直噴發(fā)動機及其節(jié)能技術(shù)

1、 GDI 1 GDI 1概念概念 GDI 發(fā)動機發(fā)動機-缸內(nèi)直噴汽油機缸內(nèi)直噴汽油機 Gasoline Direct Injection Engine PFIPFI系統(tǒng)系統(tǒng) GDIGDI系統(tǒng)系統(tǒng)一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀 GDI 2 GDI 2優(yōu)缺點優(yōu)缺點 GDIGDI燃油直接噴入到氣缸、冷卻缸內(nèi)溫度燃油直接噴入到氣缸、冷卻缸內(nèi)溫度可以提高發(fā)動機的充氣效率可以提高發(fā)動機的充氣效率可以提高壓縮比可以提高壓縮比循環(huán)供油量控制更精確循環(huán)供油量控制更精確可實現(xiàn)多種噴油模式可實現(xiàn)多種噴油模式消除了燃油供給的滯后效應(yīng)，即使在低溫下也具有良消除了燃油供給的滯后效應(yīng)，即使在低溫下也具有良好的瞬態(tài)響

2、應(yīng)性好的瞬態(tài)響應(yīng)性 部分負荷采用分層稀燃，減少節(jié)氣門的節(jié)流損失部分負荷采用分層稀燃，減少節(jié)氣門的節(jié)流損失一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀 GDI 2 GDI 2優(yōu)缺點優(yōu)缺點 主要主要問題問題一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀 GDI 3 GDI 3全貌全貌 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀 GDI 4 GDI 4 燃料系統(tǒng)燃料系統(tǒng) 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀 GDI 5 GDI 5 噴射模式噴射模式 單階段噴射模式：單階段噴射模式： 中小負荷時，在壓縮行程后期開始噴油中小負荷時，在壓縮行程后期開始噴油 大負荷及全負荷時，在早期進氣行程中將燃油噴入氣缸大負荷及全負荷時

3、，在早期進氣行程中將燃油噴入氣缸 多階段噴射模式：多階段噴射模式：例如在進氣早期開始噴油（例如在進氣早期開始噴油（1/4），使），使燃油在氣缸中均勻分布，在壓縮后期再次噴油，點火時在火燃油在氣缸中均勻分布，在壓縮后期再次噴油，點火時在火花塞附近形成較濃的可燃混合氣；例如后噴，快速啟燃后處花塞附近形成較濃的可燃混合氣；例如后噴，快速啟燃后處理器。理器。一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀 GDI 6 GDI 6 燃燒模式與控制策略燃燒模式與控制策略 理論均質(zhì)混合氣燃燒模式理論均質(zhì)混合氣燃燒模式分層稀燃模式分層稀燃模式雙模式雙模式中小負荷時，中小負荷時，分層稀燃分層稀燃11大負荷或全負荷時，均質(zhì)

4、燃燒大負荷或全負荷時，均質(zhì)燃燒=1=1一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀 =1，其控制策略與，其控制策略與PFI發(fā)動機基本一樣發(fā)動機基本一樣 1，分層稀燃的控制策略比較復(fù)雜，分層稀燃的控制策略比較復(fù)雜 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀 GDI 6 GDI 6 燃燒模式與控制策略燃燒模式與控制策略 =1，其控制策略與，其控制策略與PFI發(fā)動機基本一樣發(fā)動機基本一樣 1，分層稀燃的控制策略比較復(fù)雜，分層稀燃的控制策略比較復(fù)雜 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀 GDI 6 GDI 6 燃燒模式與控制策略燃燒模式與控制策略 GDI 7 GDI 7 點火點火 開環(huán)控制開環(huán)控制正時調(diào)節(jié)正時

5、調(diào)節(jié) 通過大量匹配試驗測取各工況下通過大量匹配試驗測取各工況下 的點火正時最佳調(diào)整值的點火正時最佳調(diào)整值MAP， ECU根據(jù)主控量負荷和轉(zhuǎn)速，經(jīng)根據(jù)主控量負荷和轉(zhuǎn)速，經(jīng) 計算和必要修正點火。計算和必要修正點火。 閉環(huán)控制閉環(huán)控制正時調(diào)節(jié)正時調(diào)節(jié) 在發(fā)動機的特定運轉(zhuǎn)工況下通過爆震傳感器的振動頻率信號感知發(fā)在發(fā)動機的特定運轉(zhuǎn)工況下通過爆震傳感器的振動頻率信號感知發(fā)動機缸內(nèi)燃燒情況，控制爆震燃燒在一定的強度，如果超限，則推動機缸內(nèi)燃燒情況，控制爆震燃燒在一定的強度，如果超限，則推遲點火，從而抑制更強烈爆震的發(fā)生，一般采用和開環(huán)控制相結(jié)合遲點火，從而抑制更強烈爆震的發(fā)生，一般采用和開環(huán)控制相結(jié)合的辦，

6、使發(fā)動機得到綜合性能最佳的控制。的辦，使發(fā)動機得到綜合性能最佳的控制。 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀 GDI 7 GDI 7 點火點火 改進的高能量點火系統(tǒng)改進的高能量點火系統(tǒng) 火花塞利用耐用可靠的白金、火花塞利用耐用可靠的白金、 銥金電極銥金電極 兩段直徑中心電極兩段直徑中心電極 突出的金屬殼、銅芯嵌入電極突出的金屬殼、銅芯嵌入電極 火花塞布置在燃燒室中央，火花塞布置在燃燒室中央， 中心電極突出較多，位于混中心電極突出較多，位于混 合氣形成中心合氣形成中心 為提高放電電流和放電時間，為提高放電電流和放電時間， 各缸都采用單獨的點火線圈各缸都采用單獨的點火線圈 一一、GDIGDI汽油

7、機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀 GDI 8 GDI 8 多氣門進氣系統(tǒng)多氣門進氣系統(tǒng) 發(fā)動機的充量系數(shù)與進氣孔口的馬赫數(shù)發(fā)動機的充量系數(shù)與進氣孔口的馬赫數(shù)（Ma ）有密切關(guān)系，有密切關(guān)系，當(dāng)當(dāng)MaMa超過超過0.50.5后，充量系數(shù)開始快速下降后，充量系數(shù)開始快速下降 增加進氣門的流通面積是降低進氣阻力，減小進氣馬赫數(shù)，增加進氣門的流通面積是降低進氣阻力，減小進氣馬赫數(shù)，提高發(fā)動機充量系數(shù)的最主要的措施提高發(fā)動機充量系數(shù)的最主要的措施 采用進氣門傾斜來增加進氣門直徑采用進氣門傾斜來增加進氣門直徑 增加進排氣門數(shù)增加進排氣門數(shù) 多氣門可使火花塞中央布置多氣門可使火花塞中央布置 多氣門高速發(fā)動機均采用頂置凸輪，

8、有單頂置凸輪軸多氣門高速發(fā)動機均采用頂置凸輪，有單頂置凸輪軸（single overhead camshaft SOHC ）和雙頂置凸輪軸和雙頂置凸輪軸（double , DOHC ）結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀 GDI 8 GDI 8 多氣門進氣系統(tǒng)多氣門進氣系統(tǒng) 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀GDI 9 可變氣門系統(tǒng)可變氣門系統(tǒng) 發(fā)動機要在寬廣的工況范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)發(fā)動機要在寬廣的工況范圍內(nèi)運轉(zhuǎn) 低速低負荷時低速低負荷時 采用較小的氣門疊開角防止出現(xiàn)缸內(nèi)充量向進氣系統(tǒng)倒流采用較小的氣門疊開角防止出現(xiàn)缸內(nèi)充量向進氣系統(tǒng)倒流 利用推遲進氣或較小的氣門升程，提高進氣管與

9、缸內(nèi)壓差利用推遲進氣或較小的氣門升程，提高進氣管與缸內(nèi)壓差，增加缸內(nèi)氣體的湍流運動，促進燃燒，增加缸內(nèi)氣體的湍流運動，促進燃燒 高速高負荷高速高負荷 采用最大的氣門升程和合理的進氣門正時，最大程度地減采用最大的氣門升程和合理的進氣門正時，最大程度地減小流動阻力小流動阻力 充分利用進氣門遲閉過后充氣，提高充量系數(shù)充分利用進氣門遲閉過后充氣，提高充量系數(shù) 利用利用VVAVVA替代節(jié)氣門替代節(jié)氣門 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀GDI 9 可變氣門系統(tǒng)可變氣門系統(tǒng) 機械式：目前商品化的系統(tǒng)還是機械式，基本上可以實現(xiàn)可機械式：目前商品化的系統(tǒng)還是機械式，基本上可以實現(xiàn)可變氣門正時、可變氣門升程

10、和可變氣門持續(xù)角等功能。變氣門正時、可變氣門升程和可變氣門持續(xù)角等功能。 可變凸輪機構(gòu)（可變凸輪機構(gòu)（variable camshaft system , VCS ） 可變氣門正時可變氣門正時（variable valve timing , VVT ） 可變的配氣執(zhí)行機構(gòu)可變的配氣執(zhí)行機構(gòu)( variable valve actuation，VVA)上述上述的組合的組合 電子控制無凸輪機構(gòu)：機構(gòu)復(fù)雜而且價格昂貴，如電子控制無凸輪機構(gòu)：機構(gòu)復(fù)雜而且價格昂貴，如GM GM 和和FEV FEV 公司推出的無凸輪的電磁氣門驅(qū)動機構(gòu)以及公司推出的無凸輪的電磁氣門驅(qū)動機構(gòu)以及Ford Ford 公司的液壓

11、公司的液壓氣門驅(qū)動機構(gòu)等。氣門驅(qū)動機構(gòu)等。 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀GDI 9 可變氣門系統(tǒng)可變氣門系統(tǒng) 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀GDI 9 可變氣門系統(tǒng)可變氣門系統(tǒng)保時捷保時捷Variocam 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀GDI 9 可變氣門系統(tǒng)可變氣門系統(tǒng)本田本田VETC 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀GDI 9 可變氣門系統(tǒng)可變氣門系統(tǒng)寶馬寶馬Valvetronic 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀GDI 9 可變氣門系統(tǒng)可變氣門系統(tǒng) 菲亞特的菲亞特的multiair一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀GDI 10 可變進氣壓力可變進

12、氣壓力 利用進氣諧振，可使充量系數(shù)的峰值向發(fā)動機低速一側(cè)移動利用進氣諧振，可使充量系數(shù)的峰值向發(fā)動機低速一側(cè)移動活反之向高速一側(cè)移動活反之向高速一側(cè)移動 可以通過改變進氣管長度可以通過改變進氣管長度 可以通過改變進氣管管徑可以通過改變進氣管管徑 實際應(yīng)用中，可變的進氣管長度比較容易實現(xiàn)實際應(yīng)用中，可變的進氣管長度比較容易實現(xiàn) 亦有多種結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以達到比較好的效果亦有多種結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以達到比較好的效果 渦輪增壓（渦輪增壓（turbocharger) 增壓中冷增壓中冷 放氣閥放氣閥 VNT 和和VGT 機械增壓機械增壓(supercharger) 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀GDI 1

13、0 可變進氣壓力可變進氣壓力 VICS可變進氣歧管可變進氣歧管 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀GDI 10 可變進氣壓力可變進氣壓力 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀GDI 10 可變進氣壓力可變進氣壓力 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀GDI 11 可變進氣流動可變進氣流動 VTCS可變渦流控制系統(tǒng)可變渦流控制系統(tǒng) 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀GDI 12 緊湊型燃燒室緊湊型燃燒室 一一、GDIGDI汽油機現(xiàn)狀汽油機現(xiàn)狀 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -VCR-VCR 圖圖1.20021.2002年雷諾公司對于年雷諾公司對于 發(fā)動機新技術(shù)對于燃油經(jīng)發(fā)

14、動機新技術(shù)對于燃油經(jīng)濟性影響潛力的評估濟性影響潛力的評估圖圖2.2.瑞典瑞典LundLund技術(shù)學(xué)院對技術(shù)學(xué)院對于可變壓縮比對熱效率的于可變壓縮比對熱效率的影響的研究影響的研究 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -VCR-VCR 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -VCR-VCR畫出)。 可變壓縮比機構(gòu)CATIA裝配模型圖 1動力輸出軸；2曲軸；3同步齒輪；4曲軸支承橫梁；5升降控制齒輪齒輪軸；6升降控制齒輪；7蝸輪；8蝸桿；9活塞連桿組 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -VCR-VCR畫出)。 基于偏心連桿軸頸的可變壓縮比機構(gòu) 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提

15、高 -VCR-VCR畫出)。IMEP=BMEP + FMEP + PMEP，原機CR10.5升到17，b下降4.8%。20%負荷時平均壓力曲線圖 20%負荷燃油消耗率曲線圖 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -VCR-VCR畫出)。應(yīng)用應(yīng)用MILLERMILLER循環(huán)實現(xiàn)可變壓縮比循環(huán)實現(xiàn)可變壓縮比 WOT100%負荷燃油消耗率隨點火提前角變化情況 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -VCR-VCR畫出)。WOT2200r/min,75%、50%、25%負荷兩種循環(huán)的燃油經(jīng)濟性對比(幾何壓縮比不變） 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -VVA-VVA畫出)。 不同氣門負

16、荷控制策略 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -VVA-VVA畫出)。凸輪驅(qū)動式液壓可變氣門機構(gòu)圖 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -VVA-VVA畫出)。2200r/min，25%負荷無節(jié)氣門負荷控制方式（a）不同氣門開啟持續(xù)期P-V圖 （b）不同氣門開啟時刻P-V圖結(jié)論：隨氣門開啟持續(xù)期的增加，開啟滯后，泵氣損失加大。 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -VVA-VVA畫出)。無節(jié)氣門負荷控制全工況泵氣損失降低map332 CA ATDC開啟，氣門開啟持續(xù)期按原機曲線 無節(jié)氣門負荷控制方式燃油經(jīng)濟性提升map 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -VDT-V

17、DT畫出)。廢氣回流式停缸方式廢氣回流式停缸方式 廢氣回流式變排量發(fā)動機示意圖 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -VDT-VDT畫出)。廢氣回流式停缸方式廢氣回流式停缸方式 2600r/min，燃油經(jīng)濟性的負荷特性與節(jié)油比例 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -VDT-VDT畫出)。停氣門式變排量方式停氣門式變排量方式 2600r/min、20%-80%負荷下燃油經(jīng)濟性隨負荷變化規(guī)律 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -VDT-VDT畫出)。停氣門式變排量方式停氣門式變排量方式 40%負荷、4000r/min兩種變排量方式燃油經(jīng)濟性對比 二、 GDI汽油機汽油機性能提

18、高性能提高 -DSS-DSS畫出)。直接起停技術(shù)(Direct Start Stop) 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -DSS-DSS畫出)。反轉(zhuǎn)直接起動模式工作時序圖（發(fā)火順序反轉(zhuǎn)直接起動模式工作時序圖（發(fā)火順序1342對應(yīng)一二三四）對應(yīng)一二三四）正轉(zhuǎn)直接起動模式工作時序圖（發(fā)火順序正轉(zhuǎn)直接起動模式工作時序圖（發(fā)火順序1342對應(yīng)一二三四）對應(yīng)一二三四） 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -DSS-DSS畫出)。示例：反轉(zhuǎn)啟動膨脹缸點火時刻IE對n影響（活塞初始位置、水溫、噴油壓力，兩缸、噴油正時、點火時刻）示例：正轉(zhuǎn)啟動過量空氣系數(shù)對首循環(huán)、次循環(huán)轉(zhuǎn)速的影響（活塞初始位

19、置、水溫、噴油壓力，兩缸、噴油正時、點火時刻） 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -DSS-DSS畫出)。示例：過量空氣系數(shù)對首循環(huán)排放的影響 示例：過量空氣系數(shù)對次循環(huán)排放的影響 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -EGR-EGR畫出)。 部分負荷EGR改善效果（美國西南研究院Terry Alger） 燃油加濃、空氣稀釋和EGR稀釋三種方式的爆震抑制效果SAE 2008-01-0425 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -EGR-EGR畫出)。 （1500s，1500r/min） （2000s，1500r/min） （1500s，2500r/min） （2000s，2

20、500r/min） 均質(zhì)EGR各工況不同EGR率下扭矩隨點火正時的變化圖（1500s，1500r/min） （2000s，1500r/min）（）（1500s，2500r/min）（）（2000s，2500r/min） 均質(zhì)EGR各工況扭矩最大值 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -EGR-EGR畫出)。 （1500s，1500r/min） （2000s，1500r/min）（）（1500s，2500r/min）（）（2000s，2500r/min） 均質(zhì)EGR各工況排溫與排放 （ 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -EGR-EGR畫出)。 噴油脈寬1500s冷熱EGR扭矩對比

21、 噴油脈寬2000s冷熱EGR扭矩對比 （1500s，1500r/min） （2000s，1500r/min） （1500s，2500r/min） （2000s，2500r/min） 冷熱EGR缸壓和放熱率曲線 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -EGR-EGR畫出)。 （a）環(huán)狀分區(qū) （b）左右半分區(qū)（c）帶狀分區(qū) （d）上下半分區(qū)（e）半球形分區(qū)（f）圓錐形分區(qū)不同形態(tài)的柔性可控燃燒室 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -EGR-EGR畫出)。 利用排氣回流實現(xiàn)EGR分層策略的設(shè)想圖 二、 GDI汽油機汽油機性能提高性能提高 -EGR-EGR畫出)。 排氣門不同二次開啟時刻進排氣門升程曲線排氣門不同二次開啟時刻進排氣門升程曲線