汽油机GDI技术发展的分析与研究

1、汽油机GDI技术发展分析与研究摘要：本文详细介绍了汽油机缸内直喷(GDI)技术的发展历程、技术特点、亟待解决的问题及今后研究工作的重点。指出了排放的控制措施将成为决定其推广实用的关键因素。最后对汽油机缸内直喷技术的发展进行了展望。关键词：汽油机缸内直喷排放1 GDI技术的发展上世纪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

2、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。1996年，日本的三菱公司率先采用立式进气道与弯曲顶面活塞。在进气行程中吸入的空气通过立式进气道被吸入气缸，形成强烈的滚流。喷射的燃油经曲面形的燃烧室壁面引导被送到位于气缸中央的火花塞附近，形成稳定的燃烧。开发的汽油直喷发动机应用于运动型轿车Galant上，其油耗和二氧化碳的排放比同功率的传统汽油车降低了30%。随后，装备了GDI发动机的中级轿车Caris

3、ma投放到西欧市场。2000年底，大众公司研发了稀燃直喷式汽油机Lupo PSI，其高行驶功率下的百公里燃油消耗仅4. 9L，是世界上第一辆5L汽油机汽车。实验表明，Lupo PSI的燃油消耗与同输出功率的进气道喷射汽油机相比，降低了34%。2004年，奥迪公司研发了2. 0T-FSI燃油分层直接喷射增压汽油机。随后为A级轿车研发了1. 8T-FSI高性能发动机， 2007年初装备到新款奥迪A3轿车上。2005年配备在全新奥迪A4 2. 0T上的TFSI涡轮增压汽油直喷发动机被权威杂志评为全球十大发动机第一名，代表了世界汽车发动机技术的顶尖水平。日本丰田公司的GDI发动机使用了可变涡流技术，通

4、过缸内气流运动的组织，在火花塞周围形成可点燃的混合气。为了降低NOx排放，在使用EGR的同时采用了NOx吸附催化反应器。试验结果表明，装有该发动机的汽车油耗为17. 4Km/L，而相应的装有PFI发动机的汽车油耗为13Km/L，节油达34%左右。美国福特公司的GDI发动机采用均质的当量燃空比附近的混合气，利用传统的三元催化反应器，降低了排放处理方面的困难。稳态试验表明，部分负荷下，汽油机的燃油经济性有5%的提高，而怠速时能提高10%。2缸内直喷汽油机的技术特点缸内直喷汽油机以传统电控喷射系统为基础，对结构和控制技术进行优化，以此改善了混合气的形成与燃烧过程。2. 1分层燃烧缸内直喷汽油机这种发

5、动机，部分负荷情况下采用分层燃烧，在火花塞附近形成极易点燃的较浓混合气，而在其他区域，则追求无油区，即形成空燃比趋向无穷大区域。主要有壁面阻挡型和软喷射型等燃烧系统。丰田D-4发动机采用壁面阻挡型稀薄燃烧系统(图1)。当活塞运动到一定位置时，喷油器喷出的油束到达与活塞顶部凹坑基本垂直的壁面上，与壁面碰撞并飞溅。进气气流经过电控涡流阀(E-SCV)，形成斜向进气涡流。空气涡流运动使已蒸发的汽油蒸气和飞溅的油滴沿壁面横向运动，促进缸内混合气的形成。喷油器为高压旋流式(8MPa13MPa)，雾化性能好，雾滴高度微粒化，雾滴直径小于5m。喷射方式控制灵活，对不同转速与负荷采用不同的喷油控制方式，并带有

6、电控废气再循环系统和氧传感器、三元催化器闭环控制系统等。试验结果表明，其轿车工况试验油耗为17. 4Km/L，而相应的装有PFI发动机的汽车油耗为13Km/L，节油达34%左右1。ab图1丰田D-4稀薄燃烧系统三菱4G稀燃系统(图2)与丰田D-4系统相近。进气采用立式进气道，能够产生强大的进气气流，直接流入气缸，流速可达40m/s50 m/s，充气效果好，以保证高度的纵向涡流及充气系统。活塞顶部的凹坑浅，且壁面有一定的斜度。在部分负荷输出时，油束与壁面碰撞后飞溅的油滴，随含有汽油蒸气和细小油滴的气流斜向上运动(图2中倒滚流)，被位于缸盖中部的火花塞点燃。与丰田D-4系统一样采用高压旋流式喷油器

7、，但喷油压力为5. 0MPa，低于D-4系统。发动机通过ECU直接用脉冲电流的宽度控制高压旋流式喷油器(如图2所示)喷油量的多少，利用特殊的喷孔形状，向气缸内喷出旋转的雾状燃油，与挤压空气涡流快速地混合，以便点火分层燃烧。高压旋流式喷油器采用的是瞬时高电压和大电流“峰值保持型”控制方式(用100V110V和17A20A打开，又用限流电阻以3A5A的电流保持开启状态)。这样，喷油器可以小型化，又缩短了"无效喷射时间"，开启速度快，响应性好，计量准确。图2三菱4G稀薄燃烧系统2软喷射型缸内直喷汽油机主要依靠适当的喷雾特性来形成分层混合气。由于喷雾具有贯穿度较低、喷雾锥角较大、雾

8、滴平均直径较小等喷雾特性，故称为软喷射(如图3所示)2。a b图3软喷射型缸内直喷汽油机2. 2匀质混合燃烧缸内直喷汽油机福特汽车公司PROCO (Programmed Combustion Injection)稀薄燃烧系统是程序化燃烧过程的缩写，采用匀质混合缸内直喷汽油机(如图4所示)。进气道为螺旋式气道，汽油直接喷射到燃烧室内，利用涡流和滚流进行油气混合。喷油器位于中央，两侧各有一个火花塞。由于汽油在缸内雾化需要吸收能量，混合气温度下降。因而可以采用高压缩比(=15)的发动机，并可在空燃比A/F=25的条件下工作1。图4福特PROCO稀薄燃烧系统33 GDI发动机目前存在的问题GDI发动机

9、拥有很多优良的性能，如:油耗低、污染小、动力性能好等等。但是GDI技术同样存在着许多技术瓶颈制约了它的进一步发展和应用，亟待改进。3. 1排放问题2GDI汽油机的开发成功，极大地提高了汽油机的燃油经济性。但其排放总体上要高于工作在理论空燃比下，附加三元催化等尾气处理装置的进气道喷射汽油机。其排放问题主要有:1)中小负荷下未燃HC排放较多。采用混合气分层后，极易造成火焰从浓区向稀区传播时熄灭。同时，稀燃造成缸内温度偏低，不利于未燃HC随后的继续氧化。壁面阻挡型直喷系统，因喷雾碰壁较多，而活塞顶和缸壁的温度低，使HC排放较高。2)NOx的排放。虽然因采用较稀的空燃比，气缸内的反应温度较低，但由于分

10、层混合气由浓到稀将不可避免地出现混合气过浓或浓混合气区域过大的状况，这些区域恰恰是高温区域，使NOx生成增加。另外，GDI发动机较高的压缩比和较快的反应放热率也会引起NOx升高。3)微粒排放。因为局部区域过浓的混合气和未蒸发的液态油滴扩散燃烧而引起颗粒排放增加，并且缸内温度低也造成了微粒氧化不完全。3. 2催化器问题3GDI汽油机工作在稀空燃比条件下，其造成的富氧和较低的排气温度使传统的三元催化器对NOx的转化率不高，废气排温较低不利于三元催化器的起燃，限制了它在GDI汽油机上的应用。3. 3积炭问题4由于GDI汽油机，火花塞点火燃烧的是占据小部分空间的分层混合气，其他空间只有极微量的燃油存在

11、，且燃料的气化蒸发使缸内温度偏低，点火后火焰在传播过程中逐渐减弱，到达分层混合气以外的其他空间时，极易造成熄火，使混合气不能充分燃烧，产生积炭。3. 4喷油器问题GDI汽油机的喷油器置于气缸内，由于喷油压力低，喷孔没有自洁能力，很容易积垢，造成喷油量减少、喷雾特性变坏，进而使发动机的燃烧恶化，影响发动机的功率输出和排放。3. 5控制策略问题在实际GDI汽油机上，理想的混合气浓度均匀递降的分层不可能实现，使得精确分层混合气的控制和燃烧过程组织的难度相当大。发动机不同负荷的喷油时刻相差较大，各种负荷间平滑过渡所要求的喷射策略也较复杂，因此实现发动机输出动力的连续变化需要较复杂的控制策略。直喷汽油机

12、的开发难点，还体现在燃烧系统的优化和喷油系统的开发比较复杂，电控系统精确控制难和开发成本高，对汽油喷雾和空气的混合运动认识不足等方面。另外，GDI较高的喷射压力要求也造成汽油泵和喷油器功率要求高，汽油的润滑性差，因此，如何开发出抗磨损能力强、功率消耗低的供油系统和燃油喷射系统，也是直喷汽油机需要解决的一个问题。4 GDI技术研究方向现在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。4. 1降低NOx排放的技术1)稀燃催化器。稀燃催化器的开发将直接影响到GDI汽油机排

13、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4。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。日本三菱公司采用稀燃NOx催化剂加三元催化剂的技术(图5)，NOx可以达到美国加州排放标准。2)废气再循环。废气再循环(EGR)是通过降低缸内最高燃烧温度及氧气的相对浓度从而降低NOx排放的一种有效方法。在GDI汽油机中，因稀燃使缸内富余氧气较多，可实用较高的EGR比率而不会使燃烧恶化。如果将再循环废气与可燃混合气进行分层，减少废气与可燃混合气的掺混，保证点火时刻火花塞附近有适于着火的混合气，避免废气靠近火花塞，能

14、大大提高EGR比率，从而大大降低NOx排放。采用电控EGR可以精确控制EGR比率，能较好地解决发动机的动力性和经济性与NOx排放之间的协调问题。图5三菱汽车公司稀燃催化器和二次燃烧系统4. 2二次燃烧技术5二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(图5)。通常，起动后怠速状态下的排气温度为200左右，使用二次燃烧可使排气温度上升到800。这样可大大加快催化剂开始工作的时间。反应式排气管可使发动机的排气在排气管中

15、滞留，激活与空气的反应，并使膨胀行程后期的二次燃烧反应在排气管中继续进行，从而加速激活催化剂，使HC排放降低。4. 3二次混合技术5二次混合技术是指在进气行程中先喷入所需燃料的l/4，形成极稀的匀质混合气。在压缩行程后期再次喷入剩余燃料，形成分层混合气。在火花塞点火前，缸内混合气形成超稀均质混合气和较浓的分层混合气。火花塞点火时，首先在浓混合气处形成较强的火焰，迅速向稀混合气空间传播，因火焰较强，稀混合气易点燃。稀混合气的燃烧又会反射，促进浓混合气再次燃烧，使燃料充分燃烧，减少了积炭的产生。4. 4均质压燃技术3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

16、的区域易产生碳烟。在均质混合稀薄燃烧(HCCI)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。均质压燃汽油机解决了汽油机指示热效率低的问题，空燃比不再受混合气点燃和火焰传播的限制，同时，压缩比也不受到爆燃的限制，因而，热效率大幅度提高。由于均质压燃汽油机可以在稀薄混合气中进行燃烧，NOx的生成得到抑制，减轻了尾气处理的压力。理论上HCCI燃烧可以不需要任何后处理装置即可达到欧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，一是在各种变动的工况和环境条件下可靠地工作，二是整个运行工况的平均热效率必须足够高，以弥补采用均质压燃造成的汽油机成本提高的补偿。5GDI技术的发展前景中国政府已经向世界郑重承诺，到2020年中国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40% 45%。从而车用内燃机的开发面临排放的挑战的激烈程度可想而知，缸内直喷汽油机的开发成功为此提供了一个重要的可供选择的方案。目前日本、欧美的GDI汽油机在保持汽油机动力性能优势的同时，燃油经济性也己达到甚至超过了柴油机的水平。