（动力机械及工程专业论文）台架试验用gdi发动机电控单元硬软件设计.pdf

合肥工业大学 l i i ii ii tl ltl tl t t1 1111l y 18 8 6 5 12 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 主席：球身掣中圄计量抬z 勿磋 委员： 导师： 别一荡彳像乙乜六咨面c ) 玖琅 碑铷彩字陂 闰渤 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金起工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：酿蓉灸蟹签字日期：2 0 1 1 年4 月越日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金理王些太 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 龃索l 铭 导师签名： 签字日期：2 1 1 年4 月2 己日签字日期：加，年华月2 2 日 学位论文作者毕业后去向：萄电灶 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 力，是内燃机发展的重要方向之一。g d i 发动机的关键点及难点在于在燃烧室 内形成理想的稀燃混合气，其中喷油压力、喷油时刻、喷油量、喷油次数、喷 雾特性、点火提前角等诸多因素都会影响混合气的形成，进而影响发动机工作 性能。为了研究各种不同因素对发动机工作性能的影响，设计了一个用于台架 试验的发动机电控系统，为开展g d i 发动机的研究提供良好的控制平台，主要 研究内容如下： 1 ) 根据试验用电控系统的功能要求，确定了需配置的传感器和执行器，由 此提出了电控系统总体结构方案。针对不同的传感器输入信号特性和执行器输 出驱动原理，设计了基于x c l 6 4 c s 单片机的电控单元硬件电路。 2 ) 喷油是影响缸内混合气形成的关键，根据喷油器对驱动电流的要求设计 了喷油驱动电路。为了节省系统软件资源，驱动电路以硬件反馈控制形成3 段 驱动电流驱动喷油器工作，驱动电流大小为预先设定并可调。试验结果表明， 该电路能有效降低喷油器开启时间，实现多次喷油，并消除蓄电池电压波动对 喷油精度的影响。 3 ) 基于任务调度机制和中断处理方式设计了电控单元软件系统总体结构， 划分软件系统任务并分配任务优先级。编写了任务执行程序、中断服务程序等 软件系统底层程序，为电控单元实现控制算法奠定了基础。为便于发动机到达 设定工况进行实验研究，软件设置了自动控制和手动控制两种工作模式。 4 ) 为方便试验人员进行实验操作，设计了后台管理软件。该软件可实时监 控发动机运行过程中各传感器的信息和运行状态参数的变化，实时设置发动机 的运行控制参数，并具有修改、存储、下载等m a p 标定功能。后台管理软件 通过c a n u s b 设备与电控单元通讯连接，采用了一种“应答”式通讯协议， 可保证在通讯发生故障时不会执行错误命令，增强了通讯可靠性。 通过对电控系统主要执行器的调试试验，验证了电控单元硬件电路部分的 可行性和可靠性，为进一步研究奠定基础。 关键词。缸内直喷汽油机；电控单元；硬件电路；软件设计；后台管理软件 w a r ea n d e n g i n e g a s o l i n ed i r e c ti n je c t i o ne n g i n e ( o d i ) h a sag r e a tp o t e n t i a li np o w e ra n df u e l e c o n o m y i ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td i r e c t i o nf o ri n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e f o r m i n gi d e a ll e a nm i x t u r ei nc y l i n d e ri st h ek e ya n dd i f f i c u l tp r o b l e mo fg d i a l o to ff a c t o r sc a na f f e c tt h em i x t u r ef o r m a t i o na n di n f l u e n c ee n g i n ep e r f o r m a n c e ， s u c ha si n j e c t i o np r e s s u r e ，i n j e c t i o nt i m i n g ，i n j e c t i o nq u a n t i t y , i n j e c t i o nf r e q u e n c y , s p r a yc h a r a c t e r i s t i c ，i g n i t i o nt i m i n ge t c i no r d e rt os t u d yt h e s ev a r i o u sf a c t o r st h a t i n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo fe n g i n e ，ag d ie n g i n ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) w a sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r , w h i c ha c ta sag o o dc o n t r o lp l a t f o r mf o re n g i n eb e n c h e x p e r i m e n t t h em a i nc o n t e n t so fs t u d y i n ga r es h o w na sf o l l o w s ： 1 ) t h ec o n f i g u r a t i o no fs e n s o r sa n da c t u a t o r sw e r ed e t e r m i n e db ya n a l y z i n g t h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n to fe x p e r i m e n te l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m s ( e c s ) ，a n dt h u s t h eo v e r a l ls t r u c t u r ep r o g r a mo fe csw a sp r o p o s e d f o rt h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s o fs e n s o rs i g n a li n p u ta n dp r i n c i p l eo fa c t u a t o ro u t p u td r i v i n g ，t h eh a r d w a r eo f e c uw a sd e s i g n e db a s e do nx c16 4 c s 2 ) i n j e c t i o ni st h ek e yt h a ta f f e c t sm i x t u r ef o r m a t i o n a ni n j e c t o rd r i v i n g c i r c u i tw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ed r i v i n gc u r r e n tr e q u i r e m e n t so fi n j e c t o r t h e 3 - s t e pi n j e c t i o nd r i v i n gc u r r e n tw a sa c h i e v e db yh a r d w a r ef e e d b a c kc o n t r o lm o d e t os a v et h es y s t e ms o f t w a r er e s o u r c e s ，t h ed r i v i n gc u r r e n tw a sp r e - s e ta n d a d j u s t a b l e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h eo p e n i n gt i m eo fi n j e c t o ri so b v i o u s l y r e d u c e d ，m u l t i p l ei n j e c t i o n c a nb ea c h i e v e da n dt h ei n f l u e n c eo fb a t t e r yv o l t a g e f l u c t u a t i o n se l i m i n a t e dw i t ht h ei n j e c t o rd r i v i n gc i r c u i t 3 ) t h es o f t w a r es y s t e ms t r u c t u r eo fe c uw a sd e s i g n e db a s e do nt a s ks c h e d u l e m e c h a n i s ma n di n t e r r u p th a n d l i n gm o d e ，d i f f e r e n tt a s k sw e r ec r e a t e da n dt h e i r p r i o r i t yw a sa s s i g n e d t h ep r o g r a ms u c ha st a s ke x e c u t i o np r o g r a ma n di n t e r r u p t s e r v i c ep r o g r a mw e r ew r i t e d ，a saf o u n d a t i o nf o rr e a l i z i n gc o n t r o la l g o r i t h mo f e c u t w om o d e s ( m a n u a lc o n t r o lm o d ea n da u t o m a t i cc o n t r o lm o d e ) w e r es e tu p ， m a k ee n g i n er e a c h e dt ot h eg i v e nc o n d i t i o nf a c i l i t a t i n gt oe x p e r i m e n ts t u d y 4 ) t h eb a c k g r o u n dm a n a g es o f t w a r ew a sd e s i g n e dt of a c i l i t a t i n gf o ro p e r a t o r s i ne x p e r i m e n ts t u d y i th a st h ea b i l i t yo fm o n i t o r i n gt h ec h a n g eo fr u n n i n g p a r a m e t e r sa n ds e n s o r ss i g n a l ，a n ds e t t i n gc o n t r o lp a r a m e t e r si nr e a l t i m e ，i ta l s o h a st h ea b i l i t yo fm a pc a l i b r a t i o ns u c ha s ，s a v e ，m o d i f y , d o w n l o a d ac a n u s b c o n v e r t e rd e v i c ew a su s e dt oc o n n e c t i o ne c ua n dp c t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l n a m e d r e s p o n s e ”w a su s e dt oe n h a n c et h ec o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t y , w h i c hc a n e n s u r et h a tt h ee r r o rc o m m a n dw i l ln o tb ee x e c u t e dw h e nc o m m u n i c a t i o nf a i l s t h r o u g ht h ed e b u g g i n gt e s to nt h ea c t u a t o r s ，r e s u l t sv e r i f yt h er e l i a b i l i t ya n d f e a s i b i l i t yo ft h ee c u h a r d w a r ec i r c u i t ，a n dl a yt h ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d y k e yw o r d s ：g d i ；e c u ；h a r d w a r e c i r c u i t ；s o f t w a r ed e s i g n ；b a c k g r o u n d m a n a g e m e n ts o f t w a r e ； 致谢 本论文是在导师滕勤副教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、构思和 定稿，每一个环节都倾注着导师的心血。导师渊博的知识、敏锐的学术洞察力、 严谨的治学作风、忘我的工作精神、诲人不倦的育人态度时刻感染并激励着作 者，令作者受益终生。值此论文完成之际，谨向导师致以最诚挚的谢意和最深 切的敬意! 感谢王国华老师、左承基老师、刘一鸣老师、孙军老师、汪春梅老师、 钱叶剑老师、程晓章老师、陈汉玉老师、徐天玉老师、谈建老师和路苏君 老师的教育、帮助和支持! 感谢师兄张健、安鹏为我树立了榜样，在课题研究方面给予的帮助! 感谢研究生韩鸣j 杨扬、刘伟、罗玮、黄保科、沈志峰、常耀红等同学在 学习、生活中的帮助! 感谢师弟罗军、刘井生、宫向、于峰、张文明、刘兴、张建波、李英在实 验和生活中的帮助! 特别感谢父母的养育之恩，以及亲戚朋友给予的无私关怀、支持和帮助! 感谢我成长路上的每一位老师! 感谢关心和帮助过我的所有人! 作者：胡颖智 2 0 11 年4 月2 2 日 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2g d i 发动机的优缺点分析及对电控系统的要求2 1 2 1g d i 发动机的发展历程2 1 2 2g d i 发动机的技术优势3 1 2 3g d i 发动机存在的问题3 1 2 4g d i 发动机对电控系统的要求4 1 3 国内外g d i 发动机电控系统的研究4 1 3 1 国外g d i 发动机电控系统的研究4 1 3 2 国内g d i 发动机电控系统的研究5 1 4 本文主要内容6 1 5 本文结构7 第二章g d i 发动机电控系统的组成及其工作原理9 2 1 电控系统功能要求9 2 1 1 喷油控制9 2 1 2 点火控制1 0 2 1 3 电子节气门控制10 2 1 4 燃油油轨压力控制1 1 2 2 电控系统总体结构方案。1 1 2 3 燃油喷射系统1 2 2 3 1 电动燃油泵1 3 2 3 2 高压油泵1 3 2 3 3 燃油共轨管1 5 2 3 4 高压喷油器15 2 4 点火系统1 6 2 5 可变气门正时系统( v v t ) 1 7 2 6 电子节气f - j ( e t c ) 1 8 2 7 本章小结1 9 第三章电控单元硬件电路设计2 0 3 1 电控单元总体结构2 0 3 2 微控制器模块2 0 3 2 1 微控制器选型2 0 3 2 2 微控制器特性2 1 3 2 3 系统时钟电路设计2 2 3 2 4 系统复位电路2 3 3 2 5 片上调试支持系统( o c d s ) 2 3 3 3 电源模块2 4 3 4 信号输入处理模块2 5 3 4 1 模拟信号处理电路2 5 3 4 2 脉冲信号处理电路2 6 3 4 3 爆震信号处理电路2 7 3 5 执行器输出驱动模块2 8 3 5 1 喷油器驱动电路2 8 3 5 2 点火线圈驱动电路3 4 3 5 3 电磁阀驱动电路3 5 3 5 4h 桥驱动电路3 5 3 6 通讯模块3 6 3 7 本章小结3 7 第四章电控单元软件设计。3 9 4 1 软件开发工具3 9 4 2 软件总体结构3 9 4 2 1 软件设计要求3 9 4 2 2 软件的总体结构4 0 4 2 3 控制模式4 0 4 2 4 任务及其优先级划分4 1 4 3 软件主要任务4 l 4 3 1 曲轴和凸轮轴信号处理任务4 l 4 3 2p w m 信号产生任务4 3 4 3 3 工况判断任务4 4 4 3 4 喷油驱动任务4 4 4 3 5 点火驱动任务4 5 4 3 6 数据采集任务4 5 4 3 7 实时中断任务4 6 4 4 脉谱4 6 4 4 1 脉谱的存储方式4 6 4 4 2 脉谱的查找方式4 6 4 5 通讯4 7 4 5 1t w i n c a n 模块简介4 7 4 5 2c a n 报文传输和帧结构4 8 4 5 3c a n 通讯程序设计4 8 4 6 本章小结4 9 第五章后台管理软件设计5 0 5 1 后台管理软件总体设计。5 0 5 2 后台管理软件通讯模块设计5 1 5 2 1 通讯方式选择5 1 5 2 2 通讯协议5 2 5 2 3 接收和发送数据的实现过程5 3 5 3 后台管理软件功能5 3 5 3 1 设备监控5 3 5 3 2 通讯线路检测5 4 5 3 3 运行状态监控5 4 5 3 4 控制参数设置5 4 5 3 5m a p 标定5 5 5 4 本章小结5 6 第六章执行器调试研究5 7 6 1 电子节气门5 7 6 1 1 电子节气门系统非线性分析5 7 6 1 2 系统调试结果5 7 6 2 喷油驱动试验5 9 6 3 点火驱动试验6 0 6 4 高压油泵驱动调试6 0 6 4 1 高压油泵试验台6 0 6 4 2 轨压调试试验6 1 6 5 本章小结6 2 第七章总结与展望6 3 7 1 全文工作总结6 3 7 2 后期工作展望6 4 参考文献6 5 插图清单锕图滑毕 图1 12 0 0 0 2 0 1 0 年中国汽车销量1 图2 1喷油脉宽计算流程9 图2 2 节气f - jp i d 控制流程1 0 图2 3台架试验用电控系统总体结构1 1 图2 - 4g d i 发动机燃油喷射系统结构图1 3 图2 5电动燃油泵1 3 图2 6 高压油泵1 4 图2 7 进油行程1 4 图2 8回油行程1 4 图2 9 泵油行程1 4 图2 1 0 高压油泵泵油时序图1 5 图2 1 1燃油压力传感器结构1 5 图2 1 2压力限制阀结构。15 图2 1 3高压喷油器结构1 6 图2 1 4 笔式系统原理图1 6 图2 1 5 笔式点火线圈实物1 6 图2 1 6 叶片式可变凸轮相位机构1 7 图2 1 7 正时滞后调节1 7 图2 1 8 正时提前调节1 8 图2 1 9 正时保持不变l8 图2 2 0电子节气门内部结构1 8 图3 1电控单元总体结构2 0 图3 2x c l 6 4 c s 功能框图2 1 图3 3系统时钟电路2 3 图3 - 4 系统复位电路2 3 图3 5j t a g 调试接口电路2 4 图3 - 6 电源模块2 5 图3 7r c 滤波电路2 6 图3 8 温度传感器测量电路2 6 图3 9蓄电池电压测量电路2 6 图3 1 0曲轴位置传感器信号处理电路2 7 图3 1 1凸轮轴相位传感器信号处理电路2 7 图3 1 2 爆震传感器信号处理电路2 8 图3 1 3理想的喷油器驱动电流2 8 图3 1 5b o o s t 升压电路原理图3 0 图3 1 6b o o s t 升压电路工作过程3 0 图3 1 7 基于u c 3 8 4 3 的d c d c 升压电路3 1 图3 1 8高端自举驱动电路3 2 图3 1 9电流分段控制电路3 3 图3 2 0 喷油器驱动模块实物3 4 图3 2 1点火线圈驱动电路3 4 图3 2 2电磁阀驱动电路3 5 图3 2 3h 桥驱动电路一3 6 图3 2 4c a n 总线电路3 7 图3 2 5电控单元实物3 7 图4 1 k e i li x v i s i o n 4 软件主界面一3 9 图4 2 软件总体结构图4 0 图4 3曲轴位置传感器信号和凸轮轴相位传感器信号关系4 l 图4 4曲轴信号中断任务处理4 3 图4 5凸轮轴信号中断任务处理4 3 图4 6p w m 信号产生原理4 4 图4 7 工况判断流程图4 4 图4 8 数据采集任务4 6 图4 9 一维脉谱插值示意图4 7 图4 1 0 二维脉谱插值示意图4 7 图4 1 1t w i n c a n 模块总体框图4 8 图4 1 2发送报文流程图4 9 图4 1 3接收报文流程图4 9 图5 1后台管理软件主界面5 0 图5 2 通讯协议5 2 图5 3运行状态监控区5 4 图5 - 4 参数设置5 5 图5 5一维m a p 一5 5 图5 6二维m a p 5 5 图5 7 修改m a p 5 6 图6 1p w m 占空比与节气门开度关系5 7 图6 21 0 开度到9 0 开度阶跃响应曲线5 8 图6 39 0 开度到1 0 开度阶跃响应曲线5 8 图6 44 0 开度到7 0 开度阶跃响应曲线5 8 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 图6 - 9 图6 1 0 图6 1 1 图6 1 2 图6 1 3 图6 1 4 图6 1 5 图6 1 6 图6 1 7 图6 1 8 7 0 开度到4 0 开度阶跃响应曲线5 8 8 0 开度到9 0 开度阶跃响应曲线5 8 9 0 开度到8 0 开度阶跃响应曲线5 8 l m s ，9 0 v 下喷油驱动电流曲线5 9 1 m s ，1 2 v 下喷油驱动电流曲线5 9 3 m s ，9 0 v 下喷油驱动电流曲线5 9 3 m s ，1 2 v 下喷油驱动电流曲线5 9 5 m s ，9 0 v 下喷油驱动电流曲线5 9 5 m s ，1 2 v 下喷油驱动电流曲线5 9 7 m s ，9 0 v 下喷油驱动电流曲线6 0 7 m s ，1 2 v 下喷油驱动电流曲线6 0 高压油泵试验台结构6 1 泵油过程轨压变化6 1 油轨压力变化曲线图6 1 计划2 第一章绪论 1 1 研究背景 汽车工业的发展水平是衡量一个国家综合国力的重要标志。随着我国社会 经济发展，人民生活水平不断提高，汽车也开始走进千家万户。进入2 l 世纪以 来，中国汽车销量一路攀升，从2 0 0 0 年的2 3 7 万辆上升到2 0 1 0 年的1 8 0 6 万辆， 年均增长2 2 5 ，如图1 1 所示。目前中国汽车保有量为9 0 8 6 万辆，预计到2 0 2 0 年中国汽车保有量将达到2 亿辆。汽车在给生活带来方便和促进经济繁荣的同 时，也带来了一系列的能源和环境问题。 ( 万辆) 2 0 0 0 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 82 0 0 92 0 1 0 ( 年) 图1 12 0 0 0 2 0 1 0 年中国汽车销量 汽车的发展必然伴随着石油消耗量的增加，加剧世界能源危机。据壳牌石 油公司和第二届世界煤炭会议预测，世界石油最长只够使用到2 0 3 8 年【l 】，而我 国的石油资源仅相当于世界平均水平的1 6 。随着我国经济持续高速增长，对 石油的需求与日俱增，目前我国已成为继美国之后的世界第二大石油消费国。 2 0 1 0 年我国进口石油2 3 9 亿吨，比上年增长1 7 5 ，石油对外依存度逼近5 5 ， 已经突破国际公认的5 0 的警戒线。石油供应不足已成为制约我国经济发展的 重要因素。 汽车尾气中含有大量会对环境造成巨大危害的物质，比如c o 、h c 、n o x 、 p m 等【2 4 】。另外尾气中的主要成分c 0 2 虽然对环境没有直接的危害，但它是造 成。温室效应”的元凶。 面对日益严峻的能源形势和环境污染问题，世界各国均颁发了日益严格的 汽车排放法规【4 1 ，见表1 1 。汽车生产厂商也采取了各种措施来降低汽车的油耗 并减少污染物的排放，以满足排放法规的要求。其中缸内直喷汽油机( g a s o l i n e d i r e c ti n j e c t i o n ，g d i ) 动态响应性能好，进一步改善燃油经济性的潜力巨大， 升功率高，是内燃机发展的一个重要方向【5 巧】。 湖伽枷枷咖湖鲫枷瑚 l l l i l 表1 1主要国家和地区汽车尾气排放、油耗法规的执行情况及未来计划 国家 排放、 2 0 0 2 年以前2 0 0 3 年2 0 0 4 年2 0 0 5 年2 0 0 6 年2 0 0 7 年以后或 油耗法规 地区 e p a 美国环境 t i e d t i e r 2 导入完 保护厅 ( 1 9 9 4 m y )成( 2 0 1 0 m y ) c a r b l e v iz e v c 0 2 法规 美国( 加利福尼亚大强化 气资源局) ( 1 9 9 4 m y )( 2 0 0 5 m y ) ( 2 0 0 6 年) 导入强化标准强化标准计 ( 1 9 7 5 年)( 2 0 0 5 m y )划( 2 0 0 8 m y ) 新车型 e u r o i n e u r o i v e u r o v 欧洲 ( 2 0 0 0 年)( 2 0 1 0 年) e u r o e u r o i v 适用 e u r o v 新登记车辆 ( 2 0 0 1 年)( 2 0 0 6 年) ( 2 0 1 1 年) 新短期 导入 排放法规 新长期 日本 排放法规 p o s t 新长期 草案发布 排放法规 国家第一阶段 第二阶第三阶段 中国 排放法规( 2 0 0 1 年)段( 2 0 0 7 年) 欧洲e u r o i i 印度 e u r o i i i 排放法规( 2 0 0 1 年) 乘用车、 p r o c o n v ep r o c o n v e 巴西 小型商用车 p i ( 1 9 8 6 年)p 5 ( 2 0 0 5 年) 1 2g d i 发动机的优缺点分析及对电控系统的要求 1 2 1g d i 发动机的发展历程 汽油缸内直喷并不是一个全新的概念，早在2 0 世纪5 0 年代，人们就已经 开始研究，并推出了一些汽油缸内喷射和分层充气式燃烧系统。如1 9 6 9 年德国 的m a n f m 燃烧系统、1 9 7 4 年t e x a c o 的t c c s 燃烧系统和1 9 7 8 年f o r d 的 p r o c o 燃烧系统等【l 肌1 2 】。但由于当时技术条件的限制，这些燃烧系统都存在 着喷雾质量差、控制策略不灵活等缺点，不能完全满足发动机动力性、经济性 和排放的要求，因此没有得到实际应用【l3 1 。 2 0 世纪9 0 年代以后，随着能源危机的加剧和排放法规的日趋严格，g d i 发动机的研究又逐渐被重视。继日本三菱公司在1 9 9 6 年率先推出分层燃烧的 g d i 发动机后【1 4 1 ，世界著名汽车公司都相继开发了比较成熟的g d i 机型和产品 1 5 - 2 0 】。新的g d i 发动机燃油喷射系统均采用共轨式( c o m m o nr a i l ) 电控喷油 方式，改善了喷雾特性，并可以根据需要调整喷射时间和喷油压力，消除了过 去因喷油系统能力不足而对缸内直喷技术发展的一些限制，也是现代缸内直喷 汽油机成功的关键因素【1 3 】。 根据不同的喷油器类型以及喷油器与火花塞的安装位置，按照不同的混合 气制备方式，g d i 发动机燃烧系统可分为3 类：喷雾引导式、壁面引导式和气 流引导式。 2 1 2 2g d i 发动机的技术优势 1 ) 在部分负荷时传统p f i 发动机通过改变节气门开度方式来控制负荷，而 g d i 发动机通过控制喷入气缸的燃油量来控制负荷，降低了泵气损失【1 2 , 2 0 。 2 ) 燃油喷入气缸内后，吸热蒸发，使缸内混合气的温度和体积下降，从而 提高充气效率和压缩比，抑制爆燃发生，显著改善发动机燃油经济性【2 1 。2 3 1 。 3 ) 可实现对混合气空燃比的精确控制，无需像p f i 发动机一样在冷启动时 过量供油，同时避免了油膜壁湿现象，降低未燃碳氢( u n b u r n e dh y d r o c a r b o n s ， u b h c ) 的排放【2 4 j 。 4 ) 燃油直接喷入缸内，使发动机在低温下也具有良好的加速能力和瞬态响 应性能，同时提高了各缸的燃烧一致性，降低循环波动【2 5 1 。 5 ) 稀薄燃烧能使缸内温度下降，减少n o x 的生成。 1 2 3g d i 发动机存在的问题 1 ) u b h c 排放 实际g d i 发动机不可能形成理想的分层燃烧混合气，燃油在压缩冲程 末期喷入气缸后，因雾化时间不足会在火花塞附近形成大量浓混合气，导致大 量u b h c 产生【1 2 2 5 1 。 燃烧火焰从浓混合气区向稀混合气区传播时，会因混合气过稀而熄灭， 导致u b h c 产生。 稀薄燃烧造成气缸内温度偏低，不利于u b h c 在燃烧后期继续氧化。 较高的压缩比使得残留在狭缝容积中的u b h c 增加【2 6 1 。 采用“壁面引导法组织混合气时，燃油在与温度较低的活塞顶部和缸 壁碰撞后不能在着火前完全蒸发，引起较多的u b h c 产生【2 7 1 。 2 ) n o x 排放 分层混合气由浓到稀分布，将不可避免地出现空燃比为1 附近的混合气 区，造成局部n o x 生成增多。 较高的压缩比和较快的放热率也会引起n o x 生成增多f 2 8 1 。 在稀空燃比工作条件下造成废气中含氧较多且排放温度也较低，使得传 统的三效催化器难以适用。目前正在开发的各种稀燃催化器，如选择还原型n o x 催化器、吸附还原型n o ，催化器等，都在不同程度上存在着价格昂贵、转化效 率低、工作温度范围窄和对燃油品质( 如硫含量) 非常敏感等问题【2 9 1 。 3 1 微粒排放 在低负荷、过渡工况和冷启动的情况下，微粒排放有较多的增加。其主要 原因可能是由于缸内温度较低造成微粒氧化不足，局部区域混合气过浓，液态 油滴过大未完全蒸发燃烧【3 引。 4 ) 燃烧系统开发困难 燃烧系统的优化和喷油系统的开发复杂，成本高。燃烧系统需要同时兼顾 在大负荷时形成均质混合气和在中小负荷形成分层稀薄混合气。分层燃烧对燃 油蒸气在缸内的分布要求很高，必须严格控制喷油时刻、点火时刻、空气运动、 喷雾特性与燃烧室形状的配合，否则很容易发生燃烧不稳定和失火【3 , 3 1 】。 1 2 4g d i 发动机对电控系统的要求 1 ) 点火能量高：g d i 发动机在中小负荷时工作在稀薄燃烧模式，混合气空 燃比较大，与工作在化学计量空燃比附近的p f i 发动机相比，需要更高的点火 能量，否则容易造成失火或燃烧不稳定。 2 ) 喷油压力高：g d i 发动机油气混合可利用时间比p f i 发动机短，燃油被 喷入气缸后需迅速蒸发与周围空气实现微观上的混合。燃油蒸发所需时间与油 雾索特平均直径( s a u t e rm e a nd i a m e t e r ，s m d ) 的平方成正比，只有s m d 小 到2 0 9 m 左右才能使燃油的蒸发速度满足在缸内形成理想混