缸内直喷发动机燃油经济性

1、缸内直喷发动机燃油经济性【摘要】汽油机缸内直喷技术（gdi）被认为是目前最有效的节能减排技术之一，通过提升喷油压力、缸内直喷、分层燃烧等技术改善发动机的冷启动、燃烧组织及废气排放的同时，可大大降低燃油消耗并提升功率/扭出，gdi发动机既具有柴油发动机低燃料消耗的特点，又具有汽油机高输出的优势，在提高燃油经济性和输出功率方面有着巨大的潜力。同时可以与现在的增压技术，cvt技术及混合动力技术相结合，可以明显提高gdi发动机的燃油经济性。关键词; 汽油机，缸内直喷 ，分层燃烧，燃油经济性 1 概述为了应对日益严格的环保、排放、安全等法规要求；为了满足消费者对产品日益提高的动力性、经济性、可靠性要求，

2、发动机技术的发展也是突飞猛进，在20世纪90年代后期，缸内直喷发动机开始出现，这种技术是指汽油机采用与柴油机燃料喷射相同的方式将燃料通过安装在缸盖上的喷油器直接喷到缸内使之燃烧的一种新型技术。当燃油直接喷到缸内时，可自由控制燃烧室内的燃油分布，利用优化设计的进气道与活塞形成空气流动，实现混合气在缸内分层分布，由此可获得在传统发动机中不可达到的稀空燃比（如40:1），实现超稀薄混合气稳定燃烧。这种系统主要的目的是实现汽油混合气在气缸内的分层燃烧，降低汽油机的燃油消耗率，特别是低负荷工况下的燃油消耗率，同时也能够实现较好的缸内排放净化效果。gdi在全负荷时，在进气冲程中喷油，形成均质混合气燃烧方式

3、，部分负荷时，在压缩行程终了喷油，形成分层稀薄混合气，由于直喷时油滴蒸发主要依靠从空气中吸热而不是从壁面吸热，混合气温度和体积将下降，提高了充量系数，缸内直喷汽油机的爆燃倾向也大为降低，可采用高压缩比，在保持动力性指标的同时，具有很好的燃油经济性。gdi相对于传统燃料喷射（pfi）方式而言，有如下优点：可进一步改善燃油经济性，最大燃油消耗改善率可达25% 。这主要是由于泵气损失减小（无节气门，分层燃烧）、传热损失减少、压缩比提高所致；瞬态工况响应性有改善；可以更精确的控制空燃比；允许用较大的废气再循环egr率；冷起动时未燃碳氢（ubhc）排放少，这主要是由于gdi不会在进气道表面形成油膜。燃烧

4、采用的是稀混合气，可减少co2排放；起动迅速；gdi通常在第二个循环就可着火，而pfi则至少需要10个循环以上才能着火。2 燃油经济性因素对于任何一台汽油发动机来说，满足严格的排放法规和可靠性以外，具有良好的燃油经济性也是必须要考虑的因素，这也是满足用户的需求和缓解当前日益严重的能源危机。gdi发动机的热效率可以通过提高压缩比和全负荷条件下的稀燃燃烧得到增强，因为这样会减少由于气门节流效应和壁面传热带来的热损失。通过循环工况测试可知，在进排气气体流动、传热和结构优化后，一个采用分层燃烧的gdi发动机在部分负荷工况下具有提高燃油消耗率高达2025的潜力。和传统的pfi发动机相比，gdi发动机有助

5、于bsfc改善的主要因素有：1、 泵气损失，在非节流部分载荷运行时全部采用稀薄混合气，从而减少了泵气损失；2、缸内充量冷却，由于进气采取缸内直接喷射，使缸内温度降低，增加进气量；3、压缩比提高，由于可以进更多的空气量，更低的尾气，使得压缩比得以提高；4、比热比，稀薄混合气更高的比热比使循环热效率提高；5、热损失，分层充气减少了缸壁和燃烧室的热损失；6、断油，车辆减速断油。和传统的pfi发动机相比，在不通过节气门节流或仅采用非常小的节流条件下，gdi发动机就可以实现负荷控制，并能够大大提高燃油经济性，这主要是由于无节流或低节流条件下的泵气做功减少了，同时膨胀做功冲程所占的比重也就相应提高了，实际

6、上，热力学分析表明通过应用全局稀混合气分层燃烧实现了负荷控制，就可以减少通过节流控制负荷所导致的额外泵气做功，而这正是提高gdi系统燃油经济性的主要因素。同时由于缸内温度较低，喷油提前可以降低发动机对燃油十六烷值得要求，那么就可以提高gdi发动机的压缩比。众所周知，高的压缩比对于提高发动机燃油经济性效果显著。另外，燃油直接喷射入气缸可以更有效的在发动机上实现减速断油机制，这也为燃油经济性的提高提供了保证。3 燃油经济性和排放gdi发动机确实可以提高燃油经济性，但是，同时其提高幅度也受到严格的排放要求的限制。无论是在欧洲、北美还是其他地方，更进一步的排放标准要求燃烧系统、发动机运行策略和尾气后处

7、理系统须加以协调发展。所以真正的gdi发动机的燃油经济性会远远低于理论值。大多数车用gdi发动机由于受到严格的排放标准的限制，无法完全发挥其潜在的燃油经济性优势，为了满足排放标准，采取了轻度节流、稀燃nox后处理系统、nox存储型转化器。3.1轻度节流gdi技术显著提高汽车燃油经济性的潜力主要归因于发动机燃烧的混合气以分层充气模式形成，从而避开了因负荷变化调节进气流量而可能出现的截流损失。然而，在发动机稳定运行过程中，在保持一个能使催化器有效工作的温度的前提下，实现稳定的超稀燃烧是非常困难的。因此，稀燃可实现范围的扩展将收到排气温度要求的限制。为了扩展稀燃运行范围，或许确实需要一定的进气管真空

8、度以保持排气温度在催化器有效工作温度以上，这一限制使得gdi发动机在mveg测试循环下的燃油经济性降低36%。在最低负荷工况下也许确实需要一定的节流以使燃烧稳定性保持在一个可接受的水平。轻度的节流已经证实对hc排放控制有效；例如，在20%的egr率下，通过轻度的节流可以减少hc排放达20%，不过这也导致燃油经济性降低了3%。在设计可实现分层燃烧的gdi发动机时，也必须使其可以运行在需要均质充气的冷气动或高负荷工况条件下。对于这样的运行条件，采用适当的节流是非常有利的。节流的应用同样有利于发动机各种运行模式间的平滑过渡。另外，在为了减少nox排放而采用高egr率的情况下以及碳罐的净化也需要一定的

9、进气管真空度。在发动机管理系统（ems）控制下采用节流的方法能使其迅速实现，并能提高1%的燃油经济性。对于gdi发动机在某一运行条件范围的燃油消耗情况，通过采用双区模型进行分析后发现燃油经济性可以增加20%，这一结果是和当前使用三效催化器的pfi发动机相比得到的，并且在该运行范围内gdi发动机都是采用了混合气分层模式。然而，这对后处理来说是不实际的。催化器的有效运行温度是一个很重要的参数，如果催化器的进口温度要保持在一个重要的的限值以上，就不可能在整个运行范围内使用超稀混合气。分析同时表明，如果考虑到排放要求限制，可采用分层混合气的发动机工作范围会非常窄，这使得预期的燃油经济性提高幅度降低10

10、。显然，这就要求催化转化技术需要更进一步的提高。这样才能使高度分层的混合气燃烧的潜在优势全部发挥出来。由于稀燃和较低的节流程度，会导致排气温度过低，这给保持催化温度和转化效率提出了一个大难题。需要强调的是，提高直喷燃烧系统在更高的稀释比下运行的能力以提高燃油经济性实施起来是受到限制的。由于使用过高的混合气稀释比会使排气温度降低，因此实际上是不可行的。3.2稀燃nox后处理系统为了保持催化温度和理想的转化效率，稀燃nox后处理系统的最低温度限制要求了发动机实际可采用的最高稀释比不能高于某一限值。采用比这一限值更低的空燃比是不现实的。相反地，稀燃nox后处理系统的最高温度限制决定了分层充气或稀薄均

11、质充气运行时的发动机所能承受的最高负荷。稀燃系统在高于这一载荷限制的条件下运行会直接导致 nox排放大大增加。另外，可采用分层充气模式的最大负荷也受到碳烟排放水平的限制。因此，对于能够大幅提高燃油经济性的、采用分层混合气或稀薄均质混合气的负荷区域而言，稀燃nox后处理系统的温度限制也大大限制了它的范围。这样，改善稀燃nox后处理系统的特性和扩大这一负荷区域是最大程度发挥gdi技术燃油经济性潜力的关键。3.3 nox存储式催化器nox存储型转化器是为满足燃油直喷发动机而特别设计的，在其排气侧装有一个nox感应器。传统的三向催化式转化器无法在发动机燃烧不充分阶段将氮氧化物充分分解；因此排气中的成分

12、将含有大量有害的化学物质。含有钡金属涂层的存储型催化式转化器能够高效地完成将大量残留氮氧化物转化为无害氮气的任务。存储型转化器由设定的运行特性和温度控制。当转化器达到饱和，发动机会在短时间内生成更浓的混合气体。这会使排气的温度升高，这时转化器涂层的钡分子便开始释放氮氧化物。氮氧化物会随之被转化为氮气。净化高浓度混合气体程序的工作频率，由发动机的运行条件所决定，不过平均运行每分钟内，会有几秒钟的时间用来净化尾气。 nox存储式催化器需要周期性的再生和净化，可以通过短时间的多喷油来实现，但这会直接导致燃油经济性的降低。这一点在高速高负荷时尤为明显，因为此时发动机不是运行在稀薄分层混合气模式下就是稀

13、薄均质充气模式下。对于中负荷运行条件下，可采用分层混合气的运行区域不是受燃烧系统的限制，而是更多的受nox存储式催化器净化要求的限制。排气温度和发动机nox排放主要随着发动机转速和负荷的增加而升高。在相同的发动机运行区域，nox存储式催化器存储能力下降，相应地需要更加频繁地对其加以净化，这对发动机的燃油经济性会产生负面的影响。在某些工况点上，这种净化频率会成为比燃烧系统本身更严格的限制因素。由于这一原因，稀薄均质充气运行系统受到了限制，因此需转入三元催化器可以正常工作的高egr率的化学当量比混合气运行模式。尽管这一切换会造成15%的燃油经济性损失，发动机nox排放在相同的测试条件下却可以降低近

14、50%。即使在更低的负荷范围内采用稀燃混合气的情况下，在达到排放指标的前提下，nox存储式催化器净化仍会带来0.5-1.5%的燃油经济性损失，所以存储器净化策略的优化，以及与nox存储式催化器配合使用的还原性氧存储器的发展和完善，对于燃油经济性损失的降低是非常重要的。4 汽油直喷与其他技术在当前直喷技术的发展中，很大一部分是从制造方面考虑，对已经存在的pfi发动机进行最小程度的改造。这样虽然可以很好的改善燃油经济性，但是不会发挥全部的gdi技术的潜力。显然，gdi可以结合其他高燃油效率技术，比如增压、怠速断油、可变配气相位技术及混合动力技术，它可以改善这些技术的一些不足之处。而且，gdi发动机

15、的基本优点，比如良好的瞬态响应能力、出众的发动机起动性能、精确的转矩控制、缸内进气冷却、灵活的燃油控制、优良的抗爆震性能、以及更短的废气涡轮增压滞后时间，这些都可以很好的和其他技术相结合，发挥显著的优点。这样，gdi发动机另外的一个优点就是它可以有效的结合其他技术，达到明显更低的燃油消耗量。通过将gdi技术的优点与新的动力传动系统策略、辅助的电动设备以及性能增强技术相结合，在改善瞬态响应和驾驶性能的同时燃油经济性可以提高25%。 4.1增压gdi发动机采用进气压力增压辅助设备同时使发动机轻量化可以有效的提高燃油经济性。在这种情况下，如果使发动机在车辆行驶过程中的实际工作的负荷区域都集中在发动机

16、的高效运行区域内，则可以显著提高燃油经济性。提高燃油辛烷值是增压发动机的关键所在，通常来讲，为了避免发动机爆震，增压发动机的几何压缩比必须充分减小。这会降低发动机的热效率。然而，在相同或更高的压缩比条件下，gdi发动机可以在更高的增压比下运行。这是由于缸内充气冷却和更低的油气混合物滞留时间可以使燃油辛烷值要求降低。需要说明的是，通过燃油晚喷可以实现的缸内充量冷却同样可以用于提高抗爆震性能，在废气涡轮增压技术的应用方面，必须说明的另外一个关键的特性参数是瞬态响应特性。随负荷要求的改变gdi涡轮增压发动机比pfi涡轮增压发动机的瞬态响应特性大大改善。另外一方面，可以通过增压实现发动机小型化。增压可

17、以在改善燃油经济性的同时降低发动机的结构尺寸，也就是使发动机小型化、轻量化。发动机小型化可以使发动机运行负荷范围转移到高效区域内，而这一区域恰恰是gdi在改善燃油经济性方面作用有限的一个区域，对于这部分工况可以通过扩大分层充气运行范围来提高燃油经济性。4.2 gdi发动机与cvt的匹配gdi 和cvt技术从根本上都具有改善燃油经济性和操控性的潜力，并且gdi和cvt的结合还有助于弥补各自的一些不足。在cvt与传统的pfi发动机配合中，经常会出现一下一些问题：传送带的摩擦损失、扭矩转化器的内部损失、车体的振动和低油耗工作点变速箱匹配不理想。采用gdi发动机和cvt变速箱的整体控制，通过扩大最优扭

18、矩控制范围和gdi发动机本身的低油耗就可以巧妙地解决这些问题。发动机带有cvt，就可以使分层工况的极限点就可以扩展，从而改善燃油经济性。所以，gdi/cvt 动力总成具有显著增强匹配工况点的潜力，同时也能具有高精确的扭矩控制的优势。4.3 gdi 发动机在混合动力系统上的应用混合动力系统可以提供高的燃油经济性和较低的燃油消耗。但是，多种驱动路径，电动机单元，和高容量的电池模块使得此技术非常复杂。采用pfi发动机的混合动力系统，一般会出现起动扭矩不足和在发动机重新起动和稳定时停顿的问题。另外，在路上行驶时，可回收的能量有限，这就意味着发电机必须频繁工作以获得需要的动力输出，从而引起燃油经济性的损

19、失。相比之下，采用gdi发动机的混合动力系统，对发电机单元和电池容量的需求则小一些，从而可以采用更小的发电机和电池来改善车辆的初始加速过程。这是因gdi发动机的重起动所需的电能非常少，并且起动迅速以至于在刚起动后的几个循环内就可以获得需要发动机的扭矩。5. 总结本文对gdi发动机改善车辆燃油经济性的因素潜力进行了论述。在实际的应用中，考虑到排放要求，采取了排放控制策略，虽然理论的燃油经济性可以提高20%25%，实际的商用发动机的燃油经济性只能实现一半其他的约束条件需要轻微节流、窄的稀燃nox后处理系统工作温度区间、nox存储催化器的再生也都会降低实际的燃油经济性。为了提高燃油经济性，就是与其他新技术的结合使用