GDI发动机PPT课件

1、2021/3/9121世纪轿车的理想动力装置GDI发动机 汽油直接喷射汽油直接喷射(Gasoline Direct Injection)发动机简称发动机简称GDI发动机，是近年来国外内燃机研发动机，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，出现，使汽车发动机技术进入了一个崭新的时代，它在它在21世纪有取代传统的汽油机和柴油机的趋势，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。成为轿车最理想的动力装置。 2021/3/92 传统的汽油发动机是将汽油喷射到进气管传统的汽油发

2、动机是将汽油喷射到进气管中，与空气混合中，与空气混合后后再进入气缸内燃烧，而再进入气缸内燃烧，而GDI发动机是将汽油直接喷入气缸，利用发动机是将汽油直接喷入气缸，利用缸缸内气流和活塞表面内气流和活塞表面的燃料雾化与空气形成混的燃料雾化与空气形成混合气进行燃烧。合气进行燃烧。 2021/3/93 GDI发动机具有发动机具有很好的工作稳定性和负荷性能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，能实现同时低温起动性能得到了明显改善，能实现分层分层燃燃烧，燃油烧，燃油经济性经济性大大提高，其油耗可达到涡轮增压大大提高，其油耗可达到涡轮增压直喷直喷(TDI)柴油机的水平，且省略了涡轮增压

3、装置，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。省却了复杂的高压喷射系统。GDI发动机能用稀燃技发动机能用稀燃技术，空燃比可高达术，空燃比可高达40：1，甚至最高可达，甚至最高可达100：1，使，使得功率和转矩均高于传统汽油机，油耗、噪声及二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，氧化碳的排放量都较低，GDI发动机工作的均匀性、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、性能优异的技术先进

4、、性能优异的GDI发动机。发动机。 2021/3/94 GDI发动机的研究始于德国，早在发动机的研究始于德国，早在50年代，德年代，德国就有直喷二冲程汽油机装车应市，甚至还装到声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名显赫的SL级奔驰轿车上，但是很快就销声匿迹。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，还是大后来德国的设计师们，无论是奔驰、宝马，还是大众，对于汽油直接喷射都采取皱眉挥斥的态度。因众，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

5、法解决，于是便停止车几乎无法开，废气问题也无法解决，于是便停止了了GDI发动机的研制开发。发动机的研制开发。 2021/3/95 日本三菱汽车公司于日本三菱汽车公司于1996年研制成功年研制成功GDI发动发动机，并将其装在机，并将其装在Galant牌汽车上，于同年牌汽车上，于同年8月投放月投放日本汽车市场。日本汽车市场。1997年装备同样发动机的中级轿车年装备同样发动机的中级轿车Garisma进入西欧市场，该发动机排量为进入西欧市场，该发动机排量为1.8L，功，功率为率为88kW，100km油耗为油耗为5L左右，发动机价格较左右，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原先略有

6、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量高的问直接喷射是可行的。废气中的氮氧化物含量高的问题，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。器来解决。 2021/3/96 今天，几乎所有汽油机都是间接喷射今天，几乎所有汽油机都是间接喷射的，与其相比，的，与其相比，GDI发动机无论在油耗上，还发动机无论在油耗上，还是在排放净化上，都取得了巨大

7、的进步，并是在排放净化上，都取得了巨大的进步，并且在稀燃方面，且在稀燃方面，GDI发动机允许混合气变得稀发动机允许混合气变得稀薄，特别是在部分负荷内。理论计算出的标薄，特别是在部分负荷内。理论计算出的标准空燃比应是准空燃比应是15：1，在稀燃技术方面丰田和，在稀燃技术方面丰田和三菱都取得了初步的成果，空燃比已达到三菱都取得了初步的成果，空燃比已达到20：1。2021/3/97 但是，若采用汽油直接喷射，混合气可进但是，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，一步稀化。通常进气道或多或少呈水平布置，而三菱的而三菱的GDI发动机则通过垂直布置的进气道发动机则通过垂直布

8、置的进气道和专门设计的鼻形活塞，成功地在燃烧室中建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，即能着火的混合气，在其它区域较深的油雾，即能着火的混合气，在其它区域内一点混合气也没有。因此，即使是空燃比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。的混合气，发动机也能可靠着火。油门油门最大时，混合气接近标准空燃比，这时省油的最大时，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。优点消失，但汽车很少在全负荷工况下工作。2021/3/98 GDI发动机的研制

9、开发，可谓花开在德发动机的研制开发，可谓花开在德国，果却结在日本。三菱汽车公司国，果却结在日本。三菱汽车公司GDI发动发动机的研制成功令全世界的汽车制造商和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。汽车工业的发展。 2021/3/99 日本日本 对于对于GDI发动机的研制开发与利用，日本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，三菱汽车公司处于领先

10、地位，1997年先后又开年先后又开发出发出2.4L四缸机、四缸机、3.0L六缸机和六缸机和3.5L六缸机三六缸机三种机型，分别装于四种中、大型轿车上投放市种机型，分别装于四种中、大型轿车上投放市场。还推出三种新的场。还推出三种新的GDI发动机：发动机：0.66L直列三直列三缸机、缸机、1.5L直列四缸机和直列四缸机和4.5L的的V8机。据三菱机。据三菱汽车公司对汽车公司对1.8L的的GDI发动机测试表明，该机发动机测试表明，该机可节油可节油20，降低排放降低排放20，提高发动机功率提高发动机功率和转矩和转矩10。2021/3/910 丰田汽车公司于丰田汽车公司于1996年底研制出年底研制出D-

11、4型型2.0L的的GDI发动机，已批量装车使用。发动机，已批量装车使用。1998年，该公司加紧开发年，该公司加紧开发1.6L和和1.8L的的GDI发动发动机，机， 1999年还推出一种新型的年还推出一种新型的2.0L的的GDI发发动机。丰田汽车公司动机。丰田汽车公司D-4型型GDI发动机可降低发动机可降低油耗的油耗的3.0L和和2.5L的的V6机、富士重工机、富士重工2.5L的的卧式对置四缸机、马自达卧式对置四缸机、马自达2.0L的直列四缸机的直列四缸机和本田和本田1.0L的直列三缸机均上市。的直列三缸机均上市。 2021/3/911美国美国 克莱斯勒汽车公司开发的四冲程克莱斯勒汽车公司开发的

12、四冲程GDI发发动机使燃油经济性提高动机使燃油经济性提高20-30，可与小排，可与小排量的直喷柴油机媲美；福特汽车公司对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，经过深入研究发现，GDI发动机有进一步提发动机有进一步提高热效率和功率的潜力。高热效率和功率的潜力。2021/3/912德国德国 大众汽车公司开发的大众汽车公司开发的GDI发动机在发动机在1997年法兰克福汽车博览会上获得好评。奥迪汽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车公司也展出了1.2L的三缸的三缸GDI发动机。奔发动机。奔驰汽车公司于驰汽车公司于1997年底投资近年底投资近1亿马克，全亿马克，全面

13、起动面起动GDI研究项目，在研究项目，在2001年或年或2002年推年推出出GDI发动机，并认为欧洲汽车装用的发动机，并认为欧洲汽车装用的GDI发发动机应能满足欧洲法规对排放标准的最新要动机应能满足欧洲法规对排放标准的最新要求。求。 伴随着伴随着21世纪，世纪，GDI发动机将在汽车动发动机将在汽车动力装置中层露锋芒。力装置中层露锋芒。 2021/3/913 GDI发动机存在的问题发动机存在的问题 中小负荷未燃的中小负荷未燃的HC较多，这是由于油雾会碰较多，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

14、未燃的稀，缸内燃油蒸发造成温度过低，不利于未燃的HC进行后燃。微粒排放比进行后燃。微粒排放比MPI发动机增加，主要是由发动机增加，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。目前的关键技术问题。目前GDI仍属于研究开发阶仍属于研究开发阶段，只有少量产品投放市场。段，

15、只有少量产品投放市场。 2021/3/914GDI 发动机及其稀燃优化技术 1 引引 言言 自自20世纪世纪90年代以来，日益严格的排放法规和年代以来，日益严格的排放法规和能源危机促使能源危机促使GDI 发动机的研究得到了快速的发发动机的研究得到了快速的发展，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等都已开发了比较成熟的GDI机型和产品。下面就机型和产品。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。排放控制技术等作一论述。2021/3/9152 GDI的电子

16、控制策略的电子控制策略 GDI中最中最关键的是要控制好混合气浓度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在空间的分布及其随时间的变化，依靠采用，依靠采用高精度的高压喷油嘴、缸内气流控制技术、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。油经济性和高性能。 2021/3/916 2.1 按工况区分控制模式的控制策略按工况区分控制模式的控制策略 现代现代GDI 通常是根据大、小负荷区不同的要求，采用不通常是根据大、小负荷区不

17、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。同的混合燃烧模式来改善其燃油经济性的。 在在中小负荷区域中小负荷区域，要求有良好的燃油经济性，因而通常，要求有良好的燃油经济性，因而通常采用压缩冲程中喷油实现采用压缩冲程中喷油实现分层燃烧的控制模式分层燃烧的控制模式，即在压缩冲，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限制其扩散其扩散，使喷射到气缸内的燃油所形成的可燃混合气集中在，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火花塞周围，而在火花塞外周部的极稀薄混合气与层

18、状空气则形成了分层混合气，使燃烧在整体空燃比则形成了分层混合气，使燃烧在整体空燃比3040 2的超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。由于此时内燃尽燃烧生成的黑烟。由于此时GDI 放弃使用节气门节放弃使用节气门节流，因而可以减少发动机的流，因而可以减少发动机的泵气损失泵气损失，过量的空气还会吸收，过量的空气还会吸收气缸壁上的热量，气缸壁上的热量，降低了热损失降低了热损失，从而大幅度改善燃油耗。，从而大幅度改善燃油耗。 2021/3/917 图图1 为丰田为丰田2.0L双顶置凸轮轴双顶置凸轮轴GDI发动

19、机发动机的分层进气控制方法：在活塞顶上有渐开线形的分层进气控制方法：在活塞顶上有渐开线形的燃烧室凹坑，位于涡流运动上游较窄的区域的燃烧室凹坑，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；较宽的区域是混合气形成的主要区域；较宽的区域b 是是主要燃烧空间，用以促进混合气快速扩散。设主要燃烧空间，用以促进混合气快速扩散。设计成渐开线形凹坑的计成渐开线形凹坑的c是为便于蒸发的燃油流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

20、动机散流出凹坑。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。气或浓混合气。2021/3/918 故故此时发动机此时发动机采用采用进气冲程喷油，进气冲程喷油，实现均质实现均质燃烧的控制模式。即在进气冲程早期向气缸内喷燃烧的控制模式。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

21、气密度，在提高体积效率冷却，增大了空气密度，在提高体积效率(即增大即增大进气量进气量)的同时还减少了爆震的倾向，使发动机的的同时还减少了爆震的倾向，使发动机的压缩比可上升到压缩比可上升到121，提高了热效率，发动机以，提高了热效率，发动机以接近理论空燃比接近理论空燃比14.7:1 或稍浓的空燃比混合气进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行均质燃烧，同时实现高功率的输出和燃油的低消耗。消耗。 2021/3/9192021/3/920GDI发动机的活塞顶部形状发动机的活塞顶部形状 2021/3/921 控制模式的切换通过喷油定时的变换来实现。控制模式的切换通过喷油定时

22、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带来振动。为此，三菱、丰田等公司在模式切换时采用了采用了二段喷射技术二段喷射技术，即在进气行程中喷射一部分，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喷射技术的GDI发动机可实现从中小负荷区向大功发动机

23、可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。抑制了爆震的发生，增加了功率的输出。 2021/3/922 2.2 扭矩控制策略扭矩控制策略 对扭矩的控制实际上就是对发动机喷油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，量的控制。通常情况下，GDI主要是根据油门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。的高低来切换对扭矩的调节方式。2021/3/923 从理论上讲从理论上讲GDI可以不使用节气门，但实可以不

24、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动节气门。这其中最主要的原因是GDI在大负在大负荷工况下工作时需要均匀混合气；其次是在应荷工况下工作时需要均匀混合气；其次是在应用用EGR 降低降低NOx排放时，需要有节流阀控制排放时，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，低负荷时没有节制动时也需要真空度；最后，低负荷时没有节流阀排气温度会非常低，降低了催化剂的转化流阀排气温度会非常低，降低了催化剂的转化效率。效率。2021/3/924

25、 因此，因此，当发动机的扭矩和转速对应于低工况区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，进而对扭矩实行控变空燃比来调节每循环的喷油量，进而对扭矩实行控制。制。这时发动机采用的调节方式是与柴油机相同的这时发动机采用的调节方式是与柴油机相同的“变变质调节质调节”，此时进气量和点火提前角几乎不影响扭矩。，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，即油门踏当发动机

26、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，其空燃比被稳定在板位移量较大时，其空燃比被稳定在14.7左右左右1，通，通过改变电动节气门的开度来调节进入气缸的空气量，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。这时发动机采用进而改变喷油量实现对扭矩的控制。这时发动机采用的是的是“变量调节变量调节”方式。此时点火提前角对扭矩有很方式。此时点火提前角对扭矩有很大大影响。表影响。表1为为 GDI按工况区分控制模式，图按工况区分控制模式，图2 为不同燃为不同燃烧模式的控制范围。烧模式的控制范围。 2021/3/925图图2 不同燃烧模式的控制范围不同燃烧模式的

27、控制范围 2021/3/9262021/3/927 分工况区控制的结果是，其燃油经济性相对以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往的汽油机可以提高25%3左右，实现并超过了目左右，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比目前正在广泛使用的进气道喷射的汽油机增加了近近10%3，保证了人们对车辆动力性的要求。，保证了人们对车辆动力性的要求。 表表1 GDI按工况区分控制模式按工况区分控制模式 2021/3/928 2.3 喷油定时控制策略喷油定时控制策略 GDI可根据不

28、同的工况区域来确定不同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。如图式对油束的要求也不相同。如图3 ，发动机，发动机处于低工况时，采用的是变质调节和分层充处于低工况时，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，因而油束要尽可能集中，且雾化质量要内，因而油束要尽可能集中，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应将喷油推迟到压缩行程的后期进行(但必须但必须在喷油和点火之间留

29、下足够的间隔时间，以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便实现混合气的分层) 。 2021/3/929 因为：因为： a. 此时活塞正处于向上运动，气缸内的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，相应地增大。喷油压力越大，SMD( 油滴的油滴的索特平均直径，表示燃油的雾化程度索特平均直径，表示燃油的雾化程度)越小，越小，燃油蒸发越快，雾化程度越高，油滴喷射距燃油蒸发越快，雾化程度越高，油滴喷射距离有限，穿透度不深；离有限，穿透度不深；2021/3/930 b. 随着缸内压力的增大，

30、充量被强制压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比较集中，并且喷射出的燃油穿透距离也保持适中；持适中；2021/3/931 c. 活塞的上行运动，减少了喷油与活塞顶部凹活塞的上行运动，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

31、热汽化，从而内不向外扩散，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，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。合气的分层和超稀薄燃烧。 2021/3/932图图3 两种工况下对喷油正时和油束

32、特性的要求两种工况下对喷油正时和油束特性的要求 2021/3/933 当发动机处于高工况时，采用的是变量调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，否则会导致气缸壁面，否则会导致HC排放增加，并且活塞排放增加，并且活塞壁面会向燃油提供汽化潜热，从而丧失利用汽壁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。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，使其能有足够的大油束在气缸内的分

33、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。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，（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，形成容易造成燃烧不全现象，形成HC污染）污染）2021/3/934 3 GDI的燃油喷射系统的燃油喷射系统 现代现代GDI发动机的喷射系统主要采用汽油高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器。高压涡流喷油

34、器的喷油压力一般为58MPa(最高为最高为12MPa)4。这种喷油器的特点是。这种喷油器的特点是在其喷油嘴的头部设有一个在其喷油嘴的头部设有一个特殊的涡流腔特殊的涡流腔，通过，通过该腔可产生一股强涡流，不仅对喷油嘴喷孔具有该腔可产生一股强涡流，不仅对喷油嘴喷孔具有自洁作用，使其可靠性得到提高，而且能使燃油自洁作用，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，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从而降低了油束的穿透度，避免其沾湿活塞和缸套壁面。套壁面。2021/3/935 高压涡流喷油器的另一个特点就是它的油束喷角高压

35、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。在部分负荷时喷雾形状。在部分负荷时,燃油在压缩行程后期喷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

36、，这样不仅加快了喷雾在燃烧室内中空扩散的圆锥型，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，即便是在比较低的喷射压力下，油束仍能保持原大，即便是在比较低的喷射压力下，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，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。满足均质燃烧的要求。 2021/3/936 在喷射系统中，喷油器喷嘴的结构形式对在喷射系统中，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。图气分层

37、与稀燃的关键部件。图4 为为GDI发动机发动机所采用的各种喷油器喷嘴，所采用的各种喷油器喷嘴，a 为多孔内开式喷为多孔内开式喷嘴，其结构类似于柴油机喷嘴，但由于嘴，其结构类似于柴油机喷嘴，但由于GDI发发动机的喷射压力远远低于柴油机，故这种结构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，所以一般很少在火焰传播又不很稳定，所以一般很少在GDI 发发动机上使用。动机上使用。2021/3/937b 是外开式单孔针式喷嘴，据报道它能取消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

38、时兼压力室容积，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顾喷雾锥度、贯穿距离和燃油粒度的不同要求，但它的密封性要差一些，曾用于早期的求，但它的密封性要差一些，曾用于早期的GDI 发动机中。发动机中。2021/3/938c 为内开式旋流型喷嘴，在其内部设有燃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。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了其

39、在气缸顶上的布置，再加它不易积炭的特点，使其成为目前点，使其成为目前GDI发动机喷嘴所采用的主发动机喷嘴所采用的主要形式，在要形式，在GDI 发动机上得到广泛使用。发动机上得到广泛使用。 2021/3/939图图4 GDI发动机喷油系统采用的喷嘴方案的比较发动机喷油系统采用的喷嘴方案的比较 2021/3/940 4 GDI的燃烧系统的燃烧系统 燃烧系统的设计是燃烧系统的设计是GDI 开发的关键技术之一。由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。已开发的要求，更增加了它的设计难度。已开发的GDI

40、燃烧系燃烧系统，可以分为以下三类：统，可以分为以下三类： a. 油束控制燃烧系统（图油束控制燃烧系统（图5a） 燃油喷嘴靠近火燃油喷嘴靠近火花塞近距离花塞近距离 布置。喷油器安装在气缸中央，火花塞紧布置。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整个燃烧室内为稀薄混合气时，火花塞周围仍能形

41、成可供点火的混合气浓度，故这种混合气形成方法被称可供点火的混合气浓度，故这种混合气形成方法被称为为“喷束引导法喷束引导法”。2021/3/941 但由于火花塞与油束之间的距离过近，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着火稳定性，故这种燃烧系统未能被推广使用。用

42、。 2021/3/942图图5 现代现代GDI 燃烧系统的分类燃烧系统的分类 2021/3/943 b. 壁面控制燃烧系统（图壁面控制燃烧系统（图5b） 喷油嘴远喷油嘴远离火花塞的远距离布置方式。喷油器被设置在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，进气侧，火花塞布置在中间， 采用具有特殊采用具有特殊形状的立式进气道（图形状的立式进气道（图8a），在进气行程中），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，形成下流动，形成逆滚流逆滚流

43、，从而将喷射的燃油和蒸，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。机功率得到进一步的增大。2021/3/944 在这种燃烧系统中，活塞顶面通常被设计成弧状在这种燃烧系统中，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，它就可借助于球型器将油束直接喷射到燃烧室内时，它就可借助于球型燃烧室凹坑壁面形状并利用由立式进气道产生的逆向燃烧室凹坑壁

44、面形状并利用由立式进气道产生的逆向翻滚气流翻滚气流( 图图8a)，将燃油蒸气导向火花塞，在火花塞，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形成方式被称为“壁面引导法壁面引导法”。目前三菱、丰田、。目前三菱、丰田、Nissan 等公司开发的机型均采用此燃烧系统，如图等公司开发的机型均采用此燃烧系统，如图6 为三菱为三菱G

45、DI 顶部带有球形凹坑的活塞，如图顶部带有球形凹坑的活塞，如图7 为三为三菱菱GDI 发动机中的燃油运动。发动机中的燃油运动。 2021/3/945图图6 三菱三菱GDI 活塞活塞 2021/3/946图7 三菱GDI发动机中的燃油运动 2021/3/947GDI与与MPI发动机进气道的比较发动机进气道的比较 图图8 缸内滚流运动缸内滚流运动 2021/3/9482021/3/949 c. 气流控制燃烧系统（图气流控制燃烧系统（图5c） 采用接近于卧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式的水平进气道，在缸内产生顺向的翻滚气流(图图8b)。它仍然使用远距离方式布置喷油器与火花塞，

46、。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对准燃烧室的中心喷向火花塞(但不朝向火花塞电但不朝向火花塞电极极)，并利用缸内有组织的气流运动与油束相互作，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充量分层和混合气均质化，这种混合气形成的方式被称为被称为“气流引导法气流引导法”。像。像FEV、AVL 公布的一些公布的一些开开发方案采用的就是这种燃烧系统。发方案采

47、用的就是这种燃烧系统。 2021/3/950 5 GDI气流运动的组织气流运动的组织 对进气行程和压缩行程中缸内瞬时流场对进气行程和压缩行程中缸内瞬时流场的控制是的控制是GDI发动机研制中又一关键问题。原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：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强度的从微观上要求在气缸内具有高强度的紊流，以促进燃料与空气的混合；紊流，以促进燃料与空气的混合；2021/3/951 在宏观上要求有控制的平均气流流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

48、流、涡流和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。展有着很大的影响。 2021/3/952 a. 挤流挤流 增大挤流强度可以明显提高燃烧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和转速的影响也较小，曾一度是形成紊流的主要途径。主要途径。2021/3/953

49、 b. 涡流涡流 其特点是在压缩过程中持续时间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混合，必须靠活塞顶部燃烧室束口或活塞顶上的特殊形状，在上止点附近利用挤流与涡上的特殊形状，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，不利于大油滴甩向气缸壁，形成湿壁效应，

50、不利于燃烧。涡流经常是被用在由喷油引导的燃烧燃烧。涡流经常是被用在由喷油引导的燃烧系统中。系统中。2021/3/954 c. 滚流滚流 其特点是存在着较大的速度梯度，便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。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燃烧

51、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循环变动。因而采用滚流为主速过高而引起较大的循环变动。因而采用滚流为主的的GDI发动机要比采用涡流为主的发动机要比采用涡流为主的GDI发动机循环发动机循环变动大。变动大。2021/3/955 上述流场结构各有其优缺点，在实际的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

52、，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提出斜涡流，即涡流和滚流的综合结构。结构。 2021/3/956挤流挤流涡流涡流滚流滚流2021/3/9572021/3/958 6 GDI的排放特性的排放特性 GDI 面临的主要排放问题是面临的主要排放问题是UBHC和和NOX。 6.1 中小负荷下未燃碳氢化合物中小负荷下未燃碳氢化合物(UBHC)的排放的排放 由于由于GDI油气的混合主要是依靠油气的混合主要是依靠喷雾喷雾和缸内的空气运动和缸内的空气运动，与冷起动时的低温关，与冷起动时的低温关系不大，所以冷起动时无需过量供油，有系不大，所以冷起动时无需过量供油，有

53、效地解决了效地解决了PFI 冷起动时冷起动时UBHC排放过多排放过多的问题。但是的问题。但是GDI在中小负荷的情况下，在中小负荷的情况下，其未燃碳氢化合物的排放仍然较多。其未燃碳氢化合物的排放仍然较多。2021/3/959 主要原因是：主要原因是： GDI 在此工况采用的是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充分混合，在燃烧室内产生局部混合气过浓。浓。大量的浓混合气集中在火花塞附近，大量的浓混合气集中在火花塞附近，使得火焰在向周

54、围稀混合气传播时，因混合使得火焰在向周围稀混合气传播时，因混合气过稀而熄灭。气过稀而熄灭。稀薄燃烧造成气缸内温度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偏低，不利于未燃碳氢化合物随后的继续氧化。化。2021/3/960 由于由于GDI 发动机压缩比较高，使得残发动机压缩比较高，使得残留在狭缝容积中的留在狭缝容积中的HC 增加。增加。使用高使用高EGR 率导致燃烧变差。率导致燃烧变差。目前目前GDI 产品的燃烧系产品的燃烧系统主要采用统主要采用“壁面引导法壁面引导法”，该系统喷雾容，该系统喷雾容易易与活塞顶和缸壁发生碰撞，而缸壁的温度又与活塞顶和缸壁发生碰撞，而缸壁的温度又较

55、低，从而导致燃油在着火前来不及完全蒸较低，从而导致燃油在着火前来不及完全蒸发，引起较多的发，引起较多的UBHC 排放。排放。 2021/3/961 三菱公司采取二次燃烧早期激活催化剂及采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用反应式排气管等措施来减少HC 排放。两次燃烧排放。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

56、这一燃烧过程可以移气温度提高。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通过反应式排气管可大幅度降低HC、NOx的排放，的排放，降幅达到日本现行法规的降幅达到日本现行法规的80%3。图。图9为催化器的为催化器的催化温度比较。催化温度比较。 2021/3/962图图9 催化温度比较催化温度比较 2021/3/963 6.2 NOX的排放和后处理的排放和后处理 虽然虽然GDI采用了稀薄燃烧技术而使气缸内反应

57、区采用了稀薄燃烧技术而使气缸内反应区的温度下降的温度下降(从从NOX的生成原理上来说可减少的生成原理上来说可减少NOX的的生成量生成量)，但由于，但由于GDI 的混合气由浓到稀呈分层状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态，不可避免地会出现空燃比为1附近的偏浓区域，附近的偏浓区域，使这些区域的使这些区域的NOX 排放增加，而较高的压缩比和较排放增加，而较高的压缩比和较快的反应放热率也是引起快的反应放热率也是引起NOX排放升高的一个原因。排放升高的一个原因。此外，由于此外，由于GDI 本质上仍是稀薄燃烧的一种实现方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式，所以它仍

58、受到稀薄燃烧NOX 催化转化问题的困催化转化问题的困扰。扰。2021/3/964 一般来说，一般来说，GDI 大部分工况都处于部分大部分工况都处于部分负荷，它的负荷，它的NOX 排放量约占总排量的一半，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低，致使传统的三元催化器的转化效率不高并且起燃困难，限制了它在并且起燃困难，限制了它在GDI 发动机上的发动机上的应用。所以，如何解决稀燃条件下应用。所以，如何解决稀燃条件下NOX 排放排

59、放的后处理也是的后处理也是GDI 的一大难题。的一大难题。 2021/3/965 目前，目前，GDI 对对NOX 排放的控制主要依靠排放的控制主要依靠EGR 和稀燃和稀燃NOX 催化转化器，其中后者的催化转化器，其中后者的发展有着深远的影响。发展有着深远的影响。 部分负荷不使用部分负荷不使用EGR 时，时，GDI 的的NOX 的排放水平与的排放水平与PFI 相差不多。但由于相差不多。但由于GDI可实可实现超稀薄分层燃烧，较稀的空燃比使得缸内现超稀薄分层燃烧，较稀的空燃比使得缸内的富裕氧气较多，从而允许使用高的的富裕氧气较多，从而允许使用高的EGR 率，充分降低率，充分降低NOX 排放量，并且燃

60、烧特性不排放量，并且燃烧特性不会因为会因为EGR 而恶化。而恶化。2021/3/966 据试验表明，在燃油经济性改善保持不据试验表明，在燃油经济性改善保持不变的情况下，变的情况下，GDI 的的EGR可高达可高达40%4。虽。虽然如此，但然如此，但EGR 始终还是不能在整个发动机始终还是不能在整个发动机转速负荷范围内减少转速负荷范围内减少NOX 排放量，所以单靠排放量，所以单靠EGR 是不能满足更为严格的是不能满足更为严格的Euro 和和Euro排放法规的，进一步降低排放法规的，进一步降低NOX 排放就排放就必需开发在稀燃条件下的必需开发在稀燃条件下的NOX 催化转化技催化转化技术。术。 202