汽油機缸內直噴技術及其應用前景

張中杰

Zhang Zhongjie

（天津一汽夏利汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)中心，天津 300462）

0 引 言

隨著環(huán)境問題和能源危機越來越嚴重，各國對汽車排放法規(guī)的制定越來越嚴格，對汽車油耗也提出了更高的要求。對汽車節(jié)能減排越來越高的呼聲促使各大汽車廠家尋求一種新技術來應對能源與環(huán)境問題的挑戰(zhàn)，汽油缸內直噴（GDI）技術應運而生。與氣道噴射（PFI）汽油機相比，缸內直噴汽油機無論是在動力性還是經(jīng)濟性上都具有較大的優(yōu)勢，當采用合適的燃燒模式和排放后處理技術后，排放特性也會有所改善。PFI汽油機由于在進氣道處混合氣形成過程中汽油不能完全霧化，混合氣質量欠佳，導致發(fā)動機燃燒不充分，冷啟動排放和燃油經(jīng)濟性較差。而GDI發(fā)動機通過將燃油直接噴入氣缸，從而可以精確計量空燃比，并在混合氣形成的組織上具有更大的靈活性。當采用合適的控制策略后，發(fā)動機的冷啟動性能、排放性能、快速響應性能、動力性和經(jīng)濟性都會大幅上升。文章對汽油機缸內直噴技術及其應用前景進行詳細介紹。

1 GDI汽油機混合氣形成模式

發(fā)動機混合氣的形成關系到發(fā)動機的燃燒性能和排放特性，因此一直是發(fā)動機中最重要的工作過程之一。而 GDI汽油機正是因為其在混合氣形成中更高的靈活性和更多的可控參數(shù)才使得其整體性能有了大幅提升。目前 GDI汽油機的混合氣形成一般分為分層混合和均質混合，而分層混合又可分為壁面引導型、空氣引導型和噴注導向型。

1.1 分層混合

GDI汽油機在部分負荷時使用分層混合氣工作是改善過程效率的一種有效方法。分層混合時，噴油應發(fā)生在壓縮期間或僅僅發(fā)生在壓縮將近結束時，這樣才能確保燃燒室內的充氣分層成為可能。在點火時刻，火花塞附近需要有可燃混合氣，在遠離火花塞的區(qū)域，應有非常稀薄但仍可燃燒的混合氣，或者應有純空氣或通過有組織的廢氣再循環(huán)而獲得的純廢氣。

為了在GDI汽油機上實現(xiàn)分層充氣模式，燃油導入和相關混合氣形成可以采用各種不同的方法。通過研究這些不同的概念，出現(xiàn) 3種不同的混合氣形成模式，分別為壁面導向型、空氣導向型和噴注導向型。

1.1.1 壁面導向型分層混合模式

目前市場上的第一代分層充氣發(fā)動機大多是以壁面導向型燃燒過程為基礎而設計的，該混合過程的特點是火花塞與噴油器之間的距離較大。噴注與燃燒室壁面相互作用，導致了混合氣的形成和將混合氣傳輸?shù)交鸹ㄈ倪\動。通過渦流或滾流，并借助于專門設計的活塞頂表面，將燃油噴注引導到火花塞。由于在這個混合過程中，燃油噴注被直接導向活塞，所以聚集的燃油量增加，從而使未燃碳氫化合物排放增加。此外，噴油定時與活塞運動直接相關，因而也就與發(fā)動機轉速直接相關?；旌蠚庠茍F從噴油器傳輸?shù)交鸹ㄈ^程中經(jīng)歷較長的距離，這就要求在各種發(fā)動機轉速下都要有專門的、穩(wěn)定的充量運動，并且為了穩(wěn)定燃油蒸汽，要精確計算噴油時刻和點火時刻。由于所用噴油器的混合氣形成特性以及噴射對活塞運動的依賴性，可能的穩(wěn)定分層充氣模式局限于發(fā)動機低速和小負荷，因此節(jié)油的潛力也就局限于這個與用戶關系并不大的特性圖上的區(qū)域。由于極為稀薄的分層充氣模式產(chǎn)生高的 NOx排放，所以這種混合過程并不能充分利用分層混合可能的潛力。另外，為了獲得穩(wěn)定的燃燒，不可能總是進行無節(jié)流工作。這個高壓過程的效率遠遠低于理論值，這是因為在活塞頂上所形成的油膜不完全燃燒，以及50%放熱點過度提前引起的顯著損失。此外，在實際行駛中，在分層充氣工作模式時會存在廢氣后處理引起的額外損失。

由于上述原因，到目前為止所實現(xiàn)的壁面導向型燃燒過程都尚未充分利用缸內直噴在降低油耗和排放上的潛力。但作為第 1代的分層混合模式，壁面導向型證明分層混合的可行性和優(yōu)越性，為第2代分層混合模式的開發(fā)積累了寶貴的經(jīng)驗。

1.1.2 空氣導向型混合模式

空氣導向型僅靠進氣側的空氣運動來實現(xiàn)將燃油傳輸?shù)交鸹ㄈ诖藗鬏數(shù)耐瑫r，燃油噴注與空氣混合。特殊形狀的活塞也會對空氣運動起到促進作用。與壁面導向型不同，空氣導向型應避免燃油與燃燒室壁面之間的接觸。因此，從理論上講，燃燒室壁面上應該沒有燃油積聚現(xiàn)象，因為在進氣的同時完成燃油與空氣的充分混合。這種混合過程的成功實現(xiàn)依賴于噴注與導向進氣運動之間的匹配。在這個意義上講，將定向空氣運動很好地維持到壓縮階段特別重要。然而，這些要求的渦流和滾流會使充氣效率下降，從而導致性能受損。像壁面導向型一樣，噴嘴和火花塞之間的距離大，因此只能通過定向進氣流嘗試將噴射的燃油傳輸?shù)交鸹ㄈ？諝鈱蛐突旌夏Ｊ奖蛔C明是極其艱難的，對定向空氣流的要求太過苛刻，而缸內氣流受活塞運動的直接影響，因此要在不同的轉速和負荷下獲得滿足要求的定向氣流很難實現(xiàn)，因此空氣導向型并未在直噴汽油機上大量應用。

1.1.3 噴注導向型混合模式

噴注導向型混合模式依靠空氣動力效應實現(xiàn)燃油噴注與周圍空氣的混合。因此，其分層梯度非常高，即在噴注的心部有極濃的混合氣，而在朝向噴注的邊緣過量空氣大幅度增加。在這兩個區(qū)域之間，有一個可燃混合氣區(qū)。根據(jù)汽油機缸內直噴的原理，火花塞的布置應保證在所有的工作點上，在點火時刻火花塞電極附近有可燃混合氣可用。這個過程很大程度上依賴于所用的噴油器的噴霧特性，并對噴霧特性的干擾即波動會做出極為敏感的反應。噴注導向型目前還存在很多問題。在部分負荷和怠速燃燒時燃燒室溫度低，噴嘴上會形成積碳，并會明顯影響噴注形狀，從而對混合氣形成造成大的偏差。部分負荷和怠速時燃燒室的低溫還會導致火花塞積碳，其直接后果是點火缺失。另外，在噴油期間，液態(tài)燃油與因前面燃燒過程而高溫的火花塞直接接觸，這些液態(tài)燃油便快速蒸發(fā)，這就使火花塞承受較大的熱沖擊，具有很大的熱負荷。在噴注導向型混合模式中，噴油與點火從時間順序上被牢牢地結合在一起，二者只能間隔幾度曲軸轉角。為了獲得有利于提高燃燒效率的點火時刻而將噴油時刻推遲，因此只剩下極短的時間用于混合氣形成，而這往往導致混合氣質量不佳。噴注導向型還存在發(fā)動機低速時混合氣形成不充分，高速時出現(xiàn)混合氣飄移的現(xiàn)象。

雖然存在很多問題，但很多學者都認為只有噴注導向型燃燒過程能夠充分利用分層充氣工作模式的潛力，因此，采用噴注導向型分層混合的缸內直噴汽油機被稱為“第2代缸內直噴”。

1.2 均質混合

均質混合是指燃油在進氣過程的初期直接噴入燃燒室，因此，用于混合氣形成的時間相當充裕，即使在發(fā)動機高速時，混合氣的形成和均質化都會有足夠的時間，這樣就減輕了混合氣形成的困難。均質混合時，整個發(fā)動機工作范圍上的功率通過量調節(jié)來控制，即通過節(jié)氣門來調節(jié)混合氣量，就像化油器式汽油機和進氣管噴射發(fā)動機一樣，按進氣量的大小對噴射的燃油進行調節(jié)，從而使所有負荷條件下的空燃比幾乎相同。盡管均質混合無法在怠速和部分負荷工況時大幅減小燃油消耗，但利用燃油直接噴入氣缸的冷卻作用，使得其爆燃傾向低于進氣管噴射發(fā)動機。如果將改善的爆燃特性用于提高壓縮比，可以讓壓縮比提高1.5～2.0，根據(jù)理想發(fā)動機過程的理論分析，可以得知油耗大約降低5%。如果通過增壓強制進氣，改善充氣效率，即可在不改變發(fā)動機排量的情況下提高發(fā)動機的功率?；蛘咄ㄟ^增壓來減小發(fā)動機排量（縮小尺寸），保持功率不變，這也使得摩擦損失減小，油耗降低。另外，采用均質混合缸內直噴發(fā)動機可以繼續(xù)利用傳統(tǒng)的三元催化轉化器廢氣后處理技術，具有滿足世界各國廢氣排放標準的可能性，由于不必采用稀薄燃燒所需要的NOx存儲催化器而降低了成本，同時也減少了無硫燃料的使用。

2 GDI汽油機燃燒模式

對應于不同的混合氣形成模式，GDI汽油機具有相應不同的燃燒模式。分層混合對應于各種分層燃燒模式，均質混合對應于均質燃燒模式。不同的燃燒模式適應于不同的工況，發(fā)動機高轉速、高負荷時采用均質燃燒模式，這樣能滿足其快速響應性和動力性要求；怠速和部分負荷時采用分層燃燒模式，可以大幅度降低油耗。除此之外，還有一種先進的燃燒模式，均質壓燃（HCCI），這是一種能進一步發(fā)揮出缸內直噴優(yōu)勢的燃燒模式，能有效提高汽油機整體性能。

2.1 缸內直噴均質燃燒模式

均質燃燒模式的燃燒過程與進氣管噴射發(fā)動機非常相似，在空氣/燃油混合氣點燃之后，一個幾乎呈球形的火焰前鋒從火花塞開始，向燃燒室傳播。在傳播中，由于與缸內氣流的相互作用和湍流的作用，火焰前鋒出現(xiàn)不同程度的扭曲、分裂，燃燒區(qū)加厚。當混合氣均質化狀態(tài)良好時，就會出現(xiàn)幾乎全面的預混合燃燒，燃燒以理想的預混火焰為特征。然而，對缸內直噴發(fā)動機來說，獲得理想的混合氣均質化并不是一件容易的事。因此，在點火時刻由于燃燒室內部氣流的作用，在火花塞處會出現(xiàn)混合氣狀態(tài)的循環(huán)變動，這將對燃燒的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。在汽油缸內直噴期間，燃油只有在進氣行程噴入燃燒室。在不利的噴注特性和不良的點火正時的情況下，這將導致噴注接觸活塞表面，使活塞頂表面被燃油濕潤，并因為蒸發(fā)條件不良而形成油膜。在擴散火焰中，這些油膜燃燒緩慢且不完全，從而使碳煙和未燃碳氫排放增加。特別是對于噴油器安裝在垂直位置的燃燒過程，這種情況必須考慮。在均質工作模式時，利用在燃燒室內具有小的噴注垂直貫穿度的合適的噴射系統(tǒng)，就能避免出現(xiàn)活塞頂濕潤現(xiàn)象。因此，為了滿足混合氣準備期間的高要求，現(xiàn)代缸內直噴汽油機比傳統(tǒng)汽油機工作要復雜得多，因而噴射系統(tǒng)成本更高。此外，噴射時刻必須保證在活塞下行過程中，活塞所處的位置距離噴注有足夠的距離。

2.2 缸內直噴分層燃燒模式

分層燃燒模式與均質燃燒模式存在很大的不同。分層模式的燃燒不會達到燃燒室壁面，而是在極為稀薄的混合氣區(qū)域，在離缸壁某一距離處會停下來。分層燃燒的火焰?zhèn)鞑ハ喈斃щy，在火花塞處的混合氣點燃之后，燃燒限制在局部區(qū)域。特別是噴注導向型燃燒過程，由于火花塞與噴油器靠的很近，應該在沒有專門的空氣引導的情況下工作。然而，即使對噴注導向型燃燒過程，有組織的空氣運動也能加速混合氣的形成與燃燒?？諝膺\動能改善噴注的熱能輸入，因而對必須在極短時間內完成的混合氣形成過程有利。在分層燃燒時，混合氣準備不充分，空燃比梯度大，伴有擴散燃燒。貫穿整個氣流結構的有組織的氣流運動會在燃燒室內產(chǎn)生湍流，在點火時刻這些湍流可使火焰前鋒加速，可獲得更快速、更充分的燃燒，總效率得到改善。不同特性的空氣運動會對燃燒產(chǎn)生不同的效應。通常，渦流維持的時間比較長，在點火時刻和燃燒期間，具有大量的動能，從而使燃燒速度加快。滾流對燃油傳輸產(chǎn)生系統(tǒng)的影響，并防止燃油附著于活塞上，從而對HC排放產(chǎn)生有利影響。通過進氣運動帶入燃燒室的動能主要產(chǎn)生擾流脈動速度，從而導致燃燒速度的加快。通過一個遍布整個燃燒室的氣流，可將火焰引導到燃燒室中心，并穩(wěn)定在這里，從而提高燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性。

2.3 HCCI燃燒模式

HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）具有高熱效率、超低NOX和PM排放的優(yōu)點，近年來在汽油缸內直噴發(fā)動機上實現(xiàn)可控 HCCI燃燒成為國際上的一個趨勢。在均質混合氣中，如果先期反應時間足夠長并且壓力和溫度分布也適當?shù)脑?，就會產(chǎn)生自燃。均質壓燃期間的自燃與傳統(tǒng)汽油機的爆燃不同，一方面，混合氣明顯變稀?。ㄈ加蜐舛葴p?。虼司植糠艧釡p??；另一方面，整個燃燒室的溫度分布和燃燒反應進程幾乎均衡的狀態(tài)導致了整個缸內混合氣均勻地出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，并未像爆燃一樣，自燃僅僅出現(xiàn)在局部的有限的末端混合氣中。因此，在均質壓燃中，有害的爆燃沖擊波得到了避免。

在HCCI中，不可能通過一個參數(shù)（例如火花點火的點火正時或柴油機的擴散燃燒的噴射時刻）直接影響燃燒過程，并因此來控制燃燒始點。HCCI的燃燒始點受空氣/燃油混合氣的自燃性的影響，主要影響參數(shù)有混合氣性質（自燃傾向）和著火前的瞬時溫度分布。具體可以描述為：燃料的自燃性，局部的燃油濃度（空燃比和混合氣的均勻度），殘余廢氣量和殘余廢氣成分，燃油進入之后的混合氣瞬時壓力和溫度分布（進氣溫度、殘余廢氣溫度、進氣管壓力、氣缸壓縮壓力）。相應地，可以采用進氣預熱、壓縮比可變、改變燃油成分、改變殘余廢氣量等方法來控制燃燒始點。

由于在車用發(fā)動機上采用 HCCI能大幅度提高燃油經(jīng)濟性并有效改善其排放特性，各大汽車廠商都在 HCCI燃燒模式的研發(fā)上傾注了大量的人力物力。但目前HCCI技術距離在發(fā)動機上大規(guī)模應用仍然很遠。首先，由于均質壓燃燃燒時間的控制是間接的，因此能否對車用均質壓燃汽油機進行可靠的控制就成為能否在車輛上應用均質壓燃的一個決定性因素。有不少學者對HCCI在車用汽油機上應用的可行性持懷疑態(tài)度就是因為擔心燃燒時間控制的可靠性。車用發(fā)動機需要在工況范圍寬、工況變化速率大、環(huán)境（溫度、濕度、壓力）差別大、所供應的燃油品質和特性差別大的情況下可靠的工作。點燃式汽油機和柴油機依靠點火和噴油時間來控制燃燒時間，能夠對車用發(fā)動機燃燒時間進行可靠控制，而HCCI通過控制混合氣達到自燃溫度的時間來實現(xiàn)對燃燒時間的控制。在某個特定的工況下，實現(xiàn)對均質壓燃燃燒時間的控制并不難，但要在上述所有情況下對均質壓燃燃燒都能進行可靠的控制就不是一件容易的事。

HCCI汽油機能否滿足對燃燒時間進行可靠控制的要求需要從 3個方面來衡量：一是能否在整個均質壓燃工況范圍內對燃燒時間進行可靠的控制；二是能否在環(huán)境溫度、油品特性等外界因素差別很大的情況下對燃燒時間進行可靠的控制；三是能否在包括冷啟動在內的工況迅速變化的情況對燃燒時間進行控制。

雖然HCCI技術面臨的問題十分困難，但它在節(jié)能減排方面的潛力卻也十分誘人，因此才會有這么多的商家和學者愿意為它的實現(xiàn)付諸不懈的努力。一旦HCCI技術能滿足上述要求，則均質壓燃技術在車用汽油機上的應用就不遠了。

3 GDI技術對發(fā)動機其他系統(tǒng)的 影響

采用GDI技術后，發(fā)動機整體性能都會發(fā)生改變，它對發(fā)動機的其他系統(tǒng)也提出了更高的要求，包括燃油噴射系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、配氣機構、活塞和機體都要進行優(yōu)化設計。

GDI發(fā)動機對燃油噴射系統(tǒng)的要求較傳統(tǒng)的氣道噴射發(fā)動機要高很多。GDI發(fā)動機要求噴油時間更加準確，噴油壓力更高、噴油特性更加穩(wěn)定。特別是在分層燃燒系統(tǒng)中，發(fā)動機燃燒性能對噴油特性的依賴更大。對于噴注引導型燃燒模式，發(fā)動機留給油氣混合的時間十分短暫，而且對于噴油特性的變動相當敏感。噴注細小的偏移都將引起極大的燃燒性能惡化。因此，它要求噴油系統(tǒng)能提供很高的噴油壓力來保證燃油的霧化和混合，還要噴油系統(tǒng)的噴油特性極其穩(wěn)定來保證燃燒的穩(wěn)定性。

GDI發(fā)動機對點火系統(tǒng)的要求也更高。在分層混合和HCCI中，點火時火花塞附近的混合氣濃度變化很大，為了保證在混合氣較稀時也能保證可靠點火，點火能量較傳統(tǒng)汽油機要高。除此之外，由于燃油直接噴到燃燒室內，特別是對于噴注引導型，燃油直接與火花塞接觸，導致火花塞承受很大的熱沖擊并且很容易積碳。這就要求火花塞具有較高的耐熱性，還要有一定的自清潔能力來保證點火系統(tǒng)的可靠性。

GDI發(fā)動機還要求活塞和氣門等部件具有更高的質量。GDI發(fā)動機往往和縮小尺寸、增壓、發(fā)動機高速概念聯(lián)系在一起，這些發(fā)展常常會導致比輸出的提高，這關系到活塞熱輸入的增加和氣缸峰值壓力的提高。根據(jù)分層充氣工作的混合氣形成模式（壁面導向型），汽油缸內直噴有時需要在活塞頂上采用復雜的燃燒室結構，這將對活塞的質量和制造工藝產(chǎn)生很大的影響。在從混合氣缸外形成到缸內形成的轉變期間，換氣部件（進、排氣門及其摩擦學配合件）、氣門導管和氣門座圈直接接觸燃燒氣體，并且在負荷范圍和摩擦學環(huán)境方面經(jīng)歷著復雜變化。燃燒對這些零件的影響是使零件溫度、零件溫度分布和工作壓力發(fā)生變化。這些改變對配氣機構設計的邊界條件影響非常大。由于更好的缸內冷卻和更高的抗爆能力使汽油機缸內直噴實現(xiàn)了高壓縮比，所以也會出現(xiàn)高的燃燒峰值壓力，提高了的峰值壓力對氣門的耐久性設計是至關重要的。而且，由于混合氣在缸內形成，在氣門與氣門座之間沒有起潤滑作用的燃油油膜存在，這一點與氣道噴射發(fā)動機不同。試驗表明，GDI發(fā)動機的氣門座圈必須選擇高合金材料，必要時，采用氣門密封錐面硬化處理。在排氣期間，汽油缸內直噴渦輪增壓發(fā)動機要求在氣門座圈上采用鈷硬化錐面以及采用氣門座圈專用材料。另外，GDI汽油機在部分負荷時，在燃燒室內和進氣門上常常有積碳的傾向。由于在氣門開啟縫隙處的氣流流通橫截面逐漸減小，所以積碳會導致功率下降，同時對油耗和排放特性產(chǎn)生不利影響。在個別情況下，由于氣門質量持續(xù)增加，會出現(xiàn)進氣門動作不遵循規(guī)定曲線的動態(tài)問題。最糟糕的情況是在某些情況下積碳碎片的脫落會妨礙氣門座的正常密封功能，從而干擾發(fā)動機的正常工作。因此，對于GDI汽油機的活塞和氣門等部件必須進行優(yōu)化設計，這樣才能充分發(fā)掘汽油機缸內直噴技術的優(yōu)勢。

4 GDI汽油機的應用前景

汽車發(fā)動機技術進步的驅動力是各國越來越嚴格的排放法規(guī)和越來越低的油耗要求。雖然現(xiàn)行的技術標準要求很高，但是缸內直噴汽油機在降低油耗方面仍然具有巨大的潛力。缸內直噴與渦輪增壓相結合已成明顯態(tài)勢，在這種情況下，汽油機不僅有希望降低油耗和污染物排放，而且還能進一步提升駕駛樂趣。在發(fā)動機中小負荷和中低轉速范圍，分層充氣很有意義，并且在將來會得到更頻繁的應用。噴注導向型混合氣形成和燃燒過程尤其適用于這種工作范圍。從目前的發(fā)展和知識狀態(tài)來看，需要進行廣泛的研發(fā)工作，才能對該過程的提高效率和降低污染物排放的全部潛力進行充分挖掘。在今后若干年中，采用這種噴射的目標應該是實現(xiàn)混合氣的可靠形成，以致在所有希望采用分層充氣模式的情況下，通過廢氣分層，在新鮮混合氣與環(huán)境空氣或者環(huán)境廢氣之間形成理想的分層，從而實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒并降低油耗。

到目前為止，有關缸內直噴汽油機的研發(fā)仍然處于初級階段，而讓采用稀燃工作和分層充氣的噴注導向型缸內直噴在全世界得到應用，有關的研發(fā)工作還遠遠不夠。為此，幾乎所有的汽車制造商現(xiàn)在和今后數(shù)年都將在汽油機中采取均質混合缸內直噴，并且在大多數(shù)情況下采用增壓。這樣的優(yōu)點是與混合氣在缸外形成相比，比功率大幅度提高，從而帶來更大的駕駛樂趣。在與已被證實的三元催化轉化器排放后處理措施相結合之后，這種均質缸內直噴還會滿足所有現(xiàn)在和未來的排放標準，使汽油機缸內直噴在全世界應用成為可能。另外，缸內直噴在燃燒參數(shù)的控制上具有很高的靈活性，因此，相信還會有更多的基于缸內直噴的發(fā)動機先進技術出現(xiàn)。

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