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1、目录汽油机缸内直喷技术研究与发展11简介12 缸内直喷技术特点12.1分层燃烧缸内直喷汽油机22.2匀质混合燃烧缸内直喷汽油机33 GDI发动机的技术现状43.1燃油供给和喷射系统43.2喷射模式53.3燃烧系统53.3.1“喷束引导法”(spray-guided system)63.3.2 “壁面引导法”(wallguided system)63.3.3 “气流引导法”(flow-guided system)63.4缸内空气运动的组织64 GDI发动机目前存在的问题74.1 排放问题74.2催化器问题74.3积炭问题74.4喷油器问题74.5控制策略问题75今后GDI技术研究开发方向85.1
2、降低NOx排放的技术85.2二次燃烧技术85.3二次混合技术95.4均质混合压燃技术96 GDI技术的发展前景9参考文献10汽油机缸内直喷技术研究与发展 09506226 田雷波 指导教师 谢朝燕摘要：本文通过实例介绍了汽油机缸内直喷(GDI)技术的发展背景、技术特点、技术现状、目前面临的难题以及今后技术研究工作的重点，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新技术的发展，进行了展望。关键词：汽油机 缸内直喷 排放1简介随着石油资源越来越紧缺，人们对汽车的燃油经济性要求也越来越高，为此，一种新型的汽油机燃烧方式应运而生，即发动机稀薄燃烧技术，而实现稀薄燃烧的理想
3、方式是缸内直喷分层喷油，即缸内直喷（GDI）。直喷式发动机是在气缸内喷注汽油，将喷油器安装在燃烧室内，将汽油直接喷注在气缸燃烧室内，空气则通过进气门进入燃烧室与汽油混合成混合气被点燃做功，这种形式与直喷式柴油机相似，因此，缸内喷注式汽油发动机是将柴油机的形式移植到汽油机上的一种重大创举。上世纪50年代，德国就研制了直喷二冲程汽油机，但由于当时内燃机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快速发展。缸内直喷汽油机改变了混合机理。可采用稀薄分层燃烧技术，有效地降低HC等排放。直喷方式的油滴蒸发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
4、，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。缸内直喷式发动机的空燃比达到40:1，具有节省燃油、减少废气排放、提升动力性能，减少发动机震动、喷油精度的提高、发动机更耐用等优点，目前各汽车制造企业纷纷推出了各自的缸内直喷发动机，如大众公司的FSI（燃油分层喷射）、通用公司的SIDI（点燃式直喷）、丰田公司的D4S、宝马公司的HPI（高压直喷）、三菱公司的GDI（汽油缸内直喷）、保时捷的DFI（直接燃油喷射）等。这些缸内直喷式汽油机各有自身的特点，技术先进，都明显优于进气道喷射汽油机。2 缸内直喷技术特点缸内直喷汽油机
5、是以传统电控喷射系统为基础，进行结构和控制技术的优化，使得混合气的形成与燃烧过程得到改善。2.1分层燃烧缸内直喷汽油机这种发动机，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一4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(ESCV)，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(8MPa1
6、3MPa)，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17.4KmL，而相应的装有PFI发动机的汽车油耗为13KmL，节油达34左右。图 1 丰田D4稀薄燃烧系统三菱4G稀燃系统(图2)与丰田D一4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/s一50 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
7、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一4系统一样采用高压旋流式喷油器，但喷油压力为5.0MPa，低于D一4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lOOV一110V和17A一20A打开，又用限流电阻以3A一5A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稀薄燃烧系统软喷
8、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、雾滴平均直径较小等喷雾特性，故称为软喷射(如图3所示)。图 3 软喷射型缸内喷油汽油机2.2匀质混合燃烧缸内直喷汽油机福特汽车公司PROCO(Progrannned 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=2
9、5的条件下工作。图 4 福特PROCO稀薄燃烧系统3 GDI发动机的技术现状3.1燃油供给和喷射系统现代的GDI发动机燃油供给系统设计，为了达到分层稀薄混合气所要求的喷雾质量和灵活的喷油定时，均采用了精度高、响应快的柔性电控手段。高压共轨喷射系统加电磁驱动喷油器被认为是满足缸内灵活喷射要求的喷射系统之一。该系统由低压输油泵、燃油压力传感器、喷油压力控制阀、高压油泵、蓄压燃油轨、喷油器等组成。电动低压输油泵把燃油从油箱输送到高压油泵，高压油泵由发动机凸轮轴驱动，将低压油泵送来的压力约0.35MPa的燃油压力增高到812MPa，并送往蓄压燃油轨，充满各缸喷油器的油腔。当ECU令喷油器的电磁线圈通电
10、使针阀打开时，汽油就通过喷嘴喷人气缸。直喷式汽油机供油系统油路见图5。图 5 直喷式汽油机供油系统油路GDI发动机需要形成高质量的混合气，除了依靠进气涡流外，对喷油器的喷雾质量要求很高。由于燃油蒸发混合的时闻很短，要求喷雾要微粒化，一般缸内直接喷射的平均油粒直径在2025m，为此，喷油压力要维持在4一13MPa。为了实现油气均匀混合，必须使喷雾广泛分散在整个燃烧室。另外，如果喷雾在直线方向上的运动过强，则燃油会直接喷射在气缸壁上，形成油滴沿壁流下，不利于混合气的形成，还会冲洗润滑油膜，破坏润滑性能。因此，喷油器应能保证喷射出来的汽油微粒的速度在喷射直线方向上急剧衰减，而圆周运动方向上的油粒应尽
11、量保持高速运动，这样才有利于混合气的形成。燃油喷射系统中，喷油器的结构形式对喷雾质量的影响很大。由于汽油机的喷射压力远低于柴油机，如采用多孔喷油器，其喷嘴容易在工作中积碳堵塞，雾化分层不好，燃烧时火焰传播不稳定，因此GDI发动机上一般不采用多孔喷油器。目前在GDI发动机上得到广泛应用的是内开式旋流喷油器，只有一个喷孔，工作油压为5.010MPa，其内部设有燃油旋流腔，它可以通过涡流比的选择而实现较好的喷雾形态和合适的贯穿度的配合，且喷束方向便于调整，方便了在气缸内的布置。图6为旋流式喷嘴结构简图。目前各大公司的研究人员正在广泛开展对新型喷油器的研究，重点是对其内部的结构细节进行进一步的改进设计
12、，以期进一步提高喷油器的性能和使用寿命。图 6 旋流式喷嘴3.2喷射模式GDI发动机燃油喷射模式可以分为单阶段喷射模式和多阶段喷射模式。单阶段喷射模式是指在中小负荷时，燃油在压缩行程后期喷入，实现混合气分层稀燃并采用质调节以避免节流阀的节流损失，从而使GDI汽油机达到与柴油机相当的经济性；在大负荷和全负荷时，燃油在进气行程中喷人气缸，实现均质预燃和燃烧，以保持汽油机升功率高的特点。多阶段喷射模式是指在进气行程中先喷入所需燃料的1/4，形成极稀的均质混合气，其余燃料在压缩行程后期再次喷入，形成分层混合气。火花塞点火时，首先在浓混合气处形成较强的火焰，然后向稀混合气空间迅速传播。应用该技术可实现发
13、动机从中小负荷到大负荷的平稳过渡，降低气缸内的气体温度，抑制爆燃的产生。3.3燃烧系统燃烧系统的设计是GDI发动机的关键技术。要成功实现中小负荷时的分层稀燃和大负荷时的均质预混，就需要进行燃油喷束、气流运动和燃烧室形状的优化合理配合。已经开发的GDI发动机燃烧系统。按喷油器和火花塞的相对位置和混合气的组织形式可以有3种类型。3.3.1“喷束引导法”(spray-guided system)燃油喷嘴靠近火花塞布置，火花塞位于燃油喷束的边缘，这种方式的优点是保证当整个燃烧室内为稀薄混合气时，火花塞周围仍能形成可供点火的混合气浓度。Ford、Honda公司生产的某些机型采用这种燃烧系统。3.3.2
14、“壁面引导法”(wallguided system)燃油喷嘴远离火花塞布置，利用特殊形状的活塞表面配合气流运动，将燃油蒸气导向火花塞并在火花塞间隙形成合适浓度的混合气，如三菱、丰田、Nissan等公司开发的机型。3.3.3 “气流引导法”(flow-guided system)同样是燃油喷嘴远离火花塞，利用缸内有组织的气流运动来达到上述目的。FEV、AVL公司开发的方案采取这样的燃烧系统。上述几种燃烧系统方案的划分是十分粗略的，实际情况是上述几种方案交叉存在，各种因素并存并相互影响。根据AVL的Ricardo公司的研究，火花塞布置在靠近中心的位置可以减少火焰传播距离，在怠速和部分负荷时对分层便
15、于控制，但发动机对喷油器和火花塞之间的位置误差、喷雾变形敏感，火花塞容易被燃油沾湿而形成污垢导致点火困难。另外，火花塞和喷油器都布置在中间有时会影响进气门的尺寸。远距离布置的方式可避免沾湿火花塞，但燃油碰壁较多，并且需要精确设计特殊形状的燃烧室，对缸内混合气运动的组织要求更高一些。3.4缸内空气运动的组织气缸内的空气运动对喷雾和燃烧的影响很大。GDI发动机缸内空气的运动有涡流、滚流和挤流。涡流的旋转轴线平行于气缸中心线，滚流的旋转轴线垂直于气缸中心线，挤流形成于压缩冲程活塞接近上止点时与缸盖间隙处的径向气体运动，它有助于加强压缩终点时的湍流强度。目前大部分GDI发动机应用涡流作为缸内空气运动的
16、主要形式，其特点是持续时间长，在缸内的径向发散少，对保持混合气的相对集中和分层有利，可以充分利用它来维持压缩冲程中的混合气分层。由于涡流的旋转动量与发动机的转速成正比，而油束的动量是独立的，不受发动机转速的影响，因此，利用涡流来促进油气混合有一个操作范围限制。此外，涡流比过高还会由于离心力的作用使油滴甩向缸壁，造成湿壁现象的增加。近年来，日本三菱汽车公司对滚流在GDI发动机中的应用做了大量的试验研究，结果显示，在压缩行程的后期，滚流能够有效地增加靠近缸壁处的气体流动速度，从而可以促进粘附在缸壁上的油滴快速蒸发，也可利用滚流程活塞顶部的凹坑相配合将分层混合气导向火花塞，控制油束碰撞和火焰传播，从
17、排气侧到进气侧的挤流还能提高燃烧速度。4 GDI发动机目前存在的问题GDI发动机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。4.1 排放问题GDI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
18、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。4.2催化器问题GDI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。4.3积炭问题由于GDI汽油机，火花
19、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，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。4.4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。4.5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
20、，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。5今后GDI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。5.1降低NOx排放的技术1)稀燃
21、催化器。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。日本三菱公司采用稀燃NOx催化剂加三元催化剂的技术(图8)，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
22、塞附近有适于着火的混合气，避免废气靠近火花塞，能大大提高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 7 三菱汽车公司稀燃催化器和二次燃烧系统5.2二次燃烧技术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
23、工作的时间。反应式排气管可使发动机的排气在排气管中滞留，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迸行，从而加速激活催化剂，使HC排放降低。5.3二次混合技术二次混合技术是指在进气行程中先喷入所需燃料的1/4，形成极稀的匀质混合气。在压缩行程后期再次喷人剩余燃料，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。5.4均质混合压燃技术分层稀燃GDI发动机的混合气不均匀，
24、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
25、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。6 GDI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%一45%。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。可以预见，随着GDI研究工作的深入，燃烧系统的优化、控制手段的完善、催化器的研制、燃烧技术的优化等，汽油机缸内直喷技术将得到更大的发展，并将取代进气道直喷成为电控喷
26、射的主要形式。参考文献1 王燕军，王建听，帅石金，等缸内直接喷射汽油机的新技术J小型内燃机与摩托车2002.2.2 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，内燃机，2002.1.3 蒋坚，高希彦直喷式汽油机的开发J内燃机工程，2004.1.4 蒋坚，高希彦，汽油缸内直喷式技术的研究与应用J内燃机工程2003.5.5 武和全，姜水生，高国珍汽油机缸内直喷的研究现状与发展J江西能源2005.3.6 周玉明主编内燃机废气排放及控制技术G北京：人民交通出版社，20017 蒋德明等高等车用内燃机原理(上册)G西安：西安交通大学出版社，20068 山冈丈夫三菱公司缸内直喷汽油机的废气净化新技术郭志东译J国外内燃机，1998，30(6)9 浦枥重大三菱直接喷射汽油机的新技术李思湘译J国外内燃机，2000，32(1)10 马乔林汽油机缸内直喷技术的研究现状及技术难点J北京汽车，2008(6)11 尚秀镜，江俊峰，张建昭，等汽油机缸内直喷技术和发展现状J汽车技术，2001(3)10