缸内直喷式汽油机的研究进展及发展趋势

杨阳

摘要：缸内直喷技术是一种新型进气燃烧技术，它采用的是一种类似于柴油发动机的供油/气原理，通过一个活塞泵提供约100bar以上的压力，将汽油供给位于气缸内的电磁喷射器。然后通过电脑控制喷射器将燃料在最恰当的时间直接注入气缸内燃烧，由于其控制的精确度接近毫秒，所以能最有效的将油气混合比调整至最佳状态，从而保证了汽油的充分燃烧，动力损失降为最低。

关键词：汽油机；缸内直喷技术；分层燃烧；燃油经济性

1.缸内直喷技术的发展历程

汽油机的发展经历了100多年的漫长历史，其中具有里程碑意义的发展阶段无不是以油气混合方式和机理的变迁为标志的。上世纪50年代，德国研制出了二冲程直喷汽油机，限于当时机械制造技术和电控水平较低，其性能和排放并不理想。90年代后，缸内直喷汽油机的研究有了较大的进展。缸内直喷汽油机改变了预混合汽油机的混合机理，可采用稀薄分层燃烧技术，降低HC等有害排放。直喷方式的油滴蒸发主要依靠空气吸热而非壁面吸热，降低了混合气温度和体积，可降低爆燃倾向，提高发动机压缩比。此外，GDI汽油机还具有瞬态响应好，易于实现精确的空燃比控制，具有快速的冷起动和减速快速断油能力等特点。这些方面GDI汽油机都明显优于进气道喷射汽油机。为此许多外国汽车公司和研究机构都成功开发出了自己的GDI发动机机型。

汽油缸内直接喷射从油气混合机理上可以解决变工况（如车辆加速时）和冷启动时油气混合不足的问题。早期的缸内直喷式汽油机因喷射技术水平的限制，喷雾油滴的直径约为80μm。计算表明，一滴这样大小的油滴在200℃空气中需要大约55ms才能完全蒸发。如果发动机的转速为1500r/min的话，这段时间相当于495°CA（曲轴转角）。显然，蒸发时间过长，在这种情况下油气混合不能主要依靠喷雾来实现。随着汽油喷射技术的进步，现代缸内直喷式汽油机应用的汽油泵的供油压力已达到5～12MPa，又采用带旋流的喷油嘴，雾化性能得以提高，喷雾的油滴直径约为20μm，喷雾锥角可达50～100°，常压下的贯穿度约为100mm 。此时一滴20μm 的油滴在上述同样情况下仅需3.4 ms或31°CA就能完全蒸发，因而汽油的蒸发和与空气的混合可主要依靠喷雾来实现，再加上缸内空气运动的辅助，变工况（如车辆加速时）和冷启动时不再需要过量喷油，冷启动喷油量得以大大减少（图1），有害物排放也将大為降低。同时，由于汽油直接喷入汽缸内，消除了进气道喷射时形成壁面油膜的弊病，特别是在发动机尚未暖机的状态下，因而能改善变工况时对空燃比的控制，不但能改善车辆的加速响应性，而且还能降低此时的有害物排放。

此外，缸内直接喷射还可带来很多其它好处，从而有利于降低燃油耗，达到节能和减少温室气体二氧化碳排放的目标。例如：汽油在缸内直接喷射时油滴主要依靠从缸内空气中吸热而非从壁面吸热，因而能使混合汽的温度降低和体积减小，从而有利于提高充气效率，降低爆震倾向和提高压缩比。计算表明，在汽油油滴蒸发完全依靠从空气中吸热或者完全依靠从壁面吸热这两种极端情况下，缸内混合汽的体积在空燃比为12.5时将相差大约7%，而混合汽的温度在上止点前将相差大约50℃。因此，与进气道喷射汽油机相比，缸内直喷式汽油机的充气效率提高了10%，同时爆震倾向也大为降低，表现在受爆震限制的点火时刻可提前若干曲轴转角，因而压缩比可提高1.5～2，有利于提高汽油机的热效率，降低燃油耗（约2%）。特别是有利于汽油机采用增压，并应用较高的压缩比，克服了由于增压汽油机压缩比较小而对部分负荷燃油耗所带来的不利影响，同时提高了增压汽油机在2500r/min以下低转速范围内的增压压力，1200r/min时的扭矩能够提高25%，大大改善汽油机的低速扭矩特性和车辆的行驶性能。此外，由于汽油直接喷入汽缸内，可实现稀薄混合汽分层燃烧，使得低负荷工况时的空燃比可提高到40以上，从而无需关小节气门来限制进气量，采用像柴油机那样的质调节方式，基本上避免了发动机在换气过程中的泵气损失，有利于降低燃油耗。同时，在高空燃比情况下，由于混合汽物性的改变、绝热指数的增加以及混合汽分层致使热损失减少，使得发动机的热效率进一步提高。由于汽车发动机经常在低负荷工况下运行，因此分层混合汽燃烧的直喷式汽油机可使平均燃油耗降低15～20%。在欧洲机动车排放组合循环（MVEG）行驶试验中，其燃油耗明显低于进气道喷射汽油机已达到了相当于非直喷式柴油机的燃油耗水平（图2）

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3.缸内直喷技术研究开发方向

现在GDI技术尚处于逐步成熟时期，各种问题的出现是必然的，但GDI的研究一定要在确保动力性能的基础上尽可能的“节能减排”。而从当前的形式来看低碳问题又是中之重。稀燃催化器的开发将直接影响到GDI汽油机排放问题的解决。目前开发的有稀燃催化还原型NOx催化器、NOx搜捕型等。但这些催化器都不同程度的存在转化率低、工作温度范围窄、控制复杂、性能不如传统的三元催化器等问题，还需深入研究。二次燃烧是指在进行正常分层燃烧的怠速运转时，除了在压缩行程后期喷油外，在膨胀行程后期再次喷入少量燃油，在缸内高温、高压气体的作用下点火燃烧并使排气温度提高。三菱汽车公司采用二次燃烧和反应式排气管技术，较好地降低HC和NOx排放。

参考文献：

[1] 陆展华，GDI发动机及其稀燃优化技术[期刊论文]-柴油机

[2] 孙勇，王燕军，王建昕，等.缸内直喷式汽油机的研究进展及技术难点[J]

[3] 蒋坚，高希彦.直喷式汽油机的开发[J].内燃机工程