GDI發(fā)動(dòng)機(jī)PPT課件

1、1,21世紀(jì)轎車(chē)的理想動(dòng)力裝置GDI發(fā)動(dòng)機(jī),汽油直接噴射(Gasoline Direct Injection)發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)，是近年來(lái)國(guó)外內(nèi)燃機(jī)研究與開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。專(zhuān)家認(rèn)為，汽油機(jī)直噴技術(shù)的出現(xiàn)，使汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，它在21世紀(jì)有取代傳統(tǒng)的汽油機(jī)和柴油機(jī)的趨勢(shì)，成為轎車(chē)最理想的動(dòng)力裝置,2,傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是將汽油噴射到進(jìn)氣管 中，與空氣混合后再進(jìn)入氣缸內(nèi)燃燒，而 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)是將汽油直接噴入氣缸，利用缸 內(nèi)氣流和活塞表面的燃料霧化與空氣形成混 合氣進(jìn)行燃燒,3,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)具有很好的工作穩(wěn)定性和負(fù)荷性能， 同時(shí)低溫起動(dòng)性能得到了明顯改善，能實(shí)現(xiàn)分層燃 燒，燃油經(jīng)濟(jì)性大

2、大提高，其油耗可達(dá)到渦輪增壓 直噴(TDI)柴油機(jī)的水平，且省略了渦輪增壓裝置， 省卻了復(fù)雜的高壓噴射系統(tǒng)。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)能用稀燃技 術(shù)，空燃比可高達(dá)40：1，甚至最高可達(dá)100：1，使 得功率和轉(zhuǎn)矩均高于傳統(tǒng)汽油機(jī)，油耗、噪聲及二 氧化碳的排放量都較低，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)工作的均勻性、 瞬時(shí)反映性、起動(dòng)性等均比傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)有較大 的改進(jìn)。因此各國(guó)汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)都在大力開(kāi)發(fā)這種 技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)異的GDI發(fā)動(dòng)機(jī),4,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的研究始于德國(guó)，早在50年代，德 國(guó)就有直噴二沖程汽油機(jī)裝車(chē)應(yīng)市，甚至還裝到聲 名顯赫的SL級(jí)奔馳轎車(chē)上，但是很快就銷(xiāo)聲匿跡。 后來(lái)德國(guó)的設(shè)計(jì)師們，無(wú)論是奔馳、寶馬，還是大 眾

3、，對(duì)于汽油直接噴射都采取皺眉揮斥的態(tài)度。因 為根據(jù)試驗(yàn)，他們認(rèn)為這種發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能差，汽 車(chē)幾乎無(wú)法開(kāi)，廢氣問(wèn)題也無(wú)法解決，于是便停止 了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的研制開(kāi)發(fā),5,日本三菱汽車(chē)公司于1996年研制成功GDI發(fā)動(dòng) 機(jī)，并將其裝在Galant牌汽車(chē)上，于同年8月投放 日本汽車(chē)市場(chǎng)。1997年裝備同樣發(fā)動(dòng)機(jī)的中級(jí)轎車(chē) Garisma進(jìn)入西歐市場(chǎng)，該發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.8L，功 率為88kW，100km油耗為5L左右，發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)格較 原先略有上漲。三菱汽車(chē)公司計(jì)劃在最近幾年內(nèi)將 其生產(chǎn)的汽油機(jī)全部改成汽油直接噴射，豐田汽車(chē) 公司也準(zhǔn)備步其后塵，三菱公司的成功表明，汽油 直接噴射是可行的。廢氣中的氮氧化物含

4、量高的問(wèn) 題，可利用廢氣再循環(huán)及加裝第二只催化裂化轉(zhuǎn)換 器來(lái)解決,6,今天，幾乎所有汽油機(jī)都是間接噴射 的，與其相比，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)論在油耗上，還 是在排放凈化上，都取得了巨大的進(jìn)步，并 且在稀燃方面，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)允許混合氣變得稀 薄，特別是在部分負(fù)荷內(nèi)。理論計(jì)算出的標(biāo) 準(zhǔn)空燃比應(yīng)是15：1，在稀燃技術(shù)方面豐田和 三菱都取得了初步的成果，空燃比已達(dá)到 20：1,7,但是，若采用汽油直接噴射，混合氣可進(jìn) 一步稀化。通常進(jìn)氣道或多或少呈水平布置， 而三菱的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)則通過(guò)垂直布置的進(jìn)氣道 和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的鼻形活塞，成功地在燃燒室中建 立起分層充量。在火花塞附近的區(qū)域內(nèi)，形成 較深的油霧，即能著火的混

5、合氣，在其它區(qū)域 內(nèi)一點(diǎn)混合氣也沒(méi)有。因此，即使是空燃比 40：1的混合氣，發(fā)動(dòng)機(jī)也能可靠著火。油門(mén) 最大時(shí)，混合氣接近標(biāo)準(zhǔn)空燃比，這時(shí)省油的 優(yōu)點(diǎn)消失，但汽車(chē)很少在全負(fù)荷工況下工作,8,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的研制開(kāi)發(fā)，可謂花開(kāi)在德 國(guó)，果卻結(jié)在日本。三菱汽車(chē)公司GDI發(fā)動(dòng) 機(jī)的研制成功令全世界的汽車(chē)制造商和發(fā)動(dòng) 機(jī)制造商瞠乎其后，于是世界車(chē)壇掀起了 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)研制開(kāi)發(fā)利用熱潮。從此，汽油 機(jī)的發(fā)展又邁出新的一步，這也將推動(dòng)世界 汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展,9,日本 對(duì)于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的研制開(kāi)發(fā)與利用，日本 三菱汽車(chē)公司處于領(lǐng)先地位，1997年先后又開(kāi) 發(fā)出2.4L四缸機(jī)、3.0L六缸機(jī)和3.5L六缸機(jī)三 種機(jī)型

6、，分別裝于四種中、大型轎車(chē)上投放市 場(chǎng)。還推出三種新的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)：0.66L直列三 缸機(jī)、1.5L直列四缸機(jī)和4.5L的V8機(jī)。據(jù)三菱 汽車(chē)公司對(duì)1.8L的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試表明，該機(jī) 可節(jié)油20，降低排放20，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率 和轉(zhuǎn)矩10,10,豐田汽車(chē)公司于1996年底研制出D-4型 2.0L的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)，已批量裝車(chē)使用。1998 年，該公司加緊開(kāi)發(fā)1.6L和1.8L的GDI發(fā)動(dòng) 機(jī)， 1999年還推出一種新型的2.0L的GDI發(fā) 動(dòng)機(jī)。豐田汽車(chē)公司D-4型GDI發(fā)動(dòng)機(jī)可降低 油耗的3.0L和2.5L的V6機(jī)、富士重工2.5L的 臥式對(duì)置四缸機(jī)、馬自達(dá)2.0L的直列四缸機(jī) 和本田1.0L的

7、直列三缸機(jī)均上市,11,美國(guó) 克萊斯勒汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)的四沖程GDI發(fā) 動(dòng)機(jī)使燃油經(jīng)濟(jì)性提高20-30，可與小排 量的直噴柴油機(jī)媲美；福特汽車(chē)公司對(duì)GDI 經(jīng)過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)有進(jìn)一步提 高熱效率和功率的潛力,12,德國(guó) 大眾汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在1997 年法蘭克福汽車(chē)博覽會(huì)上獲得好評(píng)。奧迪汽 車(chē)公司也展出了1.2L的三缸GDI發(fā)動(dòng)機(jī)。奔 馳汽車(chē)公司于1997年底投資近1億馬克，全 面起動(dòng)GDI研究項(xiàng)目，在2001年或2002年推 出GDI發(fā)動(dòng)機(jī)，并認(rèn)為歐洲汽車(chē)裝用的GDI發(fā) 動(dòng)機(jī)應(yīng)能滿(mǎn)足歐洲法規(guī)對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)的最新要 求。 伴隨著21世紀(jì)，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)將在汽車(chē)動(dòng) 力裝置中層露鋒芒,

8、13,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)存在的問(wèn)題 中小負(fù)荷未燃的HC較多，這是由于油霧會(huì)碰 到活塞頂部和缸壁，分層燃燒使局部區(qū)域混合氣過(guò) 稀，缸內(nèi)燃油蒸發(fā)造成溫度過(guò)低，不利于未燃的HC 進(jìn)行后燃。微粒排放比MPI發(fā)動(dòng)機(jī)增加，主要是由 于分層燃燒局部區(qū)域混合氣過(guò)濃，液態(tài)油滴擴(kuò)散燃 燒，缸內(nèi)溫度低，氧化不完全形成的。在不同的轉(zhuǎn) 速工況下，缸內(nèi)氣流強(qiáng)度不同，如何在寬廣的工況 范圍內(nèi)把氣流控制好，保證分層混合氣的形成是 GDI的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。目前GDI仍屬于研究開(kāi)發(fā)階 段，只有少量產(chǎn)品投放市場(chǎng),14,GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)及其稀燃優(yōu)化技術(shù),1 引 言 自20世紀(jì)90年代以來(lái)，日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和 能源危機(jī)促使GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的研究

9、得到了快速的發(fā) 展，國(guó)外一些著名的汽車(chē)公司如豐田、三菱、福特 等都已開(kāi)發(fā)了比較成熟的GDI機(jī)型和產(chǎn)品。下面就 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油控制技術(shù)、缸內(nèi)氣流控制技術(shù)及 排放控制技術(shù)等作一論述,15,2 GDI的電子控制策略 GDI中最關(guān)鍵的是要控制好混合氣濃度 在空間的分布及其隨時(shí)間的變化，依靠采用 高精度的高壓噴油嘴、缸內(nèi)氣流控制技術(shù)、 根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域切換燃燒模式、使噴油嘴遠(yuǎn)離 火花塞以保證可靠點(diǎn)火等措施，可達(dá)到高燃 油經(jīng)濟(jì)性和高性能,16,2.1 按工況區(qū)分控制模式的控制策略 現(xiàn)代GDI 通常是根據(jù)大、小負(fù)荷區(qū)不同的要求，采用不 同的混合燃燒模式來(lái)改善其燃油經(jīng)濟(jì)性的。 在中小負(fù)荷區(qū)域，要求有良好的燃油

10、經(jīng)濟(jì)性，因而通常 采用壓縮沖程中噴油實(shí)現(xiàn)分層燃燒的控制模式，即在壓縮沖 程后期向缸內(nèi)噴油，并通過(guò)活塞頂部形狀和氣流運(yùn)動(dòng)來(lái)限制 其擴(kuò)散，使噴射到氣缸內(nèi)的燃油所形成的可燃混合氣集中在 火花塞周?chē)?，而在火花塞外周部的極稀薄混合氣與層狀空氣 則形成了分層混合氣，使燃燒在整體空燃比3040 2的超 稀薄混合氣下進(jìn)行，此時(shí)尚有足夠的過(guò)量空氣可供在短時(shí)間 內(nèi)燃盡燃燒生成的黑煙。由于此時(shí)GDI 放棄使用節(jié)氣門(mén)節(jié) 流，因而可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失，過(guò)量的空氣還會(huì)吸收 氣缸壁上的熱量，降低了熱損失，從而大幅度改善燃油耗,17,圖1 為豐田2.0L雙頂置凸輪軸GDI發(fā)動(dòng)機(jī) 的分層進(jìn)氣控制方法：在活塞頂上有漸開(kāi)線(xiàn)形

11、的燃燒室凹坑，位于渦流運(yùn)動(dòng)上游較窄的區(qū)域 a是混合氣形成的主要區(qū)域；較寬的區(qū)域b 是 主要燃燒空間，用以促進(jìn)混合氣快速擴(kuò)散。設(shè) 計(jì)成漸開(kāi)線(xiàn)形凹坑的c是為便于蒸發(fā)的燃油流 向火花塞。凹坑壁的角度和凹坑深度也進(jìn)行了 優(yōu)化，以適于混合氣形成，同時(shí)防止混合氣擴(kuò) 散流出凹坑。在高負(fù)荷區(qū)域，要求提高發(fā)動(dòng)機(jī) 扭矩和功率，必須采取略稀或理論當(dāng)量的混合 氣或濃混合氣,18,故此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用進(jìn)氣沖程噴油，實(shí)現(xiàn)均質(zhì) 燃燒的控制模式。即在進(jìn)氣沖程早期向氣缸內(nèi)噴 射燃油，使其可在整個(gè)燃燒室內(nèi)均勻擴(kuò)散，在點(diǎn) 火時(shí)刻形成預(yù)混燃燒的均質(zhì)混合氣。此時(shí)由于燃 油汽化時(shí)吸收了汽化潛熱，使得缸內(nèi)充量得到了 冷卻，增大了空氣密度，在提

12、高體積效率(即增大 進(jìn)氣量)的同時(shí)還減少了爆震的傾向，使發(fā)動(dòng)機(jī)的 壓縮比可上升到121，提高了熱效率，發(fā)動(dòng)機(jī)以 接近理論空燃比14.7:1 或稍濃的空燃比混合氣進(jìn) 行均質(zhì)燃燒，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率的輸出和燃油的低 消耗,19,20,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞頂部形狀,21,控制模式的切換通過(guò)噴油定時(shí)的變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。 切換時(shí)要注意切換前后扭矩的一致，以防扭矩變化 帶來(lái)振動(dòng)。為此，三菱、豐田等公司在模式切換時(shí) 采用了二段噴射技術(shù)，即在進(jìn)氣行程中噴射一部分 燃料，以便在燃燒室全空間內(nèi)形成稀薄的預(yù)混合 氣。第二次在即將點(diǎn)火之前向火花塞噴射，以保證 稀混合氣的穩(wěn)定著火和分層燃燒。據(jù)報(bào)道采用二段 噴射技術(shù)的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)可

13、實(shí)現(xiàn)從中小負(fù)荷區(qū)向大功 率區(qū)的平穩(wěn)過(guò)渡，并可降低缸內(nèi)的氣體溫度，從而 抑制了爆震的發(fā)生，增加了功率的輸出,22,2.2 扭矩控制策略 對(duì)扭矩的控制實(shí)際上就是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油 量的控制。通常情況下，GDI主要是根據(jù)油門(mén) 踏板的位移量來(lái)確定應(yīng)有的扭矩，并由負(fù)荷 的高低來(lái)切換對(duì)扭矩的調(diào)節(jié)方式,23,從理論上講GDI可以不使用節(jié)氣門(mén)，但實(shí) 際上它還是配備了電子控制的節(jié)流系統(tǒng)，即電 動(dòng)節(jié)氣門(mén)。這其中最主要的原因是GDI在大負(fù) 荷工況下工作時(shí)需要均勻混合氣；其次是在應(yīng) 用EGR 降低NOx排放時(shí)，需要有節(jié)流閥控制 的進(jìn)氣歧管的真空度；再次，傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng) 制動(dòng)時(shí)也需要真空度；最后，低負(fù)荷時(shí)沒(méi)有節(jié) 流閥排氣溫度

14、會(huì)非常低，降低了催化劑的轉(zhuǎn)化 效率,24,因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)于低工況區(qū) 時(shí)，即油門(mén)踏板位移量較小時(shí)，電動(dòng)節(jié)氣門(mén)就保持全 開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)在保持進(jìn)氣量基本不變的情況下，通過(guò)改 變空燃比來(lái)調(diào)節(jié)每循環(huán)的噴油量，進(jìn)而對(duì)扭矩實(shí)行控 制。這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用的調(diào)節(jié)方式是與柴油機(jī)相同的“變 質(zhì)調(diào)節(jié)”，此時(shí)進(jìn)氣量和點(diǎn)火提前角幾乎不影響扭矩。 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)于高工況區(qū)時(shí)，即油門(mén)踏 板位移量較大時(shí)，其空燃比被穩(wěn)定在14.7左右1，通 過(guò)改變電動(dòng)節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的空氣量， 進(jìn)而改變噴油量實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩的控制。這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用 的是“變量調(diào)節(jié)”方式。此時(shí)點(diǎn)火提前角對(duì)扭矩有很大 影響。表1為 GDI按工況

15、區(qū)分控制模式，圖2 為不同燃 燒模式的控制范圍,25,圖2 不同燃燒模式的控制范圍,26,27,分工況區(qū)控制的結(jié)果是，其燃油經(jīng)濟(jì)性相對(duì)以 往的汽油機(jī)可以提高25%3左右，實(shí)現(xiàn)并超過(guò)了目 前柴油機(jī)所能達(dá)到的低燃料消耗水平；動(dòng)力輸出也 比目前正在廣泛使用的進(jìn)氣道噴射的汽油機(jī)增加了 近10%3，保證了人們對(duì)車(chē)輛動(dòng)力性的要求,表1 GDI按工況區(qū)分控制模式,28,2.3 噴油定時(shí)控制策略 GDI可根據(jù)不同的工況區(qū)域來(lái)確定不同 的混合氣生成方式，而不同的混合氣生成方 式對(duì)油束的要求也不相同。如圖3 ，發(fā)動(dòng)機(jī) 處于低工況時(shí)，采用的是變質(zhì)調(diào)節(jié)和分層充 量，這就要求燃油恰好噴在活塞頂部凹坑 內(nèi)，因而油束要盡可

16、能集中，且霧化質(zhì)量要 高，可燃混合氣能在短時(shí)間內(nèi)形成。故此時(shí) 應(yīng)將噴油推遲到壓縮行程的后期進(jìn)行(但必須 在噴油和點(diǎn)火之間留下足夠的間隔時(shí)間，以 便實(shí)現(xiàn)混合氣的分層),29,因?yàn)椋?a. 此時(shí)活塞正處于向上運(yùn)動(dòng)，氣缸內(nèi)的 壓力很大，這就迫使燃油噴射時(shí)所需的壓力 相應(yīng)地增大。噴油壓力越大，SMD( 油滴的 索特平均直徑，表示燃油的霧化程度)越小， 燃油蒸發(fā)越快，霧化程度越高，油滴噴射距 離有限，穿透度不深,30,b. 隨著缸內(nèi)壓力的增大，充量被強(qiáng)制壓 縮，密度增大，因此油束中油滴所受的阻力 也增大，油滴運(yùn)動(dòng)很快地受到衰減，使油束 比較集中，并且噴射出的燃油穿透距離也保 持適中,31,c. 活塞的上

17、行運(yùn)動(dòng)，減少了噴油與活塞頂部凹 坑之間的距離，保證了燃油可更加準(zhǔn)確而又有效地 被噴射在活塞頂部凹坑范圍內(nèi)，通過(guò)限制其在凹坑 內(nèi)不向外擴(kuò)散，使得它能被迅速地加熱汽化，從而 在抵達(dá)火花塞之前的短暫時(shí)間內(nèi)促進(jìn)空氣迅速卷入 汽化的燃油中，形成可燃混合氣。同時(shí)結(jié)合活塞的 向上運(yùn)動(dòng)，由翻滾氣流將可燃混合氣帶往火花塞， 并在火花塞附近區(qū)域聚集形成濃的可燃混合氣，而 在燃燒室的其它空間形成稀薄混合氣，從而實(shí)現(xiàn)混 合氣的分層和超稀薄燃燒,32,圖3 兩種工況下對(duì)噴油正時(shí)和油束特性的要求,33,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高工況時(shí)，采用的是變量調(diào)節(jié)和均質(zhì)充量。應(yīng)盡可能減少油束沾濕活塞和氣缸壁面，否則會(huì)導(dǎo)致HC排放增加，并且活塞壁

18、面會(huì)向燃油提供汽化潛熱，從而喪失利用汽化潛熱冷卻缸內(nèi)充量以提高容積效率的機(jī)會(huì)。同時(shí)要求油束的穿透深度應(yīng)當(dāng)大一些，以便擴(kuò)大油束在氣缸內(nèi)的分布范圍，使其能有足夠的空間和時(shí)間讓燃油和空氣進(jìn)行混合，形成均質(zhì)充量。故此時(shí)應(yīng)將噴油提早到吸氣沖程的前期。（沾濕在活塞和氣缸壁面的燃油因?yàn)闇囟鹊停菀自斐扇紵蝗F(xiàn)象，形成HC污染,34,3 GDI的燃油噴射系統(tǒng) 現(xiàn)代GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射系統(tǒng)主要采用汽油高 壓噴射模式，使用由電磁驅(qū)動(dòng)的高壓渦流噴油 器。高壓渦流噴油器的噴油壓力一般為5 8MPa(最高為12MPa)4。這種噴油器的特點(diǎn)是 在其噴油嘴的頭部設(shè)有一個(gè)特殊的渦流腔，通過(guò) 該腔可產(chǎn)生一股強(qiáng)渦流，不僅對(duì)噴油嘴

19、噴孔具有 自潔作用，使其可靠性得到提高，而且能使燃油 噴束的一部分動(dòng)能直接轉(zhuǎn)化為水平的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能， 從而降低了油束的穿透度，避免其沾濕活塞和缸 套壁面,35,高壓渦流噴油器的另一個(gè)特點(diǎn)就是它的油束噴角 和射程主要依賴(lài)于噴油壓力和缸內(nèi)背壓，且后者的影 響較大，因此它能根據(jù)不同負(fù)荷區(qū)的要求提供所需的 噴霧形狀。在部分負(fù)荷時(shí),燃油在壓縮行程后期噴 射，缸內(nèi)噴射背壓較大，噴出的燃料被強(qiáng)制壓縮呈適 宜分層燃燒的緊湊型。而在高負(fù)荷時(shí)，由于是在進(jìn)氣 行程早期噴射燃油，缸內(nèi)噴射背壓較小，噴霧呈現(xiàn)為 中空擴(kuò)散的圓錐型，這樣不僅加快了噴霧在燃燒室內(nèi) 的擴(kuò)散，而且使得它與周邊空氣的接觸面積進(jìn)一步擴(kuò) 大，即便是在比較低

20、的噴射壓力下，油束仍能保持原 有的霧化水平，與進(jìn)入氣缸的空氣形成有效的混合， 滿(mǎn)足均質(zhì)燃燒的要求,36,在噴射系統(tǒng)中，噴油器噴嘴的結(jié)構(gòu)形式對(duì) 噴霧質(zhì)量起著重要的影響，它是保證實(shí)現(xiàn)混合 氣分層與稀燃的關(guān)鍵部件。圖4 為GDI發(fā)動(dòng)機(jī) 所采用的各種噴油器噴嘴，a 為多孔內(nèi)開(kāi)式噴 嘴，其結(jié)構(gòu)類(lèi)似于柴油機(jī)噴嘴，但由于GDI發(fā) 動(dòng)機(jī)的噴射壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于柴油機(jī)，故這種結(jié)構(gòu) 易于積炭堵塞，且霧化分層效果不好，燃燒時(shí) 火焰?zhèn)鞑ビ植缓芊€(wěn)定，所以一般很少在GDI 發(fā) 動(dòng)機(jī)上使用,37,b 是外開(kāi)式單孔針式噴嘴，據(jù)報(bào)道它能取消 壓力室容積，并且在設(shè)計(jì)上更靈活，可同時(shí)兼 顧噴霧錐度、貫穿距離和燃油粒度的不同要 求，但它的

21、密封性要差一些，曾用于早期的 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)中,38,c 為內(nèi)開(kāi)式旋流型噴嘴，在其內(nèi)部設(shè)有燃 油旋流腔，燃油通過(guò)在其中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)渦流可 實(shí)現(xiàn)較好的噴霧形態(tài)和合適的貫穿度的配合。 此外，由它噴射出的油束方向便于調(diào)整，方便 了其在氣缸頂上的布置，再加它不易積炭的特 點(diǎn)，使其成為目前GDI發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴所采用的主 要形式，在GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛使用,39,圖4 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)噴油系統(tǒng)采用的噴嘴方案的比較,40,4 GDI的燃燒系統(tǒng) 燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是GDI 開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由 于要兼顧大負(fù)荷均質(zhì)預(yù)混和中小負(fù)荷分層稀燃的不同 要求，更增加了它的設(shè)計(jì)難度。已開(kāi)發(fā)的GDI燃燒系 統(tǒng)，可以分為以下三類(lèi)： a

22、. 油束控制燃燒系統(tǒng)（圖5a） 燃油噴嘴靠近火 花塞近距離 布置。噴油器安裝在氣缸中央，火花塞緊 靠燃油噴嘴位于燃油噴束的邊緣。噴射時(shí)，噴油器直 接把燃油射向火花塞的電極。該布置方式可使燃油混 合氣能在有限的空間內(nèi)產(chǎn)生有效的分層，并可保證當(dāng) 整個(gè)燃燒室內(nèi)為稀薄混合氣時(shí)，火花塞周?chē)阅苄纬?可供點(diǎn)火的混合氣濃度，故這種混合氣形成方法被稱(chēng) 為“噴束引導(dǎo)法,41,但由于火花塞與油束之間的距離過(guò)近， 使得可供混合氣生成所需的時(shí)間太短，火花 塞容易被液態(tài)燃油沾濕而造成積炭和點(diǎn)火困 難，縮短了火花塞的使用壽命。同時(shí)，由于 油束周?chē)牲c(diǎn)燃混合氣的范圍較小，影響了 著火穩(wěn)定性，故這種燃燒系統(tǒng)未能被推廣使 用,

23、42,圖5 現(xiàn)代GDI 燃燒系統(tǒng)的分類(lèi),43,b. 壁面控制燃燒系統(tǒng)（圖5b） 噴油嘴遠(yuǎn) 離火花塞的遠(yuǎn)距離布置方式。噴油器被設(shè)置在 進(jìn)氣門(mén)一側(cè)，相對(duì)應(yīng)的活塞凹坑的開(kāi)口也指向 進(jìn)氣側(cè)，火花塞布置在中間， 采用具有特殊 形狀的立式進(jìn)氣道（圖8a），在進(jìn)氣行程中 吸入的空氣通過(guò)立式進(jìn)氣道被強(qiáng)制沿氣缸壁向 下流動(dòng)，形成逆滾流，從而將噴射的燃油和蒸 發(fā)的燃油送到火花塞附近。進(jìn)氣道直立后，減 少了進(jìn)氣阻力，提高了充氣效率，從而使發(fā)動(dòng) 機(jī)功率得到進(jìn)一步的增大,44,在這種燃燒系統(tǒng)中，活塞頂面通常被設(shè)計(jì)成弧狀 的曲線(xiàn)形，并在其上開(kāi)有小型的球形燃燒室，當(dāng)噴油 器將油束直接噴射到燃燒室內(nèi)時(shí)，它就可借助于球型 燃燒

24、室凹坑壁面形狀并利用由立式進(jìn)氣道產(chǎn)生的逆向 翻滾氣流( 圖8a)，將燃油蒸氣導(dǎo)向火花塞，在火花塞 間隙處形成合適濃度的混合氣。在壓縮過(guò)程中，擠流 使逆滾流得到加強(qiáng)，有利于燃燒的進(jìn)行。在燃燒過(guò)程 后期，逆擠流使火焰?zhèn)鞑サ脚艢忾T(mén)一側(cè)。這種混合氣 形成方式被稱(chēng)為“壁面引導(dǎo)法”。目前三菱、豐田、 Nissan 等公司開(kāi)發(fā)的機(jī)型均采用此燃燒系統(tǒng)，如圖 6 為三菱GDI 頂部帶有球形凹坑的活塞，如圖7 為三 菱GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃油運(yùn)動(dòng),45,圖6 三菱GDI 活塞,46,圖7 三菱GDI發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃油運(yùn)動(dòng),47,GDI與MPI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的比較,圖8 缸內(nèi)滾流運(yùn)動(dòng),48,49,c. 氣流控制燃燒系統(tǒng)（圖

25、5c） 采用接近于臥 式的水平進(jìn)氣道，在缸內(nèi)產(chǎn)生順向的翻滾氣流(圖 8b)。它仍然使用遠(yuǎn)距離方式布置噴油器與火花塞， 但是噴油器不再是直接將油束噴向活塞凹坑，而是 對(duì)準(zhǔn)燃燒室的中心噴向火花塞(但不朝向火花塞電 極)，并利用缸內(nèi)有組織的氣流運(yùn)動(dòng)與油束相互作 用，使發(fā)動(dòng)機(jī)在大部分工況范圍內(nèi)都能實(shí)行恰當(dāng)?shù)?充量分層和混合氣均質(zhì)化，這種混合氣形成的方式 被稱(chēng)為“氣流引導(dǎo)法”。像FEV、AVL 公布的一些開(kāi) 發(fā)方案采用的就是這種燃燒系統(tǒng),50,5 GDI氣流運(yùn)動(dòng)的組織 對(duì)進(jìn)氣行程和壓縮行程中缸內(nèi)瞬時(shí)流場(chǎng) 的控制是GDI發(fā)動(dòng)機(jī)研制中又一關(guān)鍵問(wèn)題。原 則上必須要滿(mǎn)足以下兩點(diǎn)要求： 從微觀(guān)上要求在氣缸內(nèi)具有高

26、強(qiáng)度的 紊流，以促進(jìn)燃料與空氣的混合,51,在宏觀(guān)上要求有控制的平均氣流流 動(dòng)，以適合生成穩(wěn)定分層混合氣。發(fā)動(dòng)機(jī)中 常采用的空氣運(yùn)動(dòng)形式主要有擠流、渦流和 滾流三種，根據(jù)已發(fā)表的計(jì)算和試驗(yàn)資料顯 示，它們的運(yùn)動(dòng)變化對(duì)于混合氣的形成和發(fā) 展有著很大的影響,52,a. 擠流 增大擠流強(qiáng)度可以明顯提高燃燒 期火焰的傳播速度，縮短燃燒時(shí)間，而且擠 流不會(huì)引起充氣效率的降低，受發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷 和轉(zhuǎn)速的影響也較小，曾一度是形成紊流的 主要途徑,53,b. 渦流 其特點(diǎn)是在壓縮過(guò)程中持續(xù)時(shí)間 長(zhǎng)，在缸內(nèi)的徑向發(fā)散少，對(duì)保持混合氣的 相對(duì)集中和分層有利；缺點(diǎn)是不利于油氣的 混合，必須靠活塞頂部燃燒室束口或活塞頂

27、上的特殊形狀，在上止點(diǎn)附近利用擠流與渦 流相交，從而在燃燒室內(nèi)形成較強(qiáng)的紊流來(lái) 促進(jìn)燃油的蒸發(fā)混合，而且過(guò)強(qiáng)的渦流會(huì)把 大油滴甩向氣缸壁，形成濕壁效應(yīng)，不利于 燃燒。渦流經(jīng)常是被用在由噴油引導(dǎo)的燃燒 系統(tǒng)中,54,c. 滾流 其特點(diǎn)是存在著較大的速度梯度，便 于油束的縱向引導(dǎo)，在上止點(diǎn)附近有助于加強(qiáng)紊流 強(qiáng)度，容易轉(zhuǎn)變?yōu)樾∫?guī)模的紊流來(lái)促進(jìn)油氣混合。 在壓縮沖程中滾流具有加速旋轉(zhuǎn)的特性，能提高近 壁面氣流速度，從而促進(jìn)壁面油膜的蒸發(fā)。但由于 燃燒室的曲面導(dǎo)向作用，滾流往往容易衰減成大尺 度的二次流結(jié)構(gòu)，使得保持穩(wěn)定的混合氣分層變得 困難，同時(shí)設(shè)計(jì)不當(dāng)也會(huì)造成火花塞間隙的平均流 速過(guò)高而引起較大的

28、循環(huán)變動(dòng)。因而采用滾流為主 的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)要比采用渦流為主的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán) 變動(dòng)大,55,上述流場(chǎng)結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際的 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)中都被采用或綜合利用。如三菱 采用反滾流結(jié)構(gòu)，豐田采用渦流結(jié)構(gòu)， Yamada 提出斜渦流，即渦流和滾流的綜合 結(jié)構(gòu),56,擠流,渦流,滾流,57,58,6 GDI的排放特性 GDI 面臨的主要排放問(wèn)題是UBHC和NOX。 6.1 中小負(fù)荷下未燃碳?xì)浠衔?UBHC)的排放 由于GDI油氣的混合主要是依靠噴霧和缸內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)，與冷起動(dòng)時(shí)的低溫關(guān)系不大，所以冷起動(dòng)時(shí)無(wú)需過(guò)量供油，有效地解決了PFI 冷起動(dòng)時(shí)UBHC排放過(guò)多的問(wèn)題。但是GDI在中小負(fù)荷的情況下

29、，其未燃碳?xì)浠衔锏呐欧湃匀惠^多,59,主要原因是： GDI 在此工況采用的是 分層稀薄燃燒，燃油在壓縮行程后期被噴射 入氣缸內(nèi)，所需的霧化時(shí)間不足，油氣不能 充分混合，在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生局部混合氣過(guò) 濃。大量的濃混合氣集中在火花塞附近， 使得火焰在向周?chē)』旌蠚鈧鞑r(shí)，因混合 氣過(guò)稀而熄滅。稀薄燃燒造成氣缸內(nèi)溫度 偏低，不利于未燃碳?xì)浠衔镫S后的繼續(xù)氧 化,60,由于GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比較高，使得殘 留在狹縫容積中的HC 增加。使用高EGR 率導(dǎo)致燃燒變差。目前GDI 產(chǎn)品的燃燒系 統(tǒng)主要采用“壁面引導(dǎo)法”，該系統(tǒng)噴霧容易 與活塞頂和缸壁發(fā)生碰撞，而缸壁的溫度又 較低，從而導(dǎo)致燃油在著火前來(lái)不及

30、完全蒸 發(fā)，引起較多的UBHC 排放,61,三菱公司采取二次燃燒早期激活催化劑及采 用反應(yīng)式排氣管等措施來(lái)減少HC 排放。兩次燃燒 是指在發(fā)動(dòng)機(jī)冷車(chē)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，除了在壓縮行程后 期噴射燃油外，在做功行程后期再次噴射少量的燃 油，在缸內(nèi)高溫高壓氣體的作用下點(diǎn)火燃燒并使排 氣溫度提高。當(dāng)排氣門(mén)打開(kāi)后這一燃燒過(guò)程可以移 至反應(yīng)式排氣歧管中，補(bǔ)充空氣，加速燃燒。采用 兩次燃燒技術(shù)，可很快達(dá)到催化器的起燃溫度，并 通過(guò)反應(yīng)式排氣管可大幅度降低HC、NOx的排放， 降幅達(dá)到日本現(xiàn)行法規(guī)的80%3。圖9為催化器的 催化溫度比較,62,圖9 催化溫度比較,63,6.2 NOX的排放和后處理 雖然GDI采用了稀

31、薄燃燒技術(shù)而使氣缸內(nèi)反應(yīng)區(qū) 的溫度下降(從NOX的生成原理上來(lái)說(shuō)可減少NOX的 生成量)，但由于GDI 的混合氣由濃到稀呈分層狀 態(tài)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)空燃比為1附近的偏濃區(qū)域， 使這些區(qū)域的NOX 排放增加，而較高的壓縮比和較 快的反應(yīng)放熱率也是引起NOX排放升高的一個(gè)原因。 此外，由于GDI 本質(zhì)上仍是稀薄燃燒的一種實(shí)現(xiàn)方 式，所以它仍受到稀薄燃燒NOX 催化轉(zhuǎn)化問(wèn)題的困 擾,64,一般來(lái)說(shuō)，GDI 大部分工況都處于部分 負(fù)荷，它的NOX 排放量約占總排量的一半， 發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于稀空燃比的工作條件下，導(dǎo) 致廢氣排氣中含氧較多而且排放溫度也較 低，致使傳統(tǒng)的三元催化器的轉(zhuǎn)化效率不高 并且起燃困

32、難，限制了它在GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)上的 應(yīng)用。所以，如何解決稀燃條件下NOX 排放 的后處理也是GDI 的一大難題,65,目前，GDI 對(duì)NOX 排放的控制主要依靠 EGR 和稀燃NOX 催化轉(zhuǎn)化器，其中后者的 發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。 部分負(fù)荷不使用EGR 時(shí)，GDI 的NOX 的排放水平與PFI 相差不多。但由于GDI可實(shí) 現(xiàn)超稀薄分層燃燒，較稀的空燃比使得缸內(nèi) 的富裕氧氣較多，從而允許使用高的EGR 率，充分降低NOX 排放量，并且燃燒特性不 會(huì)因?yàn)镋GR 而惡化,66,據(jù)試驗(yàn)表明，在燃油經(jīng)濟(jì)性改善保持不 變的情況下，GDI 的EGR可高達(dá)40%4。雖 然如此，但EGR 始終還是不能在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)

33、轉(zhuǎn)速負(fù)荷范圍內(nèi)減少NOX 排放量，所以單靠 EGR 是不能滿(mǎn)足更為嚴(yán)格的Euro 和 Euro排放法規(guī)的，進(jìn)一步降低NOX 排放就 必需開(kāi)發(fā)在稀燃條件下的NOX 催化轉(zhuǎn)化技 術(shù),67,目前在稀薄燃燒NOX催化轉(zhuǎn)化技術(shù)領(lǐng)域 內(nèi)，NOX的吸藏還原技術(shù)使用較多。這項(xiàng)技 術(shù)主要是利用一些化學(xué)物質(zhì)可在富氧的條件 下，通過(guò)催化劑的作用與NOX 產(chǎn)生反應(yīng)，以 硝酸鹽的形式將其存儲(chǔ)起來(lái)，而在貧氧的條 件下又可將其釋放還原。它是以Pt作為儲(chǔ)存 還原NOX 的主要催化劑，以堿金屬、堿土金 屬或稀土金屬作為儲(chǔ)存NOX 的成分(以M 表 示,68,它的工作原理如圖10 所示。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以稀混合 氣工作時(shí)，其排氣中O2

34、含量迅速增加，存儲(chǔ)器通過(guò) 催化劑Pt 將NO 氧化成NO2，隨后生成的NO2被堿土 金屬氧化物表面吸收，形成硝酸鹽，存儲(chǔ)在以M表示 的存儲(chǔ)元素中。實(shí)驗(yàn)證明，存儲(chǔ)元素的金屬堿性越 強(qiáng)，其所能存儲(chǔ)的NOX 量越多，并且越穩(wěn)定。當(dāng)發(fā) 動(dòng)機(jī)工況發(fā)生變化，改用濃混合氣工作時(shí)，排氣中 O2含量減少，生成的硝酸鹽就會(huì)在超過(guò)100的溫度 下開(kāi)始分解，在催化劑Pt的作用下，與排氣中HC、 CO 及H 等反應(yīng)，再次還原成N2。其具體的化學(xué)反應(yīng) 方程式如下,69,在富氧的氣氛下,通過(guò)下列反應(yīng)用吸附 劑MO將NOX 儲(chǔ)存起來(lái)： NO+0.5O2NO2 NO2+MOMNO3 在貧氧的還原氣氛下進(jìn)行分解和還 原，其可能的

35、反應(yīng)如下： MNO3NO+0.5O2+MO NO+CO/HC0.5N2+CO2/H2O,70,圖10 NOx 吸藏還原機(jī)理,71,NOX儲(chǔ)存還原催化技術(shù)有很高的轉(zhuǎn)化效 率,在稀薄燃燒的條件下,其對(duì)NOX的轉(zhuǎn)化效率 可達(dá)到90%以上1，同時(shí)可對(duì)HC 和CO 進(jìn)行 很好地轉(zhuǎn)化。它的缺點(diǎn)就是受燃油中的硫含 量影響很大，隨著硫含量的增加，其凈化性 能會(huì)急速下降,72,主要是因?yàn)?，與NOX一樣，SO2也會(huì)在 貴金屬表面氧化形成比硝酸鹽更為穩(wěn)定的硫 酸鹽，從而減少了存儲(chǔ)NOX 的能力。但是 NOX 的硫中毒現(xiàn)象是可逆的，只要在還原性 氣氛中加熱到600便可使硫酸鹽分解，恢復(fù) NOX的存儲(chǔ)能力1。也可在NO

36、X 存儲(chǔ)還原 催化器前安裝硫捕集器，在稀薄狀態(tài)下吸收 SO3，在混合氣加濃時(shí)以SO2 的形式將硫釋 放,73,GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)研究概況,前言 由于環(huán)境污染日益嚴(yán)重,能源危機(jī)愈演愈烈,因而汽車(chē)使用低污染節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)一直是政府和專(zhuān)業(yè)人士的目標(biāo)。因此,降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排放、提高其燃油經(jīng)濟(jì)性也就成為目前內(nèi)燃機(jī)工作者的當(dāng)務(wù)之急1。改善燃燒室內(nèi)的火焰燃燒過(guò)程和采用新型的代用燃料或燃料添加劑則是解決以上問(wèn)題的常用辦法。作為一種新型的稀薄燃燒方式2, GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)3綜合了壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn),通過(guò)燃油的缸內(nèi)直接噴射、可變噴油定時(shí)和控制缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)等方式實(shí)現(xiàn)了缸內(nèi)的稀薄燃燒,使發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)論在燃油經(jīng)濟(jì)性還是

37、在降低排放等方面都表現(xiàn)出比PFI(port fuel injection) 發(fā)動(dòng)機(jī)更大的發(fā)展?jié)摿?。因?GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)從20 世紀(jì)90 年代4問(wèn)世以來(lái)就一直受到人們的廣泛關(guān)注,74,1、GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特點(diǎn) GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)是電控汽油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的一種, 常用的PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)是把汽油噴射到進(jìn)氣門(mén)上,如 圖1 所示,因此在噴油與油氣混合氣進(jìn)入燃燒室 之間要有一段時(shí)間延遲。而GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)是把汽 油直接噴射到氣缸內(nèi),因此并不存在PFI 發(fā)動(dòng)機(jī) 噴油延遲的問(wèn)題。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的不同,GDI 的燃燒過(guò)程可分為均質(zhì)稀燃和分層稀燃兩種模 式,75,中小負(fù)荷時(shí),燃油在壓縮行程后期噴入氣 缸,通過(guò)噴油器、氣流

38、及燃燒室的合理配合,在 火花塞附近形成較濃的可燃混合氣,如圖2 所 示,在遠(yuǎn)離火花塞的區(qū)域,形成稀薄分層混合氣, 其最大空燃比可達(dá)到3040,76,大負(fù)荷或全負(fù)荷時(shí),燃油在進(jìn)氣沖程早期噴入氣 缸,形成當(dāng)量比為1 左右的均質(zhì)混合氣進(jìn)行燃燒。控 制缸內(nèi)混合氣的形成和分布是實(shí)現(xiàn)分層燃燒的關(guān)鍵 5。只有在點(diǎn)火瞬間將合適濃度的混合氣引導(dǎo)到 火花塞附近才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的點(diǎn)火,同時(shí),保證混合氣在 空間的連續(xù)分布,才能實(shí)現(xiàn)火焰的連續(xù)傳播,從而保證 燃燒的穩(wěn)定性。如果在火花塞附近的混合氣過(guò)濃,會(huì) 使混合氣不能完全燃燒,從而生成大量的不完全燃燒 產(chǎn)物(如碳煙) 。更為嚴(yán)重的是,不完全燃燒會(huì)使發(fā)動(dòng) 機(jī)在上止點(diǎn)附近的放熱

39、率下降,從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率 下降,油耗降低,77,圖1 EFI 發(fā)動(dòng)機(jī)與GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)比較,78,另外,混合氣的空燃比也不能超出稀燃的 極限,如果在混合氣的周?chē)羞^(guò)稀的混合氣或 有過(guò)稀的混合氣脫離了主要混合區(qū)域,都會(huì)使 汽油機(jī)燃燒困難或熄火,從而引起HC的排放升 高。根據(jù)以上分析可知,要使GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的分 層混合氣能夠穩(wěn)定燃燒,必須具備以下兩個(gè)條 件6,79,a. 火花塞周?chē)仨氁须S時(shí)間和空間穩(wěn) 定分布的混合氣,一般火花塞附近混合氣的空 燃比在10207之間比較適合點(diǎn)燃。 b. 組織精確的渦流比,形成混合氣在燃燒 室內(nèi)的軸向和徑向分層,以獲得穩(wěn)定燃燒所需 的稀薄混合氣,80,根據(jù)混合

40、氣形成方式的不同, GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的 混合方式可分為噴射引導(dǎo)、壁面引導(dǎo)和氣流引導(dǎo) 三種,如圖2 所示。噴射引導(dǎo)受燃燒室形狀及氣 流運(yùn)動(dòng)較小的影響,但是噴嘴與火花塞的距離不 易把握。氣流引導(dǎo)主要靠缸內(nèi)的渦流及滾流將混 合氣引導(dǎo)到火花塞,而對(duì)缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)組織則 是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。壁面引導(dǎo)對(duì)噴油嘴的 要求不高,且容易將混合氣引向火花塞,因此目前 應(yīng)用較多,81,圖2 現(xiàn)代GDI 燃燒系統(tǒng)的分類(lèi),82,2 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn) 最早對(duì)GDI的研究要追溯到19世紀(jì)50年代的德 國(guó),但由于當(dāng)時(shí)內(nèi)燃機(jī)整體發(fā)展水平還比較低,對(duì)GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的研究因得不到足夠的技術(shù)支持而告失敗。 隨著內(nèi)燃機(jī)新技術(shù)的

41、開(kāi)發(fā)和利用,尤其是電控燃油噴 射及可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)的應(yīng)用,才使得GDI有了突破 性的進(jìn)展,日本三菱汽車(chē)公司于1996年首先完成了對(duì) GDI的開(kāi)發(fā)。隨著技術(shù)的不斷完善,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)也越 來(lái)越受到人們的推崇。一般要實(shí)現(xiàn)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃 燒,必須具備以下幾個(gè)特點(diǎn)8,83,a. 直立布置的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。這種 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣沖程中獲得強(qiáng)烈的 進(jìn)氣氣流,在氣流流入到燃燒室以后又會(huì)進(jìn)一 步形成強(qiáng)烈的滾流運(yùn)動(dòng),為GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒 作好準(zhǔn)備,84,b. 高壓油泵9: GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的噴油器的噴油壓力一般在5 MPa 左右。與汽油機(jī)常用的EFI系統(tǒng)0. 30. 4MPa 的噴油壓力相比,這樣

42、的噴油壓力可以保證汽油及時(shí)霧化和有合適的貫穿距離。 c. 高壓渦流式噴油嘴:為了使汽油能與空氣形成易于點(diǎn)燃的可燃混合氣,除了油泵以外,GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了可以精確控制油量和噴油定時(shí)的電磁式噴油嘴。油嘴與燃燒室的良好配合可以保證在火花塞附近提供可供燃燒的混合氣,85,d. 凹坑形的活塞頂面設(shè)計(jì):活塞頂面的凹 坑與帳篷形的燃燒室頂及直立式進(jìn)氣道相配 合,可以使燃燒室內(nèi)的空氣形成滾流,引導(dǎo)混合 氣順利地到達(dá)火花塞頂。 e. 根據(jù)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況,利用電控噴射 系統(tǒng)選擇不同的噴油模式,以滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)不同 負(fù)荷工況下對(duì)噴油定時(shí)的要求,86,3 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)較傳統(tǒng)汽油機(jī)的優(yōu)勢(shì) 電噴式汽油機(jī)按燃油噴射位

43、置可分為兩 種形式:進(jìn)氣道噴射(PFI) 和缸內(nèi)直噴 ( GDI) 。進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí) 將燃油噴在各缸進(jìn)氣門(mén)的背面,進(jìn)氣沖程中油 氣混合物進(jìn)入氣缸。在冷啟動(dòng)過(guò)程中,由于蒸 發(fā)不完全,燃油會(huì)在進(jìn)氣道、進(jìn)氣門(mén)背部形成 油膜和油坑,87,實(shí)際噴入的燃油量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了按化學(xué)當(dāng) 量比計(jì)算得到的噴油量,因此發(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng) 的410個(gè)循環(huán)中會(huì)出現(xiàn)失火或部分燃燒的現(xiàn) 象10,使HC排放顯著增加。相反,直噴式 汽油機(jī)避免了進(jìn)氣道濕壁現(xiàn)象的問(wèn)題,而且噴 油泵可以精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量,使發(fā)動(dòng)機(jī) 在2個(gè)工作循環(huán)之內(nèi)就能順利啟動(dòng),提高了發(fā) 動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)響應(yīng)速度,同時(shí)也降低了發(fā)動(dòng)機(jī)冷 啟動(dòng)時(shí)的HC排放,88,

44、進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷變化是依靠節(jié) 氣門(mén)調(diào)節(jié)混合氣的進(jìn)氣量。盡管節(jié)氣門(mén)控制 對(duì)PFI發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)已是成熟的技術(shù),但節(jié)氣門(mén) 所引起的泵氣損失是不可避免的,這也是汽油 機(jī)熱效率較柴油機(jī)低的一個(gè)原因。相反,直噴 式汽油機(jī)不是依靠節(jié)氣門(mén)調(diào)節(jié)混合進(jìn)氣量來(lái) 調(diào)節(jié)負(fù)荷,而是改變發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量來(lái)改變缸 內(nèi)空燃比以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化,這就提高 了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)的熱效率 11,89,進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)在不采用輔助的助燃方法 組織稀燃時(shí),其空燃比最大可以達(dá)到27,超過(guò)這一 界限,發(fā)動(dòng)機(jī)工作會(huì)不穩(wěn)定,HC排放增加 12。要超過(guò)這一極限,必須使用缸內(nèi)直噴的 方法,通過(guò)充量分層,使發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)的空 燃比達(dá)到

45、3040,燃油經(jīng)濟(jì)性改善高達(dá)30%左右, 而且可以大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速。此外,由 于直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)直接將燃油噴至氣缸,消除了燃 油供給的滯后效應(yīng),故當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在減速時(shí)可以停 止噴油,從而提高了燃油經(jīng)濟(jì)性,90,燃油的汽化潛熱可以降低混合氣的溫度和容積,從 而影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率和爆震趨勢(shì)。對(duì)進(jìn)氣道噴 射發(fā)動(dòng)機(jī)而言,由于燃油是噴在進(jìn)氣歧管內(nèi)的,燃油的蒸 發(fā)主要依賴(lài)于進(jìn)氣道和進(jìn)氣門(mén)等熱源對(duì)油膜的熱傳遞, 因而不能顯著地冷卻充質(zhì)。而對(duì)缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)而 言,燃油直接噴入到氣缸,可以冷卻缸內(nèi)溫度,從而提高 發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣量,尤其是在大負(fù)荷工況下,燃油在壓縮沖 程開(kāi)始便噴入燃燒室內(nèi),GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出

46、功率較PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)高出10 %左右。不同的噴射定時(shí)影響著燃燒室 表面到充質(zhì)的傳熱率,91,在進(jìn)氣沖程中噴油,增加了缸壁對(duì)充質(zhì)的熱 傳遞,這樣燃油蒸發(fā)對(duì)最終充質(zhì)溫度的冷卻效果 就變差了。在壓縮沖程中噴油,噴油之前由于空 氣溫度較高,缸壁對(duì)空氣的傳熱率降低,這樣當(dāng)燃 油噴入時(shí),燃油蒸發(fā)對(duì)充質(zhì)的冷卻效果保持的時(shí) 間較長(zhǎng),因而在點(diǎn)火時(shí)刻燃?xì)鉁囟容^低,最終降低 了爆震趨勢(shì),92,4 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)存在的一些問(wèn)題 雖然GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排 放方面有很多PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn), 但是GDI 燃燒本身仍有很多不足之處需要改 進(jìn)。 a. GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器放在氣缸內(nèi),由于 噴油壓力低,

47、噴孔沒(méi)有自潔作用,因此很容易結(jié) 垢,從而使噴霧特性變壞,噴油量減少,使發(fā)動(dòng) 機(jī)的燃燒惡化,影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出和排 放,93,b. GDI的火焰在快速傳播的同時(shí),會(huì)出現(xiàn) 部分火焰熄滅的現(xiàn)象,這就會(huì)使HC的排放增加, 另外,缸內(nèi)壁面的燃油附著、著火延遲等情況 也會(huì)使HC的排放增加。 c. 由于氣缸內(nèi)混合氣的濃度和溫度分布 不均勻,NOx在高溫區(qū)生成較多,而高空燃比造 成的氧含量過(guò)高,又使對(duì)NOx的處理難度增 加,94,d. 理論上GDI發(fā)動(dòng)機(jī)可以不采用節(jié)流閥,但實(shí)際生 產(chǎn)的GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)都應(yīng)用了適度的節(jié)流作用,因?yàn)檩p度的 節(jié)流和EGR 可以降低HC的排放。但節(jié)流又會(huì)導(dǎo)致功 率的損失,雖然EGR對(duì)

48、NOx的降低有幫助,但過(guò)多的 EGR又會(huì)使稀薄燃燒惡化。 e. 傳統(tǒng)的三元轉(zhuǎn)換器只能在空燃比為14.7附近內(nèi) 的小范圍內(nèi)工作,顯然已不適合稀薄燃燒。 f . 發(fā)動(dòng)機(jī)不同負(fù)荷的噴油時(shí)刻相差較大,發(fā)動(dòng)機(jī)各 種負(fù)荷的平滑過(guò)渡也有待進(jìn)一步解決,成品發(fā)動(dòng)機(jī)的成 本較高,目前也很難大量占有市場(chǎng),95,5 展望 作為一種新型的燃燒方式, GDI發(fā)動(dòng)機(jī)有著 廣闊的發(fā)展前景,對(duì)解決能源危機(jī)和環(huán)境污染會(huì) 起到很大的作用。同任何一項(xiàng)新興技術(shù)一樣,目 前尚處于發(fā)展階段的GDI還有很多缺點(diǎn)和不足, 但是隨著研究的深入和一些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展, GDI發(fā)動(dòng)機(jī)很有可能取代EFI發(fā)動(dòng)機(jī),96,三菱GD I 發(fā)動(dòng)機(jī)及其故障診斷,1

49、引言 汽油直噴(GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)是當(dāng)今世界最先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)之一, 它很好地解決了燃油經(jīng)濟(jì)性和低排放兩大難題。世界各大汽 車(chē)廠(chǎng)家都在研制此類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī), 日本三菱公司就是其中之一, 該 公司已于1996年將GD I發(fā)動(dòng)機(jī)裝入其生產(chǎn)的Galant和 Legnum兩款轎車(chē)上。GDI系統(tǒng)是把汽油直接噴入氣缸內(nèi), 使 高精度的燃油控制成為可能的系統(tǒng)。GDI技術(shù)不僅在穩(wěn)定工 況時(shí)在經(jīng)濟(jì)性和排放方面具有潛在的優(yōu)勢(shì), 而且對(duì)排氣后處 理、發(fā)動(dòng)機(jī)控制以及系統(tǒng)穩(wěn)定性的組合效果也起著決定性的 作用,97,2GDI發(fā)動(dòng)機(jī) 傳統(tǒng)的多點(diǎn)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油是噴入進(jìn)氣道, 并與空氣 在進(jìn)氣道中混合后才被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸, 因此燃油供給響應(yīng) 不及時(shí), 燃燒控制受到限制。而GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油則是直接 噴入氣缸, 因而可實(shí)現(xiàn)燃油噴射的高速和高精度控制, 同時(shí)也 使燃燒控制成為可能。這種系統(tǒng)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn): 一是可根據(jù)發(fā) 動(dòng)機(jī)的運(yùn)