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汽车保有量的增加及产量的提高带动了国民经济的发展，对社会的发展起到了促进作用。但是另一个不可避免的影响到当今社会的问题也随之而来即伴随着汽车的大量使用，能源匮乏和环境污染问题日益突出，以至与关系到了人类的生死存亡。具预测世界石油最长可以使用到2038年。而我国的人均可开采储量更只有世界石油平均值的1/10.如今我国每年石油消费量的70%全部依赖进口。因此汽车的燃油经济性已成为一个迫在眉睫的问题。与此同时伴随着我国汽车保有量的激增汽车尾气的排放对大气的污染也越来越严重。并由此造成了许多社会问题，如CO、HC、NOx、与颗粒等，直接影响到人类身体的健康。燃烧产物CO2更是造成温室效应的罪魁祸手。因此迫切需要对现今的状况进行改进。使用新型燃料是一个解决途径例如氢气、乙醇等。但是从现今国际上来看未来二十年内仍不会取代汽油机、柴油机的主导地位。而汽油机与柴油机相比较其升功率高、转速范围宽、动力性能好、噪声与振动小、颗粒排放低。同时随着电控技术的飞速发展采用微机控制的电控燃油喷射及大的降低了燃油消耗率和废气排放量。是一个重要的发展方向。而汽油机缸内直喷（GDI）又是该方向内的一个最佳途径。

顾名思义缸内直喷式汽油发动机与一般汽油发动机的不同之处在与喷油器的位置。目前一般汽油发动机上所用的汽油电控喷射系统，是将汽油喷入进气岐管或进气管道上，与空气混合成混合气后再通过进气门进入气缸燃烧室内被点燃做功；而缸内直喷式汽油发动机是在气缸内喷射汽油，，它将喷油嘴安装在燃烧室内，将汽油直接喷射在气缸燃烧室内，空气则通过进气门进入燃烧室与汽油混合成混合气被点燃作功，这种形式与直喷式柴油机相似，因此有人认为缸内直喷式汽油发动机是将柴油发动机的形式移植到汽油机上的一种创举。

下面我们就从以下几个方面讨论汽油机缸内直喷的可行性。

1.1燃烧室的形状对汽油机直喷的影响：

现在的缸内直喷燃烧系统一般都以混合燃烧方式工作。以适应不同工况的要求。在高负荷区，由于在进气冲程中喷油，其燃烧的方式与以往的均质燃烧方式相同；在低负荷区，则在压缩冲程中喷油，这是缸内直喷系统与传统化油器式汽油机的最主要的区别。下面我们分别就如今世界上最典型的两种缸内直喷燃烧系统（滚流、涡流）加以分析。

三种滚流流场示意图

以三菱公司为代表的直喷系统采用滚流式燃烧。其生产的缸内直喷汽油机采用了四项新技术——直立进气道、弯曲顶面活塞、高压燃油泵和旋流喷油器。直立进气道产生反滚流流场，弯曲顶面活塞则进一步加强该流场。高压燃油泵提供高压燃油由旋流喷油器喷出，雾状燃油受弯曲顶面活塞约束又反回火花塞处有利于分层燃烧。

涡流流场示意图

以丰田公司为代表的直喷系统采用涡流式燃烧。其利用螺旋进气道和具有涡流控制阀的直进气道以及顶面为渐开线凹坑的活塞产生涡流引导燃油喷雾，从而分层燃烧。

由上述两种直喷方式可知燃油混合气的分层燃烧对燃烧室的形状依赖很大。下面我们就一般的射流式燃烧室加以改进。

普通射流燃烧室的结构

普通的射流燃烧室产生涡流的原理如下：在压缩过程中，活塞上行，使气缸内一部分可燃混合气通过射流孔以很高的流速挤压进射流室中，形成强烈的射流，同时一部分混合气通过主通道也被挤入射流室，形成很强的大尺度涡流流场。两股气流在射流室内剧烈碰撞，从而产生各种尺度的涡流，其中包括强烈的微涡流，并使火花塞处与微涡流区域。在射流室内着火以后，当火焰传播到射流孔时，火焰连同已燃和未燃的气体由射流孔以很高的速度反喷入主室余隙空间，同时也通过主通道逆挤流进入主室，两股气流在主室内相互撞击，又由于此时活塞距离上止点很近，余隙很小，所以在主室内能产生大量的非常强烈的微涡流。微涡流能使火焰以极高的速度沿着由微小涡流管组成的微涡流薄层传播开来，因此射流燃烧系统能获得很高的燃烧速度，射流燃烧室内完成全部燃烧所占用的时间可比一般汽油机缩短1/3.射流燃烧室具有很强的抗爆燃能力，可较大幅度的提高压缩比，同时稀燃能力较强，能可靠点燃空燃比为20的稀混合气。但由于射流燃烧系统采用的供油方式为传统的化油器供油，所以实现的是均质稀燃，稀燃能力的提高受到限制。为了在性能上得到进一部的改善，必须从根本上改变燃油供给方式和混合气形成过程，从而寻求新的突破。

新型的燃烧室将充分利用其独特的形状来产生微涡流，实现快速燃烧。由于喷油器的布置对缸内直喷燃烧系统的影响很大故其布置设计非常关键。由此我们可以考虑两种布置方案。第一种布置方案是将喷油器布置在射流室侧壁，与射流孔斜相对，这样布置的好处是对原有的射流缸盖改动不大，比较容易实现。另外一种布置方案是将喷油器置于射流孔处，这种布置方案结构紧凑，但结构改动较大。由与喷油器位于进气道和排气道之间，为了给喷油器留下足够的安装空间，对进气道和排气道进行了从新设计。喷束与流场的作用除受喷油器位置影响外，还受喷油器喷孔在喷油器体内的位置的 影响这里暂且不加以讨论。

第二种布置方案缸盖示意图

由于喷油器侧向布置易产生燃烧沉积物，和降低耐久性，喷油器应避免安装在排气侧。燃烧室的布置方案通常有两种一种是“狭窄空间布置”（喷油器中央布置）一种是“开阔空间布置”（喷油器侧向布置）。狭窄空间设计的特点是（1）具有较高的着火稳定性、（2）能够形成高度的混合气分层、（3）燃油分布的一致性较好、（4）高负荷下有利与均质混合、（5）混合气形成对活塞顶的形状依赖较小、（6）安装困难，气门尺寸需减小、（7）易造成火花塞污染、（8）喷油器顶端温度高，沉积趋势加大、（9）对油雾特性敏感、油束易和活塞顶产生碰撞、（10）火花塞电极的深入距离需特殊设计。开阔空间设计的特点是（1）延长了混合气的准备时间、（2）安装较为灵活，气门尺寸较大，因而充气效率高、（3）不易受油雾特性变化的影响、（4）可利用进气降低喷油器顶端温度、（5）油雾不会和火花塞电极碰撞，降低了失火的可能性，可使用标准火花塞、（6）混合气分层较为困难且波动性较大、（7）燃油和缸壁碰撞的可能性加大，易造成润滑油稀释。

因此采用何种形式的燃烧室空间设计，除了充分考虑上述各种设计的优缺点外，还要与总体的结构相适应。

1.2喷油器及油雾形状对汽油机直喷的影响：

汽油机缸内高压燃烧系统需要高压喷射，其供给系统与传统化油器供给系统有很大区别。由于喷射压力需5MPa—12MPa，比进气道多点喷射压力要高出很多，后者通常只要0.25MPa—0.3MPa的压差即可，因此缸内直喷燃烧系统对燃油供给系统提出了比现有汽油机更高的要求。

（一）燃油泵：

燃油泵的作用是将低压汽油从油箱中吸出，然后将其转化为高压燃油输往燃油轨中。由于希望油泵出口压力较高，用于进气道喷射的燃油泵难以满足要求，故可采用柱塞型高压燃油泵。

（二）调压阀：

其作用是保证高压油路中燃油压力的恒定。进而保证喷油量。

（三）油轨：

喷油器脉动式的喷油方式和柱塞泵脉动式的供油都将在高压油路中引起燃油压力的波动，通过油轨可以减轻这一波动，尽量保证压力的恒定。同时油轨也可为喷油器和燃油压力表提供机械安装条件。

（四）喷油器：

喷油器是发动机电控直接汽油喷射系统的一个关键的执行器。它接受控制系统传来的喷油脉冲信号，精确的计量燃油喷射量由于进气道喷射所用的喷油器不能满足要求故我们需要开发一种新型的高压喷油器。它必需能够对燃油进行精确的计量且响应性和重复性都应比较好。最好能够呈圆锥状喷出油雾。因此喷油器的喷孔应设计成能喷出锥状油雾的形式。

目前所用的喷嘴主要有三种：（1）内开式旋流形喷嘴、（2）孔式喷嘴、（3）外开式喷嘴。可以在以上喷嘴的基础上加以改进。

喷油器喷射特性的研究：

（1）对喷射特性的要求

首先与进气道多点喷射相同它必须满足，燃油分配方式合理；对燃料计量要精确（在喷射器线性范围内其波动率小于-2% - +2%）在燃油喷射过程中油束及少偏斜或变形；喷射结束后喷嘴迅速可靠地关闭；尽量避免燃油滴落或泄露。在反复喷射过程中相同的喷油脉宽喷射燃料量与其喷射特性保持一致。

另一方面GDI喷油器与柴油机缸内直喷类似对缸内喷射提出要求：喷射器要具有良好的雾化特性；燃烧过程中缸内压力与温度较高；对喷油器密封性能和耐高温性能提出更高的要求：动态响应范围要求提高，控制喷射贯穿距离，并避免不希望的二次喷射等其具体要求如下：

1）全负荷时，在进气行程早期喷射，此时气缸压力较低，要求喷射出的燃油不碰到活塞顶、气缸壁以及进气门。所以油束贯穿度受到限制。由于此时应用均质混合气燃烧，要求有较好的雾化扩散性能，与空气完全混合充分利用。

2）在部分负荷时，在压缩行程后期喷射，气缸压力较高，希望产生一个稳定而密集的油束，气流在活塞顶形状的引导下，形成分层燃烧，此时油束和活塞顶相碰不可避免，但希望在活塞顶上生成的油膜能短时间在气流的作用下汽化，在火花塞跳火间隙处保证有浓度适中的混合气，使点火顺利进行。

在低负荷分层燃烧时，由于是在压缩行程后期喷油，要求GDI喷油器能在极短的脉冲时间内提供较大的一个喷射量，在点火之前完成喷射并留出一定的时间供燃油形成分层混合气。与PFI喷射方式相比喷孔的截面较大且动态响应性能好，另一个是喷嘴结构设计中要避免积炭，早期GDI发动机所采用的喷油器是多孔内开式喷嘴，其结构与柴油机喷嘴相似，但由于汽油喷射压力远低于柴油机造成雾化效果不如在柴油机中使用的好。之后研发的外开单孔轴针式喷嘴能够改善喷雾情况且不宜积炭、堵塞。现今广泛使用的内开式旋流喷嘴，在内部设有燃油旋流腔，燃油通过在其中产生的旋转涡流可实现较好的喷雾形态和合适的贯穿度配合，进一步提升了喷油器的性能。

（2）喷油器流量特性的研究

喷油器流量特性分静态喷射量和动态喷射量。静态流量是指在规定的喷射压力下，针阀开启最大时单位时间喷射的油量。动态流量是指在某一通电时间时的燃油喷射量。

对于汽油缸内直接喷射来说，一方面喷油器要满足高喷射压力的要求，另一方面其流量特性要满足发动机正常工作的需要。具体来说就是在高负荷时其供油量大，低负荷及怠速时为了降低发动机的油耗，喷油量较小且要精确，这些对喷油器流量特性提出了动态工作范围大，小流量段线性度好等要求。由于喷射压力也会影响到喷油器流量特性，因此在满足缸内直喷压力需求基础上需选择合适的喷油压力。

目前GDI发动机广泛采用单流体，轴针内开式旋流形喷嘴，只有一个喷孔，工作油压为5.0-10MPa。这种结构可以看成为无限个喷孔的多孔喷嘴，沿着喷雾锥面的周向燃油均匀分部。由于它在轴向动量的基础上加上了很强的径向旋转动量，因而使得燃油进入燃烧室时能够形成一空心锥形的油束，燃油的雾化程度得以提高。油束也更加趋向轴向对称。锥角的初始角度按实际应用需要可以设计成从25度到180度。选择好喷油器的位置和喷雾锥角，可以极大地减少大油量时燃油和缸壁的碰撞，从而改善排放性能。

（五）油雾成形及雾化特性

对与汽油缸内直喷发动机来说，和柴油机一样，燃油的雾化性能对其燃烧质量有很大的影响，是其喷射系统性能的一项重要指标，缸内直喷汽油机不同工况有不同的喷射策略，低负荷压缩行程后期喷油，留给汽油雾化的时间很短而汽油喷入在气缸后在点火之前是否完全汽化，将严重影响UBHC的排放水平，同时也会影响燃烧的稳定性。当油滴直径为80微米时，压缩状态蒸发需10多毫秒，对应发动机转速为1500转时100多度曲轴转角，相比之下油滴直径为25微米时，蒸发只需要几毫秒，对应10多度曲轴转角。从而使喷射策略更加灵活。因此一般要求GDI喷射时油粒平均直径SMD不超过25微米。

燃油的喷射压力对油束的雾化和贯穿度有重要影响。提高喷射压力可以减小油雾颗粒的平均直径。但较低的喷射压力可以减少油泵负荷、系统准备时间和喷油器噪声，从而延长系统的使用寿命，这是一个互相矛盾的问题。目前大多数直喷式汽油机选用的供油压力为4-13MPa，使用过高的喷射压力虽然有利与燃油的雾化，但同时也增加了油束的贯穿度，造成湿壁现象，使排放恶化。

下面谈一下燃油二次喷射时油雾的燃烧方式。缸内两次燃油喷射是将每循环所需燃油分别在进气冲程和压缩冲程喷入气缸，比单一进气冲程较早喷射或压缩冲程较晚喷射能更好的实现不同工况下对混合气的要求，可简化燃烧室设计，减低对气流运动的要求，且在工况过度时能避免控制逻辑复杂的燃烧模式切换利用两次燃油喷射系统，通过对两次喷油时刻及喷油脉宽的精确控制，在气缸内形成均质或分层稀薄混合气，以实现缸内直喷汽油机在各工况下对混合气的要求。中小负荷工况下，调节第一次喷油时刻控制喷油器在进气冲程中进行喷油，由于采用高压旋流式喷嘴，燃油雾化较好，并且喷入时间较长，油雾在缸内气流运动作用下能更好的蒸发混合，形成均质稀薄的混合气。压缩冲程进行第二次喷油，燃油主要集中在浅圆柱形活塞凹坑内，在进气涡流作用下，运动至火花塞间隙处，形成较浓混合气，实现分层稀薄燃烧。发动机在大负荷工况下时，通过增加第一次喷油量及减小第二次喷油量并调节喷油时刻，可在缸内形成较为均匀的混合气，实现均质燃烧。

总之喷雾的形式要充分考虑到发动机此时的工作状态并能迅速的随工作状态的改变而改变喷雾形状。并且喷出的油雾能在燃烧时实现分层稀薄混合燃烧。这是实现汽油机直喷正常工作的必要条件。

1.3燃料的辛烷值和压缩比及空燃比对汽油机直喷的影响：

（1）实验证明在缸内直喷汽油机上采用多次燃油喷射和可变配气技术可实现混合气的复合燃烧。而不同的压缩比和燃料辛烷值又会对复合燃烧产生的排放物有重大影响。提高压缩比可以增加压缩终点混合气温度，降低对进气温度的要求，从而提高进气密度，增加功率输出。从这一方面看直喷发动机应尽可能的提高压缩比，但另一方面辛烷值较低的燃料，提高压缩比易导至发动机产生爆震，因此我们应尽可能提高压缩比且避免爆震。下面我们来看一下直喷汽油机是怎样来降低爆震趋势的。

众所周知，燃油的潜热可以用来降低混合气的温度和容积，从而影响着发动机的充气效率和爆震趋势。对与进气道喷射发动机而言，由于燃油是喷射在进气岐管内的，燃油的蒸发主要依赖与进气道和进气阀等热源对油膜的热传递，因而不能显著的冷却充质。对缸内直喷式汽油机而言，燃油以较细的雾化颗粒形式进入气缸，从周围的空气中获得热能，因而可以有效地起到冷却充质降低爆震的目的。

不同的喷射定时影响着燃烧室表面到充质的传热率，在进气冲程中喷油，增加了缸壁对充质的热传递，这样燃油蒸发对最终充质温度的冷却效果就变差了，在压缩冲程中喷油，喷油之前由于空气温度较高，缸壁对空气的传热率降低，这样当燃油喷入时，燃油蒸发对充质的冷却效果得到了较好的保持，因而在点火时刻燃气温度较低，最终降低了爆震趋势。

事实证明燃料的辛烷值越低越易产生爆震现象。我们可以采用降低燃烧室内燃油喷雾温度的方法，来降低因汽油的辛烷值过低而造成的该现象。

（2）在部分负荷工况下应用分层燃烧可以使用比传统的稀燃发动机更大的空燃比工作，以寻求燃油经济性改善。如果空燃比过高如1.1就会在该高温富氧区产生大量的NOx，如果空燃比过低又会造成空气利用率低，混合气质量变差以及燃烧持续期的延长，造成碳烟颗粒的排放增加。为了两者兼顾我们采用了分层燃烧的方式来降低NOx的生成。其原理是分层混合避免了有利于NOx生成的富氧高是温区。单仅仅采用分层混合是不够的我们还需要采用其他的辅助设备来降低NOx的生成，如三元催化装置等。

总之为了兼顾降低碳烟颗粒和NOx的排放，我们可以采用提高空燃比和混合气分层燃烧以及利用三元催化装置来实现。

汽油机缸内直喷的应用虽然存在着种种问题，但是我相信随着技术的日益进步，汽油机缸内直喷技术一定会更加完善。

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