缸内直喷技术

2014/2015 学年第1 学期

课程名称：车辆工程发展现状

课程代码：14000010

论文题目：缸内直喷技术应用及发展现状

学生姓名：

专业﹑学号：车辆工程

学院：机械学院

课程（论文）成绩：

课程（论文）评分依据（必填）：

任课教师签字：

日期：年月日

缸内直喷技术应用及发展现状

摘要：对汽油机缸内直喷技术的发展现状和应用前景进行了介绍，并分析了其工作过程中的关键技术环节，指出来制约其发展的主要原因和问题，并对其前景进行了展望。

关键词：汽油机；缸内直喷；燃油经济性；爆燃

Application and Development Situation Gasoline Direct Injection

Technology

Abstract:The status and prospects of development of gasoline direct injection technology was introduced, and analyzes its working process of the key technical aspects, pointing out that the main reason for the constraints and problems of its development, and its prospects were discussed.

Key words:Gasoline engine；Direct injection；Fuel economy；Deflagration

1 引言

随着汽车给环境带来的排放污染和能源短缺问题日益严峻，世界各国对排放标准法规要求也愈加严格。我国于2013 年发布了国V排放标准并于近期审查通过了《乘用车燃料消耗量限值》第四阶段标准。由于目前中国汽油车占据相当大比例，所以在降低汽油车油耗和排放方面具有一定技术优势的缸内直喷技术的发展就显得尤为重要。汽油缸内直喷(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。据研究表明其燃油经济性可以提高15％左右，HC排放量可减少30％[1]。目前汽油机缸内直喷技术虽然已经比较成熟，但其在燃烧控制、燃油喷射、排放控制、增压技术等方面还需进行深入研究。

2 缸内直喷技术的发展过程及应用现状

缸内直喷技术诞生于20世纪20年代，最初应用于军事技术，直到20世纪

50年代奔驰公司生产的300SL才实现缸内直喷技术在汽车领域的真正应用。此后由于低廉的燃油价格以及电控技术的限制，缸内直喷技术一直未能得到进一步的发展。20世纪70年代，福特公司开发出一种采用分层燃烧技术的ProCo[2]系统，由于电控技术不够成熟和成本过高以及排放超标，该系统也未能得到发展。

20世纪90年代以后，由于发动机制造技术的迅速提高，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1. 8 L 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2G R—FSE V6发动机；通用公司2004 年开发出了采用可变气门定时(VV T)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GDI V12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，并用于Lupo车上，其100 km的平均油耗只有4. 9 L ，成为世界上第一辆5 L 汽油机汽车；2004年奥迪公司开始将其2. 0T —FSI 燃油分层直接喷射增压汽油机推向市场。

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喷发动机，如A VL 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。

3 缸内直喷关键技术的现状

缸内直喷发动机的关键技术包括燃油供给与喷射系统、燃烧系统的优化设

计、GDI的燃油喷射和燃烧过程控制策略等。

高压喷油系统可以说是直喷发动机最关键的系统，与以前油气在进气歧管内混合，然后被负压吸入发动机不同，直喷发动机是用高压喷油嘴将燃油喷入汽缸，由于汽缸内压力已经很大，因此需要喷油系统具备更大的压力。高压喷油主要可以分为发动机控制模块（ECM）、高压油轨、高压油泵和喷油嘴四部分，其中ECM 主要采集发动机数据，按照预定程序控制喷油时机和喷油量，从而实现最高燃烧效率；而高压油泵则主要负责燃油的加压，高压油轨主要起均衡各喷油嘴喷射压力的作用，而最终的喷油任务则由喷油嘴来执行。此外，还有多个传感器提供燃油压力等信息，确保整个系统的高效率。

燃烧系统的优化设计是GDI发动机开发的关键技术，只有通过合理配置燃烧室形状、燃油喷束、气流运动等，特别是优化活塞顶部的设计，才能实现在中小负荷时的分层稀薄和大负荷时的均质预混的要求，其中进气行程和压缩行程中缸内瞬时流场的组织尤为重要，可促进燃料与空气的有效混合，同时控制气流的流动以生成稳定的分层混合气。

按照可燃混合气形成的控制方式以及火花塞和喷油器的相对位置，缸内直喷燃烧系统包括气流导向型、壁面导向型、喷射导向型。研究表明，喷射导向型系统燃烧效率损失和泵气损失相对较小，比气流导向型和壁面导向性有着更好的燃油经济性[3]。

4 缸内直喷发动机应用中的问题

虽然缸内直喷发动机有其巨大的优势，但在应用过程中也存在着技术难题和亟待解决的问题。

4.1 排放控制问题

由于GDI发动机燃烧特性与进气道发动机不同，GDI发动机火焰传播方式是从火花塞附近的浓混合区到稀混合区，导致在浓混合区域出现高温区域，造成NOx排放升高。另外，GDI发动机较高的压缩比和较快的反应放热率也是导致NOx升高的原因。由于GDI发动机的空燃比相对较高，气缸内燃烧温度整体较低，导致气缸内未燃HC 不能完全被氧化，另外由于GDI发动机在喷油时刻造成的缸内湿壁现象严重，导致活塞腔、进气门底座、排气门底座等区域燃烧不好，