缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢

楊陽

摘要：缸內(nèi)直噴技術(shù)是一種新型進(jìn)氣燃燒技術(shù)，它采用的是一種類似于柴油發(fā)動機(jī)的供油/氣原理，通過一個活塞泵提供約100bar以上的壓力，將汽油供給位于氣缸內(nèi)的電磁噴射器。然后通過電腦控制噴射器將燃料在最恰當(dāng)?shù)臅r間直接注入氣缸內(nèi)燃燒，由于其控制的精確度接近毫秒，所以能最有效的將油氣混合比調(diào)整至最佳狀態(tài)，從而保證了汽油的充分燃燒，動力損失降為最低。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī)；缸內(nèi)直噴技術(shù)；分層燃燒；燃油經(jīng)濟(jì)性

1.缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展歷程

汽油機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了100多年的漫長歷史，其中具有里程碑意義的發(fā)展階段無不是以油氣混合方式和機(jī)理的變遷為標(biāo)志的。上世紀(jì)50年代，德國研制出了二沖程直噴汽油機(jī)，限于當(dāng)時機(jī)械制造技術(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)的研究有了較大的進(jìn)展。缸內(nèi)直噴汽油機(jī)改變了預(yù)混合汽油機(jī)的混合機(jī)理，可采用稀薄分層燃燒技術(shù)，降低HC等有害排放。直噴方式的油滴蒸發(fā)主要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)動機(jī)機(jī)型。

汽油缸內(nèi)直接噴射從油氣混合機(jī)理上可以解決變工況（如車輛加速時）和冷啟動時油氣混合不足的問題。早期的缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)因噴射技術(shù)水平的限制，噴霧油滴的直徑約為80μm。計(jì)算表明，一滴這樣大小的油滴在200℃空氣中需要大約55ms才能完全蒸發(fā)。如果發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500r/min的話，這段時間相當(dāng)于495°CA（曲軸轉(zhuǎn)角）。顯然，蒸發(fā)時間過長，在這種情況下油氣混合不能主要依靠噴霧來實(shí)現(xiàn)。隨著汽油噴射技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)應(yīng)用的汽油泵的供油壓力已達(dá)到5～12MPa，又采用帶旋流的噴油嘴，霧化性能得以提高，噴霧的油滴直徑約為20μm，噴霧錐角可達(dá)50～100°，常壓下的貫穿度約為100mm 。此時一滴20μm 的油滴在上述同樣情況下僅需3.4 ms或31°CA就能完全蒸發(fā)，因而汽油的蒸發(fā)和與空氣的混合可主要依靠噴霧來實(shí)現(xiàn)，再加上缸內(nèi)空氣運(yùn)動的輔助，變工況（如車輛加速時）和冷啟動時不再需要過量噴油，冷啟動噴油量得以大大減少（圖1），有害物排放也將大為降低。同時，由于汽油直接噴入汽缸內(nèi)，消除了進(jìn)氣道噴射時形成壁面油膜的弊病，特別是在發(fā)動機(jī)尚未暖機(jī)的狀態(tài)下，因而能改善變工況時對空燃比的控制，不但能改善車輛的加速響應(yīng)性，而且還能降低此時的有害物排放。

此外，缸內(nèi)直接噴射還可帶來很多其它好處，從而有利于降低燃油耗，達(dá)到節(jié)能和減少溫室氣體二氧化碳排放的目標(biāo)。例如：汽油在缸內(nèi)直接噴射時油滴主要依靠從缸內(nèi)空氣中吸熱而非從壁面吸熱，因而能使混合汽的溫度降低和體積減小，從而有利于提高充氣效率，降低爆震傾向和提高壓縮比。計(jì)算表明，在汽油油滴蒸發(fā)完全依靠從空氣中吸熱或者完全依靠從壁面吸熱這兩種極端情況下，缸內(nèi)混合汽的體積在空燃比為12.5時將相差大約7%，而混合汽的溫度在上止點(diǎn)前將相差大約50℃。因此，與進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)相比，缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)的充氣效率提高了10%，同時爆震傾向也大為降低，表現(xiàn)在受爆震限制的點(diǎn)火時刻可提前若干曲軸轉(zhuǎn)角，因而壓縮比可提高1.5～2，有利于提高汽油機(jī)的熱效率，降低燃油耗（約2%）。特別是有利于汽油機(jī)采用增壓，并應(yīng)用較高的壓縮比，克服了由于增壓汽油機(jī)壓縮比較小而對部分負(fù)荷燃油耗所帶來的不利影響，同時提高了增壓汽油機(jī)在2500r/min以下低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的增壓壓力，1200r/min時的扭矩能夠提高25%，大大改善汽油機(jī)的低速扭矩特性和車輛的行駛性能。此外，由于汽油直接噴入汽缸內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)稀薄混合汽分層燃燒，使得低負(fù)荷工況時的空燃比可提高到40以上，從而無需關(guān)小節(jié)氣門來限制進(jìn)氣量，采用像柴油機(jī)那樣的質(zhì)調(diào)節(jié)方式，基本上避免了發(fā)動機(jī)在換氣過程中的泵氣損失，有利于降低燃油耗。同時，在高空燃比情況下，由于混合汽物性的改變、絕熱指數(shù)的增加以及混合汽分層致使熱損失減少，使得發(fā)動機(jī)的熱效率進(jìn)一步提高。由于汽車發(fā)動機(jī)經(jīng)常在低負(fù)荷工況下運(yùn)行，因此分層混合汽燃燒的直噴式汽油機(jī)可使平均燃油耗降低15～20%。在歐洲機(jī)動車排放組合循環(huán)（MVEG）行駛試驗(yàn)中，其燃油耗明顯低于進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)已達(dá)到了相當(dāng)于非直噴式柴油機(jī)的燃油耗水平（圖2）

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3.缸內(nèi)直噴技術(shù)研究開發(fā)方向

現(xiàn)在GDI技術(shù)尚處于逐步成熟時期，各種問題的出現(xiàn)是必然的，但GDI的研究一定要在確保動力性能的基礎(chǔ)上盡可能的“節(jié)能減排”。而從當(dāng)前的形式來看低碳問題又是中之重。稀燃催化器的開發(fā)將直接影響到GDI汽油機(jī)排放問題的解決。目前開發(fā)的有稀燃催化還原型NOx催化器、NOx搜捕型等。但這些催化器都不同程度的存在轉(zhuǎn)化率低、工作溫度范圍窄、控制復(fù)雜、性能不如傳統(tǒng)的三元催化器等問題，還需深入研究。二次燃燒是指在進(jìn)行正常分層燃燒的怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時，除了在壓縮行程后期噴油外，在膨脹行程后期再次噴入少量燃油，在缸內(nèi)高溫、高壓氣體的作用下點(diǎn)火燃燒并使排氣溫度提高。三菱汽車公司采用二次燃燒和反應(yīng)式排氣管技術(shù)，較好地降低HC和NOx排放。

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