汽油機缸內直噴技術發展趨勢分析汽油機缸內直噴技術發展趨勢分析汽油機缸內直噴技術發展趨勢分析xxx公司汽油機缸內直噴技術發展趨勢分析文件編號：文件日期：修訂次數：第1.0次更改批準審核制定方案設計，管理制度汽油機缸內直噴技術發展趨勢1.概述 汽油直接噴射發動機（GasolineDirectInjection）簡稱為GDI發動機，是近年來國內燃機研究的熱點。專家認為，汽油機直噴技術的出現，使汽車發動機進入了一個嶄新它在21世紀有取代傳統汽油機和柴油機的趨勢，成為理想的轎車動力裝置。傳統的汽油發動機是將汽油噴射到進氣管中，與空氣混合后再進入氣缸內燃燒，而GDI發動機是將汽油直接噴入氣缸，利用缸內氣流和活塞表面的燃料霧化與空氣形成混合氣進行燃燒。GDI發動機具有良好的工作穩定性和負荷性能，同時低溫啟動性能得到了明顯改善，能實現分層燃燒，燃油經濟性大大提高，其油耗可達到渦輪增壓直噴（TDI）柴油機的水平，且省略了渦輪增壓裝置，省卻了復雜的高壓噴射系統。GDI發動機能采用稀薄燃燒技術，空燃比可高達40：1，最高甚至可達100：1，使的功率和轉矩均高于傳統汽油機，油耗、噪聲及CO2的排放量都較低。GDI發動機工作的均勻性、瞬時反應性、啟動性等均比傳統汽油發動機有較大的改進。因此，各國汽車生產企業都在大力開發這種技術先進、性能優異的GDI發動機。2.1GDI發動機技術發展現狀對于汽油機缸內直噴的工作方式,20世紀50年代德國的Benz300SL車型和60年代MAN—FM系統,70年代美國Texaco的TCCS系統和Ford的PROCO系統就曾經采用過。這些早期技術大多基于每缸2氣門和碗形活塞燃燒室,利用柴油機的機械泵和噴油器實現后噴。這些早期的GDI發動機在大部分負荷范圍實現了無節氣門控制并且燃油經濟性接近非直噴柴油機。其主要缺點是由于采用機械式供油系統,各負荷甚至全負荷時后噴時刻是固定的,燃燒煙度限制了空燃比不能超過20∶1。采用柴油機供油系統并利用渦輪增壓技術來增加功率輸出,使得汽油機性能與柴油機相似,且在部分負荷時有更差的HC排放。空氣利用效率低,機械供油系統受到轉速范圍的限制,使得發動機的輸出功率非常低。因此,受當時內燃機制造技術水平的限制,加之尚無電控噴射手段,開發出的GDI發動機性能和排放并不理想,沒有得到實際應用。20世紀90年代以后,由于發動機制造技術的迅速提高,制造精密、性能優良的內燃機部件的應用和精度高、響應快的電控汽油直噴系統的應用使得GDI發動機的研究與應用得到快速發展。GDI發動機瞬態響應好,可以實現精確的空燃比控制,具有快速冷起動和減速斷油能力及潛在的系統優化能力,這些都顯示了它比進氣道噴射汽油機更優越。采用先進的電子控制技術,解決了早期直噴發動機的控制和排放等方面的許多問題。新技術和電子控制策略的發展使得許多發動機制造企業重新考慮GDI發動機的潛在優點。1996年日本三菱汽車公司率先推出1.8L頂置雙凸輪軸16氣門4G93壁面引導型直噴發動機;豐田公司開發出了同時采用GDI和PFI兩套供油系統的2GR—FSEV6發動機;通用公司2004年開發出了采用可變氣門定時VVT技術的分層稀燃直噴發動機;寶馬公司在低壓均質混合氣直噴GDIV12發動機的基礎上,2006年又開發出了可以實現分層稀燃的R6直噴發動機;德國大眾公司2000年底利用電子控制系統把與TDI柴油機相似的原理用在汽油機上,開發了壁面引導型燃油分層直噴FSI發動機,并用于Lupo車上,其100km的平均油耗只有4.9L,成為世界上第一輛5L汽油機汽車;2004年奧迪公司開始將其—FSI燃油分層直接噴射增壓汽油機推向市場。目前,引進的大眾FSI發動機是我國唯一量產的GDI發動機。缸內直噴技術對汽油的油品質量是個嚴格考驗,正是基于這個原因,大眾在中國的FSI發動機上取消了分層燃燒技術,只保留了均勻燃燒模式。由于排放、燃燒穩定性、燃油品質、性能及可靠性等方面的問題限制了GDI發動機普遍應用,GDI技術完全替代PFI技術目前仍然存在一些技術難題。國內外的公司和研究機構也都在積極地開發設計新型直噴發動機,如AVL公司正在開發基于噴射引導和激光點火系統的新一代分層稀燃直噴發動機技術。目前,國內一汽集團、華晨、奇瑞、長安和吉利等汽車企業聯合高校正在開發理論空燃比混合氣或多種燃燒模式相結合的GDI發動機。現代GDI發動機20世紀90年代以后，以數值模擬和可視化為代表的內燃機研究手段的應用加深了人們對缸內氣流運動、混合氣形成和燃燒的認識，加之精度高、響應快的電控手段的開發，促使缸內直噴汽油機的研究得到長足的發展。下面介紹幾種GDI發動機：三菱公司的GDI發動機據Kume、Ando、Kuwahara和Iwamato等人的報道，三菱汽車公司開發的4G93型GDI發動機，燃燒系統的主要特點是利用進氣滾流配合優化設計的活塞頂曲面形狀來實現合理的分層混合氣結構，部分負荷及怠速工況下空燃比為20～40。采用了先進的電控高壓汽油泵和高壓旋流噴油器，以及較為復雜的多區控制策略。該發動機的燃油經濟性比同等排量的PFI發動機改善35％左右，充氣效率平均提高了5％，全負荷的功率輸出提高了10％。豐田公司的D-4發動機據Matsushita、Harada和Tomoda等人的報道，豐田公司開發的第一代D-4發動機燃燒系統的特點主要有，進氣道由帶渦流控制閥（SCV）的直進氣道和螺旋型進氣道組成，以形成不同強度的旋流，燃燒室的形狀設計采用了復雜的漸開線形曲面活塞凹坑，小負荷及怠速工況時的空燃比可達25～40。除了采用電控高壓汽油泵和高壓旋流噴油器外，還采用了可變氣門定時（VVT-i）技術，結合SCV技術，共同對不同工況混合氣進行調節。D-4發動機與同排量PFI發動機相比，燃油經濟性改善30％，動力性能和加速性能也提高10％左右，可變氣門定時導致的內部廢氣再循環（EGR）也可使NOx排放降低95％。1999年，豐田汽車公司又開發了第二代D-4發動機。主要變化是采用了一種具有狹長狀噴孔的噴嘴和殼狀的燃燒室。用這種噴油形成分散范圍更廣的扇形噴霧，噴霧直接噴向燃燒室凹坑底部，在氣流運動、燃燒凹坑壁面引導和噴霧反彈的作用下，火花塞周圍形成濃的混合氣。奔馳(Mercedes-Benz)公司的GDI發動機奔馳汽車公司開發的GDI發動機燃燒系統的主要特點是采用了比較簡單的燃燒室形狀，噴油器和火花塞近距離布置，使得火花塞周圍容易形成濃的混合氣，其燃燒系統為半球形氣缸蓋，活塞頂有盆形凹坑，噴油器中心布置，火花塞位于噴射油束側面。奔馳GDI發動機還采用了可變高壓共軌燃油噴射系統，噴油壓力可在4MPa～12MPa范圍內調節。這種GDI發動機NOx比同類型的PFI發動機降低35％，但UBHC排放較高。此種形式的GDI發動機在2000r/min下獲得最佳的燃油經濟性，但發動機轉速提高或降低，燃油經濟性都下降。FEV公司的GDI發動機FEV公司開發的GDI發動機，其主要特點是以一定形式和優化的滾流和渦流運動為主來控制混合氣分層的結構，并使火花塞周圍形成濃的混合氣。據Hupperich等人的報道，這種燃燒系統的放熱速率比壁面引導或者噴霧引導的都快，熱功轉化效率較高。但該燃燒系統性能受氣流運動的影響較大，不容易實現穩定的分層混合氣和燃燒，在過渡工況發動機循環波動大，難以實際應用和推廣。3GDI技術與PFI氣門口噴射技術的比較混合氣形成策略不同是PFI發動機與GDI發動機的主要區別。PFI發動機產品中,20%噴嘴裝在氣缸蓋上進氣門的背面,80%安裝在進氣歧管上靠近氣缸蓋位置,在發動機起動時,會在進氣門附近形成瞬時的液態油膜,這些燃油會在每次進氣過程逐漸蒸發進入氣缸燃燒。因此,進氣口處的油膜如同電容,具有積分的作用,發動機瞬時的供油量不能通過噴油器實現精確控制。由于部分蒸發現象導致油量控制延遲和計量偏差,冷機起動時由于燃油蒸發困難,使得實際供油量遠大于需求空燃比的供油量,這樣會導致冷起動時發動機有4個～10個循環的不穩定燃燒,顯著加大發動機未燃HC排放。GDI技術可以避免氣門口燃油濕壁現象,實現燃燒各階段準確供油,能夠實現更稀薄燃燒并且降低缸與缸之間、循環與循環之間的變動,冷起動首循環不需加濃控制,降低瞬態工況HC的排放。然而GDI發動機對燃油蒸發和混合物形成有更嚴格的要求,需要通過更高的噴油壓力提高燃油的霧化率。PFI發動機的另一限制是中、小負荷時采用節氣門來控制負荷,存在節流損失,GDI發動機在中、小負荷時采用分層充氣工作模式,通過控制噴入氣缸的油量來控制發動機的負荷,不采用節氣門可以降低泵氣損失和熱損失。GDI發動機理論上不存在上述兩方面的限制。除了具有消除油膜濕壁現象和無節氣門節流損失的優點外,GDI發動機具有優于PFI發動機的熱力學特性。GDI共軌供油系統可以顯著提高供油壓力,提高霧化質量和霧化率,這使發動機起動時前兩個循環無需額外供油就能實現穩定燃燒,這樣GDI發動機冷起動時的HC排放具有降低到穩態工況的潛力。另外,潛在的優點是可以實現減速斷油,提高燃油經濟性和降低HC排放,對PFI發動機而言,減速斷油不是可行的選擇,因為這樣會減少或消除氣門口附近的油膜,而在氣門口附近建立穩定的油膜是一個需要幾個循環的瞬態過程,這個過程能夠使燃燒室內形成很稀的混合氣,導致失火或回火。另一個潛在的優點是,缸內直噴能夠降低進氣溫度,提高充氣效率,燃油的蒸發能夠冷卻進氣,汽化潛熱主要來自新鮮充氣,而不是燃燒室壁面,在燃油早噴和后噴階段均能冷卻進氣,故在進氣過程噴油能夠提高充氣效率。GDI發動機燃油經濟性能夠得到顯著改善,對于不同的測試循環,最大可以提高20%～30%。PFI系統相比GDI系統也仍具有一定的優點如PFI發動機的進氣管相當于預蒸發室,能夠增加燃油蒸發的時間,而GDI發動機燃油直接噴入氣缸,混合氣形成的時間少,燃油噴霧微粒必須足夠小以保證燃油在噴油與點火之間的有限時間內能夠蒸發,如果燃油液滴沒能蒸發就會形成微粒和未燃的HC排放。此外,燃油直接噴到缸內,可能導致燃油沖擊到活塞頂部和缸壁表面,這些因素可能導致微粒和HC排放的增加,并加大了發動機的磨損PFI發動機的其他優點,如低壓噴射系統、可以采用三效催化器、更高的排溫提高三效催化器的效率,這些都對GDI發動機的發展提出了挑戰。4GDI發動機應用中存在的問題GDI發動機具有柴油機的經濟性并保持了汽油機的特點,相對于技術成熟的PFI發動機具有顯著優點,但是排放、燃燒穩定性等方面的問題限制了其普遍應用,目前,GDI技術完全替代PFI技術仍然存在一些技術挑戰:a)排放控制分層混合氣濃度非均勻分布,存在較濃的混合氣,在這些區域中局部燃燒溫度仍然較高,導致NOx排放較多,然而總體混合氣較稀不能有效利用三效催化器;分層混合氣外邊界較稀的部分易發生火焰熄滅現象,同時缸內噴油濕壁現象會使活塞頂部和氣缸壁混合氣過濃的區域燃燒不好,使得小負荷時HC排放相對較高;分層燃燒工況由于混合氣濃度分布不均勻,GDI發動機增加了微粒排放;b)穩定燃燒控制GDI發動機分層充氣稀燃區域的穩定燃燒控制難度較大,部分負荷分層稀燃和大負荷均質燃燒模式轉變時的控制也非常復雜;為了降低NOx排放GDI發動機采用較高的EGR率,且噴油嘴沉積物增加,都增加了穩定燃燒控制的難度;c)燃油經濟性燃油缸內直噴需要較高的供油壓力,提高噴油壓力和油泵回流增加了發動機機械損失,噴嘴、油泵驅動額外增加了電能消耗,催化器快速起燃和再生補償也增加了燃油消耗;d)性能和可靠性相對PFI發動機,GDI發動機噴嘴沉積物和積炭增多,并且由于提高了系統壓力,降低了燃油的潤滑性,增加了供油系統的磨損;由于使用較稀的混合氣,缸套的磨損增加,進氣門和燃燒室的沉積物也增加;e)控制復雜性GDI發動機從冷起動到全負荷各種工況需要復雜的供油和燃燒控制,并需要復雜的排放控制系統和控制策略,同時也增加了系統優化的標定參數。GDI發動機要求復雜的供油系統硬件,需要高壓油泵和更復雜的控制系統,由于三效催化器在GDI發動機上不能有效地使用,目前,GDI發動機面臨的重要問題是NOx排放控制。雖然GDI發動機稀燃能夠降低NOx的排放,但是達不到三效催化器降低NOx排放90%的水平。世界范圍內正在開發稀燃催化器,但目前在整個發動機工作區域的NOx轉化效率仍低于三效催化器,小負荷時HC排放增加仍待解決。5GDI發動機燃燒系統分析燃燒系統設計是GDI發動機開發的關鍵技術之一,由于要兼顧大負荷均質預混和中小負荷分層稀薄的不同要求,增加了設計難度。GDI發動機的燃燒系統設計,需要進行燃油噴束、氣流運動和燃燒室形狀等的優化合理配合,這其中還涉及到噴油器和火花塞的相對位置和方位的選取、進氣道的設計與布置、噴油定時和點火時間的優化等細節的問題。按照層流充氣方式,GDI發動機燃燒系統可以分為3種:噴束引導型,即分層混合氣形成主要依賴于噴束動態特性;壁面引導型,即分層混合氣的形成主要依賴于油束和活塞表面形狀及相互作用;氣流引導型,依賴于缸內的流場形成分層混合氣。按照噴油嘴和火花塞之間的距離,GDI發動機燃燒系統可以分為窄間距和寬間距兩種。壁面引導型和氣流引導型燃燒系統屬于寬間距設計,其優點為可降低燃燒室幾何尺寸和熱力學的設計約束,增加燃油由噴嘴到火花塞的傳輸時間,增強混合氣的形成,其缺點是混合氣形成時間相對窄間距系統長且循環波動使形成的滾流不穩定,不容實現更稀薄的燃燒,故不適合更稀薄的燃燒系統。噴束引導型燃燒系統屬于窄間距設計;其優點為具有實現超稀薄燃燒、擴大稀燃區域的潛力,其缺點為混合氣的形成時間短,增加了火花塞積炭的傾向,并且對噴束的幾何參數、噴嘴的安裝誤差以及霧化程度等非常敏感。基于窄間距設計的噴束引導燃燒系統由于具有實現更稀薄燃燒并擴大稀燃區域的潛力,因此,成為目前發動機生產廠和科研機構開發的下一代燃燒系統。6GDI發動機燃燒技術發展趨勢由上述分析可知,GDI發動機的發展面臨排放、穩定燃燒控制、燃油經濟性提高、性能可靠性以及控制復雜性等方面的挑戰。GDI發動機的燃燒技術將按照圖1所示的方向發展。采用均質混合燃燒方式采用∮a=1的均質混合燃燒方式的主要優點是能夠采用目前PFI發動機上廣泛使用的三效催化器,可以避免采用稀燃NOx催化轉化器,使其排放能夠達到越來越嚴格的排放法規。同PFI發動機和分層稀燃GDI發動機相比,∮a=1的均質混合燃燒發動機具有較多優點:a)發動機起動過程具有更快速的起動,較少的起動加濃和降低起動HC排放的潛力;b)瞬變工況能夠提高瞬態響應,減少加速加濃,實現更精確的空燃比控制,并能夠最大限度地實現減速斷油;c)燃燒過程不需要分層充氣和均質充氣的模式轉換;缸內燃油蒸發冷卻充氣,壓縮行程可以減少熱損失,有利于提高燃燒穩定性和EGR率,并能夠提高受爆震限制的壓縮比;若改為稀燃均質充氣模式工作時系統不需要修改;d)燃油經濟性燃油經濟性能夠提高5%,容積效率也能夠提高5%;能夠最大限度地實現減速斷油,并能應用直接起—停技術,取消怠速,實現進一步節油;e)動力性能由于容積效率提高5%,能夠提高峰值扭矩和功率7%左右,可以在保持發動機扭矩和功率不變的前提下減小發動機的尺寸;f)系統的靈活性和復雜性控制系統比分層稀燃簡化,增加了系統優化的靈活性;g)與其他技術的匹配更容易實現其他技術,如增壓、取消發動機怠速、采用直接起—停技術、采用無級變速器CVT和采用混合動力技術;h)排放不需要稀燃NOx后處理系統,可以使用三效催化器,同分層稀燃GDI發動機相比具有更低的排放,并能夠降低瞬態工況的排放。因此,均質理論空燃比GDI發動機具有達到未來超低排放法規的潛力,是GDI發動機的一個重要發展方向。采用分層充氣或均質充氣渦輪增壓技術通過提高進氣壓力、提高空氣利用效率來減小發動機的尺寸是提高發動機經濟性的有效途徑,傳統的PFI發動機由于受到爆震限制和渦輪增壓器響應滯后等因素的影響,使得汽油機渦輪增壓技術未能迅速發展。GDI發動機由于缸內形成混合氣,燃料蒸發能夠降低混合氣溫度,同時混合氣在缸內停留的時間相對較短,相同壓縮比條件下,GDI發動機要比PFI發動機爆震傾向小,對燃料辛烷值的要求低。GDI發動機小負荷時不使用節氣門,進氣量相對較大,渦輪增壓器轉速高,使得GDI發動機在瞬態工況能夠實現快速響應隨負荷變化引起的渦輪增壓變化。GDI發動機應用渦輪增壓技術具有下面優勢:a)缸內充氣冷卻由于燃油在氣缸內蒸發能夠顯著冷卻缸內充氣,結合多階段噴油可以有效地降低爆震傾向,因此,可以實現比常規PFI更高的壓縮比;b)分層充氣由于增加了發動機的充氣量,所以,可以擴大發動機稀燃區域的轉速和負荷范圍;c)提高渦輪增壓發動機瞬態響應小負荷時不采用節氣門,發動機的進氣量大,渦輪增壓器轉速高,因此,即使在部分負荷稀燃區域時渦輪增壓的響應延遲也較小。 優化燃燒系統擴大分層稀燃區域燃油經濟性的提高是影響未來GDI發動機和小型高壓共軌柴油機在市場所占比率的重要因素。GDI發動機在分層稀燃區域可以實現節油20%～25%,可以優化GDI發動機燃燒技術,采用新一代噴射引導型燃燒系統,擴大分層稀燃范圍,進一步提高GDI發動機經濟性。表1列出GDI發動機各部分的效率提高與<a之間的關系,由表可看出,提高<a能夠大幅提高發動機的熱效率,擴大直噴發動機分層充氣稀燃區域是新一代直噴供油系統的發展趨勢。因此,基于窄間距設計的噴束引導燃燒系統具有實現更稀薄燃燒并擴大稀燃區域的潛力,將成為下一代GDI發動機的首選燃燒系統。實現GDI發動機的HCCI燃燒分層稀燃GDI發動機的混合氣不均勻,NOx會在燃料較稀的高溫區產生,而在混合氣較濃的區域易產生碳煙。在HCCI的燃燒過程中,理論上是均勻混合氣完全壓燃、自燃、無火焰傳播過程,這樣可以阻止NOx和微粒的生成,同時能夠實現較高的燃油經濟性。若