GDI发动机

21世纪轿车的理想动力装置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。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。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，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。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，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。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。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％。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的直列四缸机和本田1.0L的直列三缸机均上市。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。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发动机将在汽车动力装置中层露锋芒。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。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、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[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。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。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12[1]，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。GDI发动机的活塞顶部形状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。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。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。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。图2不同燃烧模式的控制范围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1GDI按工况区分控制模式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)。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；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；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火花塞，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，从而实现混合气的分层和超稀薄燃烧。图3两种工况下对喷油正时和油束特性的要求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气缸壁面，否则会导致HC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，以便扩大油束在气缸内的分布范围，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，容易造成燃烧不全现象，形成HC污染）3GDI的燃油喷射系统现代GDI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器。高