張中杰

Zhang Zhongjie

（天津一汽夏利汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)中心，天津 300462）

0 引 言

隨著環(huán)境問題和能源危機(jī)越來越嚴(yán)重，各國對汽車排放法規(guī)的制定越來越嚴(yán)格，對汽車油耗也提出了更高的要求。對汽車節(jié)能減排越來越高的呼聲促使各大汽車廠家尋求一種新技術(shù)來應(yīng)對能源與環(huán)境問題的挑戰(zhàn)，汽油缸內(nèi)直噴（GDI）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。與氣道噴射（PFI）汽油機(jī)相比，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)無論是在動力性還是經(jīng)濟(jì)性上都具有較大的優(yōu)勢，當(dāng)采用合適的燃燒模式和排放后處理技術(shù)后，排放特性也會有所改善。PFI汽油機(jī)由于在進(jìn)氣道處混合氣形成過程中汽油不能完全霧化，混合氣質(zhì)量欠佳，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燃燒不充分，冷啟動排放和燃油經(jīng)濟(jì)性較差。而GDI發(fā)動機(jī)通過將燃油直接噴入氣缸，從而可以精確計量空燃比，并在混合氣形成的組織上具有更大的靈活性。當(dāng)采用合適的控制策略后，發(fā)動機(jī)的冷啟動性能、排放性能、快速響應(yīng)性能、動力性和經(jīng)濟(jì)性都會大幅上升。文章對汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)及其應(yīng)用前景進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 GDI汽油機(jī)混合氣形成模式

發(fā)動機(jī)混合氣的形成關(guān)系到發(fā)動機(jī)的燃燒性能和排放特性，因此一直是發(fā)動機(jī)中最重要的工作過程之一。而 GDI汽油機(jī)正是因為其在混合氣形成中更高的靈活性和更多的可控參數(shù)才使得其整體性能有了大幅提升。目前 GDI汽油機(jī)的混合氣形成一般分為分層混合和均質(zhì)混合，而分層混合又可分為壁面引導(dǎo)型、空氣引導(dǎo)型和噴注導(dǎo)向型。

1.1 分層混合

GDI汽油機(jī)在部分負(fù)荷時使用分層混合氣工作是改善過程效率的一種有效方法。分層混合時，噴油應(yīng)發(fā)生在壓縮期間或僅僅發(fā)生在壓縮將近結(jié)束時，這樣才能確保燃燒室內(nèi)的充氣分層成為可能。在點火時刻，火花塞附近需要有可燃混合氣，在遠(yuǎn)離火花塞的區(qū)域，應(yīng)有非常稀薄但仍可燃燒的混合氣，或者應(yīng)有純空氣或通過有組織的廢氣再循環(huán)而獲得的純廢氣。

為了在GDI汽油機(jī)上實現(xiàn)分層充氣模式，燃油導(dǎo)入和相關(guān)混合氣形成可以采用各種不同的方法。通過研究這些不同的概念，出現(xiàn) 3種不同的混合氣形成模式，分別為壁面導(dǎo)向型、空氣導(dǎo)向型和噴注導(dǎo)向型。

1.1.1 壁面導(dǎo)向型分層混合模式

目前市場上的第一代分層充氣發(fā)動機(jī)大多是以壁面導(dǎo)向型燃燒過程為基礎(chǔ)而設(shè)計的，該混合過程的特點是火花塞與噴油器之間的距離較大。噴注與燃燒室壁面相互作用，導(dǎo)致了混合氣的形成和將混合氣傳輸?shù)交鸹ㄈ倪\(yùn)動。通過渦流或滾流，并借助于專門設(shè)計的活塞頂表面，將燃油噴注引導(dǎo)到火花塞。由于在這個混合過程中，燃油噴注被直接導(dǎo)向活塞，所以聚集的燃油量增加，從而使未燃碳?xì)浠衔锱欧旁黾印４送?，噴油定時與活塞運(yùn)動直接相關(guān)，因而也就與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速直接相關(guān)。混合氣云團(tuán)從噴油器傳輸?shù)交鸹ㄈ^程中經(jīng)歷較長的距離，這就要求在各種發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下都要有專門的、穩(wěn)定的充量運(yùn)動，并且為了穩(wěn)定燃油蒸汽，要精確計算噴油時刻和點火時刻。由于所用噴油器的混合氣形成特性以及噴射對活塞運(yùn)動的依賴性，可能的穩(wěn)定分層充氣模式局限于發(fā)動機(jī)低速和小負(fù)荷，因此節(jié)油的潛力也就局限于這個與用戶關(guān)系并不大的特性圖上的區(qū)域。由于極為稀薄的分層充氣模式產(chǎn)生高的 NOx排放，所以這種混合過程并不能充分利用分層混合可能的潛力。另外，為了獲得穩(wěn)定的燃燒，不可能總是進(jìn)行無節(jié)流工作。這個高壓過程的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值，這是因為在活塞頂上所形成的油膜不完全燃燒，以及50%放熱點過度提前引起的顯著損失。此外，在實際行駛中，在分層充氣工作模式時會存在廢氣后處理引起的額外損失。

由于上述原因，到目前為止所實現(xiàn)的壁面導(dǎo)向型燃燒過程都尚未充分利用缸內(nèi)直噴在降低油耗和排放上的潛力。但作為第 1代的分層混合模式，壁面導(dǎo)向型證明分層混合的可行性和優(yōu)越性，為第2代分層混合模式的開發(fā)積累了寶貴的經(jīng)驗。

1.1.2 空氣導(dǎo)向型混合模式

空氣導(dǎo)向型僅靠進(jìn)氣側(cè)的空氣運(yùn)動來實現(xiàn)將燃油傳輸?shù)交鸹ㄈ?，在此傳輸?shù)耐瑫r，燃油噴注與空氣混合。特殊形狀的活塞也會對空氣運(yùn)動起到促進(jìn)作用。與壁面導(dǎo)向型不同，空氣導(dǎo)向型應(yīng)避免燃油與燃燒室壁面之間的接觸。因此，從理論上講，燃燒室壁面上應(yīng)該沒有燃油積聚現(xiàn)象，因為在進(jìn)氣的同時完成燃油與空氣的充分混合。這種混合過程的成功實現(xiàn)依賴于噴注與導(dǎo)向進(jìn)氣運(yùn)動之間的匹配。在這個意義上講，將定向空氣運(yùn)動很好地維持到壓縮階段特別重要。然而，這些要求的渦流和滾流會使充氣效率下降，從而導(dǎo)致性能受損。像壁面導(dǎo)向型一樣，噴嘴和火花塞之間的距離大，因此只能通過定向進(jìn)氣流嘗試將噴射的燃油傳輸?shù)交鸹ㄈ？諝鈱?dǎo)向型混合模式被證明是極其艱難的，對定向空氣流的要求太過苛刻，而缸內(nèi)氣流受活塞運(yùn)動的直接影響，因此要在不同的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下獲得滿足要求的定向氣流很難實現(xiàn)，因此空氣導(dǎo)向型并未在直噴汽油機(jī)上大量應(yīng)用。

1.1.3 噴注導(dǎo)向型混合模式

噴注導(dǎo)向型混合模式依靠空氣動力效應(yīng)實現(xiàn)燃油噴注與周圍空氣的混合。因此，其分層梯度非常高，即在噴注的心部有極濃的混合氣，而在朝向噴注的邊緣過量空氣大幅度增加。在這兩個區(qū)域之間，有一個可燃混合氣區(qū)。根據(jù)汽油機(jī)缸內(nèi)直噴的原理，火花塞的布置應(yīng)保證在所有的工作點上，在點火時刻火花塞電極附近有可燃混合氣可用。這個過程很大程度上依賴于所用的噴油器的噴霧特性，并對噴霧特性的干擾即波動會做出極為敏感的反應(yīng)。噴注導(dǎo)向型目前還存在很多問題。在部分負(fù)荷和怠速燃燒時燃燒室溫度低，噴嘴上會形成積碳，并會明顯影響噴注形狀，從而對混合氣形成造成大的偏差。部分負(fù)荷和怠速時燃燒室的低溫還會導(dǎo)致火花塞積碳，其直接后果是點火缺失。另外，在噴油期間，液態(tài)燃油與因前面燃燒過程而高溫的火花塞直接接觸，這些液態(tài)燃油便快速蒸發(fā)，這就使火花塞承受較大的熱沖擊，具有很大的熱負(fù)荷。在噴注導(dǎo)向型混合模式中，噴油與點火從時間順序上被牢牢地結(jié)合在一起，二者只能間隔幾度曲軸轉(zhuǎn)角。為了獲得有利于提高燃燒效率的點火時刻而將噴油時刻推遲，因此只剩下極短的時間用于混合氣形成，而這往往導(dǎo)致混合氣質(zhì)量不佳。噴注導(dǎo)向型還存在發(fā)動機(jī)低速時混合氣形成不充分，高速時出現(xiàn)混合氣飄移的現(xiàn)象。

雖然存在很多問題，但很多學(xué)者都認(rèn)為只有噴注導(dǎo)向型燃燒過程能夠充分利用分層充氣工作模式的潛力，因此，采用噴注導(dǎo)向型分層混合的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)被稱為“第2代缸內(nèi)直噴”。

1.2 均質(zhì)混合

均質(zhì)混合是指燃油在進(jìn)氣過程的初期直接噴入燃燒室，因此，用于混合氣形成的時間相當(dāng)充裕，即使在發(fā)動機(jī)高速時，混合氣的形成和均質(zhì)化都會有足夠的時間，這樣就減輕了混合氣形成的困難。均質(zhì)混合時，整個發(fā)動機(jī)工作范圍上的功率通過量調(diào)節(jié)來控制，即通過節(jié)氣門來調(diào)節(jié)混合氣量，就像化油器式汽油機(jī)和進(jìn)氣管噴射發(fā)動機(jī)一樣，按進(jìn)氣量的大小對噴射的燃油進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使所有負(fù)荷條件下的空燃比幾乎相同。盡管均質(zhì)混合無法在怠速和部分負(fù)荷工況時大幅減小燃油消耗，但利用燃油直接噴入氣缸的冷卻作用，使得其爆燃傾向低于進(jìn)氣管噴射發(fā)動機(jī)。如果將改善的爆燃特性用于提高壓縮比，可以讓壓縮比提高1.5～2.0，根據(jù)理想發(fā)動機(jī)過程的理論分析，可以得知油耗大約降低5%。如果通過增壓強(qiáng)制進(jìn)氣，改善充氣效率，即可在不改變發(fā)動機(jī)排量的情況下提高發(fā)動機(jī)的功率?；蛘咄ㄟ^增壓來減小發(fā)動機(jī)排量（縮小尺寸），保持功率不變，這也使得摩擦損失減小，油耗降低。另外，采用均質(zhì)混合缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)可以繼續(xù)利用傳統(tǒng)的三元催化轉(zhuǎn)化器廢氣后處理技術(shù)，具有滿足世界各國廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的可能性，由于不必采用稀薄燃燒所需要的NOx存儲催化器而降低了成本，同時也減少了無硫燃料的使用。

2 GDI汽油機(jī)燃燒模式

對應(yīng)于不同的混合氣形成模式，GDI汽油機(jī)具有相應(yīng)不同的燃燒模式。分層混合對應(yīng)于各種分層燃燒模式，均質(zhì)混合對應(yīng)于均質(zhì)燃燒模式。不同的燃燒模式適應(yīng)于不同的工況，發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷時采用均質(zhì)燃燒模式，這樣能滿足其快速響應(yīng)性和動力性要求；怠速和部分負(fù)荷時采用分層燃燒模式，可以大幅度降低油耗。除此之外，還有一種先進(jìn)的燃燒模式，均質(zhì)壓燃（HCCI），這是一種能進(jìn)一步發(fā)揮出缸內(nèi)直噴優(yōu)勢的燃燒模式，能有效提高汽油機(jī)整體性能。

2.1 缸內(nèi)直噴均質(zhì)燃燒模式

均質(zhì)燃燒模式的燃燒過程與進(jìn)氣管噴射發(fā)動機(jī)非常相似，在空氣/燃油混合氣點燃之后，一個幾乎呈球形的火焰前鋒從火花塞開始，向燃燒室傳播。在傳播中，由于與缸內(nèi)氣流的相互作用和湍流的作用，火焰前鋒出現(xiàn)不同程度的扭曲、分裂，燃燒區(qū)加厚。當(dāng)混合氣均質(zhì)化狀態(tài)良好時，就會出現(xiàn)幾乎全面的預(yù)混合燃燒，燃燒以理想的預(yù)混火焰為特征。然而，對缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)來說，獲得理想的混合氣均質(zhì)化并不是一件容易的事。因此，在點火時刻由于燃燒室內(nèi)部氣流的作用，在火花塞處會出現(xiàn)混合氣狀態(tài)的循環(huán)變動，這將對燃燒的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。在汽油缸內(nèi)直噴期間，燃油只有在進(jìn)氣行程噴入燃燒室。在不利的噴注特性和不良的點火正時的情況下，這將導(dǎo)致噴注接觸活塞表面，使活塞頂表面被燃油濕潤，并因為蒸發(fā)條件不良而形成油膜。在擴(kuò)散火焰中，這些油膜燃燒緩慢且不完全，從而使碳煙和未燃碳?xì)渑欧旁黾?。特別是對于噴油器安裝在垂直位置的燃燒過程，這種情況必須考慮。在均質(zhì)工作模式時，利用在燃燒室內(nèi)具有小的噴注垂直貫穿度的合適的噴射系統(tǒng)，就能避免出現(xiàn)活塞頂濕潤現(xiàn)象。因此，為了滿足混合氣準(zhǔn)備期間的高要求，現(xiàn)代缸內(nèi)直噴汽油機(jī)比傳統(tǒng)汽油機(jī)工作要復(fù)雜得多，因而噴射系統(tǒng)成本更高。此外，噴射時刻必須保證在活塞下行過程中，活塞所處的位置距離噴注有足夠的距離。

2.2 缸內(nèi)直噴分層燃燒模式

分層燃燒模式與均質(zhì)燃燒模式存在很大的不同。分層模式的燃燒不會達(dá)到燃燒室壁面，而是在極為稀薄的混合氣區(qū)域，在離缸壁某一距離處會停下來。分層燃燒的火焰?zhèn)鞑ハ喈?dāng)困難，在火花塞處的混合氣點燃之后，燃燒限制在局部區(qū)域。特別是噴注導(dǎo)向型燃燒過程，由于火花塞與噴油器靠的很近，應(yīng)該在沒有專門的空氣引導(dǎo)的情況下工作。然而，即使對噴注導(dǎo)向型燃燒過程，有組織的空氣運(yùn)動也能加速混合氣的形成與燃燒?？諝膺\(yùn)動能改善噴注的熱能輸入，因而對必須在極短時間內(nèi)完成的混合氣形成過程有利。在分層燃燒時，混合氣準(zhǔn)備不充分，空燃比梯度大，伴有擴(kuò)散燃燒。貫穿整個氣流結(jié)構(gòu)的有組織的氣流運(yùn)動會在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生湍流，在點火時刻這些湍流可使火焰前鋒加速，可獲得更快速、更充分的燃燒，總效率得到改善。不同特性的空氣運(yùn)動會對燃燒產(chǎn)生不同的效應(yīng)。通常，渦流維持的時間比較長，在點火時刻和燃燒期間，具有大量的動能，從而使燃燒速度加快。滾流對燃油傳輸產(chǎn)生系統(tǒng)的影響，并防止燃油附著于活塞上，從而對HC排放產(chǎn)生有利影響。通過進(jìn)氣運(yùn)動帶入燃燒室的動能主要產(chǎn)生擾流脈動速度，從而導(dǎo)致燃燒速度的加快。通過一個遍布整個燃燒室的氣流，可將火焰引導(dǎo)到燃燒室中心，并穩(wěn)定在這里，從而提高燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性。

2.3 HCCI燃燒模式

HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）具有高熱效率、超低NOX和PM排放的優(yōu)點，近年來在汽油缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)上實現(xiàn)可控 HCCI燃燒成為國際上的一個趨勢。在均質(zhì)混合氣中，如果先期反應(yīng)時間足夠長并且壓力和溫度分布也適當(dāng)?shù)脑?，就會產(chǎn)生自燃。均質(zhì)壓燃期間的自燃與傳統(tǒng)汽油機(jī)的爆燃不同，一方面，混合氣明顯變稀?。ㄈ加蜐舛葴p?。?，因此局部放熱減?。涣硪环矫?，整個燃燒室的溫度分布和燃燒反應(yīng)進(jìn)程幾乎均衡的狀態(tài)導(dǎo)致了整個缸內(nèi)混合氣均勻地出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，并未像爆燃一樣，自燃僅僅出現(xiàn)在局部的有限的末端混合氣中。因此，在均質(zhì)壓燃中，有害的爆燃沖擊波得到了避免。

在HCCI中，不可能通過一個參數(shù)（例如火花點火的點火正時或柴油機(jī)的擴(kuò)散燃燒的噴射時刻）直接影響燃燒過程，并因此來控制燃燒始點。HCCI的燃燒始點受空氣/燃油混合氣的自燃性的影響，主要影響參數(shù)有混合氣性質(zhì)（自燃傾向）和著火前的瞬時溫度分布。具體可以描述為：燃料的自燃性，局部的燃油濃度（空燃比和混合氣的均勻度），殘余廢氣量和殘余廢氣成分，燃油進(jìn)入之后的混合氣瞬時壓力和溫度分布（進(jìn)氣溫度、殘余廢氣溫度、進(jìn)氣管壓力、氣缸壓縮壓力）。相應(yīng)地，可以采用進(jìn)氣預(yù)熱、壓縮比可變、改變?nèi)加统煞?、改變殘余廢氣量等方法來控制燃燒始點。

由于在車用發(fā)動機(jī)上采用 HCCI能大幅度提高燃油經(jīng)濟(jì)性并有效改善其排放特性，各大汽車廠商都在 HCCI燃燒模式的研發(fā)上傾注了大量的人力物力。但目前HCCI技術(shù)距離在發(fā)動機(jī)上大規(guī)模應(yīng)用仍然很遠(yuǎn)。首先，由于均質(zhì)壓燃燃燒時間的控制是間接的，因此能否對車用均質(zhì)壓燃汽油機(jī)進(jìn)行可靠的控制就成為能否在車輛上應(yīng)用均質(zhì)壓燃的一個決定性因素。有不少學(xué)者對HCCI在車用汽油機(jī)上應(yīng)用的可行性持懷疑態(tài)度就是因為擔(dān)心燃燒時間控制的可靠性。車用發(fā)動機(jī)需要在工況范圍寬、工況變化速率大、環(huán)境（溫度、濕度、壓力）差別大、所供應(yīng)的燃油品質(zhì)和特性差別大的情況下可靠的工作。點燃式汽油機(jī)和柴油機(jī)依靠點火和噴油時間來控制燃燒時間，能夠?qū)囉冒l(fā)動機(jī)燃燒時間進(jìn)行可靠控制，而HCCI通過控制混合氣達(dá)到自燃溫度的時間來實現(xiàn)對燃燒時間的控制。在某個特定的工況下，實現(xiàn)對均質(zhì)壓燃燃燒時間的控制并不難，但要在上述所有情況下對均質(zhì)壓燃燃燒都能進(jìn)行可靠的控制就不是一件容易的事。

HCCI汽油機(jī)能否滿足對燃燒時間進(jìn)行可靠控制的要求需要從 3個方面來衡量：一是能否在整個均質(zhì)壓燃工況范圍內(nèi)對燃燒時間進(jìn)行可靠的控制；二是能否在環(huán)境溫度、油品特性等外界因素差別很大的情況下對燃燒時間進(jìn)行可靠的控制；三是能否在包括冷啟動在內(nèi)的工況迅速變化的情況對燃燒時間進(jìn)行控制。

雖然HCCI技術(shù)面臨的問題十分困難，但它在節(jié)能減排方面的潛力卻也十分誘人，因此才會有這么多的商家和學(xué)者愿意為它的實現(xiàn)付諸不懈的努力。一旦HCCI技術(shù)能滿足上述要求，則均質(zhì)壓燃技術(shù)在車用汽油機(jī)上的應(yīng)用就不遠(yuǎn)了。

3 GDI技術(shù)對發(fā)動機(jī)其他系統(tǒng)的 影響

采用GDI技術(shù)后，發(fā)動機(jī)整體性能都會發(fā)生改變，它對發(fā)動機(jī)的其他系統(tǒng)也提出了更高的要求，包括燃油噴射系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、配氣機(jī)構(gòu)、活塞和機(jī)體都要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

GDI發(fā)動機(jī)對燃油噴射系統(tǒng)的要求較傳統(tǒng)的氣道噴射發(fā)動機(jī)要高很多。GDI發(fā)動機(jī)要求噴油時間更加準(zhǔn)確，噴油壓力更高、噴油特性更加穩(wěn)定。特別是在分層燃燒系統(tǒng)中，發(fā)動機(jī)燃燒性能對噴油特性的依賴更大。對于噴注引導(dǎo)型燃燒模式，發(fā)動機(jī)留給油氣混合的時間十分短暫，而且對于噴油特性的變動相當(dāng)敏感。噴注細(xì)小的偏移都將引起極大的燃燒性能惡化。因此，它要求噴油系統(tǒng)能提供很高的噴油壓力來保證燃油的霧化和混合，還要噴油系統(tǒng)的噴油特性極其穩(wěn)定來保證燃燒的穩(wěn)定性。

GDI發(fā)動機(jī)對點火系統(tǒng)的要求也更高。在分層混合和HCCI中，點火時火花塞附近的混合氣濃度變化很大，為了保證在混合氣較稀時也能保證可靠點火，點火能量較傳統(tǒng)汽油機(jī)要高。除此之外，由于燃油直接噴到燃燒室內(nèi)，特別是對于噴注引導(dǎo)型，燃油直接與火花塞接觸，導(dǎo)致火花塞承受很大的熱沖擊并且很容易積碳。這就要求火花塞具有較高的耐熱性，還要有一定的自清潔能力來保證點火系統(tǒng)的可靠性。

GDI發(fā)動機(jī)還要求活塞和氣門等部件具有更高的質(zhì)量。GDI發(fā)動機(jī)往往和縮小尺寸、增壓、發(fā)動機(jī)高速概念聯(lián)系在一起，這些發(fā)展常常會導(dǎo)致比輸出的提高，這關(guān)系到活塞熱輸入的增加和氣缸峰值壓力的提高。根據(jù)分層充氣工作的混合氣形成模式（壁面導(dǎo)向型），汽油缸內(nèi)直噴有時需要在活塞頂上采用復(fù)雜的燃燒室結(jié)構(gòu)，這將對活塞的質(zhì)量和制造工藝產(chǎn)生很大的影響。在從混合氣缸外形成到缸內(nèi)形成的轉(zhuǎn)變期間，換氣部件（進(jìn)、排氣門及其摩擦學(xué)配合件）、氣門導(dǎo)管和氣門座圈直接接觸燃燒氣體，并且在負(fù)荷范圍和摩擦學(xué)環(huán)境方面經(jīng)歷著復(fù)雜變化。燃燒對這些零件的影響是使零件溫度、零件溫度分布和工作壓力發(fā)生變化。這些改變對配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計的邊界條件影響非常大。由于更好的缸內(nèi)冷卻和更高的抗爆能力使汽油機(jī)缸內(nèi)直噴實現(xiàn)了高壓縮比，所以也會出現(xiàn)高的燃燒峰值壓力，提高了的峰值壓力對氣門的耐久性設(shè)計是至關(guān)重要的。而且，由于混合氣在缸內(nèi)形成，在氣門與氣門座之間沒有起潤滑作用的燃油油膜存在，這一點與氣道噴射發(fā)動機(jī)不同。試驗表明，GDI發(fā)動機(jī)的氣門座圈必須選擇高合金材料，必要時，采用氣門密封錐面硬化處理。在排氣期間，汽油缸內(nèi)直噴渦輪增壓發(fā)動機(jī)要求在氣門座圈上采用鈷硬化錐面以及采用氣門座圈專用材料。另外，GDI汽油機(jī)在部分負(fù)荷時，在燃燒室內(nèi)和進(jìn)氣門上常常有積碳的傾向。由于在氣門開啟縫隙處的氣流流通橫截面逐漸減小，所以積碳會導(dǎo)致功率下降，同時對油耗和排放特性產(chǎn)生不利影響。在個別情況下，由于氣門質(zhì)量持續(xù)增加，會出現(xiàn)進(jìn)氣門動作不遵循規(guī)定曲線的動態(tài)問題。最糟糕的情況是在某些情況下積碳碎片的脫落會妨礙氣門座的正常密封功能，從而干擾發(fā)動機(jī)的正常工作。因此，對于GDI汽油機(jī)的活塞和氣門等部件必須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，這樣才能充分發(fā)掘汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)的優(yōu)勢。

4 GDI汽油機(jī)的應(yīng)用前景

汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)步的驅(qū)動力是各國越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)和越來越低的油耗要求。雖然現(xiàn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求很高，但是缸內(nèi)直噴汽油機(jī)在降低油耗方面仍然具有巨大的潛力。缸內(nèi)直噴與渦輪增壓相結(jié)合已成明顯態(tài)勢，在這種情況下，汽油機(jī)不僅有希望降低油耗和污染物排放，而且還能進(jìn)一步提升駕駛樂趣。在發(fā)動機(jī)中小負(fù)荷和中低轉(zhuǎn)速范圍，分層充氣很有意義，并且在將來會得到更頻繁的應(yīng)用。噴注導(dǎo)向型混合氣形成和燃燒過程尤其適用于這種工作范圍。從目前的發(fā)展和知識狀態(tài)來看，需要進(jìn)行廣泛的研發(fā)工作，才能對該過程的提高效率和降低污染物排放的全部潛力進(jìn)行充分挖掘。在今后若干年中，采用這種噴射的目標(biāo)應(yīng)該是實現(xiàn)混合氣的可靠形成，以致在所有希望采用分層充氣模式的情況下，通過廢氣分層，在新鮮混合氣與環(huán)境空氣或者環(huán)境廢氣之間形成理想的分層，從而實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒并降低油耗。

到目前為止，有關(guān)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的研發(fā)仍然處于初級階段，而讓采用稀燃工作和分層充氣的噴注導(dǎo)向型缸內(nèi)直噴在全世界得到應(yīng)用，有關(guān)的研發(fā)工作還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為此，幾乎所有的汽車制造商現(xiàn)在和今后數(shù)年都將在汽油機(jī)中采取均質(zhì)混合缸內(nèi)直噴，并且在大多數(shù)情況下采用增壓。這樣的優(yōu)點是與混合氣在缸外形成相比，比功率大幅度提高，從而帶來更大的駕駛樂趣。在與已被證實的三元催化轉(zhuǎn)化器排放后處理措施相結(jié)合之后，這種均質(zhì)缸內(nèi)直噴還會滿足所有現(xiàn)在和未來的排放標(biāo)準(zhǔn)，使汽油機(jī)缸內(nèi)直噴在全世界應(yīng)用成為可能。另外，缸內(nèi)直噴在燃燒參數(shù)的控制上具有很高的靈活性，因此，相信還會有更多的基于缸內(nèi)直噴的發(fā)動機(jī)先進(jìn)技術(shù)出現(xiàn)。

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