汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

魏崇亮 郭曉鑫 馮志鵬 李國棟 王兆甲

（1-中國汽車工程研究院股份有限公司重慶4011202-北京科技大學(xué)車輛工程研究所）

·綜述·

汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

魏崇亮1郭曉鑫1馮志鵬2李國棟1王兆甲1

（1-中國汽車工程研究院股份有限公司重慶4011202-北京科技大學(xué)車輛工程研究所）

主要介紹了汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展過程、應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)難點以及存在的問題，并對汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了展望，同時也對國內(nèi)自主品牌汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展寄予希望。

汽油機缸內(nèi)直噴排放燃油經(jīng)濟性

引言

隨著汽車給環(huán)境帶來的排放污染和能源短缺問題日益嚴(yán)峻，世界各國對排放標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求也愈加嚴(yán)格。我國于2013年發(fā)布了國V排放標(biāo)準(zhǔn)并于近期審查通過了《乘用車燃料消耗量限值》第四階段標(biāo)準(zhǔn)。由于目前中國汽油車占據(jù)相當(dāng)大比例，所以在降低汽油車油耗和排放方面具有一定技術(shù)優(yōu)勢的缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展就顯得尤為重要。相對傳統(tǒng)進氣道噴油式汽油機，汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)（簡稱GDI）燃油經(jīng)濟性可以提高15%左右，HC排放量可減少30%[1、2]。目前汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)雖然已經(jīng)比較成熟，但其在燃燒控制、燃油噴射、排放控制、增壓技術(shù)等方面還需進行深入研究。

1 缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展過程及應(yīng)用現(xiàn)狀

缸內(nèi)直噴技術(shù)誕生于20世紀(jì)20年代，最初應(yīng)用于軍事技術(shù)，直到20世紀(jì)50年代奔馳公司生產(chǎn)的300SL才實現(xiàn)缸內(nèi)直噴技術(shù)在汽車領(lǐng)域的真正應(yīng)用。此后由于低廉的燃油價格以及電控技術(shù)的限制，缸內(nèi)直噴技術(shù)一直未能得到進一步的發(fā)展。20世紀(jì)70年代，福特公司開發(fā)出一種采用分層燃燒技術(shù)的ProCo系統(tǒng)[3]，由于電控技術(shù)不夠成熟和成本過高以及排放超標(biāo)，該系統(tǒng)也未能得到發(fā)展。

20世紀(jì)90年代以來，隨著各國對環(huán)境和能耗的嚴(yán)格控制以及電控和制造技術(shù)水平的提高，各大汽車廠商紛紛發(fā)展缸內(nèi)直噴技術(shù)，見表1。三菱公司于1996年率先把具有缸內(nèi)直噴技術(shù)的自然吸氣式發(fā)動機4G93安裝在轎車Galant上，該發(fā)動機首次采用曲頂活塞和豎直進氣道，可減少進氣阻力并有利于在高負荷工況下噴油產(chǎn)生很強的混合氣渦流，從而使燃燒更充分、動力更強、油耗更少。豐田公司于1998年推出D4直噴系統(tǒng)并應(yīng)用在SZ和ZN系列發(fā)動機上，在2005年又應(yīng)用于3GR-FSE發(fā)動機上，該系統(tǒng)只有一組噴油嘴伸入氣缸并能實現(xiàn)均質(zhì)燃燒。在D4直噴系統(tǒng)基礎(chǔ)上，豐田又開發(fā)出D4-S直噴技術(shù)并應(yīng)用在2GR-FSE發(fā)動機上，該系統(tǒng)結(jié)合了直噴和間接噴射的優(yōu)點，每缸分別配置低壓噴油嘴和缸內(nèi)直噴高壓油嘴，可實現(xiàn)不同負荷工況下的燃油噴射和燃燒控制要求。大眾公司于2001年推出FSI缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，大眾、奧迪大部分車型目前都已經(jīng)采用該技術(shù)，是當(dāng)前業(yè)界最成熟、最先進的缸內(nèi)直噴技術(shù)之一。通用公司推出的缸內(nèi)直噴技術(shù)SIDI依靠缸內(nèi)均質(zhì)燃燒來提升效率，沒有使用稀薄分層燃燒技術(shù)，該技術(shù)最大的優(yōu)勢是不受油品的限制，不需要特別的養(yǎng)護。奔馳公司于2006年推出其缸內(nèi)直噴系統(tǒng)CGI，并于2010年推出最新一代缸內(nèi)直噴系統(tǒng)BlueDirect，該系統(tǒng)采用多點噴射、多重火花點火技術(shù)和壓電式噴油裝置使得燃燒效率和排放水平更高。福特公司于2007年推出EcoBoost缸內(nèi)直噴技術(shù)，該系統(tǒng)融合了高壓直噴、渦輪增壓和雙獨立可變氣門正時系統(tǒng)三大技術(shù)，能提供更佳的燃油經(jīng)濟性。隨著GDI發(fā)動機優(yōu)勢的體現(xiàn)，保時捷、法拉利等公司近年來也相繼推出了自己的缸內(nèi)直噴技術(shù)。

表1 世界主要汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)統(tǒng)計

2 缸內(nèi)直噴技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀

缸內(nèi)直噴發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)包括燃油供給與噴射系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、GDI的燃油噴射和燃燒過程控制策略等。

GDI燃油供給系統(tǒng)主要依靠高精度快速響應(yīng)的電控系統(tǒng)，燃油噴射系統(tǒng)則主要采用高壓共軌系統(tǒng)與電磁驅(qū)動噴油器相結(jié)合的形式，其中高壓油泵、高壓油軌、噴油器、發(fā)動機控制模塊（ECM）是噴射系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。ECM是直噴發(fā)動機的大腦并由軟件、執(zhí)行器、芯片等組成，其主要作用是采集發(fā)動機數(shù)據(jù)，并按照預(yù)定程序控制噴油時機和噴油量，從而實現(xiàn)最佳燃燒效率。

高壓油泵和高壓油軌對于制造精度和工作環(huán)境的要求很嚴(yán)格，高壓油泵通過油壓調(diào)節(jié)器控制燃油的壓力并實現(xiàn)平衡噴油嘴壓力的作用，通?？山o燃油加壓到15 MPa，并最終將燃油送入油軌。

燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計是GDI發(fā)動機開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，只有通過合理配置燃燒室形狀、燃油噴束、氣流運動等，特別是優(yōu)化活塞頂部的設(shè)計，才能實現(xiàn)在中小負荷時的分層稀薄和大負荷時的均質(zhì)預(yù)混的要求，其中進氣行程和壓縮行程中缸內(nèi)瞬時流場的組織尤為重要，可促進燃料與空氣的有效混合，同時控制氣流的流動以生成穩(wěn)定的分層混合氣。

按照可燃混合氣形成的控制方式以及火花塞和噴油器的相對位置，缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)包括氣流導(dǎo)向型、壁面導(dǎo)向型、噴射導(dǎo)向型。研究表明，噴射導(dǎo)向型系統(tǒng)燃燒效率損失和泵氣損失相對較小，比氣流導(dǎo)向型和壁面導(dǎo)向性有著更好的燃油經(jīng)濟性[4]。

3 缸內(nèi)直噴技術(shù)的難點與制約因素

GDI發(fā)動機已經(jīng)在實踐中證明了其獨特的優(yōu)勢，但在目前缸內(nèi)直噴技術(shù)的應(yīng)用中，還存在一些技術(shù)性難點和亟待解決的問題。

3.1 排放控制問題

相對傳統(tǒng)進氣道發(fā)動機，GDI發(fā)動機在燃油經(jīng)濟性和動力性方面具有一定的優(yōu)勢，同時車輛的整體排放量也得到下降。但由于GDI發(fā)動機的技術(shù)特性，其在中小負荷HC排放、NOx排放、顆粒排放方面還存在一些問題。

由于GDI發(fā)動機燃燒特性與進氣道發(fā)動機不同，GDI發(fā)動機火焰?zhèn)鞑シ绞绞菑幕鸹ㄈ浇臐饣旌蠀^(qū)到稀混合區(qū)，導(dǎo)致在濃混合區(qū)域出現(xiàn)高溫區(qū)域，造成NOx排放升高。另外，GDI發(fā)動機較高的壓縮比和較快的反應(yīng)放熱率也是導(dǎo)致NOx升高的原因。由于GDI發(fā)動機的空燃比相對較高，氣缸內(nèi)燃燒溫度整體較低，導(dǎo)致氣缸內(nèi)未燃HC不能完全被氧化，另外由于GDI發(fā)動機在噴油時刻造成的缸內(nèi)濕壁現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致活塞腔、進氣門底座、排氣門底座等區(qū)域燃燒不好，造成在中小負荷時HC排放較高。為了在HC排放升高不多的前提下有效地控制NOx排放，業(yè)界也嘗試采用給直噴汽油機加裝EGR系統(tǒng)，加裝之后在動力性和經(jīng)濟性方面都有一定的提升，目前國內(nèi)外對于此項研究已經(jīng)取得一定的進展[5]。

由于GDI發(fā)動機特別的噴油模式，使其在低負荷、冷起動和工況轉(zhuǎn)換的狀況下尾氣顆粒物排放的質(zhì)量濃度和數(shù)量都高于傳統(tǒng)的進氣發(fā)動機。其微粒產(chǎn)生機理主要是由于燃油高壓噴入氣缸內(nèi)，造成混合氣混合時間短、局部過濃、缸內(nèi)濕壁等現(xiàn)象加重，又因缸內(nèi)燃燒溫度低導(dǎo)致微粒氧化不足所致。目前業(yè)內(nèi)主要研究方向是GDI發(fā)動機的顆粒質(zhì)量分析，隨著未來排放法規(guī)把直噴發(fā)動機的微粒數(shù)量納入檢測，對于顆粒物的數(shù)量和粒徑方面的研究愈發(fā)重要[6]。

3.2 冷起動控制策略問題

由于GDI發(fā)動機產(chǎn)生的HC排放的80%以上是冷起動過程中產(chǎn)生的未燃HC[7]，通過復(fù)雜的參數(shù)標(biāo)定可實現(xiàn)GDI發(fā)動機從冷起動到適應(yīng)不同的負荷工況，并實現(xiàn)精確的供油和燃燒及排放控制。由于GDI技術(shù)能精確地控制噴入氣缸內(nèi)的燃油量，有效控制缸內(nèi)油氣的混合過程，改善汽油機冷啟動排放，因此如何優(yōu)化GDI發(fā)動機冷起動階段的控制策略是一個重要的研究課題。

3.3 零部件制約問題

由于GDI發(fā)動機的技術(shù)特點，對于關(guān)鍵零部件有著非常嚴(yán)格的要求。

GDI發(fā)動機噴油壓力高，需配備高壓噴油嘴來提高油氣的霧化特性和混合效率，為了在分層燃燒時更好地控制氣體的流向，需要對燃燒室形狀和活塞進行優(yōu)化設(shè)計，同時對氣缸的材質(zhì)也提出更高的要求。

缸內(nèi)直噴汽油機的噴油器置于氣缸內(nèi)，由于噴油壓力高、汽油清潔狀況、低速運轉(zhuǎn)，且噴孔無自潔能力，容易產(chǎn)生積垢，造成燃油經(jīng)濟性下降、排放惡劣、無法低溫冷起動，并且動力性和加速性能也下降，影響駕駛性能。

除了噴油器的設(shè)計，業(yè)界也采用噴油嘴清潔劑來解決該問題，具體功效還需要進一步驗證。為了使油氣在進入燃燒室后產(chǎn)生氣旋渦流，從而提高混合油氣的霧化效果與燃燒效率，GDI發(fā)動機的燃燒室、活塞大多設(shè)計有特殊的導(dǎo)流槽。

雖然GDI發(fā)動機可以整體降低污染物的排放，但其燃燒模式提高了缸內(nèi)溫度并導(dǎo)致氮氧化物的排放增大。由于傳統(tǒng)的三元催化器對稀混合氣的氮氧化物轉(zhuǎn)化效率不高，需配備特殊的三元催化器裝置來降低氮氧化物，導(dǎo)致車輛整體成本上升，限制了GDI發(fā)動機的發(fā)展。同時由于國內(nèi)燃油標(biāo)號不高，高硫含量的燃油對催化器傷害較大，煉油成本也需提高，都制約了GDI發(fā)動機的發(fā)展。

3.4 超級爆燃及噪聲控制問題

GDI發(fā)動機在低速大負荷工況下容易發(fā)生非正常燃燒模式即“早燃”現(xiàn)象而引發(fā)超級爆燃，特別是對小排量增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機尤為突出。超級爆燃是GDI發(fā)動機降低油耗和提高升功率的主要障礙，其爆發(fā)壓力是正常爆壓的兩倍以上并呈大幅振蕩現(xiàn)象，超過了發(fā)動機的爆燃承受極限，導(dǎo)致發(fā)動機油耗增加和噪聲加大，并可能對氣缸體、活塞、曲柄連桿機構(gòu)等部件造成致命損壞。

超級爆燃的發(fā)生具有不可預(yù)測性和間歇性，其產(chǎn)生機理至今尚未有定論，主流觀點認為超級爆燃是缸內(nèi)在火花塞在點火之前已經(jīng)發(fā)生早燃，使得汽油、機油和其混合液滴形成的未燃氣全面自燃而形成的。

研究表明，對于由早燃引發(fā)的超級爆燃，其發(fā)生頻率和強度的影響因素主要包括燃油揮發(fā)性、機油品質(zhì)、點火時刻、噴油器設(shè)計、機油及冷卻液溫度、進排氣運動、缸內(nèi)殘余廢氣和燃燒系統(tǒng)設(shè)計等。

對于超級爆燃的抑制方法，研究發(fā)現(xiàn)加濃混合氣、掃氣、壓縮行程噴射燃油形成分層混合氣、中冷EGR對超級爆燃都具有一定的抑制效果[8]。在國內(nèi)，奇瑞公司開發(fā)了一種防止超級爆燃的活塞，通對對活塞倒角進行改進，可減少未燃碳氫的排放和可能引發(fā)超級爆燃的源頭碳煙顆粒，從而大大降低超級爆燃發(fā)生的概率，目前該活塞的應(yīng)用效果還有待驗證。

由于GDI發(fā)動機與普通進氣道噴射發(fā)動機的燃油噴射模式不同，其發(fā)動機噪聲較大，而超級爆燃所引發(fā)的噪聲更大，對于GDI發(fā)動機的噪聲控制也是亟待解決的問題。

4 基于缸內(nèi)直噴技術(shù)汽油機的發(fā)展趨勢

4.1 燃燒控制技術(shù)

GDI發(fā)動機在分層稀燃區(qū)域有著良好的燃油經(jīng)濟性，如何擴大其分層稀燃區(qū)域?qū)⑹荊DI發(fā)動機的一個研究重點。由于GDI發(fā)動機在分層燃燒時的混合氣不均勻，容易產(chǎn)生NOx和碳煙，而HCCI（均質(zhì)充量壓燃）的燃燒特點可以抑制NOx和微粒的生成。有效地控制點火時刻和發(fā)動機整個燃燒工況內(nèi)的燃燒速率是實現(xiàn)HCCI燃燒的重要因素，也是GDI發(fā)動機燃燒控制技術(shù)的一個發(fā)展趨勢[9]。

4.2 燃油復(fù)合噴射技術(shù)

為了能夠兼顧發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，同時滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，理論上最理想的技術(shù)方案就是歧管噴射+缸內(nèi)直噴雙噴射系統(tǒng)。目前豐田和大眾已經(jīng)走在了前面，豐田率先推出了采用混合缸內(nèi)直噴和歧管噴射兩種方式的D4-S雙噴射系統(tǒng)；繼豐田之后，大眾也推出了裝備此項技術(shù)的第三代EA888發(fā)動機。如何把兩種噴射技術(shù)更好地融合到一起將是GDI發(fā)動機一個發(fā)展趨勢。

4.3 發(fā)動機小型化

由于缸內(nèi)直噴技術(shù)所體現(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢以及環(huán)境和能源危機，GDI發(fā)動機發(fā)展的趨勢無疑是小型化，發(fā)動機小型化可以增強汽油機的實際負荷能力并能降低泵氣損失。通過采用渦輪增壓技術(shù)、排氣歧管集成設(shè)計、鋁制缸蓋、凸輪軸可變正時技術(shù)以及高精度的燃油噴射技術(shù)來實現(xiàn)GDI發(fā)動機的小排量高輸出，提高汽油機的燃油經(jīng)濟性。2014年，福特發(fā)布了最新一代1.0T EcoBoost福克斯，油耗為4.3L/100km；菲亞特推出了0.9L 2缸Twin Air空氣渦輪增壓發(fā)動機并搭載在2014款阿爾法羅密歐MiTo上，油耗能達到4.2L/100km。

5 結(jié)束語

雖然目前缸內(nèi)直噴技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但由于關(guān)鍵技術(shù)都掌握在國外公司手中，國內(nèi)自主品牌在缸內(nèi)直噴技術(shù)方面還處于起步階段，目前長城、奇瑞、比亞迪、吉利等都已經(jīng)推出了自己的GDI發(fā)動機。長城于2012年推出了搭配在哈弗H7上的低功率版GW4C20渦輪增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機；奇瑞2013年推出了一款1.2T三缸缸內(nèi)直噴發(fā)動機，該發(fā)動機配置了包括缸內(nèi)直噴、改善三缸發(fā)動機運轉(zhuǎn)平順性的平衡軸、可變排量機油泵以及雙凸輪軸結(jié)構(gòu)的配氣機構(gòu)等主流技術(shù)，性能可與同型號的進口發(fā)動機相媲美，目前該款發(fā)動機正處于測試階段?？傊?，在新能源汽車還未普及之前，缸內(nèi)直噴技術(shù)必將是汽油機的主流技術(shù)，而國內(nèi)自主品牌缸內(nèi)直噴技術(shù)發(fā)展還任重道遠。

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Current Application Situations and Development Trend of Gasoline Direct Injection Engine

Wei Chongliang1，Guo Xiaoxin1，F(xiàn)eng Zhipeng2，Li Guodong1，Wang Zhaojia1
1-China Automotive Engineering Research Institute Co.，Ltd.（Chongqing，401120，China）2-Institute of Vehicular Engineering，Beijing University of Science and Technology

This paper introduces the development of the gasoline engine direct injection technology involved inapplication situations，technical difficulties and existing problems.Meanwhile，the development trend and research orientation of gasoline direct injection technology were also discussed especially for self-owned brand.

Gasoline engine，Direct injection，Emission，F(xiàn)uel economy

U464.11+4

A

2095-8234（2014）05-0078-04

2014-09-03）

魏崇亮（1978-），男，學(xué)士，主要研究方向為汽車檢測及試驗開發(fā)。