汽油机缸内直喷关键技术浅析

摘要：缸内直喷（GDI）技术有机的结合了柴油机和汽油机的优点，使内燃机具有了较好的动力性、经济性，是实现发动机节能减排的重要方向。在目前，GDI技术已经在中高档汽车中得到了广泛的使用，有望于取代传统的进气道喷射技术。

关键词：汽油机 缸内直喷关键技术

Abstract: The gasoline engine's power and fuel economy are further improved because of the technology of GDI（gasoline direct injection）,which combined the advancement of diesel engine and gasoline engine effectively，and is an important way to improve the power and the economy of engine. The technical of GDI is widely used on automobile, especially the mid-grade and high grade cars, is poised to replace the traditional techniques such as port fuel injection.

Keyword：gasoline engineGDI key technology

中图分类号：U473.1+1 文献标识码：A 文章编号：

0前言

汽油缸内直喷技术起源于20世纪30年代，德国Benz公司曾经在3000SL燃烧系统采用过，及后来的美国Texaoo的TCCS系统和Ford的PROCI系统中分别进行过试验，限于当时的电子水平，均没有得到实际应用。随着电子技术的发展，日本三菱公司率先在96年8月研制出第一台GDI发动机，紧接着丰田、福特、大众等公司均取得重大突破，将GDI技术成功运用到了发动机上。目前，GDI技术已经在中高档汽车上得到了广泛的应用，并有望于取代传统进气道喷射技术。

1 GDI技术的工作原理

GDI发动机通常会根据不同负荷采取不同的工作方式：在中小负荷时，为了使发动机达到最低的燃油消耗，在压缩冲程即将结束时开始喷油，在燃烧室与活塞顶之间产生的挤流及气缸内部气流运动的作用下，使火花塞附近形成较浓的混合气易于点火，在距离火花塞较远的位置形成较为稀薄的混合气，从而起到避免爆震和降低油耗的作用；在大负荷及满负荷工况时，为满足动力性能采取在进气行程早期进行喷射的模式，使燃油与空气有足够的时间混合，形成均匀的混合气进行燃烧。在有些GDI发动机中会采用分段喷射技术，即在进气行程早期开始喷油，使燃油有足够的时间与空气混合，在气缸中形成均匀稀薄的混合气，在进气行程后期再次向缸内喷油，在火花塞形成较浓的容易被点燃的混合气，从而达到在不影响发动机着火相位的情况下，达到降低油耗减少排放的目的。

2 GDI发动机关键技术

由于汽油的燃点较高，必须借助于火花塞进行点火。因此在汽油机上实现GDI必须从以下几方面着手：燃油喷射系统、缸内流场及控制系统。

2.1 燃油喷射系统

现代GDI发动机常划分为多个负荷区，在不同的负荷区采用不同喷油模式，以适应不同的负荷要求。具体喷油模式在GDI技术的工作原理部分已经述及，此处不再赘述。由于GDI发动机需要满足比PFI喷油模式更苛刻的要求，即要求喷油器雾化水平高、喷射时间短、相应时间迅速以确保分层效果。因此多采用电磁驱动的高压喷射模式，其喷油压力可达5~8Mpa。另外，由于GDI喷油器位于气缸内，处于高温高压的极端恶劣环境下，因此要求喷油器喷嘴具有耐高温并具有一定的自净能力。为了满足不断提高的排放要求，喷油器的喷雾索特平均直径要求小于25 um。

在满足GDI喷油器最基本要求的情况下，有两种基本类型的喷油器：一种是空气辅助式喷油器。其工作原理是首先将燃油供入喷油器储油腔，再向储油腔注入高压空气从而突破阀座压力形成喷射。大部分燃油将在前几次阀座震荡中喷出，喷雾形状为锥角较大的中空结构。但这种喷油器由于在喷油器储油腔中加注了高压空气，当燃油以较高的速度喷射经过喷嘴喷出时，高压空气会在喷嘴处形成急速破裂并对喷嘴形成点蚀的作用，从而加速了喷嘴损坏速度，降低喷油器的使用寿命。另一种是高压旋流式喷油器，该喷油器借助油束的切向力转化为自身水平旋转动能，降低燃油喷射速度避免撞壁现象的产生，同时保持原有的雾化水平。目前对高压旋流式喷油器研究最多。

2.2 缸内流场

为了保证GDI发动机中能够形成分层混合气和利于火花塞点火，需要缸内气流运动与喷雾结合才能达到更好的效果。在发动机中存在着紊流、涡流和挤流三种流场，这三种流场的运动变化对于混合气的形成和发展有着很大的影响。

紊流的速度变化较大，常用于喷油油束的纵向引导，在上止点需要加强紊流强度，促进燃油与空气的混合；由于在压缩过程中使之具有了加速旋转的特点，有利于提高壁面气流速度，从而加速壁面油膜的蒸发。但是由于气缸壁曲面的导流作用，使混合气分层难以保持，从而造成火花塞附近流场不稳定而导致点火困难。涡流在缸内的径向速度变化较小，但是在可以在压缩冲程中持续较长时间，有利于保持混合气其的分层，弊端是不利于燃油与空气混合，因此必须通过燃烧室与活塞顶形状形成挤流加速燃油的蒸发。挤流是在活塞上行过程中，通过活塞顶与燃烧室之间的气流变化产生的，较高的挤流强度可以明显增加火焰传播速度，缩短燃烧持续期，且挤流受发动机负荷与转速影响较小。因此在GDI发动机中，多以较低的紊流强度配合以较高强度的涡流与挤流，形成雾化良好、能够保持稳定分层的混合气。

2.3 控制策略

GDI发动机的控制问题可以总结为缸内流场与喷雾之间的配合和燃烧的控制两方面。其中缸内流场主要取决于活塞顶部形状与燃烧室的形式，喷雾特性则由喷油器自身特性所决定的，随之就要确定火花塞位置确保稳定点火。上述参数多是在设计发动机时已经确定的。对混合的控制则是通过喷油时刻与喷油脉宽等喷油策略完成的。在各个工况下，具体的喷油时刻、喷油脉宽及点火时刻的确定是通过大量的试验，获取发动机的性能脉谱图，再根据所需经济或者功率特性进行对比所得。

3 GDI发动机的优点及存在的问题

相对于传统的进气道燃油喷射（PFI）发动机，GDI发动机有着很多优点：取消了节气门从而降低了进气损失，提高了充气效率；采用燃油分段喷射技术，使传热损失减少，早期喷射的燃油能够使缸内温度降低，从而在一定程度上避免爆震现象的发生，因此可采用更高的压缩比，设计强化指数更高的发动机；由于GDI发动机能够实现精确的喷油时刻与喷油量的控制，可有效避免因温度过低或混合气过于稀薄而引起的失火现象；在排放方面，由于其充气效率较高，使得在冷启动时，碳氢化合物排放量降低，减少CO2的排放，同时可以使用更大的EGR率来实现降低NOx的目的。

GDI技术大大的提高的发动机的燃油经济性，但是其排放在某些方面却高于使用三元催化器的PFI发动机。其排放问题主要有：由于采用混合气分层造成在燃烧后期火焰远端失火，导致中小负荷下未燃碳氢化合物过多；由于燃油在气缸内瞬时喷射并点火，造成工作较PFI发动机粗暴，积碳过多；由于混合气过稀，传统的后排放技术净化效率较低，在当今排放法规愈加严格的今天，限制了GDI技术的推广。

4 结论

GDI发动机在燃油经济性方面已经达到非直喷柴油机的水平，但是其昂贵的成本、精密的制造技术与其排放是否能够满足日益严格的排放法规成为该技术推广使用的障碍。随着全球性的能源短缺与能源危机，发动机同时面临着节能与环保两大挑战，GDI发动机的研发无疑是现阶段乃至以后几十年的一个热点技术。

参考文献

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作者简介：赵会霞，1983年4月，女，汽运用与维修专业教师

职称：助理讲师