雜變化。燃燒對(duì)這些零件的影響是使零件溫度、零件溫度分布和工作壓力發(fā)生變化。這些改變對(duì)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的邊界條件影響非常大。由于更好的缸內(nèi)冷卻和更高的抗爆

19、能力使汽油機(jī)缸內(nèi)直噴實(shí)現(xiàn)了高壓縮比，所以也會(huì)出現(xiàn)高的燃燒峰值壓力，提高了的峰值壓力對(duì)氣門的耐久性設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。而且，由于混合氣在缸內(nèi)形成，在氣門與氣門座之間沒有起潤(rùn)滑作用的燃油油膜存在，這一點(diǎn)與氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)不同。試驗(yàn)表明，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門座圈必須選擇高合金材料，必要時(shí)，采用氣門密封錐面硬化處理。在排氣期間，汽油缸內(nèi)直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)要求在氣門座圈上采用鈷硬化錐面以及采用氣門座圈專用材料。另外，GDI汽油機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)，在燃燒室內(nèi)和進(jìn)氣門上常常有積碳的傾向。由于在氣門開啟縫隙處的氣流流通橫截面逐漸減小，所以積碳會(huì)導(dǎo)致功率下降，同時(shí)對(duì)油耗和排放特性產(chǎn)生不利影響。在個(gè)別情況下，由于氣門質(zhì)量持

20、續(xù)增加，會(huì)出現(xiàn)進(jìn)氣門動(dòng)作不遵循規(guī)定曲線的動(dòng)態(tài)問題。最糟糕的情況是在某些情況下積碳碎片的脫落會(huì)妨礙氣門座的正常密封功能，從而干擾發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。因此，對(duì)于 GDI汽油機(jī)的活塞和氣門等部件必須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣才能充分發(fā)掘汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。4 GDI 汽油機(jī)的應(yīng)用前景 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)力是各國(guó)越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)和越來越低的油耗要求。雖然現(xiàn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求很高，但是缸內(nèi)直噴汽油機(jī)在降低油耗方面仍然具有巨大的潛力。缸內(nèi)直噴與渦輪增壓相結(jié)合已成明顯態(tài)勢(shì)，在這種情況下，汽油機(jī)不僅有希望降低油耗和污染物排放，而且還能進(jìn)一步提升駕駛樂趣。在發(fā)動(dòng)機(jī)中小負(fù)荷和中低轉(zhuǎn)速范圍，分層充氣很有意義，并

21、且在將來會(huì)得到更頻繁的應(yīng)用。噴注導(dǎo)向型混合氣形成和燃燒過程尤其適用于這種工作范圍。從目前的發(fā)展和知識(shí)狀態(tài)來看，需要進(jìn)行廣泛的研發(fā)工作，才能對(duì)該過程的提高效率和降低污染物排放的全部潛力進(jìn)行充分挖掘。在今后若干年中，采用這種噴射的目標(biāo)應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)混合氣的可靠形成，以致在所有希望采用分層充氣模式的情況下，通過廢氣分層，在新鮮混合氣與環(huán)境空氣或者環(huán)境廢氣之間形成理想的分層，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒并降低油耗。 到目前為止，有關(guān)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的研發(fā)仍然處于初級(jí)階段，而讓采用稀燃工作和分層充氣的噴注導(dǎo)向型缸內(nèi)直噴在全世界得到應(yīng)用，有關(guān)的研發(fā)工作還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為此，幾乎所有的汽車制造商現(xiàn)在和今后數(shù)年都將在汽油機(jī)中采取均質(zhì)混合缸內(nèi)直噴，并且在大多數(shù)情況下采用增壓。這樣的優(yōu)點(diǎn)是與混合氣在缸外形成相比，比功率大幅度提高，從而帶來更大的駕駛樂趣。在與已被證實(shí)的三元催化轉(zhuǎn)化器排放后處理措施相結(jié)合之后，這種均質(zhì)缸內(nèi)直噴還會(huì)滿足所有現(xiàn)在和未來的排放標(biāo)準(zhǔn)，使汽油機(jī)缸內(nèi)直噴在全