缸內(nèi)直噴GDI發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展趨勢分析

史博宇

摘 要：通過對比分析了GDI發(fā)動機與氣門口噴射PFI系統(tǒng)，分析了發(fā)動機燃燒技術(shù)的發(fā)展趨勢，提出了GDI發(fā)動機將會取代 PFI發(fā)動機成為車輛的標準配置的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：汽油機；缸內(nèi)直噴；稀薄燃燒；均質(zhì)充氣；渦輪增壓；均質(zhì)壓燃

1 GDI技術(shù)與PFI氣門口噴射技術(shù)的比較

混合氣形成策略不同是PFI發(fā)動機與GDI發(fā)動機的主要區(qū)別。PFI發(fā)動機具有油膜濕壁現(xiàn)象和節(jié)氣門節(jié)流損失的缺點，而GDI發(fā)動機理論上不存在上述兩方面的限制。

PFI發(fā)動機產(chǎn)品中，20%噴嘴裝在氣缸蓋上進氣門的背面，80%安裝在進氣歧管上靠近氣缸蓋位置，在發(fā)動機起動時，會在進氣門附近形成瞬時的液態(tài)油膜，這些燃油會在每次進氣過程逐漸蒸發(fā)進入氣缸燃燒。由于部分蒸發(fā)現(xiàn)象導(dǎo)致油量控制延遲和計量偏差，冷機起動時由于燃油蒸發(fā)困難，使得實際供油量遠大于需求空燃比的供油量，這樣會導(dǎo)致冷起動時發(fā)動機有4個～10個循環(huán)的不穩(wěn)定燃燒，顯著加大發(fā)動機未燃HC排放。GDI技術(shù)可以避免氣門口燃油濕壁現(xiàn)象，實現(xiàn)燃燒各階段準確供油，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，冷起動首循環(huán)不需加濃控制，降低瞬態(tài)工況HC的排放。然而GDI發(fā)動機對燃油蒸發(fā)和混合物形成有更嚴格的要求，需要通過更高的噴油壓力提高燃油的霧化率。

PFI發(fā)動機的另一限制是中、小負荷時采用節(jié)氣門來控制負荷，存在節(jié)流損失，GDI發(fā)動機在中、小負荷時采用分層充氣工作模式，通過控制噴入氣缸的油量來控制發(fā)動機的負荷，不采用節(jié)氣門可以降低泵氣損失和熱損失。

2 GDI發(fā)動機燃燒技術(shù)發(fā)展趨勢

2.1 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)點是能夠采用目前PFI發(fā)動機上廣泛使用的三效催化器，可以避免采用稀燃NOx催化轉(zhuǎn)化器，使其排放能夠達到越來越嚴格的排放法規(guī)。同PFI發(fā)動機和分層稀燃GDI發(fā)動機相比，∮a=1的均質(zhì)混合燃燒發(fā)動機具有較多優(yōu)點：a）發(fā)動機起動過程具有更快速的起動，較少的起動加濃和降低起動HC排放的潛力。b）能夠提高瞬態(tài)響應(yīng)，減少加速加濃，實現(xiàn)更精確的空燃比控制c）燃燒過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d）燃油經(jīng)濟性能夠提高5%。e）控制系統(tǒng)比分層稀燃簡化，增加了系統(tǒng)優(yōu)化的靈活性。f）與其他技術(shù)的匹配。g）排放低。

2.2 采用分層充氣或均質(zhì)充氣渦輪增壓技術(shù)

通過提高進氣壓力、提高空氣利用效率來減小發(fā)動機的尺寸是提高發(fā)動機經(jīng)濟性的有效途徑，傳統(tǒng)的PFI發(fā)動機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，使得汽油機渦輪增壓技術(shù)未能迅速發(fā)展。GDI發(fā)動機由于缸內(nèi)形成混合氣，燃料蒸發(fā)能夠降低混合氣溫度，同時混合氣在缸內(nèi)停留的時間相對較短，相同壓縮比條件下，GDI發(fā)動機要比PFI發(fā)動機爆震傾向小，對燃料辛烷值的要求低。GDI發(fā)動機小負荷時不使用節(jié)氣門，進氣量相對較大，渦輪增壓器轉(zhuǎn)速高，使得GDI發(fā)動機在瞬態(tài)工況能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)隨負荷變化引起的渦輪增壓變化。GDI發(fā)動機應(yīng)用渦輪增壓技術(shù)具有下面優(yōu)勢：

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，可以實現(xiàn)比常規(guī)PFI更高的壓縮比。b由于增加了發(fā)動機的充氣量，所以，可以擴大發(fā)動機稀燃區(qū)域的轉(zhuǎn)速和負荷范圍。c）提高渦輪增壓發(fā)動機瞬態(tài)響應(yīng)。小負荷時不采用節(jié)氣門，發(fā)動機的進氣量大，渦輪增壓器轉(zhuǎn)速高，因此，即使在部分負荷稀燃區(qū)域時渦輪增壓的響應(yīng)延遲也較小。

2.3 優(yōu)化燃燒系統(tǒng)擴大分層稀燃區(qū)域

燃油經(jīng)濟性的提高是影響未來GDI發(fā)動機和小型高壓共軌柴油機在市場所占比率的重要因素。GDI發(fā)動機在分層稀燃區(qū)域可以實現(xiàn)節(jié)油20%～25%，可以優(yōu)化GDI發(fā)動機燃燒技術(shù)，采用新一代噴射引導(dǎo)型燃燒系統(tǒng)，擴大分層稀燃范圍，進一步提高GDI發(fā)動機經(jīng)濟性。擴大直噴發(fā)動機分層充氣稀燃區(qū)域是新一代直噴供油系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。因此，基于窄間距設(shè)計的噴束引導(dǎo)燃燒系統(tǒng)具有實現(xiàn)更稀薄燃燒并擴大稀燃區(qū)域的潛力，將成為下一代GDI發(fā)動機的首選燃燒系統(tǒng)。

2.4 實現(xiàn)GDI發(fā)動機的HCCI燃燒

分層稀燃GDI發(fā)動機的混合氣不均勻，NOx會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的燃燒過程中，理論上是均勻混合氣完全壓燃、自燃、無火焰?zhèn)鞑ミ^程，這樣可以阻止NOx和微粒的生成，同時能夠?qū)崿F(xiàn)較高的燃油經(jīng)濟性。若實現(xiàn)HCCI燃燒可以不需要任何后處理裝置即可達到歐Ⅵ或更加嚴格的排放法規(guī)，但是，HCCI燃燒的實現(xiàn)需要解決兩個問題，即點火時刻的控制和發(fā)動機整個工況內(nèi)的燃燒速率的控制。HCCI燃燒需要通過控制氣缸內(nèi)溫度、壓力和混合氣的濃度來控制整個氣缸內(nèi)混合氣的燃燒時刻，沒有明確的觸發(fā)手段來控制燃燒，局部的溫度變化或空燃比變化都是控制HCCI燃燒起始時刻的關(guān)鍵變量，使燃燒控制變得十分困難。采用GDI技術(shù)燃油直接噴入氣缸內(nèi)，能夠更加靈活地控制噴油時刻和精確控制噴油量，為HCCI燃燒模式的實現(xiàn)提供了可能。應(yīng)用GDI技術(shù)實現(xiàn)HCCI燃燒具有以下優(yōu)點：a）缸內(nèi)直噴可以通過改變噴油時刻來改變局部混合氣濃度。b）缸內(nèi)燃油蒸發(fā)可以改變缸內(nèi)局部溫度。c）燃油早噴能夠為燃油蒸發(fā)和形成均質(zhì)混合氣提供足夠的時間；壓縮行程的后噴能夠控制氣缸內(nèi)局部區(qū)域混合氣濃度，從而控制HCCI燃燒，應(yīng)用GDI的多階段噴射可實現(xiàn)這兩種噴射。d）缸內(nèi)直噴技術(shù)在瞬態(tài)工況能夠?qū)崿F(xiàn)精確的噴油量控制，有效避免瞬態(tài)工況HCCI燃燒爆震或失火。因此，實現(xiàn)HCCI燃燒是GDI技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。