汽油机缸内直喷技术及其应用前景

张中杰

Zhang Zhongjie

（天津一汽夏利汽车股份有限公司产品开发中心，天津 300462）

0 引 言

随着环境问题和能源危机越来越严重，各国对汽车排放法规的制定越来越严格，对汽车油耗也提出了更高的要求。对汽车节能减排越来越高的呼声促使各大汽车厂家寻求一种新技术来应对能源与环境问题的挑战，汽油缸内直喷（GDI）技术应运而生。与气道喷射（PFI）汽油机相比，缸内直喷汽油机无论是在动力性还是经济性上都具有较大的优势，当采用合适的燃烧模式和排放后处理技术后，排放特性也会有所改善。PFI汽油机由于在进气道处混合气形成过程中汽油不能完全雾化，混合气质量欠佳，导致发动机燃烧不充分，冷启动排放和燃油经济性较差。而GDI发动机通过将燃油直接喷入气缸，从而可以精确计量空燃比，并在混合气形成的组织上具有更大的灵活性。当采用合适的控制策略后，发动机的冷启动性能、排放性能、快速响应性能、动力性和经济性都会大幅上升。文章对汽油机缸内直喷技术及其应用前景进行详细介绍。

1 GDI汽油机混合气形成模式

发动机混合气的形成关系到发动机的燃烧性能和排放特性，因此一直是发动机中最重要的工作过程之一。而 GDI汽油机正是因为其在混合气形成中更高的灵活性和更多的可控参数才使得其整体性能有了大幅提升。目前 GDI汽油机的混合气形成一般分为分层混合和均质混合，而分层混合又可分为壁面引导型、空气引导型和喷注导向型。

1.1 分层混合

GDI汽油机在部分负荷时使用分层混合气工作是改善过程效率的一种有效方法。分层混合时，喷油应发生在压缩期间或仅仅发生在压缩将近结束时，这样才能确保燃烧室内的充气分层成为可能。在点火时刻，火花塞附近需要有可燃混合气，在远离火花塞的区域，应有非常稀薄但仍可燃烧的混合气，或者应有纯空气或通过有组织的废气再循环而获得的纯废气。

为了在GDI汽油机上实现分层充气模式，燃油导入和相关混合气形成可以采用各种不同的方法。通过研究这些不同的概念，出现 3种不同的混合气形成模式，分别为壁面导向型、空气导向型和喷注导向型。

1.1.1 壁面导向型分层混合模式

目前市场上的第一代分层充气发动机大多是以壁面导向型燃烧过程为基础而设计的，该混合过程的特点是火花塞与喷油器之间的距离较大。喷注与燃烧室壁面相互作用，导致了混合气的形成和将混合气传输到火花塞的运动。通过涡流或滚流，并借助于专门设计的活塞顶表面，将燃油喷注引导到火花塞。由于在这个混合过程中，燃油喷注被直接导向活塞，所以聚集的燃油量增加，从而使未燃碳氢化合物排放增加。此外，喷油定时与活塞运动直接相关，因而也就与发动机转速直接相关。混合气云团从喷油器传输到火花塞过程中经历较长的距离，这就要求在各种发动机转速下都要有专门的、稳定的充量运动，并且为了稳定燃油蒸汽，要精确计算喷油时刻和点火时刻。由于所用喷油器的混合气形成特性以及喷射对活塞运动的依赖性，可能的稳定分层充气模式局限于发动机低速和小负荷，因此节油的潜力也就局限于这个与用户关系并不大的特性图上的区域。由于极为稀薄的分层充气模式产生高的 NOx排放，所以这种混合过程并不能充分利用分层混合可能的潜力。另外，为了获得稳定的燃烧，不可能总是进行无节流工作。这个高压过程的效率远远低于理论值，这是因为在活塞顶上所形成的油膜不完全燃烧，以及50%放热点过度提前引起的显著损失。此外，在实际行驶中，在分层充气工作模式时会存在废气后处理引起的额外损失。

由于上述原因，到目前为止所实现的壁面导向型燃烧过程都尚未充分利用缸内直喷在降低油耗和排放上的潜力。但作为第 1代的分层混合模式，壁面导向型证明分层混合的可行性和优越性，为第2代分层混合模式的开发积累了宝贵的经验。

1.1.2 空气导向型混合模式

空气导向型仅靠进气侧的空气运动来实现将燃油传输到火花塞，在此传输的同时，燃油喷注与空气混合。特殊形状的活塞也会对空气运动起到促进作用。与壁面导向型不同，空气导向型应避免燃油与燃烧室壁面之间的接触。因此，从理论上讲，燃烧室壁面上应该没有燃油积聚现象，因为在进气的同时完成燃油与空气的充分混合。这种混合过程的成功实现依赖于喷注与导向进气运动之间的匹配。在这个意义上讲，将定向空气运动很好地维持到压缩阶段特别重要。然而，这些要求的涡流和滚流会使充气效率下降，从而导致性能受损。像壁面导向型一样，喷嘴和火花塞之间的距离大，因此只能通过定向进气流尝试将喷射的燃油传输到火花塞。空气导向型混合模式被证明是极其艰难的，对定向空气流的要求太过苛刻，而缸内气流受活塞运动的直接影响，因此要在不同的转速和负荷下获得满足要求的定向气流很难实现，因此空气导向型并未在直喷汽油机上大量应用。

1.1.3 喷注导向型混合模式

喷注导向型混合模式依靠空气动力效应实现燃油喷注与周围空气的混合。因此，其分层梯度非常高，即在喷注的心部有极浓的混合气，而在朝向喷注的边缘过量空气大幅度增加。在这两个区域之间，有一个可燃混合气区。根据汽油机缸内直喷的原理，火花塞的布置应保证在所有的工作点上，在点火时刻火花塞电极附近有可燃混合气可用。这个过程很大程度上依赖于所用的喷油器的喷雾特性，并对喷雾特性的干扰即波动会做出极为敏感的反应。喷注导向型目前还存在很多问题。在部分负荷和怠速燃烧时燃烧室温度低，喷嘴上会形成积碳，并会明显影响喷注形状，从而对混合气形成造成大的偏差。部分负荷和怠速时燃烧室的低温还会导致火花塞积碳，其直接后果是点火缺失。另外，在喷油期间，液态燃油与因前面燃烧过程而高温的火花塞直接接触，这些液态燃油便快速蒸发，这就使火花塞承受较大的热冲击，具有很大的热负荷。在喷注导向型混合模式中，喷油与点火从时间顺序上被牢牢地结合在一起，二者只能间隔几度曲轴转角。为了获得有利于提高燃烧效率的点火时刻而将喷油时刻推迟，因此只剩下极短的时间用于混合气形成，而这往往导致混合气质量不佳。喷注导向型还存在发动机低速时混合气形成不充分，高速时出现混合气飘移的现象。

虽然存在很多问题，但很多学者都认为只有喷注导向型燃烧过程能够充分利用分层充气工作模式的潜力，因此，采用喷注导向型分层混合的缸内直喷汽油机被称为“第2代缸内直喷”。

1.2 均质混合

均质混合是指燃油在进气过程的初期直接喷入燃烧室，因此，用于混合气形成的时间相当充裕，即使在发动机高速时，混合气的形成和均质化都会有足够的时间，这样就减轻了混合气形成的困难。均质混合时，整个发动机工作范围上的功率通过量调节来控制，即通过节气门来调节混合气量，就像化油器式汽油机和进气管喷射发动机一样，按进气量的大小对喷射的燃油进行调节，从而使所有负荷条件下的空燃比几乎相同。尽管均质混合无法在怠速和部分负荷工况时大幅减小燃油消耗，但利用燃油直接喷入气缸的冷却作用，使得其爆燃倾向低于进气管喷射发动机。如果将改善的爆燃特性用于提高压缩比，可以让压缩比提高1.5～2.0，根据理想发动机过程的理论分析，可以得知油耗大约降低5%。如果通过增压强制进气，改善充气效率，即可在不改变发动机排量的情况下提高发动机的功率。或者通过增压来减小发动机排量（缩小尺寸），保持功率不变，这也使得摩擦损失减小，油耗降低。另外，采用均质混合缸内直喷发动机可以继续利用传统的三元催化转化器废气后处理技术，具有满足世界各国废气排放标准的可能性，由于不必采用稀薄燃烧所需要的NOx存储催化器而降低了成本，同时也减少了无硫燃料的使用。

2 GDI汽油机燃烧模式

对应于不同的混合气形成模式，GDI汽油机具有相应不同的燃烧模式。分层混合对应于各种分层燃烧模式，均质混合对应于均质燃烧模式。不同的燃烧模式适应于不同的工况，发动机高转速、高负荷时采用均质燃烧模式，这样能满足其快速响应性和动力性要求；怠速和部分负荷时采用分层燃烧模式，可以大幅度降低油耗。除此之外，还有一种先进的燃烧模式，均质压燃（HCCI），这是一种能进一步发挥出缸内直喷优势的燃烧模式，能有效提高汽油机整体性能。

2.1 缸内直喷均质燃烧模式

均质燃烧模式的燃烧过程与进气管喷射发动机非常相似，在空气/燃油混合气点燃之后，一个几乎呈球形的火焰前锋从火花塞开始，向燃烧室传播。在传播中，由于与缸内气流的相互作用和湍流的作用，火焰前锋出现不同程度的扭曲、分裂，燃烧区加厚。当混合气均质化状态良好时，就会出现几乎全面的预混合燃烧，燃烧以理想的预混火焰为特征。然而，对缸内直喷发动机来说，获得理想的混合气均质化并不是一件容易的事。因此，在点火时刻由于燃烧室内部气流的作用，在火花塞处会出现混合气状态的循环变动，这将对燃烧的稳定性产生不利影响。在汽油缸内直喷期间，燃油只有在进气行程喷入燃烧室。在不利的喷注特性和不良的点火正时的情况下，这将导致喷注接触活塞表面，使活塞顶表面被燃油湿润，并因为蒸发条件不良而形成油膜。在扩散火焰中，这些油膜燃烧缓慢且不完全，从而使碳烟和未燃碳氢排放增加。特别是对于喷油器安装在垂直位置的燃烧过程，这种情况必须考虑。在均质工作模式时，利用在燃烧室内具有小的喷注垂直贯穿度的合适的喷射系统，就能避免出现活塞顶湿润现象。因此，为了满足混合气准备期间的高要求，现代缸内直喷汽油机比传统汽油机工作要复杂得多，因而喷射系统成本更高。此外，喷射时刻必须保证在活塞下行过程中，活塞所处的位置距离喷注有足够的距离。

2.2 缸内直喷分层燃烧模式

分层燃烧模式与均质燃烧模式存在很大的不同。分层模式的燃烧不会达到燃烧室壁面，而是在极为稀薄的混合气区域，在离缸壁某一距离处会停下来。分层燃烧的火焰传播相当困难，在火花塞处的混合气点燃之后，燃烧限制在局部区域。特别是喷注导向型燃烧过程，由于火花塞与喷油器靠的很近，应该在没有专门的空气引导的情况下工作。然而，即使对喷注导向型燃烧过程，有组织的空气运动也能加速混合气的形成与燃烧。空气运动能改善喷注的热能输入，因而对必须在极短时间内完成的混合气形成过程有利。在分层燃烧时，混合气准备不充分，空燃比梯度大，伴有扩散燃烧。贯穿整个气流结构的有组织的气流运动会在燃烧室内产生湍流，在点火时刻这些湍流可使火焰前锋加速，可获得更快速、更充分的燃烧，总效率得到改善。不同特性的空气运动会对燃烧产生不同的效应。通常，涡流维持的时间比较长，在点火时刻和燃烧期间，具有大量的动能，从而使燃烧速度加快。滚流对燃油传输产生系统的影响，并防止燃油附着于活塞上，从而对HC排放产生有利影响。通过进气运动带入燃烧室的动能主要产生扰流脉动速度，从而导致燃烧速度的加快。通过一个遍布整个燃烧室的气流，可将火焰引导到燃烧室中心，并稳定在这里，从而提高燃烧效率和燃烧稳定性。

2.3 HCCI燃烧模式

HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）具有高热效率、超低NOX和PM排放的优点，近年来在汽油缸内直喷发动机上实现可控 HCCI燃烧成为国际上的一个趋势。在均质混合气中，如果先期反应时间足够长并且压力和温度分布也适当的话，就会产生自燃。均质压燃期间的自燃与传统汽油机的爆燃不同，一方面，混合气明显变稀薄（燃油浓度减小），因此局部放热减小；另一方面，整个燃烧室的温度分布和燃烧反应进程几乎均衡的状态导致了整个缸内混合气均匀地出现自燃现象，并未像爆燃一样，自燃仅仅出现在局部的有限的末端混合气中。因此，在均质压燃中，有害的爆燃冲击波得到了避免。

在HCCI中，不可能通过一个参数（例如火花点火的点火正时或柴油机的扩散燃烧的喷射时刻）直接影响燃烧过程，并因此来控制燃烧始点。HCCI的燃烧始点受空气/燃油混合气的自燃性的影响，主要影响参数有混合气性质（自燃倾向）和着火前的瞬时温度分布。具体可以描述为：燃料的自燃性，局部的燃油浓度（空燃比和混合气的均匀度），残余废气量和残余废气成分，燃油进入之后的混合气瞬时压力和温度分布（进气温度、残余废气温度、进气管压力、气缸压缩压力）。相应地，可以采用进气预热、压缩比可变、改变燃油成分、改变残余废气量等方法来控制燃烧始点。

由于在车用发动机上采用 HCCI能大幅度提高燃油经济性并有效改善其排放特性，各大汽车厂商都在 HCCI燃烧模式的研发上倾注了大量的人力物力。但目前HCCI技术距离在发动机上大规模应用仍然很远。首先，由于均质压燃燃烧时间的控制是间接的，因此能否对车用均质压燃汽油机进行可靠的控制就成为能否在车辆上应用均质压燃的一个决定性因素。有不少学者对HCCI在车用汽油机上应用的可行性持怀疑态度就是因为担心燃烧时间控制的可靠性。车用发动机需要在工况范围宽、工况变化速率大、环境（温度、湿度、压力）差别大、所供应的燃油品质和特性差别大的情况下可靠的工作。点燃式汽油机和柴油机依靠点火和喷油时间来控制燃烧时间，能够对车用发动机燃烧时间进行可靠控制，而HCCI通过控制混合气达到自燃温度的时间来实现对燃烧时间的控制。在某个特定的工况下，实现对均质压燃燃烧时间的控制并不难，但要在上述所有情况下对均质压燃燃烧都能进行可靠的控制就不是一件容易的事。

HCCI汽油机能否满足对燃烧时间进行可靠控制的要求需要从 3个方面来衡量：一是能否在整个均质压燃工况范围内对燃烧时间进行可靠的控制；二是能否在环境温度、油品特性等外界因素差别很大的情况下对燃烧时间进行可靠的控制；三是能否在包括冷启动在内的工况迅速变化的情况对燃烧时间进行控制。

虽然HCCI技术面临的问题十分困难，但它在节能减排方面的潜力却也十分诱人，因此才会有这么多的商家和学者愿意为它的实现付诸不懈的努力。一旦HCCI技术能满足上述要求，则均质压燃技术在车用汽油机上的应用就不远了。

3 GDI技术对发动机其他系统的 影响

采用GDI技术后，发动机整体性能都会发生改变，它对发动机的其他系统也提出了更高的要求，包括燃油喷射系统、点火系统、配气机构、活塞和机体都要进行优化设计。

GDI发动机对燃油喷射系统的要求较传统的气道喷射发动机要高很多。GDI发动机要求喷油时间更加准确，喷油压力更高、喷油特性更加稳定。特别是在分层燃烧系统中，发动机燃烧性能对喷油特性的依赖更大。对于喷注引导型燃烧模式，发动机留给油气混合的时间十分短暂，而且对于喷油特性的变动相当敏感。喷注细小的偏移都将引起极大的燃烧性能恶化。因此，它要求喷油系统能提供很高的喷油压力来保证燃油的雾化和混合，还要喷油系统的喷油特性极其稳定来保证燃烧的稳定性。

GDI发动机对点火系统的要求也更高。在分层混合和HCCI中，点火时火花塞附近的混合气浓度变化很大，为了保证在混合气较稀时也能保证可靠点火，点火能量较传统汽油机要高。除此之外，由于燃油直接喷到燃烧室内，特别是对于喷注引导型，燃油直接与火花塞接触，导致火花塞承受很大的热冲击并且很容易积碳。这就要求火花塞具有较高的耐热性，还要有一定的自清洁能力来保证点火系统的可靠性。

GDI发动机还要求活塞和气门等部件具有更高的质量。GDI发动机往往和缩小尺寸、增压、发动机高速概念联系在一起，这些发展常常会导致比输出的提高，这关系到活塞热输入的增加和气缸峰值压力的提高。根据分层充气工作的混合气形成模式（壁面导向型），汽油缸内直喷有时需要在活塞顶上采用复杂的燃烧室结构，这将对活塞的质量和制造工艺产生很大的影响。在从混合气缸外形成到缸内形成的转变期间，换气部件（进、排气门及其摩擦学配合件）、气门导管和气门座圈直接接触燃烧气体，并且在负荷范围和摩擦学环境方面经历着复杂变化。燃烧对这些零件的影响是使零件温度、零件温度分布和工作压力发生变化。这些改变对配气机构设计的边界条件影响非常大。由于更好的缸内冷却和更高的抗爆能力使汽油机缸内直喷实现了高压缩比，所以也会出现高的燃烧峰值压力，提高了的峰值压力对气门的耐久性设计是至关重要的。而且，由于混合气在缸内形成，在气门与气门座之间没有起润滑作用的燃油油膜存在，这一点与气道喷射发动机不同。试验表明，GDI发动机的气门座圈必须选择高合金材料，必要时，采用气门密封锥面硬化处理。在排气期间，汽油缸内直喷涡轮增压发动机要求在气门座圈上采用钴硬化锥面以及采用气门座圈专用材料。另外，GDI汽油机在部分负荷时，在燃烧室内和进气门上常常有积碳的倾向。由于在气门开启缝隙处的气流流通横截面逐渐减小，所以积碳会导致功率下降，同时对油耗和排放特性产生不利影响。在个别情况下，由于气门质量持续增加，会出现进气门动作不遵循规定曲线的动态问题。最糟糕的情况是在某些情况下积碳碎片的脱落会妨碍气门座的正常密封功能，从而干扰发动机的正常工作。因此，对于GDI汽油机的活塞和气门等部件必须进行优化设计，这样才能充分发掘汽油机缸内直喷技术的优势。

4 GDI汽油机的应用前景

汽车发动机技术进步的驱动力是各国越来越严格的排放法规和越来越低的油耗要求。虽然现行的技术标准要求很高，但是缸内直喷汽油机在降低油耗方面仍然具有巨大的潜力。缸内直喷与涡轮增压相结合已成明显态势，在这种情况下，汽油机不仅有希望降低油耗和污染物排放，而且还能进一步提升驾驶乐趣。在发动机中小负荷和中低转速范围，分层充气很有意义，并且在将来会得到更频繁的应用。喷注导向型混合气形成和燃烧过程尤其适用于这种工作范围。从目前的发展和知识状态来看，需要进行广泛的研发工作，才能对该过程的提高效率和降低污染物排放的全部潜力进行充分挖掘。在今后若干年中，采用这种喷射的目标应该是实现混合气的可靠形成，以致在所有希望采用分层充气模式的情况下，通过废气分层，在新鲜混合气与环境空气或者环境废气之间形成理想的分层，从而实现稳定燃烧并降低油耗。

到目前为止，有关缸内直喷汽油机的研发仍然处于初级阶段，而让采用稀燃工作和分层充气的喷注导向型缸内直喷在全世界得到应用，有关的研发工作还远远不够。为此，几乎所有的汽车制造商现在和今后数年都将在汽油机中采取均质混合缸内直喷，并且在大多数情况下采用增压。这样的优点是与混合气在缸外形成相比，比功率大幅度提高，从而带来更大的驾驶乐趣。在与已被证实的三元催化转化器排放后处理措施相结合之后，这种均质缸内直喷还会满足所有现在和未来的排放标准，使汽油机缸内直喷在全世界应用成为可能。另外，缸内直喷在燃烧参数的控制上具有很高的灵活性，因此，相信还会有更多的基于缸内直喷的发动机先进技术出现。

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