汽油机缸内直喷技术应用现状与发展趋势

魏崇亮 郭晓鑫 冯志鹏 李国栋 王兆甲

（1-中国汽车工程研究院股份有限公司重庆4011202-北京科技大学车辆工程研究所）

·综述·

汽油机缸内直喷技术应用现状与发展趋势

魏崇亮1郭晓鑫1冯志鹏2李国栋1王兆甲1

（1-中国汽车工程研究院股份有限公司重庆4011202-北京科技大学车辆工程研究所）

主要介绍了汽油机缸内直喷技术的发展过程、应用现状、技术难点以及存在的问题，并对汽油机缸内直喷技术的发展趋势进行了展望，同时也对国内自主品牌汽油机缸内直喷技术的发展寄予希望。

汽油机缸内直喷排放燃油经济性

引言

随着汽车给环境带来的排放污染和能源短缺问题日益严峻，世界各国对排放标准法规要求也愈加严格。我国于2013年发布了国V排放标准并于近期审查通过了《乘用车燃料消耗量限值》第四阶段标准。由于目前中国汽油车占据相当大比例，所以在降低汽油车油耗和排放方面具有一定技术优势的缸内直喷技术的发展就显得尤为重要。相对传统进气道喷油式汽油机，汽油机缸内直喷技术（简称GDI）燃油经济性可以提高15%左右，HC排放量可减少30%[1、2]。目前汽油机缸内直喷技术虽然已经比较成熟，但其在燃烧控制、燃油喷射、排放控制、增压技术等方面还需进行深入研究。

1 缸内直喷技术的发展过程及应用现状

缸内直喷技术诞生于20世纪20年代，最初应用于军事技术，直到20世纪50年代奔驰公司生产的300SL才实现缸内直喷技术在汽车领域的真正应用。此后由于低廉的燃油价格以及电控技术的限制，缸内直喷技术一直未能得到进一步的发展。20世纪70年代，福特公司开发出一种采用分层燃烧技术的ProCo系统[3]，由于电控技术不够成熟和成本过高以及排放超标，该系统也未能得到发展。

20世纪90年代以来，随着各国对环境和能耗的严格控制以及电控和制造技术水平的提高，各大汽车厂商纷纷发展缸内直喷技术，见表1。三菱公司于1996年率先把具有缸内直喷技术的自然吸气式发动机4G93安装在轿车Galant上，该发动机首次采用曲顶活塞和竖直进气道，可减少进气阻力并有利于在高负荷工况下喷油产生很强的混合气涡流，从而使燃烧更充分、动力更强、油耗更少。丰田公司于1998年推出D4直喷系统并应用在SZ和ZN系列发动机上，在2005年又应用于3GR-FSE发动机上，该系统只有一组喷油嘴伸入气缸并能实现均质燃烧。在D4直喷系统基础上，丰田又开发出D4-S直喷技术并应用在2GR-FSE发动机上，该系统结合了直喷和间接喷射的优点，每缸分别配置低压喷油嘴和缸内直喷高压油嘴，可实现不同负荷工况下的燃油喷射和燃烧控制要求。大众公司于2001年推出FSI缸内直喷系统，大众、奥迪大部分车型目前都已经采用该技术，是当前业界最成熟、最先进的缸内直喷技术之一。通用公司推出的缸内直喷技术SIDI依靠缸内均质燃烧来提升效率，没有使用稀薄分层燃烧技术，该技术最大的优势是不受油品的限制，不需要特别的养护。奔驰公司于2006年推出其缸内直喷系统CGI，并于2010年推出最新一代缸内直喷系统BlueDirect，该系统采用多点喷射、多重火花点火技术和压电式喷油装置使得燃烧效率和排放水平更高。福特公司于2007年推出EcoBoost缸内直喷技术，该系统融合了高压直喷、涡轮增压和双独立可变气门正时系统三大技术，能提供更佳的燃油经济性。随着GDI发动机优势的体现，保时捷、法拉利等公司近年来也相继推出了自己的缸内直喷技术。

表1 世界主要汽油机缸内直喷技术统计

2 缸内直喷技术的关键技术现状

缸内直喷发动机的关键技术包括燃油供给与喷射系统、燃烧系统的优化设计、GDI的燃油喷射和燃烧过程控制策略等。

GDI燃油供给系统主要依靠高精度快速响应的电控系统，燃油喷射系统则主要采用高压共轨系统与电磁驱动喷油器相结合的形式，其中高压油泵、高压油轨、喷油器、发动机控制模块（ECM）是喷射系统的关键部件。ECM是直喷发动机的大脑并由软件、执行器、芯片等组成，其主要作用是采集发动机数据，并按照预定程序控制喷油时机和喷油量，从而实现最佳燃烧效率。

高压油泵和高压油轨对于制造精度和工作环境的要求很严格，高压油泵通过油压调节器控制燃油的压力并实现平衡喷油嘴压力的作用，通常可给燃油加压到15 MPa，并最终将燃油送入油轨。

燃烧系统的优化设计是GDI发动机开发的关键技术，只有通过合理配置燃烧室形状、燃油喷束、气流运动等，特别是优化活塞顶部的设计，才能实现在中小负荷时的分层稀薄和大负荷时的均质预混的要求，其中进气行程和压缩行程中缸内瞬时流场的组织尤为重要，可促进燃料与空气的有效混合，同时控制气流的流动以生成稳定的分层混合气。

按照可燃混合气形成的控制方式以及火花塞和喷油器的相对位置，缸内直喷燃烧系统包括气流导向型、壁面导向型、喷射导向型。研究表明，喷射导向型系统燃烧效率损失和泵气损失相对较小，比气流导向型和壁面导向性有着更好的燃油经济性[4]。

3 缸内直喷技术的难点与制约因素

GDI发动机已经在实践中证明了其独特的优势，但在目前缸内直喷技术的应用中，还存在一些技术性难点和亟待解决的问题。

3.1 排放控制问题

相对传统进气道发动机，GDI发动机在燃油经济性和动力性方面具有一定的优势，同时车辆的整体排放量也得到下降。但由于GDI发动机的技术特性，其在中小负荷HC排放、NOx排放、颗粒排放方面还存在一些问题。

由于GDI发动机燃烧特性与进气道发动机不同，GDI发动机火焰传播方式是从火花塞附近的浓混合区到稀混合区，导致在浓混合区域出现高温区域，造成NOx排放升高。另外，GDI发动机较高的压缩比和较快的反应放热率也是导致NOx升高的原因。由于GDI发动机的空燃比相对较高，气缸内燃烧温度整体较低，导致气缸内未燃HC不能完全被氧化，另外由于GDI发动机在喷油时刻造成的缸内湿壁现象严重，导致活塞腔、进气门底座、排气门底座等区域燃烧不好，造成在中小负荷时HC排放较高。为了在HC排放升高不多的前提下有效地控制NOx排放，业界也尝试采用给直喷汽油机加装EGR系统，加装之后在动力性和经济性方面都有一定的提升，目前国内外对于此项研究已经取得一定的进展[5]。

由于GDI发动机特别的喷油模式，使其在低负荷、冷起动和工况转换的状况下尾气颗粒物排放的质量浓度和数量都高于传统的进气发动机。其微粒产生机理主要是由于燃油高压喷入气缸内，造成混合气混合时间短、局部过浓、缸内湿壁等现象加重，又因缸内燃烧温度低导致微粒氧化不足所致。目前业内主要研究方向是GDI发动机的颗粒质量分析，随着未来排放法规把直喷发动机的微粒数量纳入检测，对于颗粒物的数量和粒径方面的研究愈发重要[6]。

3.2 冷起动控制策略问题

由于GDI发动机产生的HC排放的80%以上是冷起动过程中产生的未燃HC[7]，通过复杂的参数标定可实现GDI发动机从冷起动到适应不同的负荷工况，并实现精确的供油和燃烧及排放控制。由于GDI技术能精确地控制喷入气缸内的燃油量，有效控制缸内油气的混合过程，改善汽油机冷启动排放，因此如何优化GDI发动机冷起动阶段的控制策略是一个重要的研究课题。

3.3 零部件制约问题

由于GDI发动机的技术特点，对于关键零部件有着非常严格的要求。

GDI发动机喷油压力高，需配备高压喷油嘴来提高油气的雾化特性和混合效率，为了在分层燃烧时更好地控制气体的流向，需要对燃烧室形状和活塞进行优化设计，同时对气缸的材质也提出更高的要求。

缸内直喷汽油机的喷油器置于气缸内，由于喷油压力高、汽油清洁状况、低速运转，且喷孔无自洁能力，容易产生积垢，造成燃油经济性下降、排放恶劣、无法低温冷起动，并且动力性和加速性能也下降，影响驾驶性能。

除了喷油器的设计，业界也采用喷油嘴清洁剂来解决该问题，具体功效还需要进一步验证。为了使油气在进入燃烧室后产生气旋涡流，从而提高混合油气的雾化效果与燃烧效率，GDI发动机的燃烧室、活塞大多设计有特殊的导流槽。

虽然GDI发动机可以整体降低污染物的排放，但其燃烧模式提高了缸内温度并导致氮氧化物的排放增大。由于传统的三元催化器对稀混合气的氮氧化物转化效率不高，需配备特殊的三元催化器装置来降低氮氧化物，导致车辆整体成本上升，限制了GDI发动机的发展。同时由于国内燃油标号不高，高硫含量的燃油对催化器伤害较大，炼油成本也需提高，都制约了GDI发动机的发展。

3.4 超级爆燃及噪声控制问题

GDI发动机在低速大负荷工况下容易发生非正常燃烧模式即“早燃”现象而引发超级爆燃，特别是对小排量增压缸内直喷发动机尤为突出。超级爆燃是GDI发动机降低油耗和提高升功率的主要障碍，其爆发压力是正常爆压的两倍以上并呈大幅振荡现象，超过了发动机的爆燃承受极限，导致发动机油耗增加和噪声加大，并可能对气缸体、活塞、曲柄连杆机构等部件造成致命损坏。

超级爆燃的发生具有不可预测性和间歇性，其产生机理至今尚未有定论，主流观点认为超级爆燃是缸内在火花塞在点火之前已经发生早燃，使得汽油、机油和其混合液滴形成的未燃气全面自燃而形成的。

研究表明，对于由早燃引发的超级爆燃，其发生频率和强度的影响因素主要包括燃油挥发性、机油品质、点火时刻、喷油器设计、机油及冷却液温度、进排气运动、缸内残余废气和燃烧系统设计等。

对于超级爆燃的抑制方法，研究发现加浓混合气、扫气、压缩行程喷射燃油形成分层混合气、中冷EGR对超级爆燃都具有一定的抑制效果[8]。在国内，奇瑞公司开发了一种防止超级爆燃的活塞，通对对活塞倒角进行改进，可减少未燃碳氢的排放和可能引发超级爆燃的源头碳烟颗粒，从而大大降低超级爆燃发生的概率，目前该活塞的应用效果还有待验证。

由于GDI发动机与普通进气道喷射发动机的燃油喷射模式不同，其发动机噪声较大，而超级爆燃所引发的噪声更大，对于GDI发动机的噪声控制也是亟待解决的问题。

4 基于缸内直喷技术汽油机的发展趋势

4.1 燃烧控制技术

GDI发动机在分层稀燃区域有着良好的燃油经济性，如何扩大其分层稀燃区域将是GDI发动机的一个研究重点。由于GDI发动机在分层燃烧时的混合气不均匀，容易产生NOx和碳烟，而HCCI（均质充量压燃）的燃烧特点可以抑制NOx和微粒的生成。有效地控制点火时刻和发动机整个燃烧工况内的燃烧速率是实现HCCI燃烧的重要因素，也是GDI发动机燃烧控制技术的一个发展趋势[9]。

4.2 燃油复合喷射技术

为了能够兼顾发动机的动力性和经济性，同时满足日益严格的排放标准，理论上最理想的技术方案就是歧管喷射+缸内直喷双喷射系统。目前丰田和大众已经走在了前面，丰田率先推出了采用混合缸内直喷和歧管喷射两种方式的D4-S双喷射系统；继丰田之后，大众也推出了装备此项技术的第三代EA888发动机。如何把两种喷射技术更好地融合到一起将是GDI发动机一个发展趋势。

4.3 发动机小型化

由于缸内直喷技术所体现的技术优势以及环境和能源危机，GDI发动机发展的趋势无疑是小型化，发动机小型化可以增强汽油机的实际负荷能力并能降低泵气损失。通过采用涡轮增压技术、排气歧管集成设计、铝制缸盖、凸轮轴可变正时技术以及高精度的燃油喷射技术来实现GDI发动机的小排量高输出，提高汽油机的燃油经济性。2014年，福特发布了最新一代1.0T EcoBoost福克斯，油耗为4.3L/100km；菲亚特推出了0.9L 2缸Twin Air空气涡轮增压发动机并搭载在2014款阿尔法罗密欧MiTo上，油耗能达到4.2L/100km。

5 结束语

虽然目前缸内直喷技术已经比较成熟，但由于关键技术都掌握在国外公司手中，国内自主品牌在缸内直喷技术方面还处于起步阶段，目前长城、奇瑞、比亚迪、吉利等都已经推出了自己的GDI发动机。长城于2012年推出了搭配在哈弗H7上的低功率版GW4C20涡轮增压缸内直喷发动机；奇瑞2013年推出了一款1.2T三缸缸内直喷发动机，该发动机配置了包括缸内直喷、改善三缸发动机运转平顺性的平衡轴、可变排量机油泵以及双凸轮轴结构的配气机构等主流技术，性能可与同型号的进口发动机相媲美，目前该款发动机正处于测试阶段。总之，在新能源汽车还未普及之前，缸内直喷技术必将是汽油机的主流技术，而国内自主品牌缸内直喷技术发展还任重道远。

1Anderson R W，Brehob D D，Yang J，et al.A new direct injection spark ignition（DISI）combustion system for low emissions[C].Proceedings of FISITA 96，Congress No. P0201，1996

2Byron Thomas Shaw.Modeling and control of automotive cold start hydrocarbon emissions[D].Berkeley：University of California，2002

3Carlos Queiroz，Eduardo Tomanik.Gasoline direct injection engines a bibliographical review[C].SAE Paper 973113

4耿文娟，袁银南，居钰生.汽油机缸内直喷技术探析[J].小型内燃机与摩托车，2010，39（3）：23～28

5潘锁柱，宋崇林，裴毅强，等.EGR对GDI汽油机燃烧和排放特性的影响[J].内燃机学报，2012，30（5）：409～414

6潘锁柱，裴毅强，宋崇林，等.汽油机颗粒物数量排放及粒径的分布特性[J].燃烧科学与技术，2012，18（2）：181～185

7黄佐华，蒋德明，周龙保.影响火花点火发动机碳氢排放因素的研究[J].中国机械工程，1997，8（1）：48～51

8李元平，平银生，尹琪.增压缸内直喷汽油机早燃及超级爆震试验研究[J].内燃机工程，2012，33（5）：63～66

9王志，王建昕，帅石金，等.缸内直喷燃料改质控制HCCI着火时刻和燃烧速率的研究[J].自然科学进展，2006，16（9）：1191～1195

Current Application Situations and Development Trend of Gasoline Direct Injection Engine

Wei Chongliang1，Guo Xiaoxin1，Feng Zhipeng2，Li Guodong1，Wang Zhaojia1
1-China Automotive Engineering Research Institute Co.，Ltd.（Chongqing，401120，China）2-Institute of Vehicular Engineering，Beijing University of Science and Technology

This paper introduces the development of the gasoline engine direct injection technology involved inapplication situations，technical difficulties and existing problems.Meanwhile，the development trend and research orientation of gasoline direct injection technology were also discussed especially for self-owned brand.

Gasoline engine，Direct injection，Emission，Fuel economy

U464.11+4

A

2095-8234（2014）05-0078-04

2014-09-03）

魏崇亮（1978-），男，学士，主要研究方向为汽车检测及试验开发。