请输入用户名或密码
第三方登录
请输入用户名或密码
本田三菱雷诺的稀薄燃烧技术详解（二）
来源：不祥 | 责任编辑：小语
三菱GDI汽油直喷发动机
　　国产哈飞赛马有一个很有趣的现象，在国内最北端哈尔滨生产的汽车，却在国内的最南端广东卖得好――与北方的销售不温不火相比，赛马在广东的销量确实不错。除了广东是日系车的天堂以外，还有一个很重要的原因，就是赛马的原型车Dingo在广东的近邻香港口碑非常不错，无论是动力性能还是经济性能，反映都非常好。
　　其实，虽然外形几乎完全一样，赛马和Dingo还是有本质区别的，最大区别就在发动机。香港市场上出售的Dingo装配的1.5GDI是其最大的卖点。为何赛马没有装配GDI发动机呢？除了成本原因以外，还有没有其他原因呢？
　　熟悉三菱的人一般都知道GDI，这是三菱缸内直喷发动机技术的英文缩写，全称是GasolineDirectInjection。三菱很早就开发了GDI发动机，是日系品牌中缸内直喷技术的倡导者。目前，三菱已经将GDI技术普及到不同平台的发动机，无论是小排量的1.5L直列四缸发动机还是大排量的4.5LV8发动机，都有采用GDI技术的机型。
　　三菱的GDI发动机通过稀薄燃烧技术，让燃料消耗减少20%-35%，让二氧化碳排放减少20%，而输出功率则比普通的同排量发动机10%。这些指标看起来是非常诱人的，缸内直喷真的这么神奇吗？它的原理是什么？下面，我们就来讨论一下这个问题。
　　缸内直喷技术是稀薄燃烧技术的一个分支。与普通发动机最大的不同之处就在于它的直接喷射系统。其实缸内直喷并不是什么新鲜技术，在很多年以前，许多柴油发动机就采用了这种技术设计，而将它运用在汽油发动机上，才属于几年的事情。
　　缸内直喷技术有两大好处：
　　1、发动机能在火花塞点火之前把汽油直接喷射到高压的燃烧室，同时在ECU的精确控制下，使混合气体分层燃烧。这种技术可以让靠近火花塞处的混合气相对较浓，远离火花塞的混合气相对较稀，从而更有效的实现“稀薄”点火和分层燃烧。
　　2、由于汽油是直接被喷射到汽缸内的，与传动的缸外喷射相比，混合气体不需要经过节气阀，因此能减小节气阀对混合气体产生的气阻。
　　传统的MPi(multi-pointinjection)缸外喷射发动机，其燃料是被喷射到进气管当中的。为了让汽油被喷射到进气管以后有足够的时间跟空气混合，喷油器需要与气门隔着一段距离，待汽油与空气在这段空间充分混合以后，再被引入到汽缸当中燃烧。对于这种传统的设计，如果将汽油直接喷射到汽缸内，势必会造成空气与汽油没有足够的时间混合，这种没有混合的气体，显然是不能满足发动机点火需求的。缸内直喷发动机首先要解决的就是这个问题。
　　与普通的缸外喷射发动机不一样，GDI采用的垂直进气歧管设计，并且在活塞头部设计了一个凸起的形状。采用了这种设计以后，当活塞在进行压缩冲程的时候，汽缸内会形成强大的涡流。此时将汽油被直接喷射到燃烧室内，这股强大的涡流就能让汽油跟空气充分混合，从而解决了缸内直喷燃油与空气混合的问题。
　　当发动机运转在压缩行程的时候，气缸内的压力是非常大的。这对于缸内直喷发动机来说，普通的燃油泵就无法满足需求了。缸内直喷发动机的另一个重要特征就是它的燃油泵的供油压力非常高，这样才能将汽油有效的喷射到高压的燃烧室内。
　　GDI发动机的喷油过程共分两个阶段，也就是两次喷油。
　　辅喷油阶段：
　　在发动机运行进气行程时，发动机会进行一次喷油，这次喷油是辅喷油，喷油的数量不大，喷油的主要目的也不是为了点火燃烧。当一定数量的汽油在进气行程被喷射到汽缸内的时候，这部分少量的汽油会汽化挥发，我们都知道，液体的汽化和挥发是会吸收热量的，这样就能降低汽缸内的温度。气缸内的温度低了，气缸内可以容纳的气体密度就会自然增大。所以这次喷油的后果在给气缸降温的同时，还可以提高进气密度，让更多的空气进入到汽缸，而且能确保汽油跟空气均匀的混合。
来源：废旧头条网址：www.feijiu.net/toutiao著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。
微信扫一扫关注我们
微信：LCHtzzc工具类服务
编辑部专用服务
作者专用服务
汽油机缸内直喷稀薄燃烧技术(GDI)
在对GDI燃油喷射系统和燃烧系统等关键技术的介绍基础上,通过对GDI缸内流场的结构、在不同负荷下混合气分区域控制模式分析,阐明缸内直喷汽油机的工作过程、燃油经济性及排放特点.
Zhang Xiaohui
Han Yuhuan
作者单位：
中国汽车技术研究中心,天津,300162
年，卷(期)：
机标分类号：
在线出版日期：
本文读者也读过
相关检索词
万方数据知识服务平台--国家科技支撑计划资助项目（编号：2006BAH03B01）(C)北京万方数据股份有限公司
万方数据电子出版社&&&&汽油直喷燃烧技术(GDI)就能够将内燃机的燃料效率提高20％。这一新技术的基础技术的应用起源于30年代，但长期以来没有得以，只是到了近两年，由于电子技术和其它系统的性能的提高，才使这种新概念有所作为。
&&&&目前，一些汽车制造商正在将GDI技术投入实际的制造应用过程。例如MercuryMarine公司就针对其大型发动机开发出了一个采用双重空燃直喷燃烧系统的发动机。从1996年起日本的三菱公司也开始了GDI发动机的开发工作，西门子和雷诺两公司也联手致力将GDI技术应用于雷诺的Megane汽车上。同时，Delphi也宣布将和Orbital发动机制造公司共同投资开发一种和燃油直喷混合的发动机系统，这个系统只需要一个通往汽缸燃烧室的孔。
&&&&开发直喷技术的最初想法是由于在大多数的情况下，发动机的空燃比可以调节到比用化学计算法得出的14.7:1更稀薄的状态，而不会对发动机性能造成负面的影响。然而其局限性却是这样的，稀薄混合气体很难点燃，而且还会随之产生相应的排放物，其主要成分是氮氧化合物（NOX）。
&&&&采用直喷技术后，燃油以细微滴状的薄雾方式进入汽缸，而不是以蒸汽的方式。这也就意味着当燃油雾滴吸收热量变为可燃蒸汽时，实际上对发动机的汽缸起到了冷却的作用。这种冷却作用降低了发动机对辛烷的需要，所以其压缩比可以有所增加。而且正如柴油一样，采用较高的压缩比可以提高燃料的效率。
&&&&采用GDI技术的另一个优点是它能够加快油气混合气体的燃烧速度，这使得GDI发动机和传统的化油器喷射发动机相比，可以很好地适应废气再循环工艺。例如，在三菱的发动机上，当运转过程中如果发动机燃烧不稳定，则发动机可以以40:1的空燃比很平稳地运行（如果采用了废气再循环EGR技术，那么发动机的空燃比可以提高到55:1）。
&&&&决定一种非常稀薄的混合气体的关键是能否找到一种可靠的点燃它的途径。这就要求在火花塞间隙附近混合气的浓度足够大，以便能点燃。由于火焰的焰心要比火花塞的间隙尺寸大得多，一旦燃烧之后火焰就会向燃烧室内的稀薄气体区域扩散。早期的GDI的开发工作着重于研究能够在炙热状态下，长时间工作点燃可燃物的兆点点火系统。虽然这个系统发出的炙热的、较大的火花能够很容易地将稀薄混合气体点燃，然而由火花塞发出的热量却大大降低了火花塞电极的使用寿命。
&&&&采用计算机来模拟进出燃烧室的燃料和空气流的情况是一项突破性的技术。燃烧室和活塞的形状、喷油脉冲的能量和方向、活塞和发动机热量的运动情况都会影响油气混合物雾滴的位置。这项技术采用了关键性的计算机技术来确定空燃流的情况以及空燃喷射器的最佳位置以及火花塞的相关参数。
? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? ?汽油机缸内直喷稀薄燃烧技术(GDI)
作者：3336
声明：本文由说客作者撰写，观点仅代表个人，不代表汽车之家。文中部分图片来自于网络，感谢原作者。
[导读]稀薄燃烧是提高汽油机燃油经济性的重要手段。缸内直喷汽油机稀薄燃烧技术可以分为均质稀燃和分层燃烧两种燃烧模式。中小负荷时，在压缩行程后期开始喷...
稀薄燃烧是提高汽油机燃油经济性的重要手段。缸内直喷汽油机稀薄燃烧技术可以分为均质稀燃和分层燃烧两种燃烧模式。中小负荷时，在压缩行程后期开始喷油，在火花塞附近形成较浓的可燃混和气，在远离火花塞的区域，形成稀薄分层混和气；大负荷及全负荷时，在早期进气形成中将燃油喷入气缸，形成完全的均质化学计量比进行燃烧。另外，也有采用分段喷油技术分层混合气，即在进气早期开始喷油，使燃油在气缸中均匀混合，在进气后期再次喷油，最终在火花塞附近形成较浓的可燃混和气。近些年来，对以分层稀薄燃烧缸内直喷汽油机为代表的新型稀薄燃烧模式的研究和应用极大地提高了汽油机的燃油经济性。
1& GDI的关键技术
1.1& GDI的燃油喷射系统
GDI通常划分了负荷区，因此要求GDI燃油喷射系统至少要能提供2～3种不同的操作模式，以适应不同的负荷要求。GDI要求喷油器雾化水平高，能在较窄的脉冲宽度内喷出所要求的燃油，以确保晚喷实施分层燃烧。由于喷油器位于缸内，工作条件恶劣，因此要对嘴端沉积物生成和高温有更强的抵抗能力。此外，喷油器的喷雾特性对GDI发动机的燃烧过程影响较大。
GDI采用的喷油器主要有两种类型。一种是空气辅助喷油器。其喷油原理是先将燃油供入喷油器油室，再充以高压空气，从而突破阀座弹力形成喷射；另一种是高压旋流喷油器，如图1所示。这种喷油器的特点是，在其喷油嘴的头部设有一个特殊的涡流腔，通过该腔可产生一股强涡流，不仅对喷油嘴喷孔具有自洁作用，使其可靠性得到提高，而且能使燃油喷束的一部分动能直接转化为水平的旋转动能，从而降低油束的穿透度，避免其沾湿活塞和缸套壁面。在早喷时喷雾形状是适宜均质混合的中空扩散型，在晚喷时是适宜分层燃烧的紧凑型。喷油压力主要影响雾化质量和贯穿速度，较适当的喷油压力为5～10MPa(最高为12MPa)。
在喷射系统中，喷油器喷嘴的结构形式对喷雾质量起着重要的影响，它是保证实现混合气分层与稀燃的关键部件。图2为GDI发动机所采用的内开式旋流型喷嘴，在其内部设有燃油旋流腔，燃油通过在其中产生的旋转涡流可实现较好的喷雾形态和合适的贯穿度的配合。因其油束方向便于调整，布置方便，不易积炭的特点，使其成为目前GDI发动机喷嘴所采用的主要形式。
1.2& 缸内流场的结构
在进气冲程与压缩冲程中的瞬态缸内流场是GDI的另一关键因素。在GDI发动机中，流场的三个重要因素是平均流体结构的稳定性、压缩冲程中紊流的发展和点火区域的流场平均速度，能较长时间地保持平均流体结构的流场将有利于分层。在汽油机中可采用的流场结构有滚流、涡流和挤流三种。如图3所示。
大部分GDI发动机都应用涡流作为缸内气体流动的主要形式(图3a、图3b)。图3a中喷油器中置，火花塞偏置在油束的周向，这种设计一般要求电极凸进燃烧室，因而常导致高负荷时火花塞的耐久性问题；图3b中火花塞中置，喷油器偏置，依靠活塞顶部特殊形状的凹坑和缸内涡流形成混合气分层；图3c是三种以滚流为主的GDI燃烧系统；以挤流作为混合气分层动力的燃烧系统如图3d所示。
1.3& GDI的燃烧系统
GDI发动机大部分燃烧系统火花塞的安装位置选择在靠近缸头中心处，这主要是为了火焰传播的对称性，增加燃烧速率和标定功率，减少热损失和自动着火的趋势。喷油器的定位有两种：一是喷油器紧靠火花塞；二是喷油器安装在进气道下侧。由于易产生燃烧沉积物和降低耐久性，喷油器避免安在排气侧。图4为三种可行的方案。
有多种燃烧系统设计方案可以达到分层稀燃的目的。以下两种是目前主要采用的结构。
1)壁面控制燃烧系统 (图5a)活塞顶面通常被设计成弧状的曲线形。喷油器相对应的活塞凹坑的开口指向进气侧，火花塞布置在中间，采用立式进气道(图6a)，在进气行程中吸入的空气通过立式进气道被强制沿气缸壁向下流动，形成逆滚流，将喷射的燃油和蒸发的燃油送到火花塞附近。在压缩过程中，使逆滚流得到加强，有利于燃烧。在燃烧后期，逆挤流使火焰传播到排气门一侧。这种混合气形成方式被称为“壁面引导法”。
2)气流控制燃烧系统 (图5b)采用接近于卧式的水平进气道，在缸内产生顺向的翻滚气流(图6b)。它的喷油器不再是直接将油束喷向活塞凹坑，而是对准燃烧室的中心喷向火花塞(但不朝向火花塞电极)，并利用缸内有组织的气流运动与油束相互作用，使发动机在大部分工况范围内都能实行恰当的充量分层和混合气均质化，这种混合气形成的方式被称为“气流引导法”。
1.4& 混合控制
1)按工况模式控制。现代GDI通常是根据大、小负荷区域不同的要求，采用不同的混合燃烧模式来改善其燃油经济性的。在中小负荷区域，要求有良好的燃油经济性，通常采用压缩冲程中喷油实现分层燃烧的控制模式。在高负荷区域，要求提高发动机转矩和功率，故采用均质燃烧的控制模式。
2)喷油定时控制。喷油定时决定了混合气的均质程度，也就决定了是均质模式还是分层燃烧模式。GDI可根据不同的工况区域来确定不同的混合气生成方式，而不同的混合气生成方式对油束的要求也不相同，故此时应将喷油推迟到压缩行程的后期进行(但必须在喷油和点火之间留下足够的间隔时间，以便实现混合气的分层)。当发动机处于高工况时，采用的是变量调节和均质充量。应尽可能减少油束沾湿活塞和气缸壁面，否则会导致HC排放增加，并且活塞壁面会向燃油提供汽化潜热，从而丧失利用汽化潜热冷却缸内充量以提高容积效率的机会。故此时应将喷油提早到吸气冲程的前期。
2& GDI的排放
GDI面临的主要排放问题是UBHC(未燃碳氢化合物)和NOx。
2.1& 中小负荷下UBHC的排放
GDI油气的混合主要是依靠喷雾和缸内的空气运动，冷起动时无需过量供油，有效地解决了PFI(气道燃油喷射)冷起动时UBHC排放过多的问题。但是GDI在中小负荷的情况下，其UBHC的排放仍然较多。主要原因是：
1)GDI在此工况燃油在压缩行程后期被喷射入气缸内，雾化时间不足，油气不能充分混合，在燃烧室内产生局部混合气过浓。
2)大量的浓混合气集中在火花塞附近，使得火焰在向周围稀混合气传播时，因混合气过稀而熄灭。
3)稀薄燃烧造成气缸内温度偏低，不利于UBHC随后的继续氧化。
4)由于GDI发动机压缩比较高，使得残留在狭缝容积中的HC增加。
5)EGR率过高会导致进气中新鲜空气过少，即再循环废气会导致燃烧变差。
6)采用“壁面引导法”的系统喷雾容易与活塞顶和缸壁发生碰撞，而缸壁的温度又较低，从而导致燃油在着火前来不及完全蒸发，引起较多的UBHC排放。
2.2& NOx的排放和后处理
GDI采用了稀薄燃烧技术使气缸内反应区的温度下降，可减少NOx的生成量。但由于GDI的混合气由稀到浓呈分层状态，不可避免地会出现空燃比为1附近的偏浓区域，使这些区域的NOx排放增加。GDI大部分工况都处于部分负荷，发动机长期处于稀空燃比条件下，导致废气排气中含氧较多且排放温度也较低，传统的三元催化器对NOx的转化效率低。
目前，GDI对NOx排放的控制主要依靠EGR和稀燃NOx催化转化器。当前的稀燃NOx催化转化器包括富氧条件下的沸石和贵金属催化转化器，NOx捕集器，选择性de-NOx催化转化器以及等离子系统。NOx储存还原催化技术有很高的转化效率，在稀薄燃烧的条件下，其对NOx的转化效率可达到90％以上，同时可对HC和CO进行很好地转化。它的缺点就是受燃油中的硫含量影响很大，随着硫含量的增加，其净化性能会急速下降。
2.3& 颗粒物的排放
GID发动机的颗粒排放比PFI发动机有所增加，在低负荷、过渡工况和冷起动的情况下，GDI的颗粒排放比传统的PFI汽油机有较多的增加，但仍比柴油机要低一个到几个数量级。其形成的主要原因可能是因为局部区域过浓的混合气或类似柴油机的液态油滴扩散燃烧所引起，并且缸内温度低，也造成颗粒氧化不完全。
3 GDI发动机的优缺点
3.1& 相对于PFI发动机的优点
1)GDI发动机的绝热指数增加和传热损失较少，取消节流降低了泵吸损失，燃油蒸发引起的缸内温度降低提高了汽油机可工作的压缩比，燃油在进气冲程中对进气的冷却提高了充气效率，使得它的燃油经济性有进一步改善，燃油消耗下降率高达35％。动力输出也比PFI发动机增加了大约10％。
2)瞬态反应快。
3)起动快。
4)冷起动时未燃碳氢排放少。
3.2& GDI发动机的缺点
1)GDI适用的NOx稀燃催化剂的开发尚未成熟，目前商品化的GDI难以满足严格的排放法规要求。
2)GDI燃烧系统的设计较为复杂，开发成本昂贵。
现代电子控制、制造等技术的发展使GDI开发比过去所受限制大大减少。当前节能环保的要求给GDI的发展提供了动力，借助于先进的电子控制技术能准确地调节燃油的供给，可根据需要改变喷油定时和喷油次数，能自由控制气缸内的混合状态、燃烧室内的燃油分布，使混合气实现分层分布，完成稀薄燃烧，以实现高燃油经济性的同时大大地降低排放污染。随着喷射技术和排气后处理技术的进步以及发动机管理系统的不断完善，GDI发动机必将在21世纪的轿车发动机中占据很重要的地位。
点赞，为作者喝彩
是汽车之家用户？欢迎
汽车之家温馨提示您：留言中请不要恶意攻击国家、其他用户及工作人员，不要发布任何广告性质的留言，我们会在第一时间永久封杀违反以上规定的ID。流畅沟通、观点鲜明、善意提醒是我们推崇的良性留言氛围。
说客是汽车人的自媒体平台，我有我的主张，
每篇文章仅可“赞”两条评论，请先取消一条后再“赞”此条”
大家都点赞
作者：49作者：102作者：69作者：71作者：31作者：42作者：27作者：29作者：64作者：151
一周热门作者排行榜
取消成功！