基于汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展與排放研究

嚴(yán)景明

摘 要：該文通過(guò)介紹汽油機(jī)缸內(nèi)直噴（Gasoliine Direct Injection，GDI）技術(shù)的發(fā)展背景、技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)現(xiàn)狀，在油價(jià)不斷上漲壓力下和汽車(chē)帶來(lái)的污染日益嚴(yán)重，全球范圍內(nèi)對(duì)溫室氣體CO2排放控制的呼聲不斷高漲的條件下，滿足排放要求，因此，提升燃油經(jīng)濟(jì)性則顯得意義尤為重要。GDI今后研究工作的重點(diǎn)是排放的控制技術(shù)，同時(shí)展望了汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī) 缸內(nèi)直噴 節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào)：TK413.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（a）-0041-02

隨著石油資源越來(lái)越緊缺和近年來(lái)全球汽車(chē)總保有量日益增多，環(huán)境污染加劇，所以GDI技術(shù)的發(fā)展就是對(duì)排放控制必然的結(jié)果。因?yàn)槠偷娜紵实停愿鞔笃?chē)制造企業(yè)都在研究，采用不同途徑來(lái)改進(jìn)汽油的作功效率。

經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，噴油器位于進(jìn)氣岐管內(nèi)的汽油噴射（PFI）發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)被廣泛使用，其特點(diǎn)是：利用三效催化器的化學(xué)反應(yīng)，稀有金屬鉑、鈀、銠等與CO、HC和NOx等進(jìn)行氧化、還原作用，變成無(wú)害的H2O、CO2、N2氣體，排放到大氣中，從而達(dá)到降低污染的目的，該汽油噴射缺點(diǎn)是：燃油經(jīng)濟(jì)性較差。針對(duì)上述技術(shù)的限制，工程師開(kāi)發(fā)出GDI技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：在PFI技術(shù)的低排放基礎(chǔ)上，同時(shí)兼?zhèn)溆胁裼蛧娚涞呢?fù)荷高時(shí)，燃油經(jīng)濟(jì)優(yōu)良的特點(diǎn)；因此，近些年來(lái)，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在高、中檔轎車(chē)上逐漸使用，隨裝車(chē)數(shù)量的增加，制造成本的下降，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)成為主流技術(shù)的代表，得以廣泛應(yīng)用。

1 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)PFI的區(qū)別是：GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮沖程中，通過(guò)安裝在汽缸頂部的噴油器，將高壓的汽油噴人氣缸中，汽油分子與缸內(nèi)空氣充分接觸，通過(guò)吸收進(jìn)入空氣的熱量，得以蒸發(fā)；與PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸壁面吸熱相比，混合氣的溫度大為下降，因此，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣狀況明顯改善，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)的爆震現(xiàn)象也大為降低。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在傳統(tǒng)PFI發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)之上，在控制原理和發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造都采取方案優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)了燃燒機(jī)理和混合方式得以改進(jìn)，達(dá)到節(jié)能和減排。

2 缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)分類(lèi)及混合氣原理

（1）分層燃油噴射汽油機(jī)。

GDI系統(tǒng)，因?yàn)槿加褪欠謱尤紵‵uel Stratified Injection）故又稱(chēng)為FSI系統(tǒng)。FSI系統(tǒng)的誕生，實(shí)現(xiàn)了汽油機(jī)能像柴油機(jī)一樣直接噴射燃油，并迅速混合點(diǎn)火燃燒。分層燃燒比傳統(tǒng)的PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率高，由于取消了傳統(tǒng)的節(jié)氣門(mén)，實(shí)現(xiàn)了電子控制，節(jié)流損失也減少、發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率也得以提高。

FSI系統(tǒng)在進(jìn)氣沖程時(shí)，電子節(jié)氣門(mén)開(kāi)度處于較大位置，解決了節(jié)流損失問(wèn)題（如圖1所示），進(jìn)氣時(shí)，關(guān)鍵部位是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管中安裝一塊翻板，翻板向上開(kāi)啟， 圖1分層燃燒模式

關(guān)閉歧管下部，讓進(jìn)氣流在上部迅速通過(guò)，活塞頭部結(jié)構(gòu)采用形，氣流在頭部運(yùn)動(dòng)，形成進(jìn)氣渦流。噴油時(shí)刻在活塞到達(dá)上止點(diǎn)前45°～60°的范圍內(nèi)，噴射時(shí)刻與混合過(guò)程有密切關(guān)系，汽油噴射到形凹坑位置，與進(jìn)氣的旋渦氣流混合成可燃?xì)怏w。可燃混合氣形成的時(shí)間非常短，大約為活塞運(yùn)動(dòng)角度40°～50°，若超過(guò)這個(gè)角度，可燃混合氣不能燃燒，分層燃燒的空燃比一般在1.6～3之間。

（2）均質(zhì)混合燃燒。

PROCO（Programme Combustion Injection）是個(gè)稀薄燃燒過(guò)程，最先由美國(guó)福特汽車(chē)公司研制成功，其本質(zhì)上也是均質(zhì)混合方式，是另一種缸內(nèi)直噴類(lèi)型。

進(jìn)氣岐管采用螺旋形，與柴油機(jī)相似，汽油噴射到活塞頂上的燃燒室，利用渦流和滾流進(jìn)行油氣混合，渦流和滾流結(jié)合，形成可燃混合氣。噴油器安裝在活塞頂上的中央位置，在噴油器兩側(cè)分布有火花塞，霧化后的汽油需要吸收空氣熱量，致使混合氣的溫度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比可以提高到ε=15，過(guò)量空氣系數(shù)λ可以達(dá)到1.6，因而在更廣泛的范圍內(nèi)工作。

（3）均質(zhì)稀薄燃燒。

該燃燒方式油氣混合時(shí)間更長(zhǎng)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)精確控制噴油器開(kāi)啟時(shí)刻，點(diǎn)火時(shí)間可以選擇的范圍更寬，經(jīng)濟(jì)性更高，燃燒過(guò)程從火焰中心向周?chē)鷶U(kuò)散至整個(gè)燃燒室，點(diǎn)火時(shí)間的要求也比分層燃燒低，因而均質(zhì)稀燃的過(guò)量空氣系數(shù)λ可以>1.1。

3 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

分層稀薄燃燒模式要求噴油時(shí)刻較靈活及油束霧化高質(zhì)量，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)分為高、低壓兩部分。低壓部分與PFI發(fā)動(dòng)機(jī)相似，在油箱內(nèi)的低壓汽油泵輸送到高壓油泵，通過(guò)高壓共軌噴射系統(tǒng)（與柴油供給系統(tǒng)相似）再配合電控型的噴油器，實(shí)行缸內(nèi)直噴的控制。高壓油泵通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)，低壓的壓力約380Kpa經(jīng)過(guò)高壓油泵加壓后達(dá)到8～12Mpa，送至分配油軌，ECU控制噴油器工作，噴油器的燃油噴到氣缸。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)油路如圖2所示。

GDI發(fā)動(dòng)機(jī)需要霧化更細(xì)、均勻的的混合氣微粒，除進(jìn)氣渦流的氣流特別強(qiáng)外，對(duì)噴油器的結(jié)構(gòu)和霧化質(zhì)量要求也高。在氣缸內(nèi)，燃油蒸發(fā)混合的時(shí)間很短，缸內(nèi)油粒直徑約在20～25μm，因此，汽油壓力保持在4～13MPa。為達(dá)到空氣與燃油混合均衡，從燃燒的機(jī)理來(lái)看，整個(gè)燃燒室都需彌漫霧化油粒。所以，噴油器要保證霧化的汽油微粒速度在噴射方向上速度劇減，燃油不會(huì)直接噴到氣缸內(nèi)壁，保持機(jī)油的潤(rùn)滑油膜，保證氣缸與活塞的充分潤(rùn)滑；而圓周旋轉(zhuǎn)方向上的油粒應(yīng)保持高速圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)直線和圓周兩向的運(yùn)動(dòng)，渦流型的混合氣更利于稀薄燃燒模式，提高燃油的經(jīng)濟(jì)性。

4 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噴射系統(tǒng)分析

4.1 系統(tǒng)概述

GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)是燃燒模式的設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)，采用分層稀燃模式；高負(fù)荷時(shí)采用均質(zhì)預(yù)混模式；依據(jù)噴油器、火花塞在氣缸蓋上的布置；可燃混合氣混合類(lèi)型，燃燒系統(tǒng)有三種形式。

4.2 進(jìn)氣系統(tǒng)

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)包括熱膜空氣質(zhì)量流量計(jì)、電子節(jié)氣門(mén)（EPC）、進(jìn)氣歧管壓力傳感器、廢氣再循環(huán)（EGR）閥和進(jìn)氣歧管翻板轉(zhuǎn)換裝置等，如圖3所示。

4.3 噴油系統(tǒng)

（1）“噴束引導(dǎo)法”（spray-guided system） 把燃油噴嘴靠近火花塞來(lái)布置，火花塞安裝在噴嘴的旁邊，這樣能滿足發(fā)生在燃燒室內(nèi)的稀薄燃燒期，火花塞周?chē)梢孕纬煽晒c(diǎn)火的合適混合氣濃度。福特、本田公司生產(chǎn)的某些發(fā)動(dòng)機(jī)型就采用這種燃燒系統(tǒng)。

（2）“壁面引導(dǎo)法”（wall-guided system） 把燃油噴嘴遠(yuǎn)離火花塞來(lái)布置，混合氣油束軌跡與優(yōu)化設(shè)計(jì)的活塞頂部相互作用，在火花塞兩極附近充滿混合比合適的微粒，如三菱、豐田、日產(chǎn)等一些日本公司開(kāi)發(fā)的機(jī)型。

（3）“氣流引導(dǎo)法”（flow-guided system） 跟“壁面引導(dǎo)法”來(lái)比較，噴嘴與火花塞位置也較遠(yuǎn)，依據(jù)氣流運(yùn)動(dòng)特性來(lái)滿足點(diǎn)火性能的要求，F(xiàn)EV、AVL公司研究的噴油系統(tǒng)就是這種方式。

5 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)所面臨主要技術(shù)難點(diǎn)的淺析

GDI發(fā)動(dòng)機(jī)自身具有了柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，但由于柴油本身的特點(diǎn)：最合適的著火期有兩個(gè)：自燃著火期，初始著火點(diǎn)期，由于汽油采用點(diǎn)燃方式，火花塞的位置也是不變的，在一定的條件下，所以點(diǎn)火初始時(shí)刻也是不變的，所以在汽油機(jī)中想要達(dá)到類(lèi)似于柴油機(jī)那樣的工作方式時(shí)，首先在不同工況下，混合氣濃度要求不同，工況變化時(shí)，混合氣濃度有一個(gè)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換期；另外，因?yàn)榛钊诟變?nèi)的高速運(yùn)動(dòng)，不同位置的混合氣運(yùn)動(dòng)軌道也要的實(shí)行控制、調(diào)節(jié)。在火花塞周?chē)杆傩纬煽扇蓟旌蠚?，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)要求有分層燃燒、稀薄燃燒模式控制，因此，圍繞著這些核心技術(shù)，總結(jié)出缸內(nèi)直噴汽油機(jī)技術(shù)難點(diǎn)應(yīng)主要有幾方面：（1）燃油噴射系統(tǒng)的適應(yīng)；（2）油氣混合過(guò)程的研究；（3）燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；（4）燃燒排放特性研究和控制。

為了實(shí)現(xiàn)燃油噴射微粒化和限制噴霧的穿透力形成較高質(zhì)量的混合氣，燃油噴射系統(tǒng)在高速時(shí)應(yīng)需提高系統(tǒng)本身壓力，同時(shí)縮短噴油嘴噴油的時(shí)間，以便明顯提高燃油的經(jīng)濟(jì)性能，在低速時(shí)為了防止燃油聚集，應(yīng)降低燃油系統(tǒng)的壓力，并同時(shí)延長(zhǎng)噴油的時(shí)間。GDI的高噴射壓力要求使得汽油泵和發(fā)動(dòng)機(jī)功率要求增加、汽油的潤(rùn)滑性相對(duì)較差。因此，開(kāi)發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)、功率消耗低、抗磨損能力強(qiáng)的燃油供給系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)，是目前直噴汽油機(jī)需要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題?？諝馀c汽油混合的實(shí)質(zhì)就是缸內(nèi)流場(chǎng)和噴霧的相互作用，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和保持主要是通過(guò)燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行，高質(zhì)量的油氣混合氣的形成要求噴霧微?；?、分散化和限制直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)缸內(nèi)流場(chǎng)特性和噴霧特性被確定后，首先需要考慮的因素就是噴油器的布置位置，隨之便是對(duì)火花塞位置進(jìn)行考慮以確保穩(wěn)定的點(diǎn)火。而對(duì)汽油噴霧和空氣的混合運(yùn)動(dòng)情況認(rèn)識(shí)不足加大了這方面技術(shù)的開(kāi)發(fā)難度。

6 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

由以上的研究分析可知，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展會(huì)面臨燃油經(jīng)濟(jì)性提高、穩(wěn)定燃燒的控制、性能可靠性以及排放的控制等這些技術(shù)難題的研究與解決，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)在應(yīng)用、發(fā)展上也主要圍繞這些核心技術(shù)問(wèn)題來(lái)展開(kāi)分析。

提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)分層稀燃區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)省油20%～25%，優(yōu)化GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)采用最新一代燃燒系統(tǒng)，擴(kuò)大了混合氣分層稀燃的范圍，可以提高GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。HCCI技術(shù)（homogeneous charge compression ignition），也稱(chēng)為均質(zhì)壓燃技術(shù)，是可以實(shí)現(xiàn)高效低污染的內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)，缸內(nèi)直噴多段噴射是HCCI燃燒在車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用上更有前景，并更具可行性的方式。通過(guò)上述的技術(shù)途徑，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在滿足排放要求的這個(gè)前提下，能夠很大地提高它的燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，隨著目前燃油價(jià)格不斷上漲和碳氧化合物（CO）排放限值越來(lái)越嚴(yán)格，降低GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣排放使其滿足日益苛刻的排放法規(guī)是世界各國(guó)研究人員所努力研究的重點(diǎn)。

7 結(jié)語(yǔ)

雖然GDI發(fā)動(dòng)機(jī)目前還面臨著很多技術(shù)難題，高精度與很復(fù)雜的電控手段和設(shè)備也使得GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本變得昂貴，由于它良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和越發(fā)嚴(yán)格的排放法規(guī)要求以及現(xiàn)代電子控制、制造等技術(shù)的發(fā)展條件促使它的推廣應(yīng)用速度迅速加快，社會(huì)的要求給GDI的發(fā)展提供了直接的動(dòng)力，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)最終取代PFI發(fā)動(dòng)機(jī)，成為市場(chǎng)車(chē)輛的標(biāo)準(zhǔn)配置發(fā)動(dòng)機(jī)。

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