先进的GDI发动机技术

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GDI就是Gasoline Direct-Injection，汽油直接喷射的意思。在2004年年初，约1200位国际著名的汽车推进系统专家汇聚在维也纳，探讨如何进一步减少油耗从而降低CO2的排放核心问题时。专家们普遍认为汽油直喷技术和混合动力是未来最有前景的技术。与此同时，三菱、[url=http://www.che168.com/che168/cardb/brand/brand_47.html]奔驰[/url]、宝马和[url=http://www.che168.com/che168/cardb/brand/brand_61.html]福特[/url]等厂家近几年来，也加大了这方面的科研投入，在第一代GDI发动机研究的基础上，又纷纷地推出了全新的第二代GDI发动机。因而可以看出，GDI是目前国际上非常先进的一种发动机技术。

    GDI跟电子控制燃油喷射有什么不同呢？下面我们就先介绍一下现在三种主要的汽油发动机：

    化油器发动机是在进气管道的化油器位置上吸出汽油，与空气混合，雾化形成混合气，经气门进入气缸；

    电控汽油喷射发动机是在进气歧管，气门之前的位置上喷射汽油，再经气门进入气缸；

    直喷式汽油发动机则是直接在气缸里面喷射汽油。

    从而可知，三种形式的汽油发动机的重大区别在于汽油出口的位置，位置不同，技术也不同。
GDI发动机的优缺点

    与化油器和电控汽油喷射发动机相比，缸内直喷式汽油发动机最大的优点是油耗量低，升功率大。这种发动机气缸内可燃气体混合比达到40:1（一般汽油发动机的混合比是15:1），也就是人们所说的“稀燃”。由于活塞顶部一半是球形，另一半是壁面，空气从气门冲进来后在活塞的压缩下形成一股涡流运动，当压缩行程行将结束时，在燃烧室顶部的喷油嘴开始喷油，汽油与空气在涡流运动的作用下形成混合气，这种急速旋转的混合气是分层次的，越接近火花塞越浓，易于点火作功。由于缸内直喷压缩比达到12，与同体积的一般发动机相比功率与扭矩都提高了10％。

    但GDI发动机缺点也同样突出。由于压缩比高，在高温高压环境中NOx的排放很高，因而就必须采取一定措施来为有效控制Nox排放。GDI发动机主要采用两种控制方法：一是废气再循环系统（EGR），通过此方法Nox排放可减少90% 。二是应用催化反应器。在催化器选择上，日本三菱公司采用了选择还原型催化器，其初期净化率不是很高，但几乎不受汽油中硫分的影响。而[url=http://www.che168.com/che168/cardb/brand/brand_63.html]丰田[/url]公司采用NOx捕集型催化器，当催化器新的时候，净化率极高，但易受汽油中硫分影响而中毒，性能会急剧下降。目前，日本车型多采用后者，而欧洲车多采用前者，主要是因为汽油中硫分的含量不一样。可以看到，上述两种做法都不能高效处理Nox的排放。
GDI发动机的工作原理

   



    图1 GDI发动机结构图

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一. 进气涡流形成机构：包括直立式进气道和带涡流室的活塞

    为了能使混合气更充分的燃烧，需要使空气进入燃烧室后形成漩涡，喷油嘴喷射的汽油可以更好的与之混合。为此，GDI发动机改进了进气道的形状，由传统的横向进气道改为直立式进气道，这样可以大大减小进气阻力，使进气流速提高。当吸气时，高流速空气形成沿着进气侧气缸壁的很强的下降气流，沿与气流相反的方向，可产生在燃烧室内运动的纵向气流。与缸盖一起形成燃烧室的活塞顶部形状是不规则的，即弯曲顶面活塞，这样的结构能使本已形成的纵向涡流进一步加强。当喷油器开始喷油后，喷出的燃油会随着强烈的涡流而更好的挥发，这能达到很好的雾化效果，又可提高火焰传播速度，有利于燃烧充分的进行。

    二. 电磁式高压涡流喷射器：

    （1）喷油器性能要求：

    GDI系统需要形成高质量的混合气，除了形成进气涡流之外，对喷油器的喷雾质量提出三个要求：喷雾分散化、限制直线运动和喷雾微粒化。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，即分散化。另一方面，为了实现分层燃烧，要求进入活塞顶部燃烧室的喷雾是极细微的，以保证从喷油到点火的瞬间获得良好气化。还有，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，形成油滴沿着缸壁流下，将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，喷油器还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，而圆周运动方向的微粒应尽量保持高速运动，这样才有利于混合气形成。

    （2）喷油压力：

    为实现燃油喷射微粒化，希望有高的喷射压力，随着油压升高，喷雾粒径会减小，但为了限制喷雾的穿透力，喷射压力又不能太高，所以，喷射压力在能保证燃油微粒化的情况下，应尽量降低，一般最高控制在5Mpa左右。低速时为防止燃油聚集，应采取低燃油压力，并延长喷油时间。高速时，为限制燃油过度分散，则应提高压力，缩短喷油时间，这能显著提高燃油经济性能。

    （3）喷雾运动：

    为了使微粒化的燃油颗粒加速气化，促进燃油气体与周围空气的混合，喷雾运动是重要因素。涡流喷油器喷出燃油时，在前期喷射中，喷雾形状采用大喷雾角的空心锥体形状，而在压缩冲程喷射中由于气缸内部空气密度高，产生空气阻力，限制了喷射穿透力，也能形成紧凑的优异的喷雾构造。这样，在进气冲程喷射时，空心锥体形状的喷雾就能随进气涡流在整个燃烧室内运动，迅速扩散，而压缩冲程喷油时，由于小型活塞凹坑内形成紧凑形状的喷雾分散，也使喷雾形成涡流运动，实现控制喷雾分散的目标。 三菱公司GDI采用的喷油器前部设置有涡流器，能形成强烈的喷雾涡流。丰田公司在喷油器出口处设置凹囊，由此可以对喷雾的方向通过喷油器轴加以补偿调整。而日产公司则通过喷油口倾斜布置来实现方向偏置调整，当缸盖外形尺寸设计受限制时，这种方法比较有效。

    三.高压供油系统：

    高压燃油供给系统由电动燃油泵、低压调节器、高压泵、高压调节器和燃油切换电磁阀组成，其核心部件是高压泵，它与燃油切换电磁阀、高压调节器、旁通阀、单向阀等集成在一起，统称为高压燃油泵。高压泵为柱塞式，由发动机凸轮轴驱动。

     


    （1）.通常情况下，发动机运转时，燃油由低压电动燃油泵从油箱中以0.33MPa的压力泵出，提供给高压泵，经加压后压力可达5.0MPa。然后传输至共轨喷射管，喷射后的剩余燃油则回流至高压调节器处，经高压调节器调节后回流至油箱中。高压调节器所起的作用是调节高压油路的压力，而低压调节器只起调节电动燃油泵的供油压力的作用。

    （2）.启动时，由于与发动机直接相连的高压泵转速很低，不能产生充分的流量与压力，来自供油泵的低压燃油将直接通过高压泵的旁通阀而进入共轨喷射管。此时，系统只以0.33MPa的压力进行喷射，而且燃油切换电磁阀开启，喷射剩余燃油经过电磁阀流回油箱，高压调节器不起作用。当启动完毕后，发动机转速提高，高压泵开始工作，燃油切换电磁阀关闭，则又由高压调节器进行正常的调节工作。

    四.燃烧过程控制：（1）启动控制：

    通常的汽油机为了尽快启动，会探测在启动时处于排气冲程的气缸，并向该缸进气道喷油，燃油在进气冲程时进入气缸，被压缩后才开始燃烧，这就产生了相对的滞后。而在GDI发动机中，在启动时刻探测处于压缩冲程的气缸，同时向该气缸内喷油，这样只需在压缩冲程中就完成混合气的混合，当上止点时开始点火，则可立即进行燃烧，保证了GDI发动机的优异的启动性能。

    （2）扭矩控制：

    在一般汽油机中，扭矩控制是由空气量控制的，只要不操纵节气门，就不能使扭矩变化，即使在使用电子节气门（EPC）时,在节气门下游由于设置大容积进气歧管，供应给气缸的空气量变化也存在滞后现象。而在GDI发动机中，可以自由控制扭矩输出，即当空气量保持一定时，只要改变燃油喷射量，就能改变扭矩。在每一气缸、对每一次循环都能控制扭矩输出。利用这一点，可以从控制发动机开始就能对变速箱和整车行驶进行控制，并能最大限度降低燃油消耗。

    （3）爆震控制：

     GDI发动机采用“二步燃烧”控制来限制爆燃。即在进气冲程中喷射1/4的喷油量，形成与理论空燃比相比约为0.25左右的极稀薄混合气，此为预燃混合气，并被压缩，但由于浓度低，爆燃前期反应进行非常缓慢。而剩余的3/4燃油则在压缩冲程后期加以喷射，形成高度集中的浓混合气。当火花塞点火时，浓混合气迅速燃烧，所以几乎没有前期反应时间，则前期反应受到限制，防止了自发火现象，即限制了爆燃现象的发生。（4）燃烧过程中的排放控制：

    发动机启动后的怠速状态中，采用分层燃烧方式，即在压缩冲程时进行喷油，形成稀薄的混合气，压缩冲程终了时进行点火，则可在膨胀冲程前半期燃烧结束，使发动机内工作气体温度升高。当在膨胀冲程的后半期重新喷油时，向高温气氛气体中喷射出的燃油会被点燃，则工作气体温度立即上升，这样可以在20秒内使催化器达到工作所需温度---250摄氏度，而其他发动机需100秒后才能达到，所以GDI发动机启动后排出的HC可以大幅度降低。

    另外，在轻负荷时采用强分层燃烧，中负荷时采用弱分层燃烧可以降低炭烟的排出，这主要是因为在浓混合气区域里生成的炭烟传播到稀的区域后，这里的无色火焰便成了发火源，会使炭烟中的炭黑重新燃烧，则减少了炭烟的排出。

    （5）输出功率的性能：

    在发动机高负荷时，由于采用“直立式进气道”，进气流能顺利进入气缸内，进气阻力减小。此外，GDI发动机利用进气冲程中喷射，在气缸内的燃油的气化潜热使进气得以冷却，增加了进气密度，提高了充气效率。而且，由于进气冷却效果和采用“二步喷射”进行爆震控制，可以使压缩比提高到12 ：1。通过大幅度提高压缩比，实现了高效率燃烧，与普通发动机相比，GDI发动机在整个转速范围内可以提高10%的输出功率与扭矩，以及35%的燃油经济性。

    五. 排放净化装置：

    虽然GDI发动机采用分层燃烧和稀薄燃烧有一系列的优点，但是也存在明显的缺点，就是由于压缩比高，在高温高压环境中NOx的排放很高。为有效控制Nox排放，GDI发动机采用两种控制方法：

    （1）新型的废气再循环系统（EGR）:

    为了在超稀薄燃烧运转时进气管真空度低的条件下 ，能高精确度的引入大量的废气进入燃烧室，GDI发动机开发应用了电子控制步进电机式EGR阀，该阀具有开启、关闭无滞后且流量控制精确稳定的优点。在GDI发动机中，废气再循环率最高可达35%，Nox排放可减少90% 。

    （2）新型催化反应器：

    为能在混合气稀薄的状态下净化NOx，GDI发动机中采用稀薄NOx催化器。日本三菱公司采用了选择还原型催化器，其初期净化率不是很高，但几乎不受汽油中硫分的影响。而丰田公司采用NOx捕集型催化器，当催化器新的时候，净化率极高，但易受汽油中硫分影响而中毒，性能会急剧下降。目前，日本车型多采用后者，而欧洲车多采用前者，主要是因为汽油中硫分的含量不一样。

    六. GDI发动机中采用的其他先进技术：

    （1）改进的高能量点火系统 ：

    火花塞利用耐用可靠的白金电极，中心电极分为两段，在绝缘体与电极间产生感应晕放电，在绝缘体上堆积的积炭可以有效去除 。火花塞布置在燃烧室中央，中心电极突出7mm，位于混合气形成中心 ，同时为提高放电电流和放电时间，各缸都采用单独的点火线圈 。

    （2）GDI汽油油耗显示灯（GDI ECO）:

    该灯装在组合仪表上，当发动机低油耗运转时会亮起。另外，在怠速停车时、车速低于100Km/h时发动机处于稀薄燃烧状态或比较稳定的燃烧状态时，也会亮起。

    （3）燃油压力传感器：

    安装在高压油管上，用以修正和控制供油压力。