汽油机缸内直喷技术的研究现状及技术难点

1 GDI发动机的技术现状

1.1 燃油供给和喷射系统

现代的GDI发动机燃油供给系统均采用了精度高、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。

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。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。

1.2 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入气缸，实现均质预混合燃烧，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。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。

1.3 燃烧系统

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：(1)喷束引导法。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。福特、本田公司生产的某些机型采用这种燃烧系统。(2)壁面引导法。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、日产等公司开发的机型。(3)气流引导法。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。

1.4 缸内空气运动的组织

GDI发动机缸内空气的运动有涡流、滚流和挤流。目前大部分GDI发动机应用涡流作为缸内空气运动的主要形式，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。但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，也可利用滚流和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，从排气侧到进气侧的挤流还能提高燃烧速度。

2 存在问题及前景展望

制约GDI发动机发展的主要技术难点是排放问题。主要表现在：(1)中小负荷下未燃碳氢(UBHC)的排放较多，其主要原因有采用分层混合气时引起火焰从浓区向稀区的熄灭，稀空燃比工作条件造成缸内温度偏低，也不利于未燃碳氢随后的继续氧化。远距离方式组织的燃烧系统因喷雾碰壁较多，而活塞顶和缸壁的温度低，形成的UBHC也较多。其它设计不当引起的混合气混合不充分和火焰延迟，也会造成火焰传播速度降低，使UBHC排放升高。(2)因为空燃比不在当量比附近，目前成熟的三元催化技术不能得到有效利用，因而NOx排放较高。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)在低负荷、过渡工况和冷起动的情况下，GDI发动机的微粒排放比进气道喷射发动机有明显增加。

除了排放方面的问题外，GDI发动机的发展还有以下一些技术难点：在理论要求的范围内控制分层混合气的组织和燃烧较为困难；工况变化时负荷平滑过渡所要求的喷射策略较为复杂；气缸内的燃烧沉积物较多造成火花塞污染；高压供油系统零件的磨损较快、成本较高等。

降低GDI发动机的排放使其满足日益苛刻的排放法规是各国研究人员努力的重点，测试证明，起动过程和起动后阶段所排放的有害物质能够达到排放物总量的90%，因此，采用“分层燃烧起动”和“两次喷射加热”相结合的方法，对GDI发动机是一种很有效的排放对策，大量发动机台架试验和实车试验已经证实了这一点。可以预料，随着喷射技术和排气后处理技术的不断进步，GDI发动机在排放和其他方面的性能将会得到进一步的改善，GDI汽油机无疑会占领车用发动机更多的市场份额。