缸内直喷技术的特点和优势

气缸盖

气缸盖是 GDI 发动机的关键部件,尤其是缸盖中燃烧室部分及气道结构对气流运动、混合气形成、火焰传播等起着至关重要的作用。

进气管

对于采用分层燃烧模式的GDI发动机,为了增加进气充量及增强进气滚流,不但对进气管的管径、管长、谐振腔的容积有特殊的要求,而且往往增加可变滚流和可变管长等结构。这样不但进气管结构变得复杂,制造成本较高,而且性能开发和匹配标定的难度也较大。而对于同时采用涡轮增压的缸内直喷发动机来说,由于进气增压的作用,在发动机大部分工况下进气管内均为正压,一般可达 0.2MPa 左右,对进气管的强度要求高,同时发动机本体或整车需要另外增设真空泵满足系统对真空度的需求。

高压油泵

GDI 发动机的喷油压力一般在 10-15MPa 左右,以保证燃油雾化质量及合适的贯穿距离。高压油泵一般由安装在进气凸轮轴上的 4 山凸轮驱动,升程在 2.5-4mm 之间,升程对高压油泵的选择十分重要,直接影响着冷起动时直喷系统的建压时间,升程需根据发动机性能需求、滚轮挺住寿命、驱动凸轮型线及制造工艺等因素综合设计,一般 3.5mm 左右的升程即可满足使用需求。

喷油器

喷油器是直喷系统的核心部件,喷油器在燃烧室内的布置方式、喷嘴结构形式、油束的喷雾形状都直接影响燃油的雾化、油气混合及燃烧过程,最后影响发动机的性能。另外喷油器喷嘴置于燃烧室内,受燃油品质量影响较大。如果燃油的油品质不好,燃烧不充分,极易生成积碳并堵塞喷嘴,影响喷雾质量及喷油器自身的寿命。

活塞

缸内直喷发动机的活塞顶面形状对燃烧室内气流的运动及混合气的形成有很大的影响,因此缸内直喷发动机都将活塞作为关键部件进行重点的设计和开发。无论是壁面引导、气流引导还是喷射引导,都需要特殊的活塞顶面凹坑相适应,从而达到较为理想的油气混合效果,形成油气浓度的均质分布或梯度分布,保证燃烧的顺利进行。

缸内直喷发动机与进气道喷射发动机相比有如下优势：

1、大负荷或全负荷工况时,缸内直喷发动机在进气行程中将燃油喷入燃烧室,由于油束的移动速度小于活塞的下行速度,使得油束周围的压力较低,燃油迅速扩散蒸发,进而形成均质燃烧混合气。

另外,燃油蒸发吸收热量使缸内温度降低,增强了抗爆震性能。因此缸内直喷发动机可以用较高的压缩比,提高了发动机的热效率，一般可提高至 11~14。另外由于缸内温度降低,提高了充量系数,可发出较大的功率。当发动机在低负荷运行时,在压缩冲程时刻进行燃油喷射,利用缸内滚流的运动促进油气混合,最后在火花塞电极附近形成适宜点火的油气,并且油气浓度在整个燃烧室内呈现梯度分布,可实现较大的空燃比,从而提高发动机的经济性。同时,分层燃烧模式使燃烧发生在燃烧室的中心区域,燃烧被周边的空气隔绝,降低了热量损失,进一步降低了燃油消耗率。

2、缸内直喷发动机在中、小负荷工况时采用分层燃烧模式,燃油浓度梯度呈现梯度分布,即在缸壁附近分布的大部分是空气,有效地防止了热量传递给缸体水套,提高了燃烧的热效率。

3、进气道喷射发动机在冷起动过程中,缸内温度低,油气蒸发不完全,致使实际喷油量远远超过了按理论空燃比计算得到的喷油量,而且在冷起动时易出现失火或不完全燃烧现象,使 HC排放增加。相反,缸内直喷技术发动机可以精确的控制每个循环的空气与燃油比例,结合分层燃烧直接起动技术,可以降低冷起动时的 HC 排放,瞬态响应好。

4、缸内直喷发动机采用质调节,根据各缸的实际需求进行燃油喷射,可减少各缸之间的差异,提高各缸均匀性,一般与进气道喷射汽油机相比缸内直喷发动机的各缸均匀性可以控制在 3%以内。