缸内直喷GDI发动机技术的发展趋势分析.docx

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1、缸内直喷GDI发动机技术的发展趋势分析 摘 要：通过对比分析了GDI发动机与气门口喷射PFI系统，分析了发动机燃烧技术的发展趋势，提出了GDI发动机将会取代 PFI发动机成为车辆的标准配置的结论。 关键词：汽油机；缸内直喷；淡薄燃烧；均质充气；涡轮增压；均质压燃 1 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发动机的主要区分。PFI发动机具有油膜湿壁现象和节气门节流损失的缺点，而GDI发动机理论上不存在上述两方面的限制。 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，会在进气门旁边形成瞬时的液

2、态油膜，这些燃油会在每次进气过程渐渐蒸发进入气缸燃烧。由于部分蒸发觉象导致油量限制延迟和计量偏差，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技术可以避开气门口燃油湿壁现象，实现燃烧各阶段精确供油，能够实现更淡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限制，降低瞬态工况HC的排放。然而GDI发动机对燃油蒸发和混合物形成有更严格的要求，须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、小负荷时采纳节气门来限制负荷，存在节流损失，GDI发动机

3、在中、小负荷时采纳分层充气工作模式，通过限制喷入气缸的油量来限制发动机的负荷，不采纳节气门可以降低泵气损失和热损失。 2 GDI发动机燃烧技术发展趋势 2.1 采纳均质混合燃烧方式 采纳a=1的均质混合燃烧方式的主要优点是能够采纳目前PFI发动机上广泛运用的三效催化器，可以避开采纳稀燃NOx催化转化器，使其排放能够达到越来越严格的排放法规。同PFI发动机和分层稀燃GDI发动机相比，a=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）能够提高瞬态响应，削减加速加浓，实现更精确的空燃比限制c）燃烧过程不须要分层充气和均质充气的模式

4、转换；缸内燃油蒸发冷却充气，压缩行程可以削减热损失，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d）燃油经济性能够提高5%。e）限制系统比分层稀燃简化，增加了系统优化的敏捷性。f）与其他技术的匹配。g）排放低。 2.2 采纳分层充气或均质充气涡轮增压技术 通过提高进气压力、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快速发展。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PFI发动机

5、爆震倾向小，对燃料辛烷值的要求低。GDI发动机小负荷时不运用节气门，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改变引起的涡轮增压改变。GDI发动机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）提高涡轮增压发动机瞬态响应。小负荷时不采纳节气门，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。 2.3 优化燃烧系统扩

6、大分层稀燃区域 燃油经济性的提高是影响将来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发动机燃烧技术，采纳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。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淡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。 2.4 实现GDI发动机的HCCI燃烧 分层稀燃GDI发动机的混合气不匀称，NOx会在燃料较稀的高温区产生，而在混合气较浓的区域易产生碳烟。在HCCI的燃烧过

7、程中，理论上是匀称混合气完全压燃、自燃、无火焰传播过程，这样可以阻挡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燃烧可以不须要任何后处理装置即可达到欧或更加严格的排放法规，但是，HCCI燃烧的实现须要解决两个问题，即点火时刻的限制和发动机整个工况内的燃烧速率的限制。HCCI燃烧须要通过限制气缸内温度、压力和混合气的浓度来限制整个气缸内混合气的燃烧时刻，没有明确的触发手段来限制燃烧，局部的溫度改变或空燃比改变都是限制HCCI燃烧起始时刻的关键变量，使燃烧限制变得非常困难。采纳GDI技术燃油干脆喷入气缸内，能够更加敏捷地限制喷油时刻和精确限制喷油量，为HCCI燃烧模式的实现供应

8、了可能。应用GDI技术实现HCCI燃烧具有以下优点：a）缸内直喷可以通过变更喷油时刻来变更局部混合气浓度。b）缸内燃油蒸发可以变更缸内局部温度。c）燃油早喷能够为燃油蒸发和形成均质混合气供应足够的时间；压缩行程的后喷能够限制气缸内局部区域混合气浓度，从而限制HCCI燃烧，应用GDI的多阶段喷射可实现这两种喷射。d）缸内直喷技术在瞬态工况能够实现精确的喷油量限制，有效避开瞬态工况HCCI燃烧爆震或失火。因此，实现HCCI燃烧是GDI技术发展的一个重要方向。 第5页 共5页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页