国外gdi发动机技术特点及发展趋势

1、-. z国外发动机技术特点及开展趋势汽油缸内直接喷射式()发动机，是上世纪90年代末国外内燃机研究与开发中最引人注目的发动机。专家们认为，发动机的出现使汽车发动机技术进入了一个崭新的时代。它将在21世纪取代传统的汽油机和柴油机而成为轿车最理想的动力装置。1总体开展动向传统的汽油发动机，是将燃油喷射到进气管中，与空气混合后再进入气缸内燃烧。而发动机的工作特点是，将燃油直接喷入气缸，利用缸内气流和活塞外表的燃料雾化效果到达燃烧的目的。据有关资料介绍，发动机在工作的均匀性及全负荷下的性能方面都有极佳的表现，而且使汽油机的冷车工作不稳定性问题也有了显著的改善。此外，发动机还有实现分层燃烧的特点，可使燃

2、油经济性大大提高。 发动机与一般汽油发动机的主要区别在于汽油喷射的位置，目前一般汽油发动机上所用的汽油电控喷射系统，是将汽油喷入进气歧管或进气管道上，与空气混合成混合气后再通过进气门进入气缸燃烧室内被点燃作功；而缸内喷注式汽油发动机顾名思义是在气缸内喷注汽油，它将喷油嘴安装在燃烧室内，将汽油直接喷注在气缸燃烧室内，空气则通过进气门进入燃烧室与汽油混合成混合气被点燃作功，这种形式与直喷式柴油机相似，因此有人认为，汽油发动机是将柴油机的形式移植到汽油机上的一种创举。缸内喷注的关键在于产生与传统发动机不同的缸内气流运动状态，通过技术手段使喷射入气缸的汽油与空气形成一种多层次的旋转涡流。因此GDI采用

3、了立式吸气口、弯曲顶面活塞、高压旋转喷射器等三种技术手段。目前，各国的汽车公司都在大力开发和采用这种技术先进、性能优异的产品。日本三菱汽车公司一直处于领先地位。自1996年月率先向市场投放第一台发动机以来，三菱公司先后又开发出了多种不同类型的发动机，即2.4L四缸机、3.0L六缸机和3.5L六缸机，它们已分别装用于四种中、大型轿车投放市场。近年来，该公司又推出多种新机型:4.5L的V8机、1.5L的直列四缸机和0.66L的直列三缸机。三菱公司称，其1.8L的发动机不仅可节省燃油20，降低排放20，而且还可把发动机的功率和扭矩提高10。继三菱之后，丰田公司研制出一种型2.0L的发动机，并已批量装

4、车使用。随后，丰田公司又开发出1.6L、1.8L和2.0L的发动机。据该公司说，其型发动机可降低油耗30左右，提高功率约10。 除上述两家公司外，日本其它厂家也有多种发动机上市，如日产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的直列三缸机。与日本一样，美国和欧洲的汽车厂家也都在积极研究技术和开发产品。据报道，美国福特汽车公司正与威斯康星麦迪逊大学联手研制发动机。经过深入研究发现，发动机有进一步提高热效率和功率的潜力。克莱斯勒汽车公司开发的四冲程汽油机在采用了其两冲程汽油机科研成果后，使燃油经济性提高了20-30。该公司称，目前所获得的

5、这种燃油经济性(5.2L/100km)，简直可以与小排量的直喷式柴油机相媲美。德国*汽车公司于上世纪末投资近亿马克，开场全面启动研究工程。该公司认为，欧洲汽车装用的发动机应能满足欧洲法规对排放标准的最新要求。群众公司开发的发动机，在法兰克福国际汽车博览会上首次亮相后便得到一致好评。奥迪公司也于上世纪末推出了其1.2L三缸发动机(每缸气门)。据介绍，该机的油耗较同等功率(56kW)的传统发动机低15-20。另据报道，鲍许公司为发动机开发出一种共轨喷油系统，其优良的设计可使燃油经济性改善20-50。2 产品技术特点21三菱GDI 发动机三菱公司的4G15型GDI发动机，是在原有GDI 发动机的根底

6、上改良的，增加了喷射、燃烧混合控制技术，使发动机的动力性和经济性得到进一步提高。该机的构造及工作原理具有如下设计特点：一是直立进气道进气阻力小，且可与活塞配合形成缸内垂直方向的空气涡流；二是曲面凸顶活塞在进气和压缩行程中与进气道配合形成垂直方向的空气涡流，并对涡流的强度进展控制。采用高压涡流喷油器由于燃油是在计算机的控制下在任意时刻由喷油器直接向缸内喷射，因此可对混合气的形成和燃烧过程进展控制。另外，由于喷油器的喷射方向与缸内垂直方向空气涡流的流动方向一致，也可对空气涡流的强度进展控制。高压喷油泵的特点将喷射压力控制在5Mpa50kg/cm2左右。对于普通缸内直接喷射发动机来说，如果喷射压力低

7、于10Mpa100kg/cm2，将会产生混合气雾化不良的现象，而GDI发动机的喷射压力只需5Mpa就可使混合气充分雾化。由于喷射压力较低，减少了喷油噪声。GDI发动机混合气形成的特点是中、低负荷时在缸内形成分层超稀混合气最大空燃比A/F=40，在高负荷时形成均质混合气A/F=1324，这一特点是通过对燃油喷射时刻及喷射量的控制来实现的。在发动机中、低负荷时，进气行程中由于垂直进气道和曲面凸顶活塞的相互配合在缸内形成垂直方向空气涡流，涡流强度在压缩行程中得到进一步增强。在压缩行程后期喷油器喷射燃油，在压缩压力的作用下喷束向活塞顶部曲面内移动，不易扩散。值得一提的是，该GDI发动机的火花塞与喷油器

8、喷嘴之间的距离较远，有利于利用燃烧室内的空间形成垂直方向分层混合气。燃油被喷到活塞顶部的曲面后蒸发、气化。随着气化燃料的扩散，被垂直方向空气涡流挟持，流向火花塞电极，形成分层混合气，直至着火燃烧。由于燃料的气化是在缸内进展的，它吸收热量，因而降低了缸内温度，提高了发动机抗爆性。发动机高负荷时，燃油是在进气行程中喷射的。此时，由于喷束的移动速度小于活塞的下行速度，且喷束周围的气压较低，使燃油迅速扩散，在缸内形成均质混合气。混合气的空燃比燃油喷射量是由随车计算机根据汽车的行驶状况自动控制的。由此可见，GDI发动机的燃烧模式有超稀气燃烧和一般燃烧两种，其特点见表1。表1 两种燃烧模式的特点燃烧模式超

9、稀气燃烧一般燃烧运行模式低油耗行驶大功率行驶混合气状态分层混合均质混合喷射定时压缩行程后期进气行程喷射压力，Mpa55喷束周围气压5个大气压1个大气压空燃比3040501324喷束形状凹维形圆锥形负荷局部负荷高负荷在低油耗范围内，空燃比为3040装有EGR装置的发动机为3555。新型GDI发动机是在上述技术根底上增加了新的排气净化技术。这一技术是通过对燃油喷射的混合控制来实现的。其内容主要有二次混合和二次燃烧等。二次混合目的是减少积碳的生成，提高发动机的机械抗爆性，进一步增大压缩比，提高发动机的机械效率。在GDI发动机的超稀气燃烧状态时，易因高温缺火引起积碳。这是因为在火花塞点火时刻，缸内的分

10、层混合气只占据缸内的一小局部空间，其他空间只有极微量的燃油存在。而且燃料的气化蒸发使缸内温度偏低。点火后火焰在传播过程中逐渐减弱，易熄火，使混合气不能充分燃烧产生积碳。二次混合技术是指在进气行程中先喷入所需燃料的1/4，形成极稀的均质混合气。在压缩行程后期再次喷射，喷入剩余燃料，形成分层混合气。这样，在火花塞点火之前，缸内混合气形式为超稀均质混合气和较浓的分层混合气。在火花塞点火时，首先在浓混合气处形成较强的火焰，迅速向稀混合气空间传播，由于火焰较强，可点燃稀混合气。而稀混合气的燃烧。这就减少了积碳的产生。采用二次混合技术的GDI发动机可将压缩比由原来的9.5提高到11，使发动机的输出功率提高

11、10%。二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，在作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。采用二次燃技术加反响式排气歧管后，催化活性时间只有20s，大大地减少了起动暖机过程中的HC排放。2.2 丰田GDI发动机丰田公司开发的2.0L双顶置凸轮轴4气门GDI发动机，运用了假设干新技术，如利用可调式涡流控制阀产生优化涡流， 采用带凹坑燃烧室的活塞和高压燃油喷射系统有助于在燃烧室内形成良好的混合气。此外还应用了电控EGR和NO*催化剂，降低了NO*的排放。该机主要具有如下一些技术特点：系统概况为了实现提高燃油经济性、动力性和降低排

12、放的目的，丰田公司开发的这种GDI发动机在不同燃烧条件下可有3种喷射形式：后期喷射局部负荷时在压缩过程中将燃油直接喷入气缸，以获得超稀的分层燃烧。此时，在点火前一定时间间隔期喷入燃油，所以燃油在着火前可充分扩散。早期喷射高负荷时在进气行程中应用直接喷射法使燃料形成均匀混合气并在整个气缸内扩散。二段喷射介于分层和均质进气之间，燃料分别在进气和压缩行程中喷入。这样获得准分层混合气，可以保持超稀燃工况下的稀燃或当量比混合气燃烧工况下扭矩的平衡过度。在3种混合气区之间需要节流控制阀不连续开启。实际上分层燃烧时需要将节流阀开得比均质燃烧时更大一些，因为前者形成超稀混合气空燃比大于30，采用电子节流阀用拉

13、索传动系统能够满足这一要求。此外，NO*催化剂所需浓混合气控制和制动系统的真空度控制也需要先进的节流阀控制系统。分层燃烧条件下原本较高的NO*排放，采用电控废气再循环EGR系统来降低机外NO*排放，同时运用三元催化器进展后处理。NO*催化器置于车辆地板下，使其在日本通常的驾驶条件下温度保持在250450，此时催化器具有最高的转换效率。发动机管理系统在大多数发动机管理系统中，确定输出信号喷油量和喷油定时是最最重要的环节。通常情况下，电子喷射系统可根据空气流量传感器或进气歧管压力传感器测得数值推导出每次循环的进气量，因为它是汽油机工况最重要的信息。但丰田GDI汽油机，在分层燃烧条件下几乎无节流。在

14、分层进气条件下，决定喷油量最重要的因素是加速踏板踩下的角度，并非进气歧管的压力，这类似于柴油机的原理。所有其他参数则取决于喷油量和发动机的转速。分层进气控制GDI发动机获得分层进气的最重要的任务，是在相对于火花塞的适当位置适时形成可燃混合气。丰田这种直接喷射汽油机的分层进控制方法，是由燃烧室的设计特点决定的。在活塞顶上有特殊形状的燃烧室凹坑。位于涡流运动上游较窄的区域是混合气形成的主要区域；较宽的区域是主要燃烧空间，可促进混合气快速扩散。设计成渐开线形凹坑的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是经过优化的，有利于混合气的形成，同时也可防止混合气扩散流出凹坑。燃油在压缩行程中以特

15、定的方向喷射，防止沾湿火花塞。燃油冲在凹坑壁上，在涡流力的作用下沿着凹坑外表流向火花塞，并依靠喷射压力穿透混合气。在此阶段，燃油受周围空气和活塞壁面的传热而蒸发。丰田公司在通过用稀燃技术对混合气和紊流控制进展深入研究后，开发出一种GDI发动机特有的、带涡流控制阀的螺旋进气道。这种气道包括垂直气道和螺旋气道，它们相互完全隔开。涡流控制阀装在垂直气道的上游，它由直流电机驱动，可根据发动机工况的变化而改变开启角度。当涡流控制阀完全关闭时，涡流比大约是2.1。早期喷射高负荷状态时，涡流控制阀完全关闭以获得强涡流，形成均匀的稀混合气。后期喷射局部负荷状态时，涡流控制阀局部开启，通过控制涡流强度和喷束方向

16、来促使优化混合气的形成。由于燃油必须在压缩行程很短的时间内穿透周围的高压气体，所以较高的喷油压力是十分必要的。此外，高压喷射也可改善燃油的雾化效果。新开发的高压涡流式喷油器满足了这一要求，其喷射压力到达12Mpa，喷射方向偏离火花塞，使燃料有足够的时间蒸发。发动机转速在1600-2400r/min时，随着喷射压力的增大，燃油消耗得到了改善。但在转速800-1200r/min时，喷射压力为8Mpa时燃烧效率最高。而GDI汽油机喷射的燃油会冲击到活塞顶燃烧室的平滑壁面上，此时活塞正在快速向上止点移动。在高速时，由于较高的喷射压力产生较短的喷油期，火花塞周围可形成良好的分层混合气，防止了在燃烧室内不

17、必要的扩散。相反，低速时较低喷射压力使喷束到达活塞的时间较长，因而促进了受周围空气传来热量的蒸发。EGR和催化剂如同在传统汽油机上一样，稀燃、EGR对降低GDI发动机的NO*排放也是有效的。EGR对降低NO*排放、油耗和扭矩波动的效果是这样的：当EGR率增至35%时，同时降低了NO*的排放和油耗。此时，NO*排放比没有EGR的分层进气运转降低了88%，油耗比均质当量比混合气运转时降低了35.1%，扭矩波动处在允许范围内。即使采用高EGR率，NO*的降低仍缺乏以符合日本10-15工况循环的NO*排放要求。在高负荷区也采用无EGR的均质稀混合气运转，因此采用降低NO*的催化剂。丰田公司曾生产过一种

18、催化剂，用于其稀燃发动机上。它具有储存NO*的功能。实际上，它在发动机稀燃工作时储存NO*，而在当量比或浓混合气工作时，则将NO*转化为N2和H2。采用这种催化剂，即使在通常稀燃巡驶工况下，也很少需要进展当量比或浓混合气控制。因此，必须消除浓混合气和稀燃条件下的扭矩差异。在均质稀混合气控制时在进气行程中喷射燃油，通过同步控制加浓喷油和推迟点火定时来获得稳定的输出扭矩。另一方面，在分层进气时，不仅要控制喷油量和点火定时，而且还要通过改变喷油定时从压缩转向进气阶段、加大节流阀开启角度和调整其他执行器涡流控制阀和EGR阀来稳定扭矩。最显著的变化是空燃比从35变到11和喷油定时。喷油量、点火定时和节流

19、阀角度都是逐步变化的，这样可以防止扭矩差异过大。喷射方式也不断在压缩行程到进气压缩行程与进气行程之间进展转换。节流阀控制系统从理论上讲，在局部负荷区分层混合气可以不用节流阀，但由于以下几种原因发动机必需使用节流阀。首先，用EGR降低NO*排放需要有节流阀控制的进气歧管的真空度；其次，制动系统制动时也需要真空度；再次，低负荷时假设没有节流阀，排气温度会非常低，会降低催化剂的转换效率；最后，最重要的原因是，分层进气直喷式汽油机要在冷起动和高负荷工况下工作，需要均匀的充量。在这种情况下，传统的机械连接式节流阀系统，很难满足开度范围很大的要求。因此，在GDI发动机上采用电子控制节流阀是必要的，这种节流

20、阀由直流电机驱动，机械上与加速踏板没有任何关系。研究说明，GDI发动机在1600r/min转时预热前后的节流阀开度特征是：在前阶段，发动机完全是均质进气燃烧，运转状况与传统发动机类似；在后阶段预热后，发动机由分层燃烧向均质燃烧变化。 排放与燃油经济性日本10-15工况循环的废气排放和燃油经济性指标，是从带四档变速器、自重1250kg的汽车上测得的见表2。与装用传统2L发动机的汽车相比，燃油经济性提高了35%，其中22%是分层稀燃的效果，其余则是通过改良自动变速器的控制局部获得的。按日本10-15工况循环测得原始的NO*排放无EGR和催化剂高达1.85g/km。装用EGR后，NO*排放降低了67

21、%，到达0.60g/km，而使用稳定化NO*催化剂后则降低到0.10g/km。使用吸藏复原型NO*催化剂、间歇性供应浓混合气控制则损失2%的燃油效率，考虑到降低NO*的性能，这是可以承受的。利用传统三元催化剂的氧化作用也能成功地降低HC和CO的排放。表2 日本10-15工况循环的废气排放和燃油经济性指标燃油经济性km/LHCg/kmCOg/kmNO*g/km试验工况EGR催化剂传统型13.0直接喷射式GDI17.50.100.050.10直接喷射式有EGR，无催化剂17.82.753.560.60直喷式原始NO*排放1781.85排放标准0.252.100.252.3群众GDI发动机群众汽车公

22、司大其小型路波牌轿车上安装了一种叫做FSI的GDI发动机，比装用传统汽油机的轿车节油15%。标准车身的路波轿车装用该机后的油耗为5.6L/100km，轻重量车身的路波3L轿车装用该机后的油耗为3L/100km。在这一机型正式投产之前，进展了18个月的预开发和30个月的开发工作。该机的设计采用了110种专利，总计试制了250台样机，有450台汽油机进展装车试验或试验室试验，在汽车上的评价试验进展了1200km。这种FSI汽油机是一种4缸机型，属于群众公司用于路波、马球和高尔夫等轿车的EA111汽油机系列中的产品。该机每缸4个气门，压缩比为12:1，额定功率为77kw6200r/min，最大扭矩为

23、130Nm4500r/min。该机采用铝质气缸体，带有等离子体镀复钢和钼的粉末冶金气缸套。这种构造具有减小摩擦损失和减轻质量的双重效果。强制曲轴箱通风系统与机油别离器制成一体。该机利用热膜质量空气流量传感器分析进气的容积。高压油泵直接由进气凸轮轴驱动，喷油压力为10Mpa。高压油泵借助一条共轨将燃油供应高压喷油嘴。电磁喷油嘴的动作可以准确控制喷油正时。在气缸盖和进气歧管之间有一个接头，在这个接头中包含着供油的共轨、喷油的部件和进气道几何形状调节装置。为了控制进入气缸的气流模式，在进气道几何形状调节装置中有可调节的涡流板。进气凸轮轴的位置最大可调节20%，可以提高汽油机在低速和中速时的功率。与在

24、进气歧管喷油的传统汽油机相比，FSI汽油机的喷油嘴位于气缸进气道的下面。喷油定时由汽油机控制装置进展控制，以保证低油耗和低排放。在局部负荷时，采用很稀的混合气，这时浓混合气集中在位于燃烧室中央的火花塞周围，而在燃烧室的周边主要是空气。由于这种分层充气方式采用了较高的空燃比，因而降低了汽油机的油耗。此外，分层充气方式使燃烧发生在燃烧室的中心区域，燃烧被周边的空气所隔绝，因而大大降低了热损失，这也是使油耗降低的原因之一。分层充气方式依赖于喷油、气缸内气体流动模式和燃烧室形状三者的最正确配合。进气道调节装置控制着燃烧室中气体的流动模式，涡流板将进气道截面分成上下两局部。在局部负荷时，空气从进气道截面

25、的上半部进入燃烧室，可以造成进气的旋流，燃油在活塞上行冲程的后期喷入燃烧室。所控制的气流模式和活塞顶部的特殊几何形状结合起来，可在火花塞附近形成一个球形的燃油雾团。汽油机控制系统与电子控制共轨喷油系统一起保证喷油正时和喷油压力等参数的最正确配合。在高负荷时，汽油机以传统的充气模式进展工作，空气通过进气道的整个截面进入燃烧室，混合气呈均匀状态。为了降低排放，除了保证有效的燃烧之外，该机还装置了排气后处理装置，包括废气再循环装置和废气催化转换器等装置。为了在有过量空气的工作状况下转换污染物质，该机采用了储存式催化转换器。在稀薄混合气工况下，氮氧化合物被暂时储存在催化转换器中，而在传统的均匀混合气方

26、式工作时，再将储存的氮氧化合物复原为氮。该机同时采用标准三元催化转换器，可在分层充气和均匀混合气两种工作模式下转换HC和CO。此外，还有一个起动催化转换器，以保证在汽油机起动后立即对排放进展后处理。FSI汽油机的No*传感器可以监测储存催化转换器储存的水平，并将这个信息提供应控制器。当汽油机从分层充气转变为均匀混合气时，控制器发信号给催化转换器，进展No*的复原处理。2.4标致雪铁龙高压GDI发动机标致雪铁龙汽车集团宣称，其Hpi高压直喷式汽油机是欧洲开发的第一台采用稀薄燃烧、分层充气技术的汽油机。这种2.0L发动机是该公司花费6200万美元、用了近3年时间开发出来的，用于标致406和雪铁龙桑蒂亚轿车。这一高压GDI发动机的主要技术特点是，当汽油机转速低于3500r/min时，即汽车在城市中或在公路上中速行驶时，该机以稀薄混合气分层充气的方式进展运转；在高转速时，汽油机以理想混合气进展运转。分层充气技术是在火花塞周围集中了可点燃的空气-燃料混合气，而在燃烧室其它地方根本都是空气。进气必须与汽油机转速密切配合，并且要求将燃料准确地直接喷入燃烧室。该集团还与西门子公司合作开发出一种