汽车电控燃油喷射新技术探讨教材

1、毕业论文 汽车电控燃油喷射新技术探讨 系 别： 车辆工程系 专 业： 汽车制造与装配技术 目录 第一章 GDI 技术的发展 3 1.1 发展. 3 1.2 GDI 开发目标 4 第二章 发动机微机控制及 GDI原理 5 2.1 基本燃油喷射控制 5 2.11 喷油量控制 . 5 2.12 喷油正时控制 5 2.13 喷油量控制 . 6 2.2 开环与闭环控制 7 2.21 开环控制 7 2.22 闭环控制 7 2.3 GDI 燃油喷射系统 7 2.4 燃油供给和喷射系统 9 2.5 喷射模式 . 11 2.6 燃烧系统 11 2.6.1 “喷束引导法” (spray-guided system

2、) . 11 2.6.2 “壁面引导法” (wall guided system) . 11 2.6.3 “气流引导法” (flow-guided system) . 11 2.7 缸内空气运动的组织 12 第三章 GDI 发动机目前存在的问题 13 3.1 排放问题 . 13 3.2 催化器问题 13 3.3 积炭问题 13 3.4 喷油器问题 14 第四章 今后 GDI技术研究发展前景与开发方向 15 4.1 降低 NOx排放的技术 15 4.1.1 稀燃催化器 15 4.1.2 废气再循环 16 4.2 二次燃烧技术 16 4.3 二次混合技术 17 4.4 均质混合压燃技术 17 总结

3、 . 18 参考文献： 19 谢 辞. 20 摘要 GDI发动机技术 (Gasoline Direct Injection engine),汽油发动机直喷技 术，缩写( GDI) 汽油机在近 20 年内发生了巨大的变化。 其中最显著的变化是可根据不同工 况精确控制空燃比。这一结果使进气道喷射技术 (PFI) 从 1983 年开始迅速发展， 从而促进了汽油机燃油经济性和排放特性的改善。但是 PFI 需要节气门作为基 本的负荷控制方式， 而且在进气道端口处不可避免要产生油膜， 因此 PFI 无 论是在燃油经济性方面还是在排放方面都很难有一个显著的突破。 与之相比， 缸 内直接喷射 (GDI) 方式

4、从原理上无此限制，所以具有进一步的发展潜力。 目前， 日本、 美国和德国的汽车公司都已开展了 GDI试验或样机试制工作， 其中以三菱公司和丰田公司的开发最为成功。我国在这方面的研究才刚刚开始， 西安交通大学开发了缸内直接喷射周向分层燃烧系统， 该系统的特点是利用具有 非均匀性周向分布的机械式喷嘴实现周向分层。 关键词 ：汽油机，缸内直喷，新技术 Abstract From gasoline engine mixed gas forming and adjustment of combustion system, fuel injection,3 aspects of vehicle gasol

5、ine in-cylinder direct injection technology and the development of new techniques were outlined. Gasoline engine in cylinder direct injection technology has great potential for development, will be bigger and replaces it with an inlet port direct fuel injection. Based on the emission, carbon deposit

6、ion, catalytic reactor and fuel injection system to analyze and discuss the problem, put forward in direct injection gasoline engines and the direction of further development suggestion. Key words: gasoline engine, gasoline direct injection, new technique 第一章 GDI 技术的发展 1.1 发展 上世纪 50 年代，德国研制出了二冲程直喷汽油

7、机，限于当时机械制造技术 和电控水平较低，其性能和排放并不理想。 90 年代后，缸内直喷汽油机的研究 有了较大的进展。 缸内直喷汽油机改变了预混合汽油机的混合机理， 可采用稀薄 分层燃烧技术，降低 HC等有害排放。直喷方式的油滴蒸发主要依靠空气吸热而 非壁面吸热，降低了混合气温度和体积，可降低爆燃倾向，提高发动机压缩比。 此外， GDI汽油机还具有瞬态响应好，易于实现精确的空燃比控制，具有快速的 冷起动和减速快速断油能力等特点。 这些方面 GDI 汽油机都明显优于进气道喷射 汽油机。为此许多外国汽车公司和研究机构都成功开发出了自己的 GDI 发动机机 型。 1996 年，日本的三菱公司率先采用

8、立式进气道与弯曲顶面活塞。在进气行 程中吸入的空气通过立式进气道被吸入气缸， 形成强烈的滚流。 喷射的燃油经曲 面形的燃烧室壁面引导被送到位于气缸中央的火花塞附近， 形成稳定的燃烧。 开 发的汽油直喷发动机应用于运动型轿车 Galant 上，其油耗和二氧化碳的排放比 同功率的传统汽油车降低了 30%。随后，装备了 GDI 发动机的中级轿车 Carisma 投放到西欧市场。 2000年底，大众公司研发了稀燃直喷式汽油机 Lupo PSI ，其高行驶功率下 的百公里燃油消耗仅 4.9L ，是世界上第一辆 5L 汽油机汽车。实验表明，Lupo PSI 的燃油消耗与同输出功率的进气道喷射汽油机相比，降

9、低了34%。2004 年，奥迪 公司研发了 2.0T-FSI 燃油分层直接喷射增压汽油机。随后为 A 级轿车研发了 1. 8T-FSI 高性能发动机， 2007 年初装备到新款奥迪 A3轿车上。 2005年配备在全 新奥迪 A4 2.0T 上的 TFSI 涡轮增压汽油直喷发动机被权威杂志评为全球十大发 动机第一名， 代表了世界汽车发动机技术的顶尖水平。 日本丰田公司的 GDI发动 机使用了可变涡流技术， 通过缸内气流运动的组织， 在火花塞周围形成可点燃的 混合气。 为了降低 NOx排放，在使用 EGR的同时采用了 NOx吸附催化反应器。 试 验结果表明，装有该发动机的汽车油耗为 17. 4Km

10、/L，而相应的装有 PFI 发动机 的汽车油耗为 13Km/L，节油达 34%左右。美国福特公司的 GDI 发动机采用均质的 当量燃空比附近的混合气， 利用传统的三元催化反应器， 降低了排放处理方面的 困难。稳态试验表明，部分负荷下，汽油机的燃油经济性有 5%的提高，而怠速 时能提高 10%。 1.2 GDI 开发目标 GDI 开发两目标：一是使现有汽油机燃料经济性有大幅度的改善，实现高 功率输出；二是控制排放， 主要是 CO、HC 和 NOx 的排放。 实现低的燃油消耗： 在超稀薄燃烧时 , 喷油时刻为压缩行程后点火前 , 此时气缸内空气密度高 , 燃油经高压喷嘴喷入后容易雾化 ; 又由于活

11、塞曲顶的作用 , 使得混合气形成涡流 并呈层状分布 , 即混合涡流上行时靠近火花塞部分的混合气浓度高 , 而远离火 花塞部分的浓度低。 靠近火花塞的混合气浓度高 , 便先着火 , 当着火后气缸内温 度压力提高 , 混合气浓度低的部分也能连续稳定地燃烧。 实现高的功率输出： 发动机大负荷运转时要求发动机要具有较大的升功率。 GDI 发动机采用直立 进气使得进气阻力减小 , 同时进气行程中燃油直接喷射使进气冷却 , 因而提高 了进气效率 , 由于采用缸内直喷 , 燃油在燃烧室内气化 , 气化热冷却了吸入的 空气 , 使空气密度增加 ; 同时, 汽油在气缸内气化也冷却了燃烧室 , 从而降低 了发动机

12、的爆震倾向 , 这样在设计发动机时便可提高压缩比。 目前第一个目标主要靠划分负荷区，实行不同的工作模式来实现。通常划 分为小负荷区和大负荷区，按照不同负荷区的要求，制定不同的控制策略。 在小 负荷区要求能充分利用 GDI 在燃料经济性改善方面的潜力，因此在该区域通常 采用压缩冲程中喷油实现分层燃烧的工作模式；大负荷区主要考虑的是动力性， 要求 GDI 的功率输出应能与实际多点进气道喷射 (MPFI) 相当或更高， 通常在该 区域采用吸气冲程喷油， 实现均质燃烧的工作模式。 改善排放方面则要采用 EGR (排气再循环)和废气后处理技术 GDI 发动机的技术现状。 第二章 发动机微机控制及 GDI

13、 原理 柴油机上采用 GDI 方法在提高热效率方面取得了良好的效果，但要将该方 法应用于汽油机却会遇到很多困难。 柴油是自燃着火， 初始着火总是发生于混合 气中最适宜着火的地方； 汽油需点燃着火，火花塞的固定使初始着火位置也随 之固定。故在汽油机上要达到类似于柴油机那样的工作方式就必须考虑用附加方 法控制混合气的制备。 混合气的制备质量是由燃油喷射系统、 缸内流场结构以及 他们之间的相互作用决定的，下面就从这几个方面加以论述。 2.1 基本燃油喷射控制 2.11 喷油量控制 电子控制单元（ ECU）把发动机的转速和负荷信号作为主要控制信号，以确 定喷油脉冲宽度（即基本喷油量），并根据其他信号加

14、以修正，如冷却液温度信 号等，最后确定总喷油量。 2.12 喷油正时控制 汽油机有多种普通喷射方式，当发动机采用多点顺序燃油喷射系统时， ECU 除了控制喷油量以外， 还要根据发动机的各缸点火顺序， 将喷油时间控制在最佳 时刻，以使汽油充分燃烧。 多点喷射分为同时喷射， 即各缸喷油时刻相同；分组喷射，即多缸发动机分 为若干组进行喷射，同一组各缸同时喷油，不同组间顺序喷油；顺序喷射，即按 点火顺序要求逐缸喷油。 喷油正时就是喷油器什么时候开始喷油的问题。 对于多 点间歇喷射发动机，喷油正时分为同步喷射和异步喷射。 同步喷射指在既定的曲轴转角进行喷射， 在发动机稳定工况的大部分运转时 间里，喷油系

15、统以同步方式工作。发动机在启动和加速时，为了保证启动迅速、 加速响应快， ECU会根据水温、节气门变化程度适当地增加供油量，此时应采用 与曲轴的旋转角度无关的异步喷射。另外， 采用卡门旋涡式流量计的发动机， 其 喷油器的开启时间与其涡流频率同步。 异步喷射正时控制， 发动机在启动加速时， 为了保证启动加速、 加速相应快， ECU会根据水温，油门变化程度适当地增加供油量，此时应采取与曲轴转角无关 的异步喷射。 我们主要介绍同步喷射发动机中的顺序喷射。 顺序喷射也叫独立喷射。 曲轴 每转两转，各缸喷油器都轮流喷射一次， 且像点火系统一样， 按照特定的顺序依 次进行喷射。 各缸喷油器分别由微机进行控

16、制， 驱动回路数与气缸数目相等， 如图 1-1 所 示。顺序喷射方式由于要知道向哪一缸喷射， 因此应具备气缸判别信号， 常叫判 缸信号。 采用顺序喷射控制时， 应具有正时和缸序两个功能，微机工作时， 通过曲轴 位置传感器输入的信号， 可以知道活塞在上止点前的位置， 再与判缸信号相配合， 可以确定向上止点运行的是哪一缸，同时应分清该缸是压缩行程还是排气行程。 图 1-1 顺序喷射的控制电路 因此当微机根据判缸信号、 曲轴位置信号， 确定该缸是排气行程且活塞行至 上止点前某一喷油位置时，微机输出喷油控制信号，接通喷油器电磁线圈电路， 该缸即开始喷射。 顺序喷射可以设立在最佳时间喷油， 对混合气的形

17、成十分有利， 因此它对提 高燃油经济性和降低有害物的排放等有一定好处。 尽管顺序喷射方式的控制系统 的电路结构及软件都较复杂， 但这对日益发展的先进电子技术来讲， 是比较容易 得到解决的。 顺序喷射方式既适合进气歧管喷射，也适用于气缸内喷射。 2.13 喷油量控制 喷油量的控制的目的是使发动机在各种运行工况下， 都能获得最佳的喷油时 间的控制来实现的。 启动时间的同步喷油量控制： 在发动机转速低于规定值或点火开关接通 STA（启动）挡时， ECU根据水温 信号确定基本喷油持续时间， 在根据进气温度和蓄电池电压进行修正， 得到启动 时的喷油持续时间。 启动后的同步喷油量控制： 当发动机启动后转速

18、超过预定值时， ECU确定的喷油量是由基本喷油量和修 正喷油量组成的。喷油量取决于喷油器的持续时间：基本喷油量 （或基本喷油时 间）是在标准大气状态下，根据发动机每个工作循环的进气量、发动机转速和设 定的目标 空燃比确定的；修正喷油量是 ECU根据发动机各种运行状况，对基本 喷油量进行修正，使发动机在不同运行条件下都能获得最佳的混合气。 断油控制有：超速断油控制，减速断油控制，减扭矩断油控制，消除溢油断 油控制。 2.2 开环与闭环控制 在发动机电喷控制系统中， 按系统控制模式可分为开环控制和闭环控制两种 类型。 2.21 开环控制 就是把根据试验确定的发动机各种运行工况所对应的最佳供油量的数

19、据事 先存入计算机中，发动机在实际运行过程中，主要根据各个传感器的输入信号， 判断发动机所处的运行工况，再找出最佳供油量，并发出控制信号。 2.22 闭环控制 闭环控制系统又称为反馈控制系统， 其特点是加入了反馈传感器， 输出反馈 信号，反馈给控制器，以随时修正控制信号。 闭环控制系统在排气管上加装了氧传感器，可根据排气管中氧含量的变化， 测出发动机燃烧室内混合气的空燃比值， 并把它输入计算机中再与设定的目标空 燃比值进行比较， 将偏差信号经功率放大器放大后再驱动电磁喷油器喷油， 使空 燃比保持在设定的目标值附近。因此，闭环控制可达到较高的空燃比控制精度， 并可消除因产品差异和磨损等引起的性能

20、变化对空燃比的影响，工作稳定性好， 抗干扰能力强。 采用闭环控制的燃油喷射系统后， 可保证发动机在理论空燃比 （14.7） 附近很 窄的范围内运行，使三元催化转换装置对排气的净化处理达到最佳效果。 但是，由于发动机某些特殊运行工况 （ 如启动、暖机、加速、怠速、满负荷 等）需要控制系统提供较浓的混合气来保证发动机的各种性能，所以在现代汽车 发动机电子控制系统中，通常采用开环与闭环相结合的控制方式。 2.3 GDI 燃油喷射系统 GDI 通常划分了负荷区，因此要求 GDI 燃油喷射系统至少要能提供 23 种不同的操作模式， 以适应不同的负荷要求。试验结果表明采用电磁喷射阀的 共轨喷射系统能满足这

21、一要求。 GDI 比 PFI（ 进气道喷射 ）对喷油器的要求严格。 GDI 要求喷油器雾化水平高，能在较窄的脉冲宽度内喷出所要求的燃油， 以确 保晚喷， 实施分层燃烧， 这就对喷油器提出了更高的动态响应要求。另外，由 于喷油器位于缸内， 工作条件恶劣， 因此要对嘴端沉积物生成和高温有更强的 抵抗能力。此外，喷油器的喷雾特性对 GDI 发动机的燃烧过程影响较大，而对 PFI 发动机的燃烧过程影响较小。 大多数 GDI 发动机若要达到可接受的 HC 排放 和 IMEP（ 平均指示有效压力 ） 的循环变动系数， 其 SMD（ 索特平均直径 ） 应小于 25m。由于 SMD 的大小也影响燃油蒸发时间，

22、故有人提出 SMD 小于 15m 的喷雾才适用于 GDI 。因此， 目前喷油器研究的一个重点是加强雾化效果。判 断雾化质量的另一标准是喷雾中油滴尺寸的分布， 其中最重要的是大尺寸油滴 的分布， 这是因为大尺寸油滴的质量占燃油总质量比例大，同时也是最后仍保 持液态的那部分燃油对燃烧和排放影响大。 GDI 采用的喷油器主要有两种类型。 一种是空气辅助喷油器。 其喷油原理是 先将燃油供入喷油器油室， 再充以高压空气从而突破阀座弹力形成喷射。 燃油的 大部分是在前几次阀座震荡循环过程中喷出，喷雾形状为锥角较大的中空结构。 另一种是高压旋流喷油器。该喷油器可将油束的一部分动能转化为水平旋转动 能，从而降

23、低贯穿速度避免油束撞壁， 同时仍保持原有的雾化水平。 目前对高压 流喷油器的采用和研究最多。 图 1-2 喷油器 如图 1-2 是已开发的部分高压旋流喷油器。 高压旋流喷油器的喷雾锥角主要依赖 于喷油压力和缸内背压， 其中后者的影响较大， 因此它能根据不同负荷区的要求 提供所需要的喷雾形状。 在早喷时喷雾形状是适宜均质混合的中空扩散型， 在晚 喷时是适宜分层燃烧的紧凑型。 喷油压力主要影响雾化质量和贯穿速度， 较适当 的喷油压力为 5 MPa10 MPa: 对雾化过程进行优化后的贯穿速度能达 40m/s50m/s,约 2 倍于典型缸内流场速度，因此对缸内流场必须仔细优化。 2.4 燃油供给和喷

24、射系统 现代的 GDI发动机燃油供给系统设计， 为了达到分层稀薄混合气所要求的喷 雾质量和灵活的喷油定时，均采用了精度高、 响应快的柔性电控手段。 高压共轨 喷射系统加电磁驱动喷油器被认为是满足缸内灵活喷射要求的喷射系统之一。 该 系统由低压输油泵、 燃油压力传感器、 喷油压力控制阀、 高压油泵、 蓄压燃油轨、 喷油器等组成。 电动低压输油泵把燃油从油箱输送到高压油泵， 高压油泵由发动 机凸轮轴驱动，将低压油泵送来的压力约 0.35MPa的燃油压力增高到 8 12MPa， 并送往蓄压燃油轨， 充满各缸喷油器的油腔。 当 ECU令喷油器的电磁线圈通电使 针阀打开时，汽油就通过喷嘴喷人气缸。直喷式

25、汽油机供油系统油路见图1-3 。 图 1-3 直喷式汽油机供油系统油路 GDI发动机需要形成高质量的混合气，除了依靠进气涡流外，对喷油器的喷 雾质量要求很高。由于燃油蒸发混合的时闻很短，要求喷雾要微粒化， 一般缸内 直接喷射的平均油粒直径在 2025 m，为此，喷油压力要维持在 413MPa。为 了实现油气均匀混合，必须使喷雾广泛分散在整个燃烧室。另外， 如果喷雾在直 线方向上的运动过强，则燃油会直接喷射在气缸壁上，形成油滴沿壁流下， 不利 于混合气的形成，还会冲洗润滑油膜，破坏润滑性能。因此，喷油器应能保证喷 射出来的汽油微粒的速度在喷射直线方向上急剧衰减， 而圆周运动方向上的油粒 应尽量保

26、持高速运动，这样才有利于混合气的形成。 燃油喷射系统中， 喷油器的结构形式对喷雾质量的影响很大。 由于汽油机的 喷射压力远低于柴油机， 如采用多孔喷油器，其喷嘴容易在工作中积碳堵塞，雾 化分层不好，燃烧时火焰传播不稳定，因此 GDI发动机上一般不采用多孔喷油器。 目前在 GDI发动机上得到广泛应用的是内开式旋流喷油器， 只有一个喷孔， 工作 油压为 5.0 10MPa，其内部设有燃油旋流腔，它可以通过涡流比的选择而实现 较好的喷雾形态和合适的贯穿度的配合， 且喷束方向便于调整， 方便了在气缸内 的布置。图 1-4 为旋流式喷嘴结构简图。 目前各大公司的研究人员正在广泛开展 对新型喷油器的研究，

27、 重点是对其内部的结构细节进行进一步的改进设计， 以期 进一步提高喷油器的性能和使用寿命。 图 1-4 旋流式喷嘴 10 2.5 喷射模式 GDI发动机燃油喷射模式可以分为单阶段喷射模式和多阶段喷射模式。单阶 段喷射模式是指在中小负荷时， 燃油在压缩行程后期喷入， 实现混合气分层稀燃 并采用质调节以避免节流阀的节流损失， 从而使 GDI 汽油机达到与柴油机相当的 经济性； 在大负荷和全负荷时， 燃油在进气行程中喷人气缸， 实现均质预燃和燃 烧，以保持汽油机升功率高的特点。 多阶段喷射模式是指在进气行程中先喷入所 需燃料的 1/4 ，形成极稀的均质混合气，其余燃料在压缩行程后期再次喷入，形 成分

28、层混合气。火花塞点火时，首先在浓混合气处形成较强的火焰， 然后向稀混 合气空间迅速传播。应用该技术可实现发动机从中小负荷到大负荷的平稳过渡， 降低气缸内的气体温度，抑制爆燃的产生。 2.6 燃烧系统 燃烧系统的设计是 GDI发动机的关键技术。 要成功实现中小负荷时的分层稀 燃和大负荷时的均质预混， 就需要进行燃油喷束、 气流运动和燃烧室形状的优化 合理配合。已经开发的 GDI发动机燃烧系统。 按喷油器和火花塞的相对位置和混 合气的组织形式可以有 3 种类型。 2.6.1 “喷束引导法” (spray-guided system) 燃油喷嘴靠近火花塞布置， 火花塞位于燃油喷束的边缘， 这种方式的

29、优点是 保证当整个燃烧室内为稀薄混合气时， 火花塞周围仍能形成可供点火的混合气浓 度。 Ford、 Honda公司生产的某些机型采用这种燃烧系统。 2.6.2 “壁面引导法” (wall guided system) 燃油喷嘴远离火花塞布置， 利用特殊形状的活塞表面配合气流运动， 将燃油 蒸气导向火花塞并在火花塞间隙形成合适浓度的混合气，如三菱、丰田、 Nissan 等公司开发的机型。 2.6.3 “气流引导法” (flow-guided system) 同样是燃油喷嘴远离火花塞，利用缸内有组织的气流运动来达到上述目的。 FEV、AVL公司开发的方案采取这样的燃烧系统。 11 2.7 缸内空气

30、运动的组织 GDI 发动机缸内空气的运动有涡流、滚流和挤流。目前大部分 GDI 发动机 应用涡流作为缸内空气运动的主要形式， 其特点是持续时间长， 在缸内的径向发 散少，对保持混合气的相对集中和分层有利， 可以充分利用它来维持压缩冲程中 的混合气分层。但利用涡流来促进油气混合有一个操作范围限制。此外， 涡流比 过高还会由于离心力的作用使油滴甩向缸壁，造成湿壁现象的增加。近年来， 日 本三菱汽车公司对滚流在 GDI 发动机中的应用做了大量的试验研，结果显示， 在压缩行程的后期， 滚流能够有效地增加靠近缸壁处的气体流动速度， 从而可以 促进粘附在缸壁上的油滴快速蒸发， 也可利用滚流和活塞顶部的凹坑

31、相配合将分 层混合气导向火花塞， 控制油束碰撞和火焰传播， 从排气侧到进气侧的挤流还能 提高燃烧速度。 12 第三章 GDI 发动机目前存在的问题 GDI发动机拥有很多优良的性能，如：油耗低、污染小、动力性能好等等。 但是 GDI技术同样存在着许多技术瓶颈制约了它的进一步发展和应用，有待改 进。 3.1 排放问题 GDI汽油机的开发成功，极大地提高了汽油机的燃油经济性。但其排放总体 上要高于工作在理论空燃比下， 附加三元催化等尾气处理装置的进气道喷射汽油 机。其排放问题主要有： 中小负荷下未燃 HC排放较多。采用混合气分层后，极易造成火焰从浓区向 稀区传播时熄灭。同时，稀燃造成缸内温度偏低，不

32、利于未燃HC随后的继续氧 化。壁面阻挡型直喷系统，因喷雾碰壁较多，而活塞顶和缸壁的温度低，使 HC 排放较高。 NOx的排放。虽然因采用较稀的空燃比，气缸内的反应温度较低，但由于分 层混合气由浓到稀将不可避免地出现混合气过浓或浓混合气区域过大的状况， 这 些区域恰恰是高温区域，使 NOx生成增加。另外， GDI 发动机较高的压缩比和较 快的反应放热率也会引起 NOx升高。 微粒排放。因为局部区域过浓的混合气和未蒸发的液态油滴扩散燃烧而引起 颗粒排放增加，并且缸内温度低也造成了微粒氧化不完全。 3.2 催化器问题 GDI 汽油机工作在稀空燃比条件下， 其造成的富氧和较低的排气温度使传统 的三元催

33、化器对 NOx的转化率不高， 废气排温较低不利于三元催化器的起燃， 限 制了它在 GDI汽油机上的应用。 3.3 积炭问题 由于 GDI汽油机， 火花塞点火燃烧的是占据小部分空间的分层混合气， 其他 空间只有极微量的燃油存在， 且燃料的气化蒸发使缸内温度偏低， 点火后火焰在 传播过程中逐渐减弱，到达分层混合气以外的其他空间时，极易造成熄火， 使混 合气不能充分燃烧，产生积炭。 13 3.4 喷油器问题 GDI汽油机的喷油器置于气缸内，由于喷油压力低，喷孔没有自洁能力，很 容易积垢，造成喷油量减少、喷雾特性变坏，进而使发动机的燃烧恶化，影响发 动机的功率输出和排放。 降低 GDI发动机的排放使其

34、满足日益苛刻的排放法规是各国研究人员努力 的重点，测试证明， 起动过程和起动后阶段所排放的有害物质能够达到排放物总 量的 90%，因此，采用“分层燃烧起动”和“两次喷射加热”相结合的方法，对 GDI 发动机是一种很有效的排放对策， 大量发动机台架试验和实车试验已经证实 了这一点。可以预料，随着喷射技术和排气后处理技术的不断进步， GDI 发动机 在排放和其他方面的性能将会得到进一步的改善， GDI 汽油机无疑会占领车用发 动机更多的市场份额。 14 第四章 今后 GDI技术研究发展前景与开发方向 近年来全球汽车总保有量日益增多， 带来了许多问题，如健康威胁、环境污 染、气候变化、 能源短缺和交

35、通拥挤等。 目前空气污染在城区已经成为非常严重 的问题，汽车的有害物排放对人类的生存环境形成了一种公害性的破坏， 据资料 显示，市区的大气污染物 60%来自于汽车尾气。全球变暖、气候变化正在吸引人 们更大的注意力， 与之相对应的二氧化碳排放将成为汽车制造商要解决的主要问 题。所以 GDI技术的发展就是必然的结果。 但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一个问题。 具有理论空燃比的均质混合气的燃烧理论在火 花点火发动机上被广泛使用，它的最大优点是可以实用三效催化器来降低CO、 HC和 NOx 等废气的排放。不足之处是不能获得较高的燃油经济性，为

36、了提高发动 机的热效率和降低废气排放， 燃烧技术在不断地发展。 汽油机经历了由完全机械 控制的化油器供油为主到采用电控喷射、缸内直喷、电辅助增压和电动气门、 可 变压缩比、 停缸等技术的变化， 汽油机发展的最终方案将采用综合汽油机和柴油 机优点的燃烧控制技术。 汽油直喷技术就是应以上原因而开发出来的技术。 开发车用具有汽油机优点 同时具有柴油机部分负荷高燃油经济性优点的发动机是主要的研究目标。 汽油缸 内直喷是提高汽油机燃油经济性的重要手段，近些年来，以缸内直喷汽油机 (Gasoliine Direct Injection, GDI)为代表的新型混合气形成模式的研究和应 用，极大地提高了汽油机

37、的燃油经济性。 以日本为代表的非均质直喷技术面临燃 烧稳定性和后处理等问题，同时以欧洲为代表的均质直喷技术正在兴起。 现在 GDI技术尚处于逐步成熟时期， 各种问题的出现是必然的， 但 GDI 的研 究一定要在确保动力性能的基础上尽可能的“节能减排”。 而从当前的形式来看 低碳问题又是中之重。 4.1 降低 NOx排放的技术 4.1.1 稀燃催化器 稀燃催化器的开发将直接影响到 GDI汽油机排放问题的解决。目前开发的有 15稀燃催化还原型 NOx催化器、NOx搜捕型等。 但这些催化器都不同程度的存在转化 率低、工作温度范围窄、控制复杂、性能不如传统的三元催化器等问题，还需深 入研究。日本三菱公

38、司采用稀燃 NOx催化剂加三元催化剂的技术如图 1-5 ，NOx可 以达到美国加州排放标准。 图 1-5 三菱汽车公司稀燃催化器和二次燃烧系统 4.1.2 废气再循环 废气再循环 (EGR)是通过降低缸内最高燃烧温度及氧气的相对浓度从而降低 NOx排放的一种有效方法。在 GDI 汽油机中，因稀燃使缸内富余氧气较多，可实 用较高的 EGR比率而不会使燃烧恶化。 如果将再循环废气与可燃混合气进行 分层，减少废气与可燃混合气的掺混， 保证点火时刻火花塞附近有适于着火的混 合气，避免废气靠近火花塞，能大大提高 EGR比率，从而大大降低 NOx排放。采 用电控 EGR可以精确控制 EGR比率，能较好地解

39、决发动机的动力性和经济性与 NOx排放之间的协调问题。 4.2 二次燃烧技术 二次燃烧是指在进行正常分层燃烧的怠速运转时， 除了在压缩行程后期喷油 外，在膨胀行程后期再次喷入少量燃油， 在缸内高温、 高压气体的作用下点火燃 烧并使排气温度提高。 三菱汽车公司采用二次燃烧和反应式排气管技术， 较好地 16 降低 HC和 NOx排放。通常，起动后怠速状态下的排气温度为 200左右，使用 二次燃烧可使排气温度上升到 800。这样可大大加快催化剂开始工作的时间。 反应式排气管可使发动机的排气在排气管中滞留， 激活与空气的反应， 并使膨胀 行程后期的二次燃烧反应在排气管中继续迸行，从而加速激活催化剂，使HC排 放降低。 4.3 二次混合技术 二次混合技术是指在进气行程中先喷入所需燃料的 1/4 ，形成极稀的匀质混 合气。在压缩行程后期再次喷人剩