高增压直喷汽油机的技术瓶颈

高增压小型化和缸内直喷是改善汽油机热效率和满足更加严格油耗法规的重要技术手段。高增压小型化可使发动机在满足动力输出要求的前提下，将发动机常用工况点从小负荷向中高负荷区域迁移，提高热效率；缸内直喷技术具有抑制爆震的能力，可以将压缩比进一步提高，从而提高热效率。增压小型化和缸内直喷技术在油耗方面突出的优势，使其成为业界的热点研究方向。但高增压小型化直喷汽油机仍面临着两个制约其发展的关键问题：爆震和颗粒排放问题。

爆震问题

爆震是由于气体压力和温度过高，在燃烧室内离点火中心较远处的末端可燃混合气自燃而造成的一种不正常燃烧现象。爆震是汽油机研发历史中的一个顽疾，始终限制着汽油机动力性和燃油经济性的提升。而在增压小型化之后，发动机的热负荷会增加，导致发动机更容易产生爆震现象，因此高的增压压力使得爆震成为制约进一步小型化的关键因素。汽油机的燃油经济性比柴油低的一个重要原因是其压缩比较小，有研究表明，发动机几何压缩比每提高一个单位，热效率将提高1-3%。但在增压发动机中，为了防止爆震的发生，几何压缩比通常要比非增压汽油机减小约1.5左右，而且还会结合推迟点火的方法来抑制爆震，严重影响着汽油机的燃油经济性。因此，降低几何压缩比或者是推迟点火时刻都不是最佳的抑制爆震的方法。为有效地抑制爆震，可采用以下方法：

可变气门技术：在中小负荷等不易发生爆震的工况，可采用较大的有效压缩比，获取更高的热效率；在较易发生爆震的工况，可以通过推迟进气门关闭时刻，减小有效压缩比，从而降低压缩温度，抑制爆震的发生。此外，在直喷汽油机中，扫气策略也是一个抑制爆震的有效手段。

外部冷却废气再循环（EGR）技术：有研究表明，在5000 r/min， BMEP=1.26 MPa，相对理论空燃比无EGR的基准工况，15%的EGR可以使爆震点的CA50提前2 °CA，从而提高热效率。EGR对爆震的抑制机理主要有以下几方面：首先，EGR的引入增加了末端混合气的比热容，使得末端混合气的温度降低，抑制了爆震的发生；其次，EGR降低了平均燃烧速度，使得缸内最大压力得以降低，这有利于抑制爆震；最后，EGR内含有惰性气体，会增加淬熄反应的程度，从而延长末端混合气的自燃时间，达到抑制爆震的效果。

多次喷射技术：一部分燃油在进气行程的早期喷射，以形成稀薄的混合气，不易自燃，第二次喷射在压缩行程的末期完成，降低缸内混合气温度，同时可在火花塞周围的接近理论空燃比或偏浓的混合气，以利于点火。相比于单次喷射，两次喷射可有效的抑制爆震，但同时也会导致增加碳烟排放。

颗粒物排放问题

发动机排出的颗粒会对人类健康和大气环境造成不利影响，因此，各因正在加强对粒径100 nm以下颗粒排放的限制。2011年末，欧6法规将汽油机的颗粒数限值规定为6.0x1011/km，对直喷汽油机而言，这一限值是非常苛刻的。因此，国内外针对直喷汽油机颗粒物数量排放的影响因素展开了广泛的研究。研究结果表明，缸内直喷汽油机中的碳烟生成与燃油附着引起和缸内混合气的局部过浓混合气有关。进气门及进气门座上的喷雾冲击和扩散引起的燃烧室顶部燃油附着，因喷油引起嘴端燃油附着，以及经由气缸壁面油膜的活塞环岸处燃油附着，上述燃油附着区域附近，会造成混合气较浓，引起碳烟的生成；而缸内直喷使油气混合时间缩短，造成混合气局部过浓，也可导致碳烟颗粒生成的原因之一。

参考文献：

[1] 苏建业. 增压直喷汽油机爆震和颗粒物排放特性与控制策略研究[D]. 上海交通大学, 2014.