电控缸内直接喷射式汽油发动机的优点及其发展前景

摘要：根据对汽油机缸内直喷技术的原理进行简单的叙述，了解汽油机缸内直喷技术的工作原理。讨论缸内直喷的优缺点和其技术难点。并根据缸内直喷的经济性和排放性能相对于普通汽油机所具有的优势展望缸内直喷技术的前景。

关键词：关键技术 优缺点 前景

1????引言
日益严峻的能源和环境问题使得人们在追求车用汽油机良好动力性的同时对汽油机的燃油经济性和排放提出愈来愈高的要求。改变传统汽油机的燃烧方式以便获得更高的燃油经济性和排放水平已成为当今内燃机领域重大的研究课题之一。汽油机缸内直接喷射技术展现出了巨大的优越性和潜在的优势,目前该技术已受到各国重视,取得了巨大的进展。缸内直喷所宣扬的是通过均匀燃烧和分层燃烧，实现了高负荷、尤其是低负荷下的燃油削耗降低，动力还有很大提升。在部分负荷时具有的巨大节油作用体现在市内走走停停的交通状况下是多么诱人。如今先进的缸内直喷计时有：博世公司开发的Motronic MED7汽油直喷系统，奥迪公司开发的FSI系统，奔驰开发的CGI系统，菲亚特开发的JTS系统，虽然名字不同，但它们都代表了汽油缸内直喷。

2 汽油机缸内直喷的关键技术和难点

2.1混合气的形成
发展现代缸内直喷技术，必须综合传统柴油机于汽油机两方面的优点。
缸内直喷系统采取的措施大多是：部分负荷时燃油在压缩行程后期喷入，实现混合气分层稀燃（过量空气系数达2-3），采用质调节以避免节气门的节流损失，达到与柴油机相当的燃油经济性：全负荷时，燃油在进气行程喷入，实现均质混合燃烧，以保持汽油机升功率的优点。由于喷入缸内燃油蒸发时的冷却作用，增加了整体的抗暴性能，可采用较高的压缩比（12-14），有助于提高循环的理论效率，使汽油机保持在搞动力性能指标的同时具有很好的燃油经济性。

2.2燃油喷射对喷油嘴的要求
汽油机缸内直喷技术对燃油系统的要求高于进气道喷射方式。因为这里不仅要实现全负荷时在进气行程内的喷射，而且还要满足部分负荷时在压缩行程即活塞接近上止点时的喷射。因此需要很高的油压来满足各个工况时的喷油需要，工作油压为5.0-10Mpa。
缸内直喷要求喷油器雾化水平高，能在较窄的脉冲宽度内喷出所要求的燃油，以确保完喷，实施分层燃烧，这就对喷油器提出了更高的动态响应要求。另外，由于喷油器位于缸内，工作条件恶劣，因此要对嘴端沉淀物生成和高温有更强的抵抗能力。

2.3混合气的燃烧
如何有效可靠地实现部分负荷下缸内混合气的分层 与稀燃是汽油机缸内直喷技术发展过程中的最关键技术，它牵涉到燃油喷射、气流运动、燃烧室结构合理匹配中的一系列难题。
例如福特公司采用的高压DFI喷射方案。博时公司推出的“共轨式”喷油系统。AVL公司推出的一种新型的DMI喷射系统。三菱公司采用的是使燃油喷嘴远离火花塞的布置。见图1.???????????????? 由图可见，火花塞在中间，喷油嘴远离火花塞斜置的流滚型燃烧室。部分负荷时（图1a），燃油在压缩行程后期喷入，利用纵向垂直进气道与特殊活塞形状综合作用产生的反向流滚，将燃油蒸气引导至火花塞附近分层稀燃。全负荷时（图1b），燃油在进气行程中喷入，实现均质混合燃烧，由于实现有效的分层稀燃，压缩比达到12，再加上采用了歇盘式高压油泵、旋流型喷嘴、电控EGR、还原型NOx催化剂与高能点火系统等新技术，该机的节能与环保指标均大大由于原进气道汽油喷射发动机，功率比原机提高10%，油耗降低30%以上，NOx排放量降低60%以上。

3缸内直喷技术的优点与缺点

3.1优点：a.燃油经济性可有进一步改善,燃油消耗下降高达35%;
b.瞬态反映快;
c.启动快.汽油机缸内直喷技术通常在{dy}个循环或者第二个循环就可着火,而传统的汽油机至少需要十个循环以上才能着火;
d.对空燃比的控制更xx;
e.冷启动时未燃氢排放减少。这主要是由于GDI不会在进气道表面行成油膜，允许用较大的废气在循环率。
汽油机缸内直喷的相对于普通汽油机的优势在2001年7月的勒芒24小时耐力赛上获胜的奥迪R8上得到有力的体现，它匹配着带双增压的V8 FSI直喷发动机。出色的表现使它{lx1}一圈，良好的燃油经济性使它延长了加油的间隔，有力证明了直喷不仅有出色的动力表现，燃油还要节省8%。不仅是这些，R8车手认为发动机动力反映敏捷且非常到位。
奥迪{dy}款作为量产车匹配直喷发动机的车型是2002年3月在日内瓦车展展出的A2 1.6FSI。接下来是奥迪A4，匹配了110kW 2.0L FSI发动机，有别于96kW 的A4，使用了单柱塞高压油泵，4气门替代了5气门，显然是为了在燃烧室安装汽油喷嘴节省地方。A4 2.0 FSI{zd0}扭矩200Nm出现在3250～4250rpm，0到100km/h的加速时间是9.6秒，{zg}时速218km/h。百公里综合油耗7.1L。
在2002年底，奔驰也上市了配有1.8L CGI汽油缸内直喷发动机的C级轿车，即C200 CGI。峰值功率是125kW，扭矩比上一代增加了15%，当发动机转速只有1500rpm时即可输出扭矩的75%，在3000rpm时输出{zg}扭矩250Nm,并持续到4500rpm。与相同排量C级车相比节油超过19%，综合油耗是7.8L/100km。排放达到欧Ⅳ。0到100km/h的加速时间是9.0秒，{zg}时速222km/h。
上述的数据也有力的证明了汽油机缸内直喷技术所体现出来的优势，充分体现了汽油机缸内直喷发动机的潜力所在。

3.2缺点：a.排放问题。中小负荷下未燃的HC排放较多。原因有采用混合气分层时引起火焰从浓区向稀区的熄灭，稀燃造成缸内温度偏低，不利于未燃HC继续氧化。
采用较稀的空燃比后，气缸内的反应温度较低使NOx排放有所降低，但混合气分层将不可避免地在火花塞附近出现混合气过浓或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；
b.积碳.缸内直喷汽油机在超稀混合气燃烧时,易因高温起火引起积碳.原因是在火花塞点火时刻,缸内的分层混合气只占据一小部分空间,其他空间只有极微的燃油存在,且燃料在汽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,造成熄火,使混合气不能充分燃烧,产生积碳;
c.催化器问题.传统的三元催化剂同时净化NOx、CO、HC 3种排放物的效果只有在理论空燃比下才能实现。而缸内直喷汽油机工作在稀空燃比条件下，其造成的富氧使传统的三元催化剂对NOx的转化率不高，废气排放较低也不利于三元催化器的起燃，限制看它在缸内直喷汽油机上的使用。
d.功能问题。在实际的缸内直喷汽油机上，理想的混合气浓度均匀递降的分层不可能实现，使得xx的分层燃烧控制比较困难。缸内直喷汽油机高的喷射压力要求油泵和喷油器的功率要高，且汽油的润滑性较差，开发出抗耐磨损能力强、功率消耗低的供油系统和燃油喷射系统是缸内直喷汽油机必需要解决的问题。
4发展前景
降低缸内直喷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，对缸内直喷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，缸内直喷发动机在排放和其他方面的性能将会得到进一步的改善，缸内直喷汽油机无疑会占领车用发动机更多的市场份额。
随着发动机与电子控制技术的发展，汽油机缸内直喷技术呈现出的巨大的发展潜力，现今研究出来的很多缸内直喷汽油机在在保持汽油机动力性能优势的同时，燃油经济性方面已达到甚至超过柴油机水平。由此可以预见，车用汽油机缸内直喷技术将达到更大的发展，并将取代进气道直喷成为电控喷射的主要形式。
参考文献：【1】史鉴明 李国祥 山东大学能源与动力工程学院，济南250061??汽油机缸内直喷技术的研究与发展；
【2】夏淑敏 邱先文 赵新顺 冯洪庆 车用汽油机缸内直喷技术的研究现状与发展；
【3】天津大学 尚秀镜 江俊峰 张建昭 傅茂林 汽油机缸内直喷的关键技术和发展现状。