GDI发动机的发展趋势

1、缸内直喷汽油机技术发展趋势分析、八 、-前言近几十年来，受能源日益枯竭、油价不断上涨、全球变暖等问题 的困扰，在满足发动机排放要求的前提下改善发动机燃油经济性显得 格外迫切。由于汽油机的燃油经济性比柴油机差，所以。降低汽油机 的能耗已经成为汽车界当前必须要解决的问题。 开发具有汽油机优点 同时又具备柴油机部分负荷高燃油经济性优点的车用发动机是主要 的研究目标。汽油缸内直(GDI)是提高汽油机燃油经济性的重要手段， 近些年来，以缸内直喷为代表的新型混合气形成模式的研究与应用极 大地提高了汽油机的燃油经济性。1.GDI 发动机技术发展现状 对于汽油机缸内直喷的工作方式，20 世纪 50 年代德国的

2、BenZ300SL车型和60年代MAN FM系统，70年代美国Texaco的TCCS系统和Ford的PROCO系统就曾经采用过o。这些早期技术 大多基于每缸 2 气门和碗形活塞燃烧室， 利用柴油机的机械泵和喷油 器实现后喷。这些早期的 GDI 发动机在大部分负荷范围实现了无节 气门控制并且燃油经济性接近非直喷柴油机。 其主要缺点是由于采用 机械式供油系统，各负荷甚至全负荷时后喷时刻 是固定的，燃烧烟度限制了空燃比不能超过 20：l 口采用柴油机供油 系统并利用涡轮增压技术来增加功率输出， 使得汽油机性能与柴油机 相似，且在部分负荷时有更差的 HC 排放。空气利用效率低，机械供 油系统受到转速范

3、围的限制，使得发动机的输出功率非常低。因此，受当时内燃机制造技术水平的限制， 加之尚无电控喷射手段， 开发出 的 GDI 发动机性能和排放并不理想，没有得到实际应用。20 世纪 90年代以后，由于发动机制造技术的提高，制造精密、 性能优良的内燃机部件的应用和精度高、 响应快的电控汽油直喷系统 的应用使得 GDI 发动机的研究与应用得到快速发展。 GDI 发动机瞬 态响应好， 可以实现精确的空燃比控制， 具有快速冷起动和减速断油 能力及潜在的系统优化能力， 这些都显示了它比进气道喷射汽油机更 优越。采用先进的电子控制技术， 解决了早期直喷发动机的控制和排 放等方面的许多问题。 新技术和电子控制策

4、略的发展使得许多发动机 制造企业重新考虑 GDI 发动机的潜在优点。 1996 年日本三菱汽车公 司率先推出 18L 顶置双凸轮轴 16气门 4G93 壁面引导型直喷发动 机；丰田公司开发出了同时采用 GDI 和 PFI 两套供油系统的 2GR-FSEV6 发动机；通用公司 2004 年开发出了采用可变气门定时 (VVT) 技术的分层稀燃直喷发动机 宝马公司在低压均质混合气直喷 GDIV12 发动机的基础上， 2006 年又开发出了可以实现分层稀燃的 R6直喷发动机；德国大众公司2000年底利用电子控制系统把与 TDI 柴油机相似的原理用在汽油机上，开发了壁面引导型燃油分层直喷 FSI 发动机

5、，并用于 Lupo 车上，其 i00km 的平均油耗只有 49 L， 成为世界上第一辆 5L 汽油机汽车； 2004 年奥迪公司开始将其 2OTFsI 燃油分层直接喷射增压汽油机推向市场。目前，引进的大众 FSI 发动机是我国唯一量产的 GDI 发动机。 缸内直喷技术对汽油的油品质量是个严格考验，正是基于这个原因， 大众在中国的 FSI 发动机上取消了分层燃烧技术， 只保留了均匀燃烧 模式。由于排放、燃烧稳定性、燃油品质、性能及可靠性等方面的问题 限制了 GDI 发动机普遍应用， GDI 技术完全替代 PFI 技术目前仍然 存在一些技术难题。 国内外的公司和研究机构也都在积极地开发设计 新型直

6、喷发动机，如 AVL 公司正在开发基于喷射引导和激光点火系 统的新一代分层稀燃直喷发动机技术。目前，国内一汽集团、华晨、 奇瑞、长安和吉利等汽车企业联合高校正在开发理论空燃比混合气或 多种燃烧模式相结合的 GDI 发动机。2.GDI 技术与 PFI 气门口喷射技术的比较混合气形成策略不同是 PFI 发动机与 GDI 发动机的主要区别。 PFI 发动机产品中， 20喷嘴装在气缸盖上进气门的背面， 80安装 在进气歧管上靠近气缸盖位置， 在发动机起动时， 会在进气门附近形 成瞬时的液态油膜， 这些燃油会在每次进气过程逐渐蒸发进入气缸燃 烧。因此，进气口处的油膜如同电容具有积分的作用，发动机瞬时 的

7、供油量不能通过喷油器实现精确控制。 由于部分蒸发现象导致油量 控制延迟和计量偏差， 冷机起动时由于燃油蒸发困难， 使得实际供油 量远大于需求空燃比的供油量，这样会导致冷起动时发动机有 4个 10 个循环的不稳定燃烧，显著加大发动机未燃 HC 排放。 GDI 技术 可以避免气门口燃油湿壁现象， 实现燃烧各阶段准确供油， 能够实现 更稀薄燃烧并且降低缸与缸之间、 循环与循环之间的变动， 冷起动首 循环不需加浓控制，降低瞬态工况 HC的排放0。然而GDI发动机 对燃油蒸发和混合物形成有更严格的要求， 需要通过更高的喷油压力 提高燃油的雾化率。PFI 发动机的另一限制是中、小负荷时采用节气门来控制负荷

8、， 存在节流损失， GDI 发动机在中、小负荷时采用分层充气工作模式， 通过控制喷人气缸的油量来控制发动机的负荷， 不采用节气门可以降 低泵气损失和热损失。GDI 发动机理论上不存在上述两方面的限制。 除了具有消除油膜 湿壁现象和无节气门节流损失的优点外， GDI 发动机具有优于 PFI 发动机的热力学特性。 GDI 共轨供油系统可以显著提高供油压力， 提 高雾化质量和雾化率， 这使发动机起动时前两个循环无需额外供油就 能实现稳定燃烧，这样 GDI 发动机冷起动时的 HC 排放具有降低到 稳态工况的潜力。另外，潜在的优点是可以实现减速断油，提高燃油 经济性和降低 HC 排放，对 PFI 发动机

9、而言，减速断油不是可行的选 择，因为这样会减少或消除气门口附近的油膜， 而在气门口附近建立 稳定的油膜是一个需要几个循环的瞬态过程， 这个过程能够使燃烧室 内形成很稀的混合气，导致失火或回火。另一个潜在的优点是，缸内 直喷能够降低进气温度，提高充气效率，燃油的蒸发能够冷却进气， 汽化潜热主要来自新鲜充气， 而不是燃烧室壁面， 在燃油早喷和后喷 阶段均能冷却进气， 故在进气过程喷油能够提高充气效率。 GDI 发动 机燃油经济性能够得到显著改善， 对于不同的测试循环， 最大可以提 高 20% 30%。PFI 系统相比 GDI 系统也仍具有一定的优点， 如 PFI 发动机的进 气管相当于预蒸发室，能

10、够增加燃油蒸发的时间，而 GDI 发动机燃 油直接喷人气缸， 混合气形成的时间少， 燃油喷雾微粒必须足够小以 保证燃油在喷油与点火之间的有限时间内能够蒸发， 如果燃油液滴没 能蒸发就会形成微粒和未燃的 HC 排放。此外，燃油直接喷到缸内， 可能导致燃油冲击到活塞顶部和缸壁表面， 这些因素可能导致微粒和 He排放的增加，并加大了发动机的磨损。PFI发动机的其他优点，如 低压喷射系统、 可以采用三效催化器、 更高的排温提高三效催化器的 效率，这些都对 GDI 发动机的发展提出了挑战。3.GDI 发动机应用中存在的问题GDI 发动机具有柴油机的经济性并保持了汽油机的特点， 相对于 技术成熟的 PFI

11、 发动机具有显著优点， 但是排放、 燃烧稳定性等方面 的问题限制了其普遍应用， 目前， GDI 技术完全替代 PFI 技术仍然存 在一些技术挑战。a）排放控制分层混合气浓度非均匀分布， 存在较浓的混合气， 在这些区域中 局部燃烧温度仍然较高，导致 Nq 排放较多，然而总体混合气较稀不 能有效利用三效催化器； 分层混合气外边界较稀的部分易发生火焰熄 灭现象，同时缸内喷油湿壁现象会使活塞顶部和气缸壁混合气过浓的 区域燃烧不好，使得小负荷时 HC 排放相对较高；分层燃烧工况由于 混合气浓度分布不均匀， GDI 发动机增加了微粒排放；b）稳定燃烧控制GDI 发动机分层充气稀燃区域的稳定燃烧控制难度较大

12、。部分 负荷分层稀燃和太负荷均质燃烧模式转变时的控制也非常复杂； 为了 降低 Nq 排放 GDI 发动机采用较高的 EGR 率，且喷油嘴沉积物增加， 都增加了稳定燃烧控制的难度。c）燃油经济性燃油缸内直喷需要较高的供油压力， 提高喷油压力和油泵回流增 加了发动机机械损失，喷嘴、油泵驱动额外增加了电能消耗，催化器 快速起燃和再生补偿也增加了燃油消耗；d）性能和可靠性相对 PFI 发动机， GDI 发动机喷嘴沉积物和积炭增多， 并且由于 提高了系统压力，降低了燃油的润滑性，增加了供油系统的磨损；由 于使用较稀的混合气， 缸套的磨损增加， 进气门和燃烧室的沉积物也 增加。e）控制复杂性GDI 发动机

13、从冷起动到全负荷各种工况需要复杂的供油和燃烧 控制，并需要复杂的排放控制系统和控制策略， 同时也增加了系统优 化的标定参数。GDI 发动机要求复杂的供油系统硬件， 需要高压油泵和更复杂的 控制系统，由于三效催化器在 GDI 发动机上不能有效地使用，目前， GDI发动机面临的重要问题是 NO。排放控制。虽然GDI发动机稀燃 能够降低 Nq 的排放，但是达不到三效催化器降低 Nq 排放 90的水 平。世界范围内正在开发稀燃催化器， 但目前在整个发动机工作区域 的 N 吐转化效率仍低于三效催化器， 小负荷时 HC 排放增加仍待解决。4.GDI 发动机燃烧系统分析燃烧系统设计是 GDI 发动机开发的关

14、键技术之一，由于要兼顾 大负荷均质预混和中小负荷分层稀薄的不同要求，增加了设计难度。 GDI 发动机的燃烧系统设计， 需要进行燃油喷柬、 气流运动和燃烧室 形状等的优化合理配合， 这其中还涉及到喷油器和火花塞的相对位置 和方位的选取、 进气道的设计与布置、 喷油定时和点火时间的优化等 细节的问题。按照层流充气方式， GDI 发动机燃烧系统可以分为 3 种：喷束引 导型，即分层混合气形成主要依赖于喷束动态特性；壁面引导型，即 分层混合气的形成主要依赖于油束和活塞表面形状及相互作用； 气流 引导型，依赖于缸内的流场形成分层混合气。按照喷油嘴和火花塞之间的距离， GDI 发动机燃烧系统可以分为 窄间

15、距和宽间距两种。壁面引导型和气流引导型燃烧系统属于宽间距设计， 其优点为可 降低燃烧室几何尺寸和热力学的设计约束， 增加燃油由喷嘴到火花塞 的传输时问， 增强混合气的形成， 其缺点是混合气形成时问相对窄间 距系统长且循环波动使形成的滚流不稳定，不容实现更稀薄的燃烧， 故不适合更稀薄的燃烧系统。喷束引导型燃烧系统属于窄间距设计； 其优点为具有实现超稀薄燃烧、 扩大稀燃区域的潜力， 其缺点为混合 气的形成时间短， 增加了火花塞积炭的倾向， 并且对喷束的几何参数、 喷嘴的安装误差以及雾化程度等非常敏感。基于窄间距设计的喷束引导燃烧系统由于具有实现更稀薄燃烧并扩大稀燃区域的潜力，因此，成为目前发动机生

16、产厂和科研机构开 发的下一代燃烧系统5.GDI发动机燃烧技术发展趋势由上述分析可知，GDI发动机的发展面临排放、稳定燃烧控制、 燃油经济性提高、性能可靠性以及控制复杂性等方面的挑战。 GDI 发动机的燃烧技术搀按照图1所示的方向发展。优化燃烧系蜒扩大 分圧關燃区域GDI分层屣薄燃（喷朿引导系统* 墅曲引导系统*用分民充代威均值（晔二D 充气的涡轮増压技术束嚴=7丽雀燃烧方式1 GDI发动机的燃烧技术发展趋势5. 1采用均质混台燃烧方式采用虫=1的均质混合燃烧方式的主要优点是能够采用目前 PFI 发动机上广泛使用的三效催化器，可以避免采用稀燃Nq催化转化器, 使其排放能够达到越来越严格的排放法规

17、。同PFI发动机和分层稀燃 GDI发动机相比，屯一 1的均质混合燃烧发动机具有较多优点。a）发动机起动过程具有更快速的起动，较少的起动加浓和降低起动HC排放的潜力；b）瞬变工况能够提高瞬态响应， 减少加速加浓， 实现更精确的空燃比控制， 并能够最大限度地实现减速断油 fc）燃烧过程不需要分层充气和均质充气的模式转换；缸内燃油蒸发冷却充 气，压缩行程可以减少热损失，有利于提高燃烧稳定性和 EGR 率， 并能够提高受爆震限制的压缩比； 若改为稀燃均质充气模式工作时系 统不需要修改；d）燃油经济性燃油经济性能够提高 5，客积效率也能够提高 5 i 能够最大 限度地实现减速断油，并能应用直接起一停技术

18、，取消息速，实现进 一步节油；e）动力性能由于容积效率提高 5，能够提高峰值扭矩和功率 7左右， 可 以在保持发动机扭矩和功率不变的前提下减小发动机的尺寸；f）系统的灵活性和复杂性控制系统比分层稀燃简化，增加了系统优化的灵活性；g）与其他技术的匹配更容易实现其他技术，如增压、取消发动机怠速、采用直接起 一停技术、采用无级变速器 （CVT） 和采用混合动力技术。h）排放不需要稀燃 Nq 后处理系统，可以使用三效催化器，同分层稀 燃 GDI 发动机相比具有更低的排放，并能够降低瞬态工况的排放。因此，均质理论空燃比 GDl 发动机具有达到未来超低排放法规 的潜力，是 GDI 发动机的一个重要发展方向

19、。5.2 采用分层充气或均质充气涡轮增压技术通过提高迸气压力、 提高空气利用效率来减小发动机的尺寸是提 高发动机经济性的有效途径， 传统的 PFI 发动机由于受到爆震限制和 涡轮增压器响应滞后等因素的影响， 使得汽油机涡轮增压技术未能迅 速发展。 GDI 发动机由于缸内形成混合气， 燃料蒸发能够降低混合气 温度，同时混合气在缸内停留的时间相对较短，相同压缩比条件下， GDI发动机要比PF发动机爆震倾向小，对燃料辛烷值的要求低。GDI 发动机小负荷时不使用节气门， 进气量相对较大， 涡轮增压器转速高， 使得 GDI 发动机在瞬态工况能够实现快速响应随负荷变化引起的涡 轮增压变化。 GDI 发动机

20、应用涡轮增压技术具有下面优势。a）缸内充气冷却由于燃油在气缸内蒸发能够显著冷却缸内充气，结合多阶段喷 油可以有效地降低爆震倾向， 因此，可以实现比常规 PFI 更高的压缩 比；b）分层充气由于增加了发动机的充气量，所以，可以扩大发动机稀燃区域 的转速和负荷范围；c）提咼涡轮增压发动机瞬态响应小负荷时不采用节气门，发动机的进气量大，涡轮增压器转速 高，因此，即使在部分负荷稀燃区域时涡轮增压的响应延迟也较小。 5.3优化燃烧系统扩大分层稀燃区域燃油经济性的提高是影响未来GDI发动机和小型高压共轨柴油 机在市场所占比率的重要因素。GDI发动机在分层稀燃区域可以实现 节油20%25%，可以优化GDI发

21、动机燃烧技术，采用新一代喷射 引导型燃烧系统，扩大分层稀燃范围，进一步提高 GDI发动机经济 性“”表1列出GDI发动机各部分的效率提高与屯之间的关系，由 表可看出，提高屯能够大幅提高发动机的热效率，扩大直喷发动机分 层充气稀燃区域是新一代直喷供油系统的发展趋势。因此，基于窄间距设计的喷束引导燃烧系统具有实现更稀薄燃烧并扩大稀燃区域的 潜力，将成为下一代GDI发动机的首选燃烧系统。a I000她啊?删1.帆%啊圖%-1i -5L朋我1J35.4实现GDI发动机的HCCI燃烧分层稀燃GDI发动机的混合气不均匀，NOx会在燃科较稀的高温 区产生，而在混合气较浓的区域易产生碳烟。在HCCI的燃烧过程中, 理论上是均匀混合气完全压燃、自燃，无火焰传播过程，这样可以阻止 NOx 和微粒的生成，同时能够实现较高的燃油经济性。若实现HCCI燃烧可以不需要任何后处理装置即可达到欧切或更加严格的排 放法规，但是， HCCI 燃烧的实现需要解央两个问题，即点火时刻的 控制和发动机整个工况内的燃烧速率的控制。HCCI 燃烧需要通过控制气缸内温度、压力和混合气的浓度来控 制整个气缸内混合气的燃烧时刻，没有明确的触发手段来控