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汽油机缸内直喷技术分析解析

汽油机缸内直喷技术

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专业车辆工程

班级10040208

学号1004020533

姓名***

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

1GDI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Carisma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LupoPSI，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，LupoPSI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A42.0T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%。

2GDI技术的发展前景

近年来全球汽车总保有量日益增多，带来了许多问题，如健康威胁、环境污染、气候变化、能源短缺和交通拥挤等。

目前空气污染在城区已经成为非常严重的问题，汽车的有害物排放对人类的生存环境形成了一种公害性的破坏，据资料显示，市区的大气污染物60%来自于汽车尾气。

全球变暖、气候变化正在吸引人们更大的注意力，与之相对应的二氧化碳排放将成为汽车制造商要解决的主要问题。

所以GDI技术的发展就是必然的结果

但由于汽油机的燃油经济性比柴油机差，所以降低汽油机的能耗已经成为汽车界当前必须要解决的一个问题。

具有理论空燃比的均质混合气的燃烧理论在火化点火发动机上被广泛使用，它的最大优点是可以实用三效催化器来降低CO、HC和NOx等废气的排放。

不足之处是不能获得较高的燃油经济性，为了提高发动机的热效率和降低废气排放，燃烧技术在不断地发展。

汽油机经历了由完全机械控制的化油器供油为主到采用电控喷射、缸内直喷、电辅助增压和电动气门、可变压缩比、停缸等技术的变化，汽油机发展的最终方案将采用综合汽油机和柴油机优点的燃烧控制技术。

汽油直喷技术就是应以上原因而开发出来的技术。

开发车用具有汽油机优点同时具有柴油机部分负荷高燃油经济性优点的发动机是主要的研究目标。

汽油缸内直喷是提高汽油机燃油经济性的重要手段，近些年来，以缸内直喷汽油机（GasoliineDirectInjection,GDI）为代表的新型混合气形成模式的研究和应用，极大地提高了汽油机的燃油经济性。

以日本为代表的非均质直喷技术面临燃烧稳定性和后处理等问题，同时以欧洲为代表的均质直喷技术正在兴起。

3GDI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8～12MPa，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3-1。

图3-1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20～25μm，为此，喷油压力要维持在4~13MPa。

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5.0—10MPa，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3-2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，以期进一步提高喷油器的性能和使用寿命。

图3-2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-guidedsystem）

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“壁面引导法”（wall．guidedsystem）

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-guidedsystem）

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。

4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。

4.1降低NOx排放的技术

4.1.1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如图4-1，NOx可以达到美国加州排放标准。

4.1.2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4-1三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

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。

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。

4.3二次混合技术

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。

4.4均质混合压燃技术

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，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。

5.1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。

5.2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。

5.3积炭问题

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，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。

5.4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。

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