由于汽油机的燃油经济性比柴油机差,所以降低汽油机的能耗已经成为汽车界当前必须要解决的一个问题。具有理论空燃比的均质混合气的燃烧理论在火化点火发动机上被广泛使用,它的最大优点是可以实用三效催化器来降低CO、HC和NOx等废气的排放。不足之处是不能获得较高的燃油经济性,为了提高发动机的热效率和降低废气排放,燃烧技术在不断地发展。汽油机经历了由完全机械控制的化油器供油为主到采用电控喷射、缸内直喷、电辅助增压和电动气门、可变压缩比、停缸等技术的变化,汽油机发展的最终方案将采用综合汽油机和柴油机优点的燃烧控制技术。
目前最有代表性的三大汽油机技术是:
a. 汽油直喷技术。开发车用具有汽油机优点同时具有柴油机部分负荷高燃油经济性优点的发动机是主要的研究目标。汽油缸内直喷是提高汽油机燃油经济性的重要手段,近些年来,以缸内直喷汽油机(Gasoliine Direct Injection, GDI)为代表的新型混合气形成模式的研究和应用,极大地提高了汽油机的燃油经济性。以日本为代表的非均质直喷技术面临燃烧稳定性和后处理等问题,同时以欧洲为代表的均质直喷技术正在兴起。
b. 电动气门与无凸轮发动机。发动机可变气门正时技术(Variable Valve Timing, VVT)是针对在常规车用发动机中,因气门定时固定不变而导致发动机某些重要性能在整个运行范围内不能很好的满足需要而提出的。VVT技术在发动机运行工况范围内提供最佳的配气正时,较好地解决了高转速与低转速,大负荷与小负荷下动力性与经济性的矛盾,同时在一定程度在一定程度上改善了排放性能。随着环境保护和人类可持续发展的要求,低能耗和低污染已成为汽车发动机的发展目标。VVT技术由于自身的优点,日益受到人们重视,尤其是当今电子技术的飞速发展,促进了VVT技术从研究阶段向实用阶段发展。电动气门具有与电控喷射同等重要的意义,它将给发动机空气系统控制和循环过程管理带来一系列技术变革,如取消节气门、可变压缩比、部分停缸等。
c. 燃烧方式的混合。传统的火花点火发动机的燃烧过程在火焰传播中,火焰前锋的温度比未燃混合气高很多。所以这种燃烧过程虽然混合气时均匀的,但是温度分布仍是不均匀,局部的高温会导致在火焰经过的区域形成NOx。柴油机的燃烧过程是扩散型的,燃烧过程中燃烧速率由混合速率决定,点火在许多点发生,这种类型的燃烧过程混合和燃烧都是不均匀的,NOx在燃烧较稀的高温区产生,固体微粒在燃料较浓的高温区产生。在均质充量压缩点燃(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI)过程中,理论上是均匀的混合气和残余气体,在整个混合气体中由压缩点燃,燃烧是自发的、均匀的并且没有火焰传播,这样可以阻止NOx和微粒的形成。这种汽油机均质与柴油机压燃混合的燃烧方式,以燃料技术和控制技术为基础,综合汽油机和柴油机两种燃烧方式优点的均质压燃HCCI内燃机技术正在兴起。
混合气形成策略不同是气门口喷射PFI(Port-fuel-injection PFI)发动机与GDI发动机的主要区别。PFI发动机产品中喷嘴20%装在缸盖上,在进气门的背面,80%安装在进气歧管上靠近缸盖位置,在发动机起动时,会在进气门附近形成瞬时的液态油膜,这些燃油会在每次进气过程逐渐蒸发进入气缸燃烧。因此进气口处的油膜如同电容,具有积分的作用,发动机瞬时的供油量不能通过喷油器实现精确控制。由于部分蒸发现象导致油量控制延迟和计量偏差,冷机起动时由于燃油蒸发困难,使得实际供油量远大于需求空燃比的供油量,这样会导致冷起动时发动机有4到10个循环的不稳定燃烧,显著提高发动机未燃HC的排放。如图所示,GDI发动机燃油直接喷射在气缸内,可以避免气门口燃油湿壁现象,实现燃烧各阶段燃准确供油,因此能够实现更稀薄燃烧,并且降低缸与缸之间、循环与循环之间的变动,冷起动首循环不需加浓控制,降低瞬态工况HC的排放。然而GDI发动机对燃油蒸发和混合物形成有更严格的要求,需要通过更高的喷油压力提高燃油的雾化率,同时需要更加复杂的控制策略,这对GDI发动机的电子控制系统提出了更高的要求。