汽車發(fā)動機(jī)新技術(shù)

缸內(nèi)直噴技術(shù)是一種新型進(jìn)氣燃燒技術(shù)，它采用一種類似于柴油發(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)時間直接注入氣缸內(nèi)燃燒，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)，保證了汽油的充分燃燒，動力損失降到最低。

1.缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展歷程

汽油機(jī)經(jīng)歷了100多年的漫長歷史，經(jīng)歷油氣混合方式和機(jī)理的變遷。上世紀(jì)50年代，德國的二沖程直噴汽油機(jī)，因機(jī)械制造技術(shù)和電控水平較低，性能和排放不理想。90年代后，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的研究有較大的進(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，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，降低爆燃傾向，提高發(fā)動機(jī)壓縮比。GDI汽油機(jī)具有瞬態(tài)響應(yīng)好，易實(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)，GDI汽油機(jī)明顯優(yōu)于進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)。為此，許多外國汽車公司成功開發(fā)出了GDI發(fā)動機(jī)機(jī)型。1996年，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。汽油直噴發(fā)動機(jī)用在運(yùn)動型轎車Galant上，其油耗和排放比傳統(tǒng)汽油車降低了30%。2000年，大眾公司研發(fā)了稀燃直噴式汽油機(jī)Lupo PSI，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。Lupo PSI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)。2005年被權(quán)威雜志評為全球十大發(fā)動機(jī)第一名，代表了世界汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)的頂尖水平。豐田公司的GDI發(fā)動機(jī)使用了可變渦流技術(shù)，通過缸內(nèi)氣流運(yùn)動的組織，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的同時采用了NOx吸附催化反應(yīng)器。美國福特公司的GDI發(fā)動機(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，降低排放。

2.缸內(nèi)直噴技術(shù)的技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)代的GDI發(fā)動機(jī)燃油供給系統(tǒng)設(shè)計，為了達(dá)到分層稀薄混合氣所要求的噴霧質(zhì)量和靈活的噴油定時，采用了高壓共軌噴射系統(tǒng)加電磁驅(qū)動噴油器，是滿足缸內(nèi)靈活噴射要求的噴射系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)由低壓輸油泵、燃油壓力傳感器、噴油壓力控制閥、高壓油泵、蓄壓燃油軌、噴油器等組成。電動輸油泵把燃油從油箱輸送到高壓油泵，高壓油泵由發(fā)動機(jī)凸輪軸驅(qū)動，將送來的壓力約0.35MPa的燃油壓力增高到8～12MPa，并送往蓄壓燃油軌，充滿各缸噴油器的油腔。當(dāng)ECU使噴油器的電磁線圈通電令針閥打開，汽油通過噴嘴噴人氣缸。GDI發(fā)動機(jī)需要形成高質(zhì)量的混合氣，除了依靠進(jìn)氣渦流外，對噴油器的噴霧質(zhì)量要求也很高。由于燃油蒸發(fā)混合的時間很短，要求噴霧要汽化，一般缸內(nèi)直接噴射的平均油粒直徑在20～25μm，為此，噴油壓力要維持在4～13MPa。為了實(shí)現(xiàn)油氣均勻混合，必須使噴霧廣泛分散在整個燃燒室。噴油器應(yīng)能保證噴射出來的汽油微粒的速度在噴射直線方向上急劇衰減，而圓周運(yùn)動方向上的油粒應(yīng)盡量保持高速運(yùn)動，這樣才有利于混合氣的形成。燃油噴射系統(tǒng)中，噴油器的結(jié)構(gòu)形式對噴霧質(zhì)量的影響很大。由于汽油機(jī)的噴射壓力遠(yuǎn)低于柴油機(jī)，如采用多孔噴油器，其噴嘴在工作中易積碳，霧化分層不好，燃燒火焰?zhèn)鞑ゲ环€(wěn)定，在GDI發(fā)動機(jī)上不用多孔噴油器，而用內(nèi)開式旋流噴油器，只有一個噴孔，工作油壓為5.0—10MPa，其內(nèi)部設(shè)有燃油旋流腔，它可以通過渦流比的選擇而實(shí)現(xiàn)較好的噴霧形態(tài)和合適的貫穿度的配合，且噴束方向便于調(diào)整，方便在氣缸內(nèi)的布置。

GDI發(fā)動機(jī)燃油噴射模式可以分為單階段噴射模式和多階段噴射模式。單階段噴射模式是指在中小負(fù)荷時，燃油在壓縮行程后期噴入，實(shí)現(xiàn)混合氣分層稀燃并采用質(zhì)調(diào)節(jié)以避免節(jié)流閥的節(jié)流損失，使GDI汽油機(jī)達(dá)到與柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性；在大負(fù)荷和全負(fù)荷時，燃油在進(jìn)氣行程中噴人氣缸，實(shí)現(xiàn)均質(zhì)預(yù)燃和燃燒，以保持汽油機(jī)升功率高的特點(diǎn)。多階段噴射模式是指在進(jìn)氣行程中先噴入所需燃料的1/4，形成極稀的均質(zhì)混合氣，其余燃料在壓縮行程后期再次噴入，形成分層混合氣?；鸹ㄈc(diǎn)火時，首先在濃混合氣處形成較強(qiáng)的火焰，然后向稀混合氣空間迅速傳播。應(yīng)用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)從中小負(fù)荷到大負(fù)荷的平穩(wěn)過渡，降低氣缸內(nèi)的氣體溫度，抑制爆燃的產(chǎn)生。

燃燒系統(tǒng)的設(shè)計是GDI發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。要成功實(shí)現(xiàn)中小負(fù)荷時的分層稀燃和大負(fù)荷時的均質(zhì)預(yù)混，就需要進(jìn)行燃油噴束、氣流運(yùn)動和燃燒室形狀的優(yōu)化合理配合。已經(jīng)開發(fā)的GDI發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)有3種類型?！皣娛龑?dǎo)法”“壁面引導(dǎo)法”“氣流引導(dǎo)法”。

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。這些催化器都不同程度的存在轉(zhuǎn)化率低，性能不如傳統(tǒng)的三元催化器等問題，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，較好地降低HC和NOx排放。