嚴景明

摘 要：該文通過介紹汽油機缸內(nèi)直噴（Gasoliine Direct Injection，GDI）技術(shù)的發(fā)展背景、技術(shù)特點、技術(shù)現(xiàn)狀，在油價不斷上漲壓力下和汽車帶來的污染日益嚴重，全球范圍內(nèi)對溫室氣體CO2排放控制的呼聲不斷高漲的條件下，滿足排放要求，因此，提升燃油經(jīng)濟性則顯得意義尤為重要。GDI今后研究工作的重點是排放的控制技術(shù)，同時展望了汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：汽油機 缸內(nèi)直噴 節(jié)能

中圖分類號：TK413.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（a）-0041-02

隨著石油資源越來越緊缺和近年來全球汽車總保有量日益增多，環(huán)境污染加劇，所以GDI技術(shù)的發(fā)展就是對排放控制必然的結(jié)果。因為汽油的燃燒效率低，所以各大汽車制造企業(yè)都在研究，采用不同途徑來改進汽油的作功效率。

經(jīng)過40多年的發(fā)展，噴油器位于進氣岐管內(nèi)的汽油噴射（PFI）發(fā)動機現(xiàn)被廣泛使用，其特點是：利用三效催化器的化學反應，稀有金屬鉑、鈀、銠等與CO、HC和NOx等進行氧化、還原作用，變成無害的H2O、CO2、N2氣體，排放到大氣中，從而達到降低污染的目的，該汽油噴射缺點是：燃油經(jīng)濟性較差。針對上述技術(shù)的限制，工程師開發(fā)出GDI技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)勢在于：在PFI技術(shù)的低排放基礎(chǔ)上，同時兼?zhèn)溆胁裼蛧娚涞呢摵筛邥r，燃油經(jīng)濟優(yōu)良的特點；因此，近些年來，GDI發(fā)動機在高、中檔轎車上逐漸使用，隨裝車數(shù)量的增加，制造成本的下降，GDI發(fā)動機會成為主流技術(shù)的代表，得以廣泛應用。

1 GDI發(fā)動機特點

與傳統(tǒng)PFI的區(qū)別是：GDI發(fā)動機在壓縮沖程中，通過安裝在汽缸頂部的噴油器，將高壓的汽油噴人氣缸中，汽油分子與缸內(nèi)空氣充分接觸，通過吸收進入空氣的熱量，得以蒸發(fā)；與PFI發(fā)動機的汽缸壁面吸熱相比，混合氣的溫度大為下降，因此，GDI發(fā)動機進氣狀況明顯改善，發(fā)動機燃燒時的爆震現(xiàn)象也大為降低。GDI發(fā)動機在傳統(tǒng)PFI發(fā)動機基礎(chǔ)之上，在控制原理和發(fā)動機構(gòu)造都采取方案優(yōu)化，從而實現(xiàn)了燃燒機理和混合方式得以改進，達到節(jié)能和減排。

2 缸內(nèi)直噴發(fā)動機分類及混合氣原理

（1）分層燃油噴射汽油機。

GDI系統(tǒng)，因為燃油是分層燃燒（Fuel Stratified Injection）故又稱為FSI系統(tǒng)。FSI系統(tǒng)的誕生，實現(xiàn)了汽油機能像柴油機一樣直接噴射燃油，并迅速混合點火燃燒。分層燃燒比傳統(tǒng)的PFI發(fā)動機的燃燒效率高，由于取消了傳統(tǒng)的節(jié)氣門，實現(xiàn)了電子控制，節(jié)流損失也減少、發(fā)動機的升功率也得以提高。

FSI系統(tǒng)在進氣沖程時，電子節(jié)氣門開度處于較大位置，解決了節(jié)流損失問題（如圖1所示），進氣時，關(guān)鍵部位是發(fā)動機進氣歧管中安裝一塊翻板，翻板向上開啟， 圖1分層燃燒模式

關(guān)閉歧管下部，讓進氣流在上部迅速通過，活塞頭部結(jié)構(gòu)采用形，氣流在頭部運動，形成進氣渦流。噴油時刻在活塞到達上止點前45°～60°的范圍內(nèi)，噴射時刻與混合過程有密切關(guān)系，汽油噴射到形凹坑位置，與進氣的旋渦氣流混合成可燃氣體?？扇蓟旌蠚庑纬傻臅r間非常短，大約為活塞運動角度40°～50°，若超過這個角度，可燃混合氣不能燃燒，分層燃燒的空燃比一般在1.6～3之間。

（2）均質(zhì)混合燃燒。

PROCO（Programme Combustion Injection）是個稀薄燃燒過程，最先由美國福特汽車公司研制成功，其本質(zhì)上也是均質(zhì)混合方式，是另一種缸內(nèi)直噴類型。

進氣岐管采用螺旋形，與柴油機相似，汽油噴射到活塞頂上的燃燒室，利用渦流和滾流進行油氣混合，渦流和滾流結(jié)合，形成可燃混合氣。噴油器安裝在活塞頂上的中央位置，在噴油器兩側(cè)分布有火花塞，霧化后的汽油需要吸收空氣熱量，致使混合氣的溫度降低，發(fā)動機的壓縮比可以提高到ε=15，過量空氣系數(shù)λ可以達到1.6，因而在更廣泛的范圍內(nèi)工作。

（3）均質(zhì)稀薄燃燒。

該燃燒方式油氣混合時間更長，通過發(fā)動機電控系統(tǒng)精確控制噴油器開啟時刻，點火時間可以選擇的范圍更寬，經(jīng)濟性更高，燃燒過程從火焰中心向周圍擴散至整個燃燒室，點火時間的要求也比分層燃燒低，因而均質(zhì)稀燃的過量空氣系數(shù)λ可以>1.1。

3 GDI發(fā)動機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

分層稀薄燃燒模式要求噴油時刻較靈活及油束霧化高質(zhì)量，GDI發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)分為高、低壓兩部分。低壓部分與PFI發(fā)動機相似，在油箱內(nèi)的低壓汽油泵輸送到高壓油泵，通過高壓共軌噴射系統(tǒng)（與柴油供給系統(tǒng)相似）再配合電控型的噴油器，實行缸內(nèi)直噴的控制。高壓油泵通過發(fā)動機凸輪軸機構(gòu)來驅(qū)動，低壓的壓力約380Kpa經(jīng)過高壓油泵加壓后達到8～12Mpa，送至分配油軌，ECU控制噴油器工作，噴油器的燃油噴到氣缸。GDI發(fā)動機供油系統(tǒng)油路如圖2所示。

GDI發(fā)動機需要霧化更細、均勻的的混合氣微粒，除進氣渦流的氣流特別強外，對噴油器的結(jié)構(gòu)和霧化質(zhì)量要求也高。在氣缸內(nèi)，燃油蒸發(fā)混合的時間很短，缸內(nèi)油粒直徑約在20～25μm，因此，汽油壓力保持在4～13MPa。為達到空氣與燃油混合均衡，從燃燒的機理來看，整個燃燒室都需彌漫霧化油粒。所以，噴油器要保證霧化的汽油微粒速度在噴射方向上速度劇減，燃油不會直接噴到氣缸內(nèi)壁，保持機油的潤滑油膜，保證氣缸與活塞的充分潤滑；而圓周旋轉(zhuǎn)方向上的油粒應保持高速圓周運動，通過直線和圓周兩向的運動，渦流型的混合氣更利于稀薄燃燒模式，提高燃油的經(jīng)濟性。

4 GDI發(fā)動機燃燒噴射系統(tǒng)分析

4.1 系統(tǒng)概述

GDI發(fā)動機的核心技術(shù)是燃燒模式的設計，發(fā)動機低負荷時，采用分層稀燃模式；高負荷時采用均質(zhì)預混模式；依據(jù)噴油器、火花塞在氣缸蓋上的布置；可燃混合氣混合類型，燃燒系統(tǒng)有三種形式。

4.2 進氣系統(tǒng)

缸內(nèi)直噴汽油機的進氣系統(tǒng)包括熱膜空氣質(zhì)量流量計、電子節(jié)氣門（EPC）、進氣歧管壓力傳感器、廢氣再循環(huán)（EGR）閥和進氣歧管翻板轉(zhuǎn)換裝置等，如圖3所示。

4.3 噴油系統(tǒng)

（1）“噴束引導法”（spray-guided system） 把燃油噴嘴靠近火花塞來布置，火花塞安裝在噴嘴的旁邊，這樣能滿足發(fā)生在燃燒室內(nèi)的稀薄燃燒期，火花塞周圍可以形成可供點火的合適混合氣濃度。福特、本田公司生產(chǎn)的某些發(fā)動機型就采用這種燃燒系統(tǒng)。

（2）“壁面引導法”（wall-guided system） 把燃油噴嘴遠離火花塞來布置，混合氣油束軌跡與優(yōu)化設計的活塞頂部相互作用，在火花塞兩極附近充滿混合比合適的微粒，如三菱、豐田、日產(chǎn)等一些日本公司開發(fā)的機型。

（3）“氣流引導法”（flow-guided system） 跟“壁面引導法”來比較，噴嘴與火花塞位置也較遠，依據(jù)氣流運動特性來滿足點火性能的要求，F(xiàn)EV、AVL公司研究的噴油系統(tǒng)就是這種方式。

5 GDI發(fā)動機所面臨主要技術(shù)難點的淺析

GDI發(fā)動機自身具有了柴油機的燃油經(jīng)濟性，但由于柴油本身的特點：最合適的著火期有兩個：自燃著火期，初始著火點期，由于汽油采用點燃方式，火花塞的位置也是不變的，在一定的條件下，所以點火初始時刻也是不變的，所以在汽油機中想要達到類似于柴油機那樣的工作方式時，首先在不同工況下，混合氣濃度要求不同，工況變化時，混合氣濃度有一個平穩(wěn)轉(zhuǎn)換期；另外，因為活塞在缸內(nèi)的高速運動，不同位置的混合氣運動軌道也要的實行控制、調(diào)節(jié)。在火花塞周圍迅速形成可燃混合氣，GDI發(fā)動機要求有分層燃燒、稀薄燃燒模式控制，因此，圍繞著這些核心技術(shù)，總結(jié)出缸內(nèi)直噴汽油機技術(shù)難點應主要有幾方面：（1）燃油噴射系統(tǒng)的適應；（2）油氣混合過程的研究；（3）燃燒系統(tǒng)的設計；（4）燃燒排放特性研究和控制。

為了實現(xiàn)燃油噴射微粒化和限制噴霧的穿透力形成較高質(zhì)量的混合氣，燃油噴射系統(tǒng)在高速時應需提高系統(tǒng)本身壓力，同時縮短噴油嘴噴油的時間，以便明顯提高燃油的經(jīng)濟性能，在低速時為了防止燃油聚集，應降低燃油系統(tǒng)的壓力，并同時延長噴油的時間。GDI的高噴射壓力要求使得汽油泵和發(fā)動機功率要求增加、汽油的潤滑性相對較差。因此，開發(fā)適應性強、功率消耗低、抗磨損能力強的燃油供給系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)，是目前直噴汽油機需要解決的一個技術(shù)問題?？諝馀c汽油混合的實質(zhì)就是缸內(nèi)流場和噴霧的相互作用，流場結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)和保持主要是通過燃燒室結(jié)構(gòu)設計來進行，高質(zhì)量的油氣混合氣的形成要求噴霧微?；?、分散化和限制直線運動，當缸內(nèi)流場特性和噴霧特性被確定后，首先需要考慮的因素就是噴油器的布置位置，隨之便是對火花塞位置進行考慮以確保穩(wěn)定的點火。而對汽油噴霧和空氣的混合運動情況認識不足加大了這方面技術(shù)的開發(fā)難度。

6 GDI發(fā)動機燃燒技術(shù)的發(fā)展趨勢

由以上的研究分析可知，GDI發(fā)動機的發(fā)展會面臨燃油經(jīng)濟性提高、穩(wěn)定燃燒的控制、性能可靠性以及排放的控制等這些技術(shù)難題的研究與解決，GDI發(fā)動機的技術(shù)在應用、發(fā)展上也主要圍繞這些核心技術(shù)問題來展開分析。

提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性，GDI發(fā)動機分層稀燃區(qū)域可以實現(xiàn)省油20%～25%，優(yōu)化GDI發(fā)動機燃燒技術(shù)采用最新一代燃燒系統(tǒng)，擴大了混合氣分層稀燃的范圍，可以提高GDI發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。HCCI技術(shù)（homogeneous charge compression ignition），也稱為均質(zhì)壓燃技術(shù)，是可以實現(xiàn)高效低污染的內(nèi)燃機燃燒技術(shù)，缸內(nèi)直噴多段噴射是HCCI燃燒在車用發(fā)動機應用上更有前景，并更具可行性的方式。通過上述的技術(shù)途徑，GDI發(fā)動機在滿足排放要求的這個前提下，能夠很大地提高它的燃油經(jīng)濟性。因此，隨著目前燃油價格不斷上漲和碳氧化合物（CO）排放限值越來越嚴格，降低GDI發(fā)動機的廢氣排放使其滿足日益苛刻的排放法規(guī)是世界各國研究人員所努力研究的重點。

7 結(jié)語

雖然GDI發(fā)動機目前還面臨著很多技術(shù)難題，高精度與很復雜的電控手段和設備也使得GDI發(fā)動機的制造成本變得昂貴，由于它良好的燃油經(jīng)濟性和越發(fā)嚴格的排放法規(guī)要求以及現(xiàn)代電子控制、制造等技術(shù)的發(fā)展條件促使它的推廣應用速度迅速加快，社會的要求給GDI的發(fā)展提供了直接的動力，GDI發(fā)動機也會最終取代PFI發(fā)動機，成為市場車輛的標準配置發(fā)動機。

參考文獻

[1] 王燕軍，王建昕，帥石金，等.缸內(nèi)直接噴射汽油機的新技術(shù)[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2002（2）.

[2] 孫勇，王燕軍，王建昕，等.缸內(nèi)直噴式汽油機的研究進展及技術(shù)難點[J].內(nèi)燃機，2002（1）.

[3] 蔣堅，高希彥.直噴式汽油機的開發(fā)[J].內(nèi)燃機工程，2004（1）.

[4] 代偉.21世紀轎車理想的動力裝置一GDI發(fā)動機[J].汽車維修，2006（3）.

[5] 蔣堅，高希彥.汽油缸內(nèi)直噴式技術(shù)的研究與應用[J].內(nèi)燃機工程，2003（5）.

[6] 武和全，姜水生，高國珍.汽油機缸內(nèi)直噴的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].江西能源，2005（3）.

[7] 史鑒明，李國祥.汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)的研究與進展[J].試驗與研究，2005（3）.