燃烧系统的开发是 GDI 发动机开发的核心部分,如何提高容积效率,增强系统的抗暴性,并能够实现高效的、快速的燃烧,同时兼顾在分层燃烧模式和均质燃烧模式下的燃烧稳定性,对 GDI 发动机的燃烧室形状、喷雾形态及气流组织等方面提出了更高的要求。
GDI 发动机燃油喷射压力在 10-15MPa 左右,最大可达 20MPa,远高于 PFI 发动机 0.3-0.4MPa 的燃油喷射压力,对高压油轨的材料和可靠性要求较高。另外喷油器直接深入燃烧室内,工作温度在 500-1100℃,而喷嘴的孔隙为微米级,汽油中硫燃烧形成的硫酸盐类化合物及芳香烃燃烧不完全形成的黑色碳烟易堵塞喷嘴,影响雾化效果,加大喷油噪声。同时燃油系统压力高,各部件的磨损增加,导致润滑效果下降。
GDI 发动机采用分层燃烧模式时,由于在压缩行程后期喷入燃油,燃油和空气没有足够的时间进行混合,使得燃油蒸发慢,同时形成的可燃混合气在燃烧室内分布很不均匀,存在部分区域的油气浓度偏大,进而在这些区域产生的 NOx 增加。另外,GDI发动机的大部分运行工况都处于部分负荷,燃烧经常在过量空气系数较大的条件下进行,导致排气中含氧量较多且排气温度较低,在中、小负荷时 HC、颗粒排放物增加,三元催化器达不到最佳的转化温度,对氮氧化物的转化效率低,难以满足严格的排放法规。
GDI 发动机对电控系统要求高,为了达到均质燃烧或分层稀薄燃烧所要求的喷雾质量、灵活的喷油定时和点火正时,实现不同燃烧模式下转矩的平顺过度,需采用精度高、响应快的柔性控制策略,开发和标定难度大,标定周期长,一般需要 8-10 个月。
对于匹配有涡轮增压器的 GDI 发动机,进气经废气涡轮强制性增压后,压缩过程和燃烧时,燃烧室的温度和压力都会大幅增加,爆燃倾向增大,而降低压缩比又会造成燃烧不充分,性能指标下降;另外由于发动机转速高,空气流量变化较大,易造成涡轮增压器反应迟滞,致使低转速工况动力性不足,同时涡轮易积碳,增加噪声及影响可靠性。
采用增压直喷技术后,发动机的热负荷和爆发压力相比 PFI 自然吸气发动机有大幅提高,爆震倾向加大。同时也存在扩散燃烧现象和早燃现象,扩散燃烧引起碳烟排放,而早燃则引起破坏性更强的超级爆震,这些都需要在开发中引起关注。
