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1、1,21世纪轿车的理想动力装置GDI发动机,汽油直接喷射(Gasoline Direct Injection)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。,2,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。,3,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
2、性大大提高，其油耗可达到涡轮增压 直喷(TDI)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。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。,4,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
3、大 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 车几乎无法开，废气问题也无法解决，于是便停止 了GDI发动机的研制开发。,5,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 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
4、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。,6,今天，几乎所有汽油机都是间接喷射 的，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。,7,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 较深的油雾，
5、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况下工作。,8,GDI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GDI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 GDI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 汽车工业的发展。,9,日本 对于GDI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，1997年先后又开 发出2.4L四缸机、3.0L六缸机和3.5L
6、六缸机三 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GDI发动机：0.66L直列三 缸机、1.5L直列四缸机和4.5L的V8机。据三菱 汽车公司对1.8L的GDI发动机测试表明，该机 可节油20，降低排放20，提高发动机功率 和转矩10。,10,丰田汽车公司于1996年底研制出D-4型 2.0L的GDI发动机，已批量装车使用。1998 年，该公司加紧开发1.6L和1.8L的GDI发动 机， 1999年还推出一种新型的2.0L的GDI发 动机。丰田汽车公司D-4型GDI发动机可降低 油耗的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
7、 和本田1.0L的直列三缸机均上市。,11,美国 克莱斯勒汽车公司开发的四冲程GDI发 动机使燃油经济性提高20-30，可与小排 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，GDI发动机有进一步提 高热效率和功率的潜力。,12,德国 大众汽车公司开发的GDI发动机在1997 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1.2L的三缸GDI发动机。奔 驰汽车公司于1997年底投资近1亿马克，全 面起动GDI研究项目，在2001年或2002年推 出GDI发动机，并认为欧洲汽车装用的GDI发 动机应能满足欧洲法规对排放标准的最新要 求。 伴随着21世纪，GDI发动机将在汽车
8、动 力装置中层露锋芒。,13,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。目前GDI仍属于研究开发阶 段，只有少量产品投放市场。,14,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
9、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、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。,15,2 GDI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。,16,2.1 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
10、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3040 2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 内燃尽燃烧生成的黑烟。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。,17,图1 为丰田2.0L双顶置凸轮轴GDI发动机 的分层进气
11、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 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 气或浓混合气。,18,故此时发动机采用进气冲程喷油，实现均质 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 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
12、得到了 冷却，增大了空气密度，在提高体积效率(即增大 进气量)的同时还减少了爆震的倾向，使发动机的 压缩比可上升到121，提高了热效率，发动机以 接近理论空燃比14.7:1 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 消耗。,19,20,GDI发动机的活塞顶部形状,21,控制模式的切换通过喷油定时的变换来实现。 切换时要注意切换前后扭矩的一致，以防扭矩变化 带来振动。为此，三菱、丰田等公司在模式切换时 采用了二段喷射技术，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 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
13、道采用二段 喷射技术的GDI发动机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 抑制了爆震的发生，增加了功率的输出。,22,2.2 扭矩控制策略 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，GDI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 的高低来切换对扭矩的调节方式。,23,从理论上讲GDI可以不使用节气门，但实 际上它还是配备了电子控制的节流系统，即电 动节气门。这其中最主要的原因是GDI在大负 荷工况下工作时需要均匀混合气；其次是在应 用EGR 降低NOx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 制动时也需要真
14、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 效率。,24,因此，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 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 制。这时发动机采用的调节方式是与柴油机相同的“变 质调节”，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 板位移量较大时，其空燃比被稳定在14.7左右1，通 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 的是“变量调节”方式。此时点火提前
15、角对扭矩有很大 影响。表1为 GDI按工况区分控制模式，图2 为不同燃 烧模式的控制范围。,25,图2 不同燃烧模式的控制范围,26,27,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25%3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 比目前正在广泛使用的进气道喷射的汽油机增加了 近10%3，保证了人们对车辆动力性的要求。,表1 GDI按工况区分控制模式,28,2.3 喷油定时控制策略 GDI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 式对油束的要求也不相同。如图3 ，发动机 处于低工况时，采用的是变质调节和分层充 量，这就要
16、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 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(但必须 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) 。,29,因为： a. 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 相应地增大。喷油压力越大，SMD( 油滴的 索特平均直径，表示燃油的雾化程度)越小， 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；,30,b. 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 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 持适中；,31,c. 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 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 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
