浅谈汽油发动机缸内直喷技术的利与弊

【前言】浅谈汽油发动机缸内直喷技术的利与弊由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。这种汽油机现存的问题首先是排放方面的何题，主要体现在下列几个方面： （1）中小负荷工况未然碳氢的排放较多。其可能的原因是燃油喷雾碰到活塞顶和缸壁的机会较多，采用分层混合气时引起火焰由浓区向稀区的熄灭，或缸内温度偏低，不利于未燃碳氢后燃等。 （2）NOx排...

【摘要】20世纪90年代以来，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了越来越高的要求。为此，近年来世界各大汽车公司和科研机构相继开发了许多发动机新技术。其中缸内直接喷射技术已成为车用汽油机一个十分重要的发展方向，随着电子控制技术的进步，各国都加大了对汽油机缸内直接喷射技术的研究。本文将对汽油发动机缸内直喷技术的利与弊进行分析探讨。

【关键词】汽油机，缸内直喷

一、缸内直接喷射汽油机的特点

缸内直喷的关键在于产生与传统发动机不同的缸内气流运动状态，通过相关先进技术使喷入汽缸的汽油与空气形成一种多层次的旋转涡流，因此缸内直喷采用了立式进气道、弯曲顶面活塞、高压旋转喷射器等技术。图1为三菱公司开发的直喷式发动机结构图。采用很有特色的立式进气道，通过来自上方的强大下降气流，形成与以往发动机相反的缸内空气流动一纵向流动即滚流。弯曲顶面活塞利用活塞顶的凸起形状，增强了滚流强度，再通过高压旋转喷射器喷射出雾状汽油，在压缩行程后期的点火前夕，被气体的纵涡流融合成球状雾化体，形成一种以火花塞为中心，由浓到稀的层状混合气状态。这样，从总体上看，虽然混合比达到40：1，但聚集在火花塞周围的混合气却很浓，很容易点火燃烧。

二、缸内直接喷射汽油机存在的问题

这种汽油机现存的问题首先是排放方面的何题，主要体现在下列几个方面：

（1）中小负荷工况未然碳氢的排放较多。其可能的原因是燃油喷雾碰到活塞顶和缸壁的机会较多，采用分层混合气时引起火焰由浓区向稀区的熄灭，或缸内温度偏低，不利于未燃碳氢后燃等。

（2）NOx排放较多。因为分层燃烧时将不可避免地在火花塞附近出现混合气局部过浓或浓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，较高的压缩比和放热率也将导致大负荷工况NOx增多。另外，稀燃时由于排气中始终处于氧化氛围，使NOx的还原比较困难。

（3）微粒排放较高。直喷式汽油机的微粒排放在小负荷、过渡工况和冷起动的情况下比传统的进气道喷射汽油机有较多的增加，但仍比柴油机要低一个到几个数量级，其形成的主要原因可能是局部区域混合气过浓或有类似于柴油机的液态油滴扩散燃烧，并且缸内温度低也造成了微粒氧化不完全。

三、缸内直接喷射式汽油机的排放对策

由于缸内直接喷射式汽油机大负荷时NOx和微粒排放高，在起动和小负荷运行时HC和CO排放也较高，因此日本三菱公司研制成功的三菱二阶段混合和二阶段燃烧成功地解决了这一问题，这也是充分发挥电控装置功能的一个例子。如图2所示，在进气冲程开始时第一次喷油，在缸内生成很稀的均质混合气，第二次喷射在压缩上止点前，在汽缸滚流和活塞顶形状的作用下产生分层混合气，然后点火燃烧。这种混合气生成法的好处是：

（1）抑制敲缸的发生。原因是第一次喷射均质混合气很稀不可能产生敲缸，第二次喷射燃油在缸内停留的时间短，来不及完成着火前的低温氧化反应。

（2）促进炭烟烧尽。分层燃烧产生炭烟，但第一次喷射的稀混合气中产生的过氧化物将有助于燃烧，此时的高温炭烟将成为稳定的点火源，将自己燃尽。至于NOx排放仍依靠稀NOx催化系统，且要经常应用短期浓混合气，来还原被捕捉的NOx。

图3所示为二阶段燃烧的示意图。其目的是改善冷起动和小负荷运行时的HC和CO排放，CO的氧化温度比HC的低，因此辅助喷射燃烧首先使催化剂加热，然后CO燃烧产生较高温度，再使HC 燃烧。但是二阶段燃烧会导致燃油消耗率增加，所以应尽量减少二阶段燃烧方式的应用。

四、二冲程缸内直喷稀燃发动机

二冲程汽油机有其固有的优点，如低速转矩特性好，升功率高，结构简单，便于实现发动机的小型轻量化，且维修方便。但由于在―个行程内（向下行程）要完成排气过程和扫气过程，对于化油器式二冲程发动机，会出现换气过程的短路损失，导致油耗升高，排气污染物尤其是HC的排放相对严重，目前在汽车上很少应用。

澳大利亚的ORBITAL（奥必托）公司开发成功了用压缩空气辅助喷射的喷油器的缸内直喷式二冲程发动机。经曲轴箱扫气进入汽缸的是空气，汽油在喷油器中与少量空气混合后，以0.62MPa的压力喷入汽缸，喷雾粒度平均达到5。通过喷雾特性、燃烧室形状、气流运动的优化配合，可在空燃比为20～50的宽广范围内稳定运转。图4是排量为0.8L的二冲程三缸汽油机在1500r/min时的排放特性，由图中可以看出CO排放只有美国超低排放法规限值（ULEV）的1/10，HC和NOx排放也明显低于超低排放法规。