缸内直喷GDI发动机技术的发展趋势分析

史博宇

摘 要：通过对比分析了GDI发动机与气门口喷射PFI系统，分析了发动机燃烧技术的发展趋势，提出了GDI发动机将会取代 PFI发动机成为车辆的标准配置的结论。

关键词：汽油机；缸内直喷；稀薄燃烧；均质充气；涡轮增压；均质压燃

1 GDI技术与PFI气门口喷射技术的比较

混合气形成策略不同是PFI发动机与GDI发动机的主要区别。PFI发动机具有油膜湿壁现象和节气门节流损失的缺点，而GDI发动机理论上不存在上述两方面的限制。

PFI发动机产品中，20%喷嘴装在气缸盖上进气门的背面，80%安装在进气歧管上靠近气缸盖位置，在发动机起动时，会在进气门附近形成瞬时的液态油膜，这些燃油会在每次进气过程逐渐蒸发进入气缸燃烧。由于部分蒸发现象导致油量控制延迟和计量偏差，冷机起动时由于燃油蒸发困难，使得实际供油量远大于需求空燃比的供油量，这样会导致冷起动时发动机有4个～10个循环的不稳定燃烧，显著加大发动机未燃HC排放。GDI技术可以避免气门口燃油濕壁现象，实现燃烧各阶段准确供油，能够实现更稀薄燃烧并且降低缸与缸之间、循环与循环之间的变动，冷起动首循环不需加浓控制，降低瞬态工况HC的排放。然而GDI发动机对燃油蒸发和混合物形成有更严格的要求，需要通过更高的喷油压力提高燃油的雾化率。

PFI发动机的另一限制是中、小负荷时采用节气门来控制负荷，存在节流损失，GDI发动机在中、小负荷时采用分层充气工作模式，通过控制喷入气缸的油量来控制发动机的负荷，不采用节气门可以降低泵气损失和热损失。

2 GDI发动机燃烧技术发展趋势

2.1 采用均质混合燃烧方式

采用∮a=1的均质混合燃烧方式的主要优点是能够采用目前PFI发动机上广泛使用的三效催化器，可以避免采用稀燃NOx催化转化器，使其排放能够达到越来越严格的排放法规。同PFI发动机和分层稀燃GDI发动机相比，∮a=1的均质混合燃烧发动机具有较多优点：a）发动机起动过程具有更快速的起动，较少的起动加浓和降低起动HC排放的潜力。b）能够提高瞬态响应，减少加速加浓，实现更精确的空燃比控制c）燃烧过程不需要分层充气和均质充气的模式转换；缸内燃油蒸发冷却充气，压缩行程可以减少热损失，有利于提高燃烧稳定性和EGR率，并能够提高受爆震限制的压缩比d）燃油经济性能够提高5%。e）控制系统比分层稀燃简化，增加了系统优化的灵活性。f）与其他技术的匹配。g）排放低。

2.2 采用分层充气或均质充气涡轮增压技术

通过提高进气压力、提高空气利用效率来减小发动机的尺寸是提高发动机经济性的有效途径，传统的PFI发动机由于受到爆震限制和涡轮增压器响应滞后等因素的影响，使得汽油机涡轮增压技术未能迅速发展。GDI发动机由于缸内形成混合气，燃料蒸发能够降低混合气温度，同时混合气在缸内停留的时间相对较短，相同压缩比条件下，GDI发动机要比PFI发动机爆震倾向小，对燃料辛烷值的要求低。GDI发动机小负荷时不使用节气门，进气量相对较大，涡轮增压器转速高，使得GDI发动机在瞬态工况能够实现快速响应随负荷变化引起的涡轮增压变化。GDI发动机应用涡轮增压技术具有下面优势：

a）缸内充气冷却。由于燃油在气缸内蒸发能够显著冷却缸内充气，结合多阶段喷油可以有效地降低爆震倾向，因此，可以实现比常规PFI更高的压缩比。b由于增加了发动机的充气量，所以，可以扩大发动机稀燃区域的转速和负荷范围。c）提高涡轮增压发动机瞬态响应。小负荷时不采用节气门，发动机的进气量大，涡轮增压器转速高，因此，即使在部分负荷稀燃区域时涡轮增压的响应延迟也较小。

2.3 优化燃烧系统扩大分层稀燃区域

燃油经济性的提高是影响未来GDI发动机和小型高压共轨柴油机在市场所占比率的重要因素。GDI发动机在分层稀燃区域可以实现节油20%～25%，可以优化GDI发动机燃烧技术，采用新一代喷射引导型燃烧系统，扩大分层稀燃范围，进一步提高GDI发动机经济性。扩大直喷发动机分层充气稀燃区域是新一代直喷供油系统的发展趋势。因此，基于窄间距设计的喷束引导燃烧系统具有实现更稀薄燃烧并扩大稀燃区域的潜力，将成为下一代GDI发动机的首选燃烧系统。

2.4 实现GDI发动机的HCCI燃烧

分层稀燃GDI发动机的混合气不均匀，NOx会在燃料较稀的高温区产生，而在混合气较浓的区域易产生碳烟。在HCCI的燃烧过程中，理论上是均匀混合气完全压燃、自燃、无火焰传播过程，这样可以阻止NOx和微粒的生成，同时能够实现较高的燃油经济性。若实现HCCI燃烧可以不需要任何后处理装置即可达到欧Ⅵ或更加严格的排放法规，但是，HCCI燃烧的实现需要解决两个问题，即点火时刻的控制和发动机整个工况内的燃烧速率的控制。HCCI燃烧需要通过控制气缸内温度、压力和混合气的浓度来控制整个气缸内混合气的燃烧时刻，没有明确的触发手段来控制燃烧，局部的温度变化或空燃比变化都是控制HCCI燃烧起始时刻的关键变量，使燃烧控制变得十分困难。采用GDI技术燃油直接喷入气缸内，能够更加灵活地控制喷油时刻和精确控制喷油量，为HCCI燃烧模式的实现提供了可能。应用GDI技术实现HCCI燃烧具有以下优点：a）缸内直喷可以通过改变喷油时刻来改变局部混合气浓度。b）缸内燃油蒸发可以改变缸内局部温度。c）燃油早喷能够为燃油蒸发和形成均质混合气提供足够的时间；压缩行程的后喷能够控制气缸内局部区域混合气浓度，从而控制HCCI燃烧，应用GDI的多阶段喷射可实现这两种喷射。d）缸内直喷技术在瞬态工况能够实现精确的喷油量控制，有效避免瞬态工况HCCI燃烧爆震或失火。因此，实现HCCI燃烧是GDI技术发展的一个重要方向。