直喷发动机及其节能技术

1、 GDI 1 GDI 1概念概念 GDI 发动机发动机-缸内直喷汽油机缸内直喷汽油机 Gasoline Direct Injection Engine PFIPFI系统系统 GDIGDI系统系统一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状 GDI 2 GDI 2优缺点优缺点 GDIGDI燃油直接喷入到气缸、冷却缸内温度燃油直接喷入到气缸、冷却缸内温度可以提高发动机的充气效率可以提高发动机的充气效率可以提高压缩比可以提高压缩比循环供油量控制更精确循环供油量控制更精确可实现多种喷油模式可实现多种喷油模式消除了燃油供给的滞后效应，消除了燃油供给的滞后效应，即使在低温下也具有良即使在低温下也具有良好的瞬态响

2、应性好的瞬态响应性 部分负荷采用分层稀燃，减少节气门的节流损失部分负荷采用分层稀燃，减少节气门的节流损失一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状 GDI 2 GDI 2优缺点优缺点 主要主要问题问题一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状 GDI 3 GDI 3全貌全貌 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状 GDI 4 GDI 4 燃料系统燃料系统 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状 GDI 5 GDI 5 喷射模式喷射模式 单阶段喷射模式：单阶段喷射模式： 中小负荷时，在压缩行程后期开始喷油中小负荷时，在压缩行程后期开始喷油 大负荷及全负荷时，在早期进气行程中将燃油喷入气缸大负荷及全负荷时

3、，在早期进气行程中将燃油喷入气缸 多阶段喷射模式：多阶段喷射模式：例如在进气早期开始喷油（例如在进气早期开始喷油（1/4），使），使燃油在气缸中均匀分布，在压缩后期再次喷油，点火时在火燃油在气缸中均匀分布，在压缩后期再次喷油，点火时在火花塞附近形成较浓的可燃混合气；例如后喷，快速启燃后处花塞附近形成较浓的可燃混合气；例如后喷，快速启燃后处理器。理器。一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状 GDI 6 GDI 6 燃烧模式与控制策略燃烧模式与控制策略 理论均质混合气燃烧模式理论均质混合气燃烧模式分层稀燃模式分层稀燃模式双模式双模式中小负荷时，中小负荷时，分层稀燃分层稀燃11大负荷或全负荷时，均质

4、燃烧大负荷或全负荷时，均质燃烧=1=1一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状 =1，其控制策略与，其控制策略与PFI发动机基本一样发动机基本一样 1，分层稀燃的控制策略比较复杂，分层稀燃的控制策略比较复杂 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状 GDI 6 GDI 6 燃烧模式与控制策略燃烧模式与控制策略 =1，其控制策略与，其控制策略与PFI发动机基本一样发动机基本一样 1，分层稀燃的控制策略比较复杂，分层稀燃的控制策略比较复杂 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状 GDI 6 GDI 6 燃烧模式与控制策略燃烧模式与控制策略 GDI 7 GDI 7 点火点火 开环控制开环控制正时调节正时

5、调节 通过大量匹配试验测取各工况下通过大量匹配试验测取各工况下 的点火正时最佳调整值的点火正时最佳调整值MAP， ECU根据主控量负荷和转速，经根据主控量负荷和转速，经 计算和必要修正计算和必要修正点火。点火。 闭环控制闭环控制正时调节正时调节 在发动机的特定运转工况下在发动机的特定运转工况下通过爆震传感器的振动频率信号感知发通过爆震传感器的振动频率信号感知发动机缸内燃烧情况，控制爆震燃烧在一定的强度，如果超限，则推动机缸内燃烧情况，控制爆震燃烧在一定的强度，如果超限，则推迟点火，从而抑制更强烈爆震的发生迟点火，从而抑制更强烈爆震的发生，一般采用和开环控制相结合，一般采用和开环控制相结合的办，

6、使发动机得到综合性能最佳的控制。的办，使发动机得到综合性能最佳的控制。 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状 GDI 7 GDI 7 点火点火 改进的高能量点火系统改进的高能量点火系统 火花塞利用耐用可靠的白金、火花塞利用耐用可靠的白金、 铱金电极铱金电极 两段直径中心电极两段直径中心电极 突出的金属壳、铜芯嵌入电极突出的金属壳、铜芯嵌入电极 火花塞布置在燃烧室中央，火花塞布置在燃烧室中央， 中心电极突出较多，位于混中心电极突出较多，位于混 合气形成中心合气形成中心 为提高放电电流和放电时间，为提高放电电流和放电时间， 各缸都采用单独的点火线圈各缸都采用单独的点火线圈 一一、GDIGDI汽油

7、机现状汽油机现状 GDI 8 GDI 8 多气门进气系统多气门进气系统 发动机的充量系数与进气孔口的马赫数发动机的充量系数与进气孔口的马赫数（Ma ）有密切关系，有密切关系，当当MaMa超过超过0.50.5后，充量系数开始快速下降后，充量系数开始快速下降 增加进气门的流通面积是降低进气阻力，减小进气马赫数，增加进气门的流通面积是降低进气阻力，减小进气马赫数，提高发动机充量系数的最主要的措施提高发动机充量系数的最主要的措施 采用进气门倾斜来增加进气门直径采用进气门倾斜来增加进气门直径 增加进排气门数增加进排气门数 多气门可使火花塞中央布置多气门可使火花塞中央布置 多气门高速发动机均采用顶置凸轮，

8、有单顶置凸轮轴多气门高速发动机均采用顶置凸轮，有单顶置凸轮轴（single overhead camshaft SOHC ）和双顶置凸轮轴和双顶置凸轮轴（double , DOHC ）结构。结构。 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状 GDI 8 GDI 8 多气门进气系统多气门进气系统 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状GDI 9 可变气门系统可变气门系统 发动机要在宽广的工况范围内运转发动机要在宽广的工况范围内运转 低速低负荷时低速低负荷时 采用较小的气门叠开角防止出现缸内充量向进气系统倒流采用较小的气门叠开角防止出现缸内充量向进气系统倒流 利用推迟进气或较小的气门升程，提高进气管与

9、缸内压差利用推迟进气或较小的气门升程，提高进气管与缸内压差，增加缸内气体的湍流运动，促进燃烧，增加缸内气体的湍流运动，促进燃烧 高速高负荷高速高负荷 采用最大的气门升程和合理的进气门正时，最大程度地减采用最大的气门升程和合理的进气门正时，最大程度地减小流动阻力小流动阻力 充分利用进气门迟闭过后充气，提高充量系数充分利用进气门迟闭过后充气，提高充量系数 利用利用VVAVVA替代节气门替代节气门 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状GDI 9 可变气门系统可变气门系统 机械式：目前商品化的系统还是机械式，基本上可以实现可机械式：目前商品化的系统还是机械式，基本上可以实现可变气门正时、可变气门升程

10、和可变气门持续角等功能。变气门正时、可变气门升程和可变气门持续角等功能。 可变凸轮机构（可变凸轮机构（variable camshaft system , VCS ） 可变气门正时可变气门正时（variable valve timing , VVT ） 可变的配气执行机构可变的配气执行机构( variable valve actuation，VVA)上述上述的组合的组合 电子控制无凸轮机构：机构复杂而且价格昂贵，如电子控制无凸轮机构：机构复杂而且价格昂贵，如GM GM 和和FEV FEV 公司推出的无凸轮的电磁气门驱动机构以及公司推出的无凸轮的电磁气门驱动机构以及Ford Ford 公司的液压

11、公司的液压气门驱动机构等。气门驱动机构等。 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状GDI 9 可变气门系统可变气门系统 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状GDI 9 可变气门系统可变气门系统保时捷保时捷Variocam 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状GDI 9 可变气门系统可变气门系统本田本田VETC 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状GDI 9 可变气门系统可变气门系统宝马宝马Valvetronic 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状GDI 9 可变气门系统可变气门系统 菲亚特的菲亚特的multiair一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状GDI 10 可变进气压力可变进

12、气压力 利用进气谐振，可使充量系数的峰值向发动机低速一侧移动利用进气谐振，可使充量系数的峰值向发动机低速一侧移动活反之向高速一侧移动活反之向高速一侧移动 可以通过改变进气管长度可以通过改变进气管长度 可以通过改变进气管管径可以通过改变进气管管径 实际应用中，可变的进气管长度比较容易实现实际应用中，可变的进气管长度比较容易实现 亦有多种结构设计，可以达到比较好的效果亦有多种结构设计，可以达到比较好的效果 涡轮增压（涡轮增压（turbocharger) 增压中冷增压中冷 放气阀放气阀 VNT 和和VGT 机械增压机械增压(supercharger) 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状GDI 1

13、0 可变进气压力可变进气压力 VICS可变进气歧管可变进气歧管 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状GDI 10 可变进气压力可变进气压力 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状GDI 10 可变进气压力可变进气压力 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状GDI 11 可变进气流动可变进气流动 VTCS可变涡流控制系统可变涡流控制系统 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状GDI 12 紧凑型燃烧室紧凑型燃烧室 一一、GDIGDI汽油机现状汽油机现状 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -VCR-VCR 图图1.20021.2002年雷诺公司对于年雷诺公司对于 发动机新技术对于燃油经发

14、动机新技术对于燃油经济性影响潜力的评估济性影响潜力的评估图图2.2.瑞典瑞典LundLund技术学院对技术学院对于可变压缩比对热效率的于可变压缩比对热效率的影响的研究影响的研究 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -VCR-VCR 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -VCR-VCR画出)。 可变压缩比机构CATIA装配模型图 1动力输出轴；2曲轴；3同步齿轮；4曲轴支承横梁；5升降控制齿轮齿轮轴；6升降控制齿轮；7蜗轮；8蜗杆；9活塞连杆组 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -VCR-VCR画出)。 基于偏心连杆轴颈的可变压缩比机构 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提

15、高 -VCR-VCR画出)。IMEP=BMEP + FMEP + PMEP，原机CR10.5升到17，b下降4.8%。20%负荷时平均压力曲线图 20%负荷燃油消耗率曲线图 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -VCR-VCR画出)。应用应用MILLERMILLER循环实现可变压缩比循环实现可变压缩比 WOT100%负荷燃油消耗率随点火提前角变化情况 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -VCR-VCR画出)。WOT2200r/min,75%、50%、25%负荷两种循环的燃油经济性对比(几何压缩比不变） 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -VVA-VVA画出)。 不同气门负

16、荷控制策略 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -VVA-VVA画出)。凸轮驱动式液压可变气门机构图 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -VVA-VVA画出)。2200r/min，25%负荷无节气门负荷控制方式（a）不同气门开启持续期P-V图 （b）不同气门开启时刻P-V图结论：随气门开启持续期的增加，开启滞后，泵气损失加大。 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -VVA-VVA画出)。无节气门负荷控制全工况泵气损失降低map332 CA ATDC开启，气门开启持续期按原机曲线 无节气门负荷控制方式燃油经济性提升map 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -VDT-V

17、DT画出)。废气回流式停缸方式废气回流式停缸方式 废气回流式变排量发动机示意图 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -VDT-VDT画出)。废气回流式停缸方式废气回流式停缸方式 2600r/min，燃油经济性的负荷特性与节油比例 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -VDT-VDT画出)。停气门式变排量方式停气门式变排量方式 2600r/min、20%-80%负荷下燃油经济性随负荷变化规律 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -VDT-VDT画出)。停气门式变排量方式停气门式变排量方式 40%负荷、4000r/min两种变排量方式燃油经济性对比 二、 GDI汽油机汽油机性能提

18、高性能提高 -DSS-DSS画出)。直接起停技术(Direct Start Stop) 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -DSS-DSS画出)。反转直接起动模式工作时序图（发火顺序反转直接起动模式工作时序图（发火顺序1342对应一二三四）对应一二三四）正转直接起动模式工作时序图（发火顺序正转直接起动模式工作时序图（发火顺序1342对应一二三四）对应一二三四） 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -DSS-DSS画出)。示例：反转启动膨胀缸点火时刻IE对n影响（活塞初始位置、水温、喷油压力，两缸、喷油正时、点火时刻）示例：正转启动过量空气系数对首循环、次循环转速的影响（活塞初始位

19、置、水温、喷油压力，两缸、喷油正时、点火时刻） 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -DSS-DSS画出)。示例：过量空气系数对首循环排放的影响 示例：过量空气系数对次循环排放的影响 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -EGR-EGR画出)。 部分负荷EGR改善效果（美国西南研究院Terry Alger） 燃油加浓、空气稀释和EGR稀释三种方式的爆震抑制效果SAE 2008-01-0425 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -EGR-EGR画出)。 （1500s，1500r/min） （2000s，1500r/min） （1500s，2500r/min） （2000s，2

20、500r/min） 均质EGR各工况不同EGR率下扭矩随点火正时的变化图（1500s，1500r/min） （2000s，1500r/min）（）（1500s，2500r/min）（）（2000s，2500r/min） 均质EGR各工况扭矩最大值 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -EGR-EGR画出)。 （1500s，1500r/min） （2000s，1500r/min）（）（1500s，2500r/min）（）（2000s，2500r/min） 均质EGR各工况排温与排放 （ 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -EGR-EGR画出)。 喷油脉宽1500s冷热EGR扭矩对比

21、 喷油脉宽2000s冷热EGR扭矩对比 （1500s，1500r/min） （2000s，1500r/min） （1500s，2500r/min） （2000s，2500r/min） 冷热EGR缸压和放热率曲线 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -EGR-EGR画出)。 （a）环状分区 （b）左右半分区（c）带状分区 （d）上下半分区（e）半球形分区（f）圆锥形分区不同形态的柔性可控燃烧室 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -EGR-EGR画出)。 利用排气回流实现EGR分层策略的设想图 二、 GDI汽油机汽油机性能提高性能提高 -EGR-EGR画出)。 排气门不同二次开启时刻进排气门升程曲线排气门不同二次开启时刻进排气门升程曲线