高等内燃机原理-GDI发动机-7.pdf

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1、第七章GDI发动机汽油直接喷射(GasolineDirectInjection)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。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。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，燃油经济性大大提高，其油耗

2、可达到涡轮增压直喷(TDI)柴油机的水平。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。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，对于汽油直接喷射都采取排斥的态度。因为根据试验，他们

3、认为这种发动机运转性能差，废气问题也无法解决，于是便停止了GDI发动机的研发。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。今天，大部分汽油机采用气道喷射，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

4、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。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，形成较浓的油雾，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

5、况下工作。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。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发动机的研究得到了快速的发展，国外一些著名的汽车公司如丰田、三菱

6、、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。2GDI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。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

7、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30～40的超稀薄混合气下进行。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。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

8、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