GDI发动机PPT课件

1、1,21世纪轿车的理想动力装置GDI发动机,汽油直接喷射(Gasoline Direct Injection)发动机简称GDI发动机，是近年来国外内燃机研究与开发的热点。专家认为，汽油机直喷技术的出现，使汽车发动机技术进入了一个崭新的时代，它在21世纪有取代传统的汽油机和柴油机的趋势，成为轿车最理想的动力装置,2,传统的汽油发动机是将汽油喷射到进气管 中，与空气混合后再进入气缸内燃烧，而 GDI发动机是将汽油直接喷入气缸，利用缸 内气流和活塞表面的燃料雾化与空气形成混 合气进行燃烧,3,GDI发动机具有很好的工作稳定性和负荷性能， 同时低温起动性能得到了明显改善，能实现分层燃 烧，燃油经济性大

2、大提高，其油耗可达到涡轮增压 直喷(TDI)柴油机的水平，且省略了涡轮增压装置， 省却了复杂的高压喷射系统。GDI发动机能用稀燃技 术，空燃比可高达40：1，甚至最高可达100：1，使 得功率和转矩均高于传统汽油机，油耗、噪声及二 氧化碳的排放量都较低，GDI发动机工作的均匀性、 瞬时反映性、起动性等均比传统汽油发动机有较大 的改进。因此各国汽车生产企业都在大力开发这种 技术先进、性能优异的GDI发动机,4,GDI发动机的研究始于德国，早在50年代，德 国就有直喷二冲程汽油机装车应市，甚至还装到声 名显赫的SL级奔驰轿车上，但是很快就销声匿迹。 后来德国的设计师们，无论是奔驰、宝马，还是大 众

3、，对于汽油直接喷射都采取皱眉挥斥的态度。因 为根据试验，他们认为这种发动机运转性能差，汽 车几乎无法开，废气问题也无法解决，于是便停止 了GDI发动机的研制开发,5,日本三菱汽车公司于1996年研制成功GDI发动 机，并将其装在Galant牌汽车上，于同年8月投放 日本汽车市场。1997年装备同样发动机的中级轿车 Garisma进入西欧市场，该发动机排量为1.8L，功 率为88kW，100km油耗为5L左右，发动机价格较 原先略有上涨。三菱汽车公司计划在最近几年内将 其生产的汽油机全部改成汽油直接喷射，丰田汽车 公司也准备步其后尘，三菱公司的成功表明，汽油 直接喷射是可行的。废气中的氮氧化物含

4、量高的问 题，可利用废气再循环及加装第二只催化裂化转换 器来解决,6,今天，几乎所有汽油机都是间接喷射 的，与其相比，GDI发动机无论在油耗上，还 是在排放净化上，都取得了巨大的进步，并 且在稀燃方面，GDI发动机允许混合气变得稀 薄，特别是在部分负荷内。理论计算出的标 准空燃比应是15：1，在稀燃技术方面丰田和 三菱都取得了初步的成果，空燃比已达到 20：1,7,但是，若采用汽油直接喷射，混合气可进 一步稀化。通常进气道或多或少呈水平布置， 而三菱的GDI发动机则通过垂直布置的进气道 和专门设计的鼻形活塞，成功地在燃烧室中建 立起分层充量。在火花塞附近的区域内，形成 较深的油雾，即能着火的混

5、合气，在其它区域 内一点混合气也没有。因此，即使是空燃比 40：1的混合气，发动机也能可靠着火。油门 最大时，混合气接近标准空燃比，这时省油的 优点消失，但汽车很少在全负荷工况下工作,8,GDI发动机的研制开发，可谓花开在德 国，果却结在日本。三菱汽车公司GDI发动 机的研制成功令全世界的汽车制造商和发动 机制造商瞠乎其后，于是世界车坛掀起了 GDI发动机研制开发利用热潮。从此，汽油 机的发展又迈出新的一步，这也将推动世界 汽车工业的发展,9,日本 对于GDI发动机的研制开发与利用，日本 三菱汽车公司处于领先地位，1997年先后又开 发出2.4L四缸机、3.0L六缸机和3.5L六缸机三 种机型

6、，分别装于四种中、大型轿车上投放市 场。还推出三种新的GDI发动机：0.66L直列三 缸机、1.5L直列四缸机和4.5L的V8机。据三菱 汽车公司对1.8L的GDI发动机测试表明，该机 可节油20，降低排放20，提高发动机功率 和转矩10,10,丰田汽车公司于1996年底研制出D-4型 2.0L的GDI发动机，已批量装车使用。1998 年，该公司加紧开发1.6L和1.8L的GDI发动 机， 1999年还推出一种新型的2.0L的GDI发 动机。丰田汽车公司D-4型GDI发动机可降低 油耗的3.0L和2.5L的V6机、富士重工2.5L的 卧式对置四缸机、马自达2.0L的直列四缸机 和本田1.0L的

7、直列三缸机均上市,11,美国 克莱斯勒汽车公司开发的四冲程GDI发 动机使燃油经济性提高20-30，可与小排 量的直喷柴油机媲美；福特汽车公司对GDI 经过深入研究发现，GDI发动机有进一步提 高热效率和功率的潜力,12,德国 大众汽车公司开发的GDI发动机在1997 年法兰克福汽车博览会上获得好评。奥迪汽 车公司也展出了1.2L的三缸GDI发动机。奔 驰汽车公司于1997年底投资近1亿马克，全 面起动GDI研究项目，在2001年或2002年推 出GDI发动机，并认为欧洲汽车装用的GDI发 动机应能满足欧洲法规对排放标准的最新要 求。 伴随着21世纪，GDI发动机将在汽车动 力装置中层露锋芒,

8、13,GDI发动机存在的问题 中小负荷未燃的HC较多，这是由于油雾会碰 到活塞顶部和缸壁，分层燃烧使局部区域混合气过 稀，缸内燃油蒸发造成温度过低，不利于未燃的HC 进行后燃。微粒排放比MPI发动机增加，主要是由 于分层燃烧局部区域混合气过浓，液态油滴扩散燃 烧，缸内温度低，氧化不完全形成的。在不同的转 速工况下，缸内气流强度不同，如何在宽广的工况 范围内把气流控制好，保证分层混合气的形成是 GDI的关键技术问题。目前GDI仍属于研究开发阶 段，只有少量产品投放市场,14,GDI 发动机及其稀燃优化技术,1 引 言 自20世纪90年代以来，日益严格的排放法规和 能源危机促使GDI 发动机的研究

9、得到了快速的发 展，国外一些著名的汽车公司如丰田、三菱、福特 等都已开发了比较成熟的GDI机型和产品。下面就 GDI发动机的燃油控制技术、缸内气流控制技术及 排放控制技术等作一论述,15,2 GDI的电子控制策略 GDI中最关键的是要控制好混合气浓度 在空间的分布及其随时间的变化，依靠采用 高精度的高压喷油嘴、缸内气流控制技术、 根据运转区域切换燃烧模式、使喷油嘴远离 火花塞以保证可靠点火等措施，可达到高燃 油经济性和高性能,16,2.1 按工况区分控制模式的控制策略 现代GDI 通常是根据大、小负荷区不同的要求，采用不 同的混合燃烧模式来改善其燃油经济性的。 在中小负荷区域，要求有良好的燃油

10、经济性，因而通常 采用压缩冲程中喷油实现分层燃烧的控制模式，即在压缩冲 程后期向缸内喷油，并通过活塞顶部形状和气流运动来限制 其扩散，使喷射到气缸内的燃油所形成的可燃混合气集中在 火花塞周围，而在火花塞外周部的极稀薄混合气与层状空气 则形成了分层混合气，使燃烧在整体空燃比3040 2的超 稀薄混合气下进行，此时尚有足够的过量空气可供在短时间 内燃尽燃烧生成的黑烟。由于此时GDI 放弃使用节气门节 流，因而可以减少发动机的泵气损失，过量的空气还会吸收 气缸壁上的热量，降低了热损失，从而大幅度改善燃油耗,17,图1 为丰田2.0L双顶置凸轮轴GDI发动机 的分层进气控制方法：在活塞顶上有渐开线形

11、的燃烧室凹坑，位于涡流运动上游较窄的区域 a是混合气形成的主要区域；较宽的区域b 是 主要燃烧空间，用以促进混合气快速扩散。设 计成渐开线形凹坑的c是为便于蒸发的燃油流 向火花塞。凹坑壁的角度和凹坑深度也进行了 优化，以适于混合气形成，同时防止混合气扩 散流出凹坑。在高负荷区域，要求提高发动机 扭矩和功率，必须采取略稀或理论当量的混合 气或浓混合气,18,故此时发动机采用进气冲程喷油，实现均质 燃烧的控制模式。即在进气冲程早期向气缸内喷 射燃油，使其可在整个燃烧室内均匀扩散，在点 火时刻形成预混燃烧的均质混合气。此时由于燃 油汽化时吸收了汽化潜热，使得缸内充量得到了 冷却，增大了空气密度，在提

12、高体积效率(即增大 进气量)的同时还减少了爆震的倾向，使发动机的 压缩比可上升到121，提高了热效率，发动机以 接近理论空燃比14.7:1 或稍浓的空燃比混合气进 行均质燃烧，同时实现高功率的输出和燃油的低 消耗,19,20,GDI发动机的活塞顶部形状,21,控制模式的切换通过喷油定时的变换来实现。 切换时要注意切换前后扭矩的一致，以防扭矩变化 带来振动。为此，三菱、丰田等公司在模式切换时 采用了二段喷射技术，即在进气行程中喷射一部分 燃料，以便在燃烧室全空间内形成稀薄的预混合 气。第二次在即将点火之前向火花塞喷射，以保证 稀混合气的稳定着火和分层燃烧。据报道采用二段 喷射技术的GDI发动机可

13、实现从中小负荷区向大功 率区的平稳过渡，并可降低缸内的气体温度，从而 抑制了爆震的发生，增加了功率的输出,22,2.2 扭矩控制策略 对扭矩的控制实际上就是对发动机喷油 量的控制。通常情况下，GDI主要是根据油门 踏板的位移量来确定应有的扭矩，并由负荷 的高低来切换对扭矩的调节方式,23,从理论上讲GDI可以不使用节气门，但实 际上它还是配备了电子控制的节流系统，即电 动节气门。这其中最主要的原因是GDI在大负 荷工况下工作时需要均匀混合气；其次是在应 用EGR 降低NOx排放时，需要有节流阀控制 的进气歧管的真空度；再次，传统的制动系统 制动时也需要真空度；最后，低负荷时没有节 流阀排气温度

14、会非常低，降低了催化剂的转化 效率,24,因此，当发动机的扭矩和转速对应于低工况区 时，即油门踏板位移量较小时，电动节气门就保持全 开，发动机在保持进气量基本不变的情况下，通过改 变空燃比来调节每循环的喷油量，进而对扭矩实行控 制。这时发动机采用的调节方式是与柴油机相同的“变 质调节”，此时进气量和点火提前角几乎不影响扭矩。 当发动机的扭矩和转速对应于高工况区时，即油门踏 板位移量较大时，其空燃比被稳定在14.7左右1，通 过改变电动节气门的开度来调节进入气缸的空气量， 进而改变喷油量实现对扭矩的控制。这时发动机采用 的是“变量调节”方式。此时点火提前角对扭矩有很大 影响。表1为 GDI按工况

15、区分控制模式，图2 为不同燃 烧模式的控制范围,25,图2 不同燃烧模式的控制范围,26,27,分工况区控制的结果是，其燃油经济性相对以 往的汽油机可以提高25%3左右，实现并超过了目 前柴油机所能达到的低燃料消耗水平；动力输出也 比目前正在广泛使用的进气道喷射的汽油机增加了 近10%3，保证了人们对车辆动力性的要求,表1 GDI按工况区分控制模式,28,2.3 喷油定时控制策略 GDI可根据不同的工况区域来确定不同 的混合气生成方式，而不同的混合气生成方 式对油束的要求也不相同。如图3 ，发动机 处于低工况时，采用的是变质调节和分层充 量，这就要求燃油恰好喷在活塞顶部凹坑 内，因而油束要尽可

16、能集中，且雾化质量要 高，可燃混合气能在短时间内形成。故此时 应将喷油推迟到压缩行程的后期进行(但必须 在喷油和点火之间留下足够的间隔时间，以 便实现混合气的分层),29,因为： a. 此时活塞正处于向上运动，气缸内的 压力很大，这就迫使燃油喷射时所需的压力 相应地增大。喷油压力越大，SMD( 油滴的 索特平均直径，表示燃油的雾化程度)越小， 燃油蒸发越快，雾化程度越高，油滴喷射距 离有限，穿透度不深,30,b. 随着缸内压力的增大，充量被强制压 缩，密度增大，因此油束中油滴所受的阻力 也增大，油滴运动很快地受到衰减，使油束 比较集中，并且喷射出的燃油穿透距离也保 持适中,31,c. 活塞的上

17、行运动，减少了喷油与活塞顶部凹 坑之间的距离，保证了燃油可更加准确而又有效地 被喷射在活塞顶部凹坑范围内，通过限制其在凹坑 内不向外扩散，使得它能被迅速地加热汽化，从而 在抵达火花塞之前的短暂时间内促进空气迅速卷入 汽化的燃油中，形成可燃混合气。同时结合活塞的 向上运动，由翻滚气流将可燃混合气带往火花塞， 并在火花塞附近区域聚集形成浓的可燃混合气，而 在燃烧室的其它空间形成稀薄混合气，从而实现混 合气的分层和超稀薄燃烧,32,图3 两种工况下对喷油正时和油束特性的要求,33,当发动机处于高工况时，采用的是变量调节和均质充量。应尽可能减少油束沾湿活塞和气缸壁面，否则会导致HC排放增加，并且活塞壁

18、面会向燃油提供汽化潜热，从而丧失利用汽化潜热冷却缸内充量以提高容积效率的机会。同时要求油束的穿透深度应当大一些，以便扩大油束在气缸内的分布范围，使其能有足够的空间和时间让燃油和空气进行混合，形成均质充量。故此时应将喷油提早到吸气冲程的前期。（沾湿在活塞和气缸壁面的燃油因为温度低，容易造成燃烧不全现象，形成HC污染,34,3 GDI的燃油喷射系统 现代GDI发动机的喷射系统主要采用汽油高 压喷射模式，使用由电磁驱动的高压涡流喷油 器。高压涡流喷油器的喷油压力一般为5 8MPa(最高为12MPa)4。这种喷油器的特点是 在其喷油嘴的头部设有一个特殊的涡流腔，通过 该腔可产生一股强涡流，不仅对喷油嘴

19、喷孔具有 自洁作用，使其可靠性得到提高，而且能使燃油 喷束的一部分动能直接转化为水平的旋转动能， 从而降低了油束的穿透度，避免其沾湿活塞和缸 套壁面,35,高压涡流喷油器的另一个特点就是它的油束喷角 和射程主要依赖于喷油压力和缸内背压，且后者的影 响较大，因此它能根据不同负荷区的要求提供所需的 喷雾形状。在部分负荷时,燃油在压缩行程后期喷 射，缸内喷射背压较大，喷出的燃料被强制压缩呈适 宜分层燃烧的紧凑型。而在高负荷时，由于是在进气 行程早期喷射燃油，缸内喷射背压较小，喷雾呈现为 中空扩散的圆锥型，这样不仅加快了喷雾在燃烧室内 的扩散，而且使得它与周边空气的接触面积进一步扩 大，即便是在比较低

20、的喷射压力下，油束仍能保持原 有的雾化水平，与进入气缸的空气形成有效的混合， 满足均质燃烧的要求,36,在喷射系统中，喷油器喷嘴的结构形式对 喷雾质量起着重要的影响，它是保证实现混合 气分层与稀燃的关键部件。图4 为GDI发动机 所采用的各种喷油器喷嘴，a 为多孔内开式喷 嘴，其结构类似于柴油机喷嘴，但由于GDI发 动机的喷射压力远远低于柴油机，故这种结构 易于积炭堵塞，且雾化分层效果不好，燃烧时 火焰传播又不很稳定，所以一般很少在GDI 发 动机上使用,37,b 是外开式单孔针式喷嘴，据报道它能取消 压力室容积，并且在设计上更灵活，可同时兼 顾喷雾锥度、贯穿距离和燃油粒度的不同要 求，但它的

21、密封性要差一些，曾用于早期的 GDI 发动机中,38,c 为内开式旋流型喷嘴，在其内部设有燃 油旋流腔，燃油通过在其中产生的旋转涡流可 实现较好的喷雾形态和合适的贯穿度的配合。 此外，由它喷射出的油束方向便于调整，方便 了其在气缸顶上的布置，再加它不易积炭的特 点，使其成为目前GDI发动机喷嘴所采用的主 要形式，在GDI 发动机上得到广泛使用,39,图4 GDI发动机喷油系统采用的喷嘴方案的比较,40,4 GDI的燃烧系统 燃烧系统的设计是GDI 开发的关键技术之一。由 于要兼顾大负荷均质预混和中小负荷分层稀燃的不同 要求，更增加了它的设计难度。已开发的GDI燃烧系 统，可以分为以下三类： a

22、. 油束控制燃烧系统（图5a） 燃油喷嘴靠近火 花塞近距离 布置。喷油器安装在气缸中央，火花塞紧 靠燃油喷嘴位于燃油喷束的边缘。喷射时，喷油器直 接把燃油射向火花塞的电极。该布置方式可使燃油混 合气能在有限的空间内产生有效的分层，并可保证当 整个燃烧室内为稀薄混合气时，火花塞周围仍能形成 可供点火的混合气浓度，故这种混合气形成方法被称 为“喷束引导法,41,但由于火花塞与油束之间的距离过近， 使得可供混合气生成所需的时间太短，火花 塞容易被液态燃油沾湿而造成积炭和点火困 难，缩短了火花塞的使用寿命。同时，由于 油束周围可点燃混合气的范围较小，影响了 着火稳定性，故这种燃烧系统未能被推广使 用,

23、42,图5 现代GDI 燃烧系统的分类,43,b. 壁面控制燃烧系统（图5b） 喷油嘴远 离火花塞的远距离布置方式。喷油器被设置在 进气门一侧，相对应的活塞凹坑的开口也指向 进气侧，火花塞布置在中间， 采用具有特殊 形状的立式进气道（图8a），在进气行程中 吸入的空气通过立式进气道被强制沿气缸壁向 下流动，形成逆滚流，从而将喷射的燃油和蒸 发的燃油送到火花塞附近。进气道直立后，减 少了进气阻力，提高了充气效率，从而使发动 机功率得到进一步的增大,44,在这种燃烧系统中，活塞顶面通常被设计成弧状 的曲线形，并在其上开有小型的球形燃烧室，当喷油 器将油束直接喷射到燃烧室内时，它就可借助于球型 燃烧

24、室凹坑壁面形状并利用由立式进气道产生的逆向 翻滚气流( 图8a)，将燃油蒸气导向火花塞，在火花塞 间隙处形成合适浓度的混合气。在压缩过程中，挤流 使逆滚流得到加强，有利于燃烧的进行。在燃烧过程 后期，逆挤流使火焰传播到排气门一侧。这种混合气 形成方式被称为“壁面引导法”。目前三菱、丰田、 Nissan 等公司开发的机型均采用此燃烧系统，如图 6 为三菱GDI 顶部带有球形凹坑的活塞，如图7 为三 菱GDI 发动机中的燃油运动,45,图6 三菱GDI 活塞,46,图7 三菱GDI发动机中的燃油运动,47,GDI与MPI发动机进气道的比较,图8 缸内滚流运动,48,49,c. 气流控制燃烧系统（图

25、5c） 采用接近于卧 式的水平进气道，在缸内产生顺向的翻滚气流(图 8b)。它仍然使用远距离方式布置喷油器与火花塞， 但是喷油器不再是直接将油束喷向活塞凹坑，而是 对准燃烧室的中心喷向火花塞(但不朝向火花塞电 极)，并利用缸内有组织的气流运动与油束相互作 用，使发动机在大部分工况范围内都能实行恰当的 充量分层和混合气均质化，这种混合气形成的方式 被称为“气流引导法”。像FEV、AVL 公布的一些开 发方案采用的就是这种燃烧系统,50,5 GDI气流运动的组织 对进气行程和压缩行程中缸内瞬时流场 的控制是GDI发动机研制中又一关键问题。原 则上必须要满足以下两点要求： 从微观上要求在气缸内具有高

26、强度的 紊流，以促进燃料与空气的混合,51,在宏观上要求有控制的平均气流流 动，以适合生成稳定分层混合气。发动机中 常采用的空气运动形式主要有挤流、涡流和 滚流三种，根据已发表的计算和试验资料显 示，它们的运动变化对于混合气的形成和发 展有着很大的影响,52,a. 挤流 增大挤流强度可以明显提高燃烧 期火焰的传播速度，缩短燃烧时间，而且挤 流不会引起充气效率的降低，受发动机负荷 和转速的影响也较小，曾一度是形成紊流的 主要途径,53,b. 涡流 其特点是在压缩过程中持续时间 长，在缸内的径向发散少，对保持混合气的 相对集中和分层有利；缺点是不利于油气的 混合，必须靠活塞顶部燃烧室束口或活塞顶

27、上的特殊形状，在上止点附近利用挤流与涡 流相交，从而在燃烧室内形成较强的紊流来 促进燃油的蒸发混合，而且过强的涡流会把 大油滴甩向气缸壁，形成湿壁效应，不利于 燃烧。涡流经常是被用在由喷油引导的燃烧 系统中,54,c. 滚流 其特点是存在着较大的速度梯度，便 于油束的纵向引导，在上止点附近有助于加强紊流 强度，容易转变为小规模的紊流来促进油气混合。 在压缩冲程中滚流具有加速旋转的特性，能提高近 壁面气流速度，从而促进壁面油膜的蒸发。但由于 燃烧室的曲面导向作用，滚流往往容易衰减成大尺 度的二次流结构，使得保持稳定的混合气分层变得 困难，同时设计不当也会造成火花塞间隙的平均流 速过高而引起较大的

28、循环变动。因而采用滚流为主 的GDI发动机要比采用涡流为主的GDI发动机循环 变动大,55,上述流场结构各有其优缺点，在实际的 GDI发动机中都被采用或综合利用。如三菱 采用反滚流结构，丰田采用涡流结构， Yamada 提出斜涡流，即涡流和滚流的综合 结构,56,挤流,涡流,滚流,57,58,6 GDI的排放特性 GDI 面临的主要排放问题是UBHC和NOX。 6.1 中小负荷下未燃碳氢化合物(UBHC)的排放 由于GDI油气的混合主要是依靠喷雾和缸内的空气运动，与冷起动时的低温关系不大，所以冷起动时无需过量供油，有效地解决了PFI 冷起动时UBHC排放过多的问题。但是GDI在中小负荷的情况下

29、，其未燃碳氢化合物的排放仍然较多,59,主要原因是： GDI 在此工况采用的是 分层稀薄燃烧，燃油在压缩行程后期被喷射 入气缸内，所需的雾化时间不足，油气不能 充分混合，在燃烧室内产生局部混合气过 浓。大量的浓混合气集中在火花塞附近， 使得火焰在向周围稀混合气传播时，因混合 气过稀而熄灭。稀薄燃烧造成气缸内温度 偏低，不利于未燃碳氢化合物随后的继续氧 化,60,由于GDI 发动机压缩比较高，使得残 留在狭缝容积中的HC 增加。使用高EGR 率导致燃烧变差。目前GDI 产品的燃烧系 统主要采用“壁面引导法”，该系统喷雾容易 与活塞顶和缸壁发生碰撞，而缸壁的温度又 较低，从而导致燃油在着火前来不及

30、完全蒸 发，引起较多的UBHC 排放,61,三菱公司采取二次燃烧早期激活催化剂及采 用反应式排气管等措施来减少HC 排放。两次燃烧 是指在发动机冷车怠速运转时，除了在压缩行程后 期喷射燃油外，在做功行程后期再次喷射少量的燃 油，在缸内高温高压气体的作用下点火燃烧并使排 气温度提高。当排气门打开后这一燃烧过程可以移 至反应式排气歧管中，补充空气，加速燃烧。采用 两次燃烧技术，可很快达到催化器的起燃温度，并 通过反应式排气管可大幅度降低HC、NOx的排放， 降幅达到日本现行法规的80%3。图9为催化器的 催化温度比较,62,图9 催化温度比较,63,6.2 NOX的排放和后处理 虽然GDI采用了稀

31、薄燃烧技术而使气缸内反应区 的温度下降(从NOX的生成原理上来说可减少NOX的 生成量)，但由于GDI 的混合气由浓到稀呈分层状 态，不可避免地会出现空燃比为1附近的偏浓区域， 使这些区域的NOX 排放增加，而较高的压缩比和较 快的反应放热率也是引起NOX排放升高的一个原因。 此外，由于GDI 本质上仍是稀薄燃烧的一种实现方 式，所以它仍受到稀薄燃烧NOX 催化转化问题的困 扰,64,一般来说，GDI 大部分工况都处于部分 负荷，它的NOX 排放量约占总排量的一半， 发动机长期处于稀空燃比的工作条件下，导 致废气排气中含氧较多而且排放温度也较 低，致使传统的三元催化器的转化效率不高 并且起燃困

32、难，限制了它在GDI 发动机上的 应用。所以，如何解决稀燃条件下NOX 排放 的后处理也是GDI 的一大难题,65,目前，GDI 对NOX 排放的控制主要依靠 EGR 和稀燃NOX 催化转化器，其中后者的 发展有着深远的影响。 部分负荷不使用EGR 时，GDI 的NOX 的排放水平与PFI 相差不多。但由于GDI可实 现超稀薄分层燃烧，较稀的空燃比使得缸内 的富裕氧气较多，从而允许使用高的EGR 率，充分降低NOX 排放量，并且燃烧特性不 会因为EGR 而恶化,66,据试验表明，在燃油经济性改善保持不 变的情况下，GDI 的EGR可高达40%4。虽 然如此，但EGR 始终还是不能在整个发动机

33、转速负荷范围内减少NOX 排放量，所以单靠 EGR 是不能满足更为严格的Euro 和 Euro排放法规的，进一步降低NOX 排放就 必需开发在稀燃条件下的NOX 催化转化技 术,67,目前在稀薄燃烧NOX催化转化技术领域 内，NOX的吸藏还原技术使用较多。这项技 术主要是利用一些化学物质可在富氧的条件 下，通过催化剂的作用与NOX 产生反应，以 硝酸盐的形式将其存储起来，而在贫氧的条 件下又可将其释放还原。它是以Pt作为储存 还原NOX 的主要催化剂，以碱金属、碱土金 属或稀土金属作为储存NOX 的成分(以M 表 示,68,它的工作原理如图10 所示。当发动机以稀混合 气工作时，其排气中O2

34、含量迅速增加，存储器通过 催化剂Pt 将NO 氧化成NO2，随后生成的NO2被碱土 金属氧化物表面吸收，形成硝酸盐，存储在以M表示 的存储元素中。实验证明，存储元素的金属碱性越 强，其所能存储的NOX 量越多，并且越稳定。当发 动机工况发生变化，改用浓混合气工作时，排气中 O2含量减少，生成的硝酸盐就会在超过100的温度 下开始分解，在催化剂Pt的作用下，与排气中HC、 CO 及H 等反应，再次还原成N2。其具体的化学反应 方程式如下,69,在富氧的气氛下,通过下列反应用吸附 剂MO将NOX 储存起来： NO+0.5O2NO2 NO2+MOMNO3 在贫氧的还原气氛下进行分解和还 原，其可能的

35、反应如下： MNO3NO+0.5O2+MO NO+CO/HC0.5N2+CO2/H2O,70,图10 NOx 吸藏还原机理,71,NOX储存还原催化技术有很高的转化效 率,在稀薄燃烧的条件下,其对NOX的转化效率 可达到90%以上1，同时可对HC 和CO 进行 很好地转化。它的缺点就是受燃油中的硫含 量影响很大，随着硫含量的增加，其净化性 能会急速下降,72,主要是因为，与NOX一样，SO2也会在 贵金属表面氧化形成比硝酸盐更为稳定的硫 酸盐，从而减少了存储NOX 的能力。但是 NOX 的硫中毒现象是可逆的，只要在还原性 气氛中加热到600便可使硫酸盐分解，恢复 NOX的存储能力1。也可在NO

36、X 存储还原 催化器前安装硫捕集器，在稀薄状态下吸收 SO3，在混合气加浓时以SO2 的形式将硫释 放,73,GDI 发动机研究概况,前言 由于环境污染日益严重,能源危机愈演愈烈,因而汽车使用低污染节能发动机一直是政府和专业人士的目标。因此,降低发动机的排放、提高其燃油经济性也就成为目前内燃机工作者的当务之急1。改善燃烧室内的火焰燃烧过程和采用新型的代用燃料或燃料添加剂则是解决以上问题的常用办法。作为一种新型的稀薄燃烧方式2, GDI 发动机3综合了压燃式发动机与点燃式发动机的优点,通过燃油的缸内直接喷射、可变喷油定时和控制缸内的气流运动等方式实现了缸内的稀薄燃烧,使发动机无论在燃油经济性还是

37、在降低排放等方面都表现出比PFI(port fuel injection) 发动机更大的发展潜力。因此,GDI 发动机从20 世纪90 年代4问世以来就一直受到人们的广泛关注,74,1、GDI 发动机的燃烧特点 GDI 发动机是电控汽油喷射发动机的一种, 常用的PFI 发动机是把汽油喷射到进气门上,如 图1 所示,因此在喷油与油气混合气进入燃烧室 之间要有一段时间延迟。而GDI 发动机是把汽 油直接喷射到气缸内,因此并不存在PFI 发动机 喷油延迟的问题。根据发动机工况的不同,GDI 的燃烧过程可分为均质稀燃和分层稀燃两种模 式,75,中小负荷时,燃油在压缩行程后期喷入气 缸,通过喷油器、气流

38、及燃烧室的合理配合,在 火花塞附近形成较浓的可燃混合气,如图2 所 示,在远离火花塞的区域,形成稀薄分层混合气, 其最大空燃比可达到3040,76,大负荷或全负荷时,燃油在进气冲程早期喷入气 缸,形成当量比为1 左右的均质混合气进行燃烧。控 制缸内混合气的形成和分布是实现分层燃烧的关键 5。只有在点火瞬间将合适浓度的混合气引导到 火花塞附近才能实现稳定的点火,同时,保证混合气在 空间的连续分布,才能实现火焰的连续传播,从而保证 燃烧的稳定性。如果在火花塞附近的混合气过浓,会 使混合气不能完全燃烧,从而生成大量的不完全燃烧 产物(如碳烟) 。更为严重的是,不完全燃烧会使发动 机在上止点附近的放热

39、率下降,从而导致发动机功率 下降,油耗降低,77,图1 EFI 发动机与GDI 发动机燃烧系统比较,78,另外,混合气的空燃比也不能超出稀燃的 极限,如果在混合气的周围有过稀的混合气或 有过稀的混合气脱离了主要混合区域,都会使 汽油机燃烧困难或熄火,从而引起HC的排放升 高。根据以上分析可知,要使GDI发动机的分 层混合气能够稳定燃烧,必须具备以下两个条 件6,79,a. 火花塞周围必须要有随时间和空间稳 定分布的混合气,一般火花塞附近混合气的空 燃比在10207之间比较适合点燃。 b. 组织精确的涡流比,形成混合气在燃烧 室内的轴向和径向分层,以获得稳定燃烧所需 的稀薄混合气,80,根据混合

40、气形成方式的不同, GDI 发动机的 混合方式可分为喷射引导、壁面引导和气流引导 三种,如图2 所示。喷射引导受燃烧室形状及气 流运动较小的影响,但是喷嘴与火花塞的距离不 易把握。气流引导主要靠缸内的涡流及滚流将混 合气引导到火花塞,而对缸内的气流运动组织则 是发动机设计的一个难点。壁面引导对喷油嘴的 要求不高,且容易将混合气引向火花塞,因此目前 应用较多,81,图2 现代GDI 燃烧系统的分类,82,2 GDI 发动机的技术特点 最早对GDI的研究要追溯到19世纪50年代的德 国,但由于当时内燃机整体发展水平还比较低,对GDI 发动机的研究因得不到足够的技术支持而告失败。 随着内燃机新技术的

41、开发和利用,尤其是电控燃油喷 射及可变气门正时技术的应用,才使得GDI有了突破 性的进展,日本三菱汽车公司于1996年首先完成了对 GDI的开发。随着技术的不断完善,GDI发动机也越 来越受到人们的推崇。一般要实现GDI发动机的燃 烧,必须具备以下几个特点8,83,a. 直立布置的进气道设计见图1。这种 结构设计使发动机在进气冲程中获得强烈的 进气气流,在气流流入到燃烧室以后又会进一 步形成强烈的滚流运动,为GDI 发动机的燃烧 作好准备,84,b. 高压油泵9: GDI 发动机所使用的喷油器的喷油压力一般在5 MPa 左右。与汽油机常用的EFI系统0. 30. 4MPa 的喷油压力相比,这样

42、的喷油压力可以保证汽油及时雾化和有合适的贯穿距离。 c. 高压涡流式喷油嘴:为了使汽油能与空气形成易于点燃的可燃混合气,除了油泵以外,GDI 发动机专门设计了可以精确控制油量和喷油定时的电磁式喷油嘴。油嘴与燃烧室的良好配合可以保证在火花塞附近提供可供燃烧的混合气,85,d. 凹坑形的活塞顶面设计:活塞顶面的凹 坑与帐篷形的燃烧室顶及直立式进气道相配 合,可以使燃烧室内的空气形成滚流,引导混合 气顺利地到达火花塞顶。 e. 根据不同的发动机工况,利用电控喷射 系统选择不同的喷油模式,以满足发动机不同 负荷工况下对喷油定时的要求,86,3 GDI 发动机较传统汽油机的优势 电喷式汽油机按燃油喷射位

43、置可分为两 种形式:进气道喷射(PFI) 和缸内直喷 ( GDI) 。进气道喷射发动机当进气门关闭时 将燃油喷在各缸进气门的背面,进气冲程中油 气混合物进入气缸。在冷启动过程中,由于蒸 发不完全,燃油会在进气道、进气门背部形成 油膜和油坑,87,实际喷入的燃油量远远超过了按化学当 量比计算得到的喷油量,因此发动机在冷启动 的410个循环中会出现失火或部分燃烧的现 象10,使HC排放显著增加。相反,直喷式 汽油机避免了进气道湿壁现象的问题,而且喷 油泵可以精确控制发动机的喷油量,使发动机 在2个工作循环之内就能顺利启动,提高了发 动机的瞬时响应速度,同时也降低了发动机冷 启动时的HC排放,88,

44、进气道喷射发动机的负荷变化是依靠节 气门调节混合气的进气量。尽管节气门控制 对PFI发动机来说已是成熟的技术,但节气门 所引起的泵气损失是不可避免的,这也是汽油 机热效率较柴油机低的一个原因。相反,直喷 式汽油机不是依靠节气门调节混合进气量来 调节负荷,而是改变发动机的喷油量来改变缸 内空燃比以实现发动机负荷的变化,这就提高 了GDI发动机在部分负荷时的热效率 11,89,进气道喷射发动机在不采用辅助的助燃方法 组织稀燃时,其空燃比最大可以达到27,超过这一 界限,发动机工作会不稳定,HC排放增加 12。要超过这一极限,必须使用缸内直喷的 方法,通过充量分层,使发动机在部分负荷时的空 燃比达到

45、3040,燃油经济性改善高达30%左右, 而且可以大大降低发动机的怠速转速。此外,由 于直喷式发动机直接将燃油喷至气缸,消除了燃 油供给的滞后效应,故当发动机在减速时可以停 止喷油,从而提高了燃油经济性,90,燃油的汽化潜热可以降低混合气的温度和容积,从 而影响着发动机的充气效率和爆震趋势。对进气道喷 射发动机而言,由于燃油是喷在进气歧管内的,燃油的蒸 发主要依赖于进气道和进气门等热源对油膜的热传递, 因而不能显著地冷却充质。而对缸内直喷式汽油机而 言,燃油直接喷入到气缸,可以冷却缸内温度,从而提高 发动机的充气量,尤其是在大负荷工况下,燃油在压缩冲 程开始便喷入燃烧室内,GDI 发动机的输出

46、功率较PFI 发动机高出10 %左右。不同的喷射定时影响着燃烧室 表面到充质的传热率,91,在进气冲程中喷油,增加了缸壁对充质的热 传递,这样燃油蒸发对最终充质温度的冷却效果 就变差了。在压缩冲程中喷油,喷油之前由于空 气温度较高,缸壁对空气的传热率降低,这样当燃 油喷入时,燃油蒸发对充质的冷却效果保持的时 间较长,因而在点火时刻燃气温度较低,最终降低 了爆震趋势,92,4 GDI 发动机存在的一些问题 虽然GDI 发动机在动力性、经济性及排 放方面有很多PFI 发动机所无法比拟的优点, 但是GDI 燃烧本身仍有很多不足之处需要改 进。 a. GDI发动机的喷油器放在气缸内,由于 喷油压力低,

47、喷孔没有自洁作用,因此很容易结 垢,从而使喷雾特性变坏,喷油量减少,使发动 机的燃烧恶化,影响发动机的功率输出和排 放,93,b. GDI的火焰在快速传播的同时,会出现 部分火焰熄灭的现象,这就会使HC的排放增加, 另外,缸内壁面的燃油附着、着火延迟等情况 也会使HC的排放增加。 c. 由于气缸内混合气的浓度和温度分布 不均匀,NOx在高温区生成较多,而高空燃比造 成的氧含量过高,又使对NOx的处理难度增 加,94,d. 理论上GDI发动机可以不采用节流阀,但实际生 产的GDI 发动机都应用了适度的节流作用,因为轻度的 节流和EGR 可以降低HC的排放。但节流又会导致功 率的损失,虽然EGR对

48、NOx的降低有帮助,但过多的 EGR又会使稀薄燃烧恶化。 e. 传统的三元转换器只能在空燃比为14.7附近内 的小范围内工作,显然已不适合稀薄燃烧。 f . 发动机不同负荷的喷油时刻相差较大,发动机各 种负荷的平滑过渡也有待进一步解决,成品发动机的成 本较高,目前也很难大量占有市场,95,5 展望 作为一种新型的燃烧方式, GDI发动机有着 广阔的发展前景,对解决能源危机和环境污染会 起到很大的作用。同任何一项新兴技术一样,目 前尚处于发展阶段的GDI还有很多缺点和不足, 但是随着研究的深入和一些相关技术的发展, GDI发动机很有可能取代EFI发动机,96,三菱GD I 发动机及其故障诊断,1

49、引言 汽油直喷(GDI)发动机是当今世界最先进的发动机之一, 它很好地解决了燃油经济性和低排放两大难题。世界各大汽 车厂家都在研制此类发动机, 日本三菱公司就是其中之一, 该 公司已于1996年将GD I发动机装入其生产的Galant和 Legnum两款轿车上。GDI系统是把汽油直接喷入气缸内, 使 高精度的燃油控制成为可能的系统。GDI技术不仅在稳定工 况时在经济性和排放方面具有潜在的优势, 而且对排气后处 理、发动机控制以及系统稳定性的组合效果也起着决定性的 作用,97,2GDI发动机 传统的多点喷射发动机的燃油是喷入进气道, 并与空气 在进气道中混合后才被吸入发动机气缸, 因此燃油供给响应 不及时, 燃烧控制受到限制。而GDI发动机的燃油则是直接 喷入气缸, 因而可实现燃油喷射的高速和高精度控制, 同时也 使燃烧控制成为可能。这种系统有两个优点: 一是可根据发 动机的运