汽車燃油直噴燃燒技術(GDI)解密

　　燃油直噴燃燒技術(GDI)的基礎技術的應用起源於30年代，但長期以來沒有得以發展，只是到了近兩年，由於電子技術和其它系統的性能的提高，才使這種新概念有所作為。

開發直噴技術的最初想法是由於在大多數的情況下，發動機的空燃比可以調節到比用化學計算法得出的14.7:1更稀薄的狀態，而不會對發動機性能造成負面的影響。然而其局限性卻是這樣的，稀薄混合氣體很難點燃，而且還會隨之產生相應的排放物，其主要成分是氮氧化合物（NOX）。

采用直噴技術後，燃油以細微滴狀的薄霧方式進入汽缸，而不是以蒸汽的方式。這也就意味著當燃油霧滴吸收熱量變為可燃蒸汽時，實際上對發動機的汽缸起到了冷卻的作用。這種冷卻作用降低了發動機對辛烷的需要，所以其壓縮比可以有所增加。而且正如柴油一樣，采用較高的壓縮比可以提高燃料的效率。

采用GDI技術的另一個優點是它能夠加快油氣混合氣體的燃燒速度，這使得GDI發動機和傳統的化油器噴射發動機相比，可以很好地適應廢氣再循環工藝。例如，在三菱的發動機上，當怠速運轉過程中如果發動機燃燒不穩定，則發動機可以以40:1的空燃比很平穩地運行（如果采用了廢氣再循環EGR技術，那麼發動機的空燃比可以提高到55:1）。

決定一種非常稀薄的混合氣體的關鍵是能否找到一種可靠的點燃它的途徑。這就要求在火花塞間隙附近混合氣的濃度足夠大，以便能點燃。由於火焰的焰心要比火花塞的間隙尺寸大得多，一旦燃燒之後火焰就會向燃燒室內的稀薄氣體區域擴散。早期的GDI的開發工作著重於研究能夠在炙熱狀態下，長時間工作點燃可燃物的兆點點火系統。雖然這個系統發出的炙熱的、較大的火花能夠很容易地將稀薄混合氣體點燃，然而由火花塞發出的熱量卻大大降低了火花塞電極的使用壽命。

采用計算機來模擬進出燃燒室的燃料和空氣流的情況是一項突破性的技術。燃燒室和活塞的形狀、噴油脈沖的能量和方向、活塞和發動機熱量的運動情況都會影響油氣混合物霧滴的位置。這項技術采用了關鍵性的計算機技術來確定空燃流的情況以及空燃噴射器的最佳位置以及火花塞的相關參數。

兩個基本的系統

當這項技術應用於GDI時會產生兩個基本的系統，它們分別是HPDI和LPDI。HPDI系統依靠高壓（100巴或100個大氣壓力）來迫使燃料進入已經充滿空氣的燃燒室。在雷諾的IDE發動機中，西門子采用了一個三活塞的燃油泵來產生燃料噴射所需的高壓。同時，由於采用了電磁控制的閥門，使得發動機的控制系統能夠根據發動機的運轉需要確定進、排氣門的正時時間。

Orbital公司的低壓直噴系統（LPDI）是對兩沖程發動機應用於汽車制造的技術的進一步完善和改進。采用LPDI系統後，一定量的燃油被噴射到位於油氣混合氣噴射裝置頂部的氣室內。一個皮帶或凸輪傳動的空氣壓縮機用來向空氣噴射裝置提供大約6.5巴的壓力。當空氣噴射裝置的線圈被啟動後，空氣壓力就會使燃油和空氣進入到燃燒室中。這個系統發生作用的關鍵是進入到燃燒室中的燃料流應該是呈現易燃狀態。該系統的一個很主要的特點是由於燃料沒有處在非常高的壓力下，所以也就不需要使用特殊的燃油泵，燃油供油裝置產生開裂和洩漏的危險性也小得多。

　　HPDI和LPDI這兩個系統都面臨著挑戰。一是燃油的噴射模式必須十分精確，以便能夠以成層的方式正確地將燃料進行分配。在HPDI系統中，這意味著需要更高的噴射壓力和更快的噴射速度。西門子公司宣稱它目前正在研究高達200巴壓力的燃油噴射系統，該系統具有能夠在半毫秒內點火的高精度的噴射裝置。

要獲得較滿意的燃空混合氣分層就意味著燃燒室和活塞頂部的形狀都是非常關鍵的。這需要對每台發動機使用計算機造型和廣泛的測試來確定其最終的形狀。這也即是說GDI技術並不能簡單地捆綁於現有的發動機上。汽缸和活塞需要進行變動，發動機的電子控制系統的硬件也需要改進。

和傳統的發動機燃油泵相比，HPDI系統所需的燃油泵有很大的區別。傳統的電動燃油泵需要讓燃油流經泵體來保持冷卻和潤滑。而另一方面，高壓HPDI系統的燃油泵卻采用了與燃油流隔離開的液壓泵組件。為了降低在如此高的壓力下運轉時發生洩漏的可能性，將這兩部分的功能隔離開是很有必要的。PSA標致/雪鐵龍公司和西門子公司已經組成了一個合資公司來專門為歐洲市場生產這種新型的燃油泵。

讓發動機燃燒非常稀薄的油氣混合氣體也就意味著其每個燃燒沖程燃燒的燃料量更少，因而產生的功率也就更小。三菱公司的GDI發動機通過采用雙重模式的燃燒系統突破了這個局限性。對於在正常情況下的諸如城市市區的低負載駕駛工況，燃油在壓縮沖程延遲噴射，這一點和柴油發動機一樣。這種方式提供了一種極稀薄的油氣混合物分層，從而提高了發動機的燃油經濟性。當來自不同的發動機傳感器的信息探測到駕駛員希望在高負載或高車速下操縱汽車時，噴射脈沖就會提前在進氣沖程進行噴射。

這種技術允許發動機使用正常的空燃比。其關鍵是發動機的電子系統能夠實時確定燃油應在何時以何種方式噴射。

GDI技術對發動機排放的影響

GDI技術對發動機的排放具有很重要的影響。你可以想像得到，當較少的燃料在一個富氧的環境中燃燒時，HC和CO的產生量肯定會大大減少。另一方面，氮氧化物NOX的產生則是個問題。為了避免這個問題的發生，三菱的GDI發動機采用了30％的EGR比率，並采用了一個新型的稀薄NOX氣體催化器。這種催化器是一種儲藏型的設備，它能夠在需要的情況下吸收多余的NOX，然後將HC排放物引入那部分的催化轉換器而重新起作用。由於這個裝置位於三元催化器的前面，所需要的用於多余的NOX催化的HC的量在此處應該引起注意。

這項新技術至少需要采用好幾個傳感器才能夠起作用。人們開發出了一種新型的傳感器來探測多余的NOX的水平，這種傳感器在很多方面與傳統的氧傳感器很相似，只不過它的固體電極采用了不同的材料，而且它采用了兩室的設計結構。傳統的氧傳感器對於采用非化學計量法得出混合汽體不起作用，所以在這裡還需要一些其它的東西。一種被開發用於ULEV發動機的被稱為UEGO分線性氧傳感器在這種空燃比的情況下能夠良好地工作，並被用於三菱公司的發動機系統中。

正如你所知道的那樣，GDI發動機與目前車輛上廣泛裝備的傳統的進油口燃油噴射的發動機有很大的不同，而且這種新型的發動機毫無疑問將在不遠的將來得到應用。事實上，豐田公司的混合動力轎車Prius上已經裝備了一台這樣的發動機，而且福特、通用和克萊斯勒公司都正在對這種新型發動機進行研制。一個積澱了70年的概念正在逐步變為實用的產品，這就是讓人值得稱道的地方。而所有這一切都要歸功於車載的傳感器和電子控制系統，以及最終使該項技術浮出水面的計算機建模系統。