国外GDI发动机技术特点及发展趋势

国外ＧＤＩ发动机技术特点及发展趋势

汽油缸内直接喷射式(ＧＤＩ)发动机，是上世纪90年代末国外内燃机研究与开发中最引人注目的发动机。专家们认为，ＧＤＩ发动机的出现使汽车发动机技术进入了一个崭新的时代。它将在21世纪取代传统的汽油机和柴油机而成为轿车最理想的动力装置。

1总体发展动向

传统的汽油发动机，是将燃油喷射到进气管中，与空气混合后再进入气缸内燃烧。而ＧＤＩ发动机的工作特点是，将燃油直接喷入气缸，利用缸内气流和活塞表面的燃料雾化效果达到燃烧的目的。据有关资料介绍，ＧＤＩ发动机在工作的均匀性及全负荷下的性能方面都有极佳的表现，而且使汽油机的冷车工作不稳定性问题也有了显著的改善。此外，ＧＤＩ发动机还有实现分层燃烧的特点，可使燃油经济性大大提高。

ＧＤＩ发动机与一般汽油发动机的主要区别在于汽油喷射的位置，目前一般汽油发动机上所用的汽油电控喷射系统，是将汽油喷入进气歧管或进气管道上，与空气混合成混合气后再通过进气门进入气缸燃烧室内被点燃作功；而ＧＤＩ缸内喷注式汽油发动机顾名思义是在气缸内喷注汽油，它将喷油嘴安装在燃烧室内，将汽油直接喷注在气缸燃烧室内，空气则通过进气门进入燃烧室与汽油混合成混合气被点燃作功，这种形式与直喷式柴油机相似，因此有人认为，ＧＤＩ汽油发动机是将柴油机的形式移植到汽油机上的一种创举。

缸内喷注的关键在于产生与传统发动机不同的缸内气流运动状态，通过技术手段使喷射入气缸的汽油与空气形成一种多层次的旋转涡流。因此GDI采用了立式吸气口、弯曲顶面活塞、高压旋转喷射器等三种技术手段。

目前，各国的汽车公司都在大力开发和采用这种技术先进、性能优异的产品。日本三菱汽车公司一直处于领先地位。自1996年８月率先向市场投放第一台ＧＤＩ发动机以来，三菱公司先后又开发出了多种不同类型的ＧＤＩ发动机，即2.4L四缸机、3.0L六缸机和3.5L六缸机，它们已分别装用于四种中、大型轿车投放市场。近年来，该公司又推出多种ＧＤＩ新机型:4.5L的V8机、1.5L的直列四缸机和0.66L的直列三缸机。三菱公司称，其1.8L的ＧＤＩ发动机不仅可节省燃油20％，降低排放20％，而且还可把发动机的功率和扭矩提高10％。

继三菱之后，丰田公司研制出一种Ｄ４型2.0L的ＧＤＩ发动机，并已批量装车使用。随后，丰田公司又开发出1.6L、1.8L和2.0L的ＧＤＩ发动机。据该公司说，其Ｄ４型ＧＤＩ发动机可降低油耗30％左右，提高功率约10％。

除上述两家公司外，日本其它厂家也有多种ＧＤＩ发动机上市，如日产3.0L 和2.5L的V6机、富士重工2.5L的卧式对置四缸机、马自达2.0L的直列四缸机和本田1.0L的直列三缸机。

与日本一样，美国和欧洲的汽车厂家也都在积极研究ＧＤＩ技术和开发ＧＤＩ产品。据报道，美国福特汽车公司正与威斯康星麦迪逊大学联手研制ＧＤＩ发动机。经过深入研究发现，ＧＤＩ发动机有进一步提高热效率和功率的潜力。

克莱斯勒汽车公司开发的四冲程ＧＤＩ汽油机在采用了其两冲程汽油机科研成果后，使燃油经济性提高了20％-30％。该公司称，目前所获得的这种燃油经济性(5.2L/100km)，简直可以与小排量的直喷式柴油机相媲美。

德国奔驰汽车公司于上世纪末投资近１亿马克，开始全面启动ＧＤＩ研究项目。该公司认为，欧洲汽车装用的ＧＤＩ发动机应能满足欧洲法规对排放标准的最新要求。

大众公司开发的ＧＤＩ发动机，在法兰克福国际汽车博览会上首次亮相后便得到一致好评。奥迪公司也于上世纪末推出了其1.2L三缸ＧＤＩ发动机(每缸５气

门)。据介绍，该机的油耗较同等功率(56kW)的传统发动机低15％-20％。另据报道，鲍许公司为ＧＤＩ发动机开发出一种“共轨”喷油系统，其优良的设计可使燃油经济性改善20％-50％。

2 产品技术特点

2．1三菱GDI 发动机

三菱公司的4G15型GDI发动机，是在原有GDI 发动机的基础上改进的，增加了喷射、燃烧混合控制技术，使发动机的动力性和经济性得到进一步提高。

①该机的结构及工作原理具有如下设计特点：一是直立进气道——进气阻力小，且可与活塞配合形成缸内垂直方向的空气涡流；二是曲面凸顶活塞——在进气和压缩行程中与进气道配合形成垂直方向的空气涡流，并对涡流的强度进行控制。

②采用高压涡流喷油器——由于燃油是在计算机的控制下在任意时刻由喷油器直接向缸内喷射，因此可对混合气的形成和燃烧过程进行控制。另外，由于喷油器的喷射方向与缸内垂直方向空气涡流的流动方向一致，也可对空气涡流的强度进行控制。

③高压喷油泵的特点——将喷射压力控制在5Mpa[50kg/cm2]左右。对于普通缸内直接喷射发动机来说，如果喷射压力低于10Mpa[100kg/cm2]，将会产生混合气雾化不良的现象，而GDI发动机的喷射压力只需5Mpa就可使混合气充分雾化。由于喷射压力较低，减少了喷油噪声。

GDI发动机混合气形成的特点是中、低负荷时在缸内形成分层超稀混合气（最大空燃比A/F=40），在高负荷时形成均质混合气（A/F=13—24），这一特点是通过对燃油喷射时刻及喷射量的控制来实现的。

在发动机中、低负荷时，进气行程中由于垂直进气道和曲面凸顶活塞的相互配合在缸内形成垂直方向空气涡流，涡流强度在压缩行程中得到进一步增强。在压

缩行程后期喷油器喷射燃油，在压缩压力的作用下喷束向活塞顶部曲面内移动，不易扩散。

值得一提的是，该GDI发动机的火花塞与喷油器喷嘴之间的距离较远，有利于利用燃烧室内的空间形成垂直方向分层混合气。

燃油被喷到活塞顶部的曲面后蒸发、气化。随着气化燃料的扩散，被垂直方向空气涡流挟持，流向火花塞电极，形成分层混合气，直至着火燃烧。

由于燃料的气化是在缸内进行的，它吸收热量，因而降低了缸内温度，提高了发动机抗爆性。

发动机高负荷时，燃油是在进气行程中喷射的。此时，由于喷束的移动速度小于活塞的下行速度，且喷束周围的气压较低，使燃油迅速扩散，在缸内形成均质混合气。混合气的空燃比（燃油喷射量）是由随车计算机根据汽车的行驶状况自动控制的。由此可见，GDI发动机的燃烧模式有超稀气燃烧和一般燃烧两种，其特点见表1。

表1 两种燃烧模式的特点