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1、直喷发动机及其节能技术 吉林大学汽车工程学院 洪 伟 2016.05,GDI 1概念 GDI 发动机-缸内直喷汽油机 Gasoline Direct Injection Engine,PFI系统 GDI系统,一、GDI汽油机现状,GDI 2优缺点,GDI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 可以提高压缩比 循环供油量控制更精确 可实现多种喷油模式 消除了燃油供给的滞后效应，即使在低温下也具有良好的瞬态响应性 部分负荷采用分层稀燃，减少节气门的节流损失,一、GDI汽油机现状,GDI 2优缺点,一、GDI汽油机现状,GDI 3全貌,一、GDI汽油机现状,GDI 4 燃料系统,
2、一、GDI汽油机现状,GDI 5 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 大负荷及全负荷时，在早期进气行程中将燃油喷入气缸 多阶段喷射模式：例如在进气早期开始喷油（1/4），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。,一、GDI汽油机现状,GDI 6 燃烧模式与控制策略,理论均质混合气燃烧模式 分层稀燃模式 双模式 中小负荷时，分层稀燃1 大负荷或全负荷时，均质燃烧=1,一、GDI汽油机现状,=1，其控制策略与PFI发动机基本一样 1，分层稀燃的控制策略比较复杂,一、GDI汽油机现状,GDI 6 燃烧
3、模式与控制策略,=1，其控制策略与PFI发动机基本一样 1，分层稀燃的控制策略比较复杂,一、GDI汽油机现状,GDI 6 燃烧模式与控制策略,GDI 7 点火 开环控制正时调节 通过大量匹配试验测取各工况下 的点火正时最佳调整值MAP， ECU根据主控量负荷和转速，经 计算和必要修正点火。 闭环控制正时调节 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，一般采用和开环控制相结合的办，使发动机得到综合性能最佳的控制。,一、GDI汽油机现状,GDI 7 点火 改进的高能量点火系统 火花塞利用耐用
4、可靠的白金、 铱金电极 两段直径中心电极 突出的金属壳、铜芯嵌入电极 火花塞布置在燃烧室中央， 中心电极突出较多，位于混 合气形成中心 为提高放电电流和放电时间， 各缸都采用单独的点火线圈,一、GDI汽油机现状,GDI 8 多气门进气系统 发动机的充量系数与进气孔口的马赫数（Ma ）有密切关系，当Ma超过0.5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，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 增加进排气门数 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，有单顶置凸轮轴（single overhead camshaft SO
5、HC ）和双顶置凸轮轴（double , DOHC ）结构。,一、GDI汽油机现状,GDI 8 多气门进气系统,一、GDI汽油机现状,GDI 9 可变气门系统 发动机要在宽广的工况范围内运转 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 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 高速高负荷 采用最大的气门升程和合理的进气门正时，最大程度地减小流动阻力 充分利用进气门迟闭过后充气，提高充量系数 利用VVA替代节气门,一、GDI汽油机现状,GDI 9 可变气门系统 机械式：目前商品化的系统还是机械式，基本上可以实现可变气门正时、可变气
6、门升程和可变气门持续角等功能。 可变凸轮机构（variable camshaft system , VCS ） 可变气门正时（variable valve timing , VVT ） 可变的配气执行机构( variable valve actuation，VVA)上述的组合 电子控制无凸轮机构：机构复杂而且价格昂贵，如GM 和FEV 公司推出的无凸轮的电磁气门驱动机构以及Ford 公司的液压气门驱动机构等。,一、GDI汽油机现状,GDI 9 可变气门系统,一、GDI汽油机现状,GDI 9 可变气门系统 保时捷Variocam,一、GDI汽油机现状,GDI 9 可变气门系统 本田VETC,一、
7、GDI汽油机现状,GDI 9 可变气门系统 宝马Valvetronic,一、GDI汽油机现状,GDI 9 可变气门系统,菲亚特的multiair,一、GDI汽油机现状,GDI 10 可变进气压力 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管径 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 涡轮增压（turbocharger) 增压中冷 放气阀 VNT 和VGT 机械增压(supercharger),一、GDI汽油机现状,GDI 10 可变进气压力 VICS可变进气歧管,一、GDI汽油机
8、现状,GDI 10 可变进气压力,一、GDI汽油机现状,GDI 10 可变进气压力,一、GDI汽油机现状,GDI 11 可变进气流动 VTCS可变涡流控制系统,一、GDI汽油机现状,GDI 12 紧凑型燃烧室,一、GDI汽油机现状,二、 GDI汽油机性能提高 -VCR,图1.2002年雷诺公司对于 发动机新技术对于燃油经济性影响潜力的评估,图2.瑞典Lund技术学院对于可变压缩比对热效率的影响的研究,二、 GDI汽油机性能提高 -VCR,二、 GDI汽油机性能提高 -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
9、升降控制齿轮；7蜗轮；8蜗杆；9活塞连杆组,二、 GDI汽油机性能提高 -VCR,画出)。,基于偏心连杆轴颈的可变压缩比机构,二、 GDI汽油机性能提高 -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汽油机性能提高 -VCR,画出)。,应用MILLER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汽油机性能提高 -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）,
10、二、 GDI汽油机性能提高 -VVA,画出)。,不同气门负荷控制策略,二、 GDI汽油机性能提高 -VVA,画出)。,凸轮驱动式液压可变气门机构图,二、 GDI汽油机性能提高 -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汽油机性能提高 -VVA,画出)。,无节气门负荷控制全工况泵气损失降低map 332 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汽油机性能提高 -VDT,画出)
11、。,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汽油机性能提高 -VDT,画出)。,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汽油机性能提高 -VDT,画出)。,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汽油机性能提高 -VDT,画出)。,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汽油机性能提高 -DSS,画出)。,直接起停技术(Direct Start Stop),二、 GDI汽油机性能提高 -DSS,画出)。,反转直接起动模式
12、工作时序图（发火顺序1342对应一二三四）,正转直接起动模式工作时序图（发火顺序1342对应一二三四）,二、 GDI汽油机性能提高 -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 （活塞初始位置、水温、喷油压力，两缸、喷油正时、点火时刻）,二、 GDI汽油机性能提高 -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汽油机性能提高 -EGR,画出)。,部分负荷EGR改善效果（美国西南研究院Terry Alge
13、r）,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汽油机性能提高 -EGR,画出)。,（1500s，1500r/min） （2000s，1500r/min） （1500s，2500r/min） （2000s，2500r/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汽油机性能提高 -EGR,画出)。,（1500s，1500r/min） （2000
14、s，1500r/min）（1500s，2500r/min）（2000s，2500r/min） 均质EGR各工况排温与排放,（,二、 GDI汽油机性能提高 -EGR,画出)。,喷油脉宽1500s冷热EGR扭矩对比 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汽油机性能提高 -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、
15、GDI汽油机性能提高 -EGR,画出)。,利用排气回流实现EGR分层策略的设想图,二、 GDI汽油机性能提高 -EGR,画出)。,排气门不同二次开启时刻进排气门升程曲线,关闭时刻180CA ATDC 关闭时刻160CA ATDC,关闭时刻140CA ATDC 关闭时刻120CA ATDC 排气门不同二次开启持续期进排气门升程曲线,线。,不同排气门二次开启升程进排气门升程曲线,二、 GDI汽油机性能提高 -EGR,画出)。,70-180CA ATDC 90-180CA ATDC,110-180CA ATDC 130-180CA ATDC 排气门不同二次开启升程在压缩上止点前20CA BTDC时不同分区的EGR分层比,二、 GDI汽油机性能提高 -EGR,画出)。,0 2 4
