基于汽油机缸内直喷技术的发展与排放研究

严景明

摘 要：该文通过介绍汽油机缸内直喷（Gasoliine Direct Injection，GDI）技术的发展背景、技术特点、技术现状，在油价不断上涨压力下和汽车带来的污染日益严重，全球范围内对温室气体CO2排放控制的呼声不断高涨的条件下，满足排放要求，因此，提升燃油经济性则显得意义尤为重要。GDI今后研究工作的重点是排放的控制技术，同时展望了汽油机缸内直喷技术的发展。

关键词：汽油机 缸内直喷 节能

中图分类号：TK413.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（a）-0041-02

随着石油资源越来越紧缺和近年来全球汽车总保有量日益增多，环境污染加剧，所以GDI技术的发展就是对排放控制必然的结果。因为汽油的燃烧效率低，所以各大汽车制造企业都在研究，采用不同途径来改进汽油的作功效率。

经过40多年的发展，喷油器位于进气岐管内的汽油喷射（PFI）发动机现被广泛使用，其特点是：利用三效催化器的化学反应，稀有金属铂、钯、铑等与CO、HC和NOx等进行氧化、还原作用，变成无害的H2O、CO2、N2气体，排放到大气中，从而达到降低污染的目的，该汽油喷射缺点是：燃油经济性较差。针对上述技术的限制，工程师开发出GDI技术，该技术的优势在于：在PFI技术的低排放基础上，同时兼备有柴油喷射的负荷高时，燃油经济优良的特点；因此，近些年来，GDI发动机在高、中档轿车上逐渐使用，随装车数量的增加，制造成本的下降，GDI发动机会成为主流技术的代表，得以广泛应用。

1 GDI发动机特点

与传统PFI的区别是：GDI发动机在压缩冲程中，通过安装在汽缸顶部的喷油器，将高压的汽油喷人气缸中，汽油分子与缸内空气充分接触，通过吸收进入空气的热量，得以蒸发；与PFI发动机的汽缸壁面吸热相比，混合气的温度大为下降，因此，GDI发动机进气状况明显改善，发动机燃烧时的爆震现象也大为降低。GDI发动机在传统PFI发动机基础之上，在控制原理和发动机构造都采取方案优化，从而实现了燃烧机理和混合方式得以改进，达到节能和减排。

2 缸内直喷发动机分类及混合气原理

（1）分层燃油喷射汽油机。

GDI系统，因为燃油是分层燃烧（Fuel Stratified Injection）故又称为FSI系统。FSI系统的诞生，实现了汽油机能像柴油机一样直接喷射燃油，并迅速混合点火燃烧。分层燃烧比传统的PFI发动机的燃烧效率高，由于取消了传统的节气门，实现了电子控制，节流损失也减少、发动机的升功率也得以提高。

FSI系统在进气冲程时，电子节气门开度处于较大位置，解决了节流损失问题（如图1所示），进气时，关键部位是发动机进气歧管中安装一块翻板，翻板向上开启， 图1分层燃烧模式

关闭歧管下部，让进气流在上部迅速通过，活塞头部结构采用形，气流在头部运动，形成进气涡流。喷油时刻在活塞到达上止点前45°～60°的范围内，喷射时刻与混合过程有密切关系，汽油喷射到形凹坑位置，与进气的旋涡气流混合成可燃气体。可燃混合气形成的时间非常短，大约为活塞运动角度40°～50°，若超过这个角度，可燃混合气不能燃烧，分层燃烧的空燃比一般在1.6～3之间。

（2）均质混合燃烧。

PROCO（Programme Combustion Injection）是个稀薄燃烧过程，最先由美国福特汽车公司研制成功，其本质上也是均质混合方式，是另一种缸内直喷类型。

进气岐管采用螺旋形，与柴油机相似，汽油喷射到活塞顶上的燃烧室，利用涡流和滚流进行油气混合，涡流和滚流结合，形成可燃混合气。喷油器安装在活塞顶上的中央位置，在喷油器两侧分布有火花塞，雾化后的汽油需要吸收空气热量，致使混合气的温度降低，发动机的压缩比可以提高到ε=15，过量空气系数λ可以达到1.6，因而在更广泛的范围内工作。

（3）均质稀薄燃烧。

该燃烧方式油气混合时间更长，通过发动机电控系统精确控制喷油器开启时刻，点火时间可以选择的范围更宽，经济性更高，燃烧过程从火焰中心向周围扩散至整个燃烧室，点火时间的要求也比分层燃烧低，因而均质稀燃的过量空气系数λ可以>1.1。

3 GDI发动机系统的结构

分层稀薄燃烧模式要求喷油时刻较灵活及油束雾化高质量，GDI发动机燃油供给系统分为高、低压两部分。低压部分与PFI发动机相似，在油箱内的低压汽油泵输送到高压油泵，通过高压共轨喷射系统（与柴油供给系统相似）再配合电控型的喷油器，实行缸内直喷的控制。高压油泵通过发动机凸轮轴机构来驱动，低压的压力约380Kpa经过高压油泵加压后达到8～12Mpa，送至分配油轨，ECU控制喷油器工作，喷油器的燃油喷到气缸。GDI发动机供油系统油路如图2所示。

GDI发动机需要雾化更细、均匀的的混合气微粒，除进气涡流的气流特别强外，对喷油器的结构和雾化质量要求也高。在气缸内，燃油蒸发混合的时间很短，缸内油粒直径约在20～25μm，因此，汽油压力保持在4～13MPa。为达到空气与燃油混合均衡，从燃烧的机理来看，整个燃烧室都需弥漫雾化油粒。所以，喷油器要保证雾化的汽油微粒速度在喷射方向上速度剧减，燃油不会直接喷到气缸内壁，保持机油的润滑油膜，保证气缸与活塞的充分润滑；而圆周旋转方向上的油粒应保持高速圆周运动，通过直线和圆周两向的运动，涡流型的混合气更利于稀薄燃烧模式，提高燃油的经济性。

4 GDI发动机燃烧喷射系统分析

4.1 系统概述

GDI发动机的核心技术是燃烧模式的设计，发动机低负荷时，采用分层稀燃模式；高负荷时采用均质预混模式；依据喷油器、火花塞在气缸盖上的布置；可燃混合气混合类型，燃烧系统有三种形式。

4.2 进气系统

缸内直喷汽油机的进气系统包括热膜空气质量流量计、电子节气门（EPC）、进气歧管压力传感器、废气再循环（EGR）阀和进气歧管翻板转换装置等，如图3所示。

4.3 喷油系统

（1）“喷束引导法”（spray-guided system） 把燃油喷嘴靠近火花塞来布置，火花塞安装在喷嘴的旁边，这样能满足发生在燃烧室内的稀薄燃烧期，火花塞周围可以形成可供点火的合适混合气浓度。福特、本田公司生产的某些发动机型就采用这种燃烧系统。

（2）“壁面引导法”（wall-guided system） 把燃油喷嘴远离火花塞来布置，混合气油束轨迹与优化设计的活塞顶部相互作用，在火花塞两极附近充满混合比合适的微粒，如三菱、丰田、日产等一些日本公司开发的机型。

（3）“气流引导法”（flow-guided system） 跟“壁面引导法”来比较，喷嘴与火花塞位置也较远，依据气流运动特性来满足点火性能的要求，FEV、AVL公司研究的喷油系统就是这种方式。

5 GDI发动机所面临主要技术难点的浅析

GDI发动机自身具有了柴油机的燃油经济性，但由于柴油本身的特点：最合适的着火期有两个：自燃着火期，初始着火点期，由于汽油采用点燃方式，火花塞的位置也是不变的，在一定的条件下，所以点火初始时刻也是不变的，所以在汽油机中想要达到类似于柴油机那样的工作方式时，首先在不同工况下，混合气浓度要求不同，工况变化时，混合气浓度有一个平稳转换期；另外，因为活塞在缸内的高速运动，不同位置的混合气运动轨道也要的实行控制、调节。在火花塞周围迅速形成可燃混合气，GDI发动机要求有分层燃烧、稀薄燃烧模式控制，因此，围绕着这些核心技术，总结出缸内直喷汽油机技术难点应主要有几方面：（1）燃油喷射系统的适应；（2）油气混合过程的研究；（3）燃烧系统的设计；（4）燃烧排放特性研究和控制。

为了实现燃油喷射微粒化和限制喷雾的穿透力形成较高质量的混合气，燃油喷射系统在高速时应需提高系统本身压力，同时缩短喷油嘴喷油的时间，以便明显提高燃油的经济性能，在低速时为了防止燃油聚集，应降低燃油系统的压力，并同时延长喷油的时间。GDI的高喷射压力要求使得汽油泵和发动机功率要求增加、汽油的润滑性相对较差。因此，开发适应性强、功率消耗低、抗磨损能力强的燃油供给系统和喷射系统，是目前直喷汽油机需要解决的一个技术问题。空气与汽油混合的实质就是缸内流场和喷雾的相互作用，流场结构的实现和保持主要是通过燃烧室结构设计来进行，高质量的油气混合气的形成要求喷雾微粒化、分散化和限制直线运动，当缸内流场特性和喷雾特性被确定后，首先需要考虑的因素就是喷油器的布置位置，随之便是对火花塞位置进行考虑以确保稳定的点火。而对汽油喷雾和空气的混合运动情况认识不足加大了这方面技术的开发难度。

6 GDI发动机燃烧技术的发展趋势

由以上的研究分析可知，GDI发动机的发展会面临燃油经济性提高、稳定燃烧的控制、性能可靠性以及排放的控制等这些技术难题的研究与解决，GDI发动机的技术在应用、发展上也主要围绕这些核心技术问题来展开分析。

提高发动机的燃油经济性，GDI发动机分层稀燃区域可以实现省油20%～25%，优化GDI发动机燃烧技术采用最新一代燃烧系统，扩大了混合气分层稀燃的范围，可以提高GDI发动机的燃油经济性。HCCI技术（homogeneous charge compression ignition），也称为均质压燃技术，是可以实现高效低污染的内燃机燃烧技术，缸内直喷多段喷射是HCCI燃烧在车用发动机应用上更有前景，并更具可行性的方式。通过上述的技术途径，GDI发动机在满足排放要求的这个前提下，能够很大地提高它的燃油经济性。因此，随着目前燃油价格不断上涨和碳氧化合物（CO）排放限值越来越严格，降低GDI发动机的废气排放使其满足日益苛刻的排放法规是世界各国研究人员所努力研究的重点。

7 结语

虽然GDI发动机目前还面临着很多技术难题，高精度与很复杂的电控手段和设备也使得GDI发动机的制造成本变得昂贵，由于它良好的燃油经济性和越发严格的排放法规要求以及现代电子控制、制造等技术的发展条件促使它的推广应用速度迅速加快，社会的要求给GDI的发展提供了直接的动力，GDI发动机也会最终取代PFI发动机，成为市场车辆的标准配置发动机。

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