缸内直喷汽油机技术发展趋势分析
前言
近几十年来，受能源日益枯竭、油价不断上涨、全球变暖等问题
的困扰，在满足发动机排放要求的前提下改善发动机燃油经济性显得格外迫切。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问题。开发具有汽油机优点同时又具备柴油机部分负荷高燃油经济性优点的车用发动机是主要的研究目标。汽油缸内直(GDI)是提高汽油机燃油经济性的重要手段，近些年来，以缸内直喷为代表的新型混合气形成模式的研究与应用极大地提高了汽油机的燃油经济性。
1.GDI发动机技术发展现状
对于汽油机缸内直喷的工作方式，20
世纪50年代德国的
Benz300SL车型和60年代MAN—FM系统，70年代美国Texaco的TCCS系统和Ford的PROCO系统就曾经采用过o“。这些早期技术大多基于每缸2气门和碗形活塞燃烧室，利用柴油机的机械泵和喷油器实现后喷。这些早期的GDI发动机在大部分负荷范围实现了无节气门控制并且燃油经济性接近非直喷柴油机。其主要缺点是由于采用机械式供油系统，各负荷甚至全负荷时后喷时刻
是固定的，燃烧烟度限制了空燃比不能超过20：l口采用柴油机供油系统并利用涡轮增压技术来增加功率输出，使得汽油机性能与柴油机相似，且在部分负荷时有更差的HC排放。空气利用效率低，机械供油系统受到转速范围的限制，使得发动机的输出功率非常低。因此，
受当时内燃机制造技术水平的限制，加之尚无电控喷射手段，开发出的GDI发动机性能和排放并不理想，没有得到实际应用。
20世纪90年代以后，由于发动机制造技术的提高，制造精密、性能优良的内燃机部件的应用和精度高、响应快的电控汽油直喷系统的应用使得GDI发动机的研究与应用得到快速发展。GDI发动机瞬态响应好，可以实现精确的空燃比控制，具有快速冷起动和减速断油能力及潜在的系统优化能力，这些都显示了它比进气道喷射汽油机更优越。采用先进的电子控制技术，解决了早期直喷发动机的控制和排放等方面的许多问题。新技术和电子控制策略的发展使得许多发动机制造企业重新考虑GDI发动机的潜在优点。1996年日本三菱汽车公司率先推出1．8L顶置双凸轮轴16气门4G93壁面引导型直喷发动机；丰田公司开发出了同时采用GDI和PFI两套供油系统的2GR--FSEV6发动机；通用公司2004年开发出了采用可变气门定时(VVT)技术的分层稀燃直喷发动机}宝马公司在低压均质混合气直喷GDIV12发动机的基础上，2006年又开发出了可以实现分层稀燃的R6直喷发动机；德国大众公司2000年底利用电子控制系统把与TDI柴油机相似的原理用在汽油机上，开发了壁面引导型燃油分层直喷FSI发动机，并用于Lupo车上，其i00km的平均油耗只有4．9 L，成为世界上第一辆5L汽油机汽车；2004年奥迪公司开始将其2．OT—FsI燃油分层直接喷射增压汽油机推向市场。
目前，引进的大众FSI发动机是我国唯一量产的GDI发动机。缸内直喷技术对汽油的油品质量是个严格考验，正是基于这个原因，
大众在中国的FSI发动机上取消了分层燃烧技术，只保留了均匀燃烧模式。
由于排放、燃烧稳定性、燃油品质、性能及可靠性等方面的问题限制了GDI发动机普遍应用，GDI技术完全替代PFI技术目前仍然存在一些技术难题。国内外的公司和研究机构也都在积极地开发设计新型直喷发动机，如AVL公司正在开发基于喷射引导和激光点火系统的新一代分层稀燃直喷发动机技术。目前，国内一汽集团、华晨、奇瑞、长安和吉利等汽车企业联合高校正在开发理论空燃比混合气或多种燃烧模式相结合的GDI发动机。
2.GDI技术与PFI气门口喷射技术的比较
混合气形成策略不同是PFI发动机与GDI发动机的主要区别。PFI发动机产品中，20％喷嘴装在气缸盖上进气门的背面，80％安装在进气歧管上靠近气缸盖位置，在发动机起动时，会在进气门附近形成瞬时的液态油膜，这些燃油会在每次进气过程逐渐蒸发进入气缸燃烧。因此，进气口处的油膜如同电容．具有积分的作用，发动机瞬时的供油量不能通过喷油器实现精确控制。由于部分蒸发现象导致油量控制延迟和计量偏差，冷机起动时由于燃油蒸发困难，使得实际供油量远大于需求空燃比的供油量，这样会导致冷起动时发动机有4个～10个循环的不稳定燃烧，显著加大发动机未燃HC排放。GDI技术可以避免气门口燃油湿壁现象，实现燃烧各阶段准确供油，能够实现更稀薄燃烧并且降低缸与缸之间、循环与循环之间的变动，冷起动首循环不需加浓控制，降低瞬态工况HC的排放o]。然而GDI发动机
对燃油蒸发和混合物形成有更严格的要求，需要通过更高的喷油压力提高燃油的雾化率。
PFI发动机的另一限制是中、小负荷时采用节气门来控制负荷，存在节流损失，GDI发动机在中、小负荷时采用分层充气工作模式，通过控制喷人气缸的油量来控制发动机的负荷，不采用节气门可以降低泵气损失和热损失。
GDI发动机理论上不存在上述两方面的限制。除了具有消除油膜湿壁现象和无节气门节流损失的优点外，GDI发动机具有优于PFI发动机的热力学特性。GDI共轨供油系统可以显著提高供油压力，提高雾化质量和雾化率，这使发动机起动时前两个循环无需额外供油就能实现稳定燃烧，这样GDI发动机冷起动时的HC排放具有降低到稳态工况的潜力。另外，潜在的优点是可以实现减速断油，提高燃油经济性和降低HC排放，对PFI发动机而言，减速断油不是可行的选择，因为这样会减少或消除气门口附近的油膜，而在气门口附近建立稳定的油膜是一个需要几个循环的瞬态过程，这个过程能够使燃烧室内形成很稀的混合气，导致失火或回火。另一个潜在的优点是，缸内直喷能够降低进气温度，提高充气效率，燃油的蒸发能够冷却进气，汽化潜热主要来自新鲜充气，而不是燃烧室壁面，在燃油早喷和后喷阶段均能冷却进气，故在进气过程喷油能够提高充气效率。GDI发动机燃油经济性能够得到显著改善，对于不同的测试循环，最大可以提高20％～30％。
PFI系统相比GDI系统也仍具有一定的优点，如PFI发动机的进
气管相当于预蒸发室，能够增加燃油蒸发的时间，而GDI发动机燃油直接喷人气缸，混合气形成的时间少，燃油喷雾微粒必须足够小以保证燃油在喷油与点火之间的有限时间内能够蒸发，如果燃油液滴没能蒸发就会形成微粒和未燃的HC排放。此外，燃油直接喷到缸内，可能导致燃油冲击到活塞顶部和缸壁表面，这些因素可能导致微粒和Hc排放的增加，并加大了发动机的磨损。PFI发动机的其他优点，如低压喷射系统、可以采用三效催化器、更高的排温提高三效催化器的效率，这些都对GDI发动机的发展提出了挑战。
3.GDI发动机应用中存在的问题
GDI发动机具有柴油机的经济性并保持了汽油机的特点，相对于技术成熟的PFI发动机具有显著优点，但是排放、燃烧稳定性等方面的问题限制了其普遍应用，目前，GDI技术完全替代PFI技术仍然存在一些技术挑战。 a)排放控制
分层混合气浓度非均匀分布，存在较浓的混合气，在这些区域中局部燃烧温度仍然较高，导致Nq排放较多，然而总体混合气较稀不能有效利用三效催化器；分层混合气外边界较稀的部分易发生火焰熄灭现象，同时缸内喷油湿壁现象会使活塞顶部和气缸壁混合气过浓的区域燃烧不好，使得小负荷时HC排放相对较高；分层燃烧工况由于混合气浓度分布不均匀，GDI发动机增加了微粒排放； b)稳定燃烧控制
GDI发动机分层充气稀燃区域的稳定燃烧控制难度较大。部分