D4 GDI工作状态1－分层燃烧
D4 GDI工作状态2－均质燃烧
D4 GDI工作状态3－弱分层燃烧
D4 GDI各工作状态的使用区域
GDI存在问题
稀燃导致的大量NOx产生，但吸藏式还原催 化转化器技术尚待发展（主要原因是吸藏式 催化还原转化器对汽油含硫量要求极严 格）； 汽油的直接喷入导致润滑油性能下降，发动 机寿命受到影响； 高温喷入汽油导致极小尺寸（<100nm）微 粒排放增加。
三菱GDI发动机
三菱小型MPV车Dingo装配4G15GDI发动机，1.5L，4*75.5*82，78kW/6000rpm， 140N.m/3500，11.0:1。在小负荷工况，ultra-lean 空燃比达到30～40，汽油在压缩行程喷 入，靠强滚流辅助混合燃烧；高负荷工况，均质混合气汽油在进气行程喷入；中间工况 lean-burn，空燃比20～24，汽油也是在进气行程喷入。
分层稀燃－本田CVCC燃烧系统
本田CVCC（Compound Vortex Controlled Combustion 复合涡流 控制燃烧）系统通过控制燃烧过程 来实现稀薄燃烧。 CVCC在传统火花塞位置上设置一 个副燃烧室（预燃室），并配有一 个副进气门。副燃烧室有两个火焰 喷孔，孔径φ6mm，总面积 1.565cm2。
GDI系统与传统汽油机性能对比
GDI系统油耗低的原理
油束直射GDI
混合气向火花塞的输送主要靠油束的喷 射能量，而燃烧室壁及气流运动影响较 小，但是气流运动对火焰在稀薄混合气 中侧传播起着决定性作用。 这种点火方式着火比较稳定，稀燃能力 强。但直接向火花塞喷油会影响火花塞 使用寿命，冷起动和产生炭烟问题较 大。并且需要将火花塞与喷油器都安装 在正中，对四气门汽油机会影响气门大 小。
室壁引流GDI
室壁引流火花塞与喷油器的距离较 远，混合气向火花塞的输送主要靠燃 烧室壁的形状和气流运动的配合。 燃烧室室壁引流首先将燃油喷向特殊 形状的活塞顶，部分形成油膜。然后 利用和活塞室壁配合的气流运动，将 可燃混合气送到火花塞。 对燃油喷射、气流运动和活塞顶形状 的配合要求很高，而且燃烧室的面容 比大，HC排放高。
均质混合气稀燃－射流式燃烧系统
天津大学刘友钧 教授上世纪80年 代提出并建立汽 油机射流式燃烧 理论，1993年获 国家发明3等奖。 燃油经济性大幅 度改善。 发动机压缩比达 到11以上。
汽油机降低油耗措施的发展
3.2.2 缸内汽油直接喷射GDI、DISI
GDI汽油机中由于汽油很难压燃着火，需要点燃。而过稀的 混合气很难点燃，这样直喷式汽油机需要分层混合，并选择 合适的方式将可燃混合气送往火花塞。 根据混合气引向火花塞的方式：
发动机在燃油稀混合气时可 靠工作的条件：
控制燃烧过程，使之实现快 速燃烧； 改善供给系混合气的制备与 分配； 改进或强化点火系。
分隔式燃烧室（预燃室）：
主燃烧室（供稀混合气）：
化油器； 燃油喷射。
预燃室（供浓混合气）：
本田CVCC-化油器； 丰田TGP 保时捷SKS-汽油喷射； 大众PCI-汽油喷射。
丰田D4 GDI系统
D4 GDI系统组成及特点
涡流控制阀SCV控制缸内横向涡 流强度－带SCV的单边螺旋气 道； 为控制混合气形成和燃烧在活塞 顶部设置渐开线燃烧室； 将高压直接喷入燃烧室，可精密 控制喷射方向并使燃料充分雾化 －高压漩流喷油器； 可根据转速和负荷自由控制的气 门正时－VVTi； 实现舒适的加速和动态反应性能 －电子控制节气门； 使排气更洁净化－NOx吸藏还原 型三效催化转换器。
油束直射； 室壁引流； 气流引流。
汽油直喷对汽油机性能的影响
汽油直喷节油10～15%，在低负荷时采用分层稀燃，大负荷 时均质混合气燃烧，保证发动机的动力输出。
缸内汽油直接喷射GDI（DISI）
缸内直喷分层燃烧发动机：
燃油经济性好； 缸内温降大，提高抗爆震性能，充气效率高； 进气管无燃料黏附，过渡工况反映性能好，冷机HC排放 少； 高转速困难； 高负荷生成炭烟； 喷油器容易积碳，机油易稀释； 需要减少NOx排放的特殊催化转化器。
缸内汽油直接喷射GDI（DISI）
缸内直喷分层燃烧发动机的优缺点：
燃油经济性好； 缸内温降大，提高抗爆震性能，充气效率高； 进气管无燃料黏附，过渡工况反映性能好，冷机HC排放少； 高转速困难； 高负荷生成炭烟； 喷油器容易沉积，机油易稀释； 需要减少NOx排放的特殊催化转化器。
3.2.3 均质混合气压燃着火( HCCI、CAI) 均质混合气压燃着火是结合汽油机与柴油机 各自的优点而提出的一种新的燃烧概念。 HCCI的主要困难在于控制可燃混合气压缩着 火的时刻。
New Combustion Concept HCCI
HCCI: Homogeneous Charge Compression Ignition Other names: ATAC - thermp-atmosphere combustion CAI - Controlled Auto Ignition AR - activated radicals combustion TS - Toyota-soken combustion PCCI - premixed charge compression ignition CIHC - compression ignited homogeneous charge combustion
气流引流GDI
在气流引流GDI中燃油向火花塞方向喷 射，但不直接喷向火花塞，而是利用气流 的运动将混合气送往火花塞。这种系统燃 烧室比较紧凑，在发动机的各种运转状态 性能都较好。
GDI不同工况混合气的形成
直喷式汽油机过量空气系数随工 况变化而变化，部分负荷时，过 量空气系数较大，采用分层混合 燃烧，燃油在压缩行程后期才喷 入气缸。分层混合燃烧需要较强 的气流运动。FEV公司采用可变 进气涡流来实现。 高负荷时，过量空气系数小，需 要均匀混合，避免局部过量空气 系数小于0.6，以减少炭烟排放， 燃油在吸气行程就开始喷入气 缸，在过量空气系数等于1的均 匀混合气燃烧时，应尽量避免气 流运动，提高充气系数。
Principle of HCCI Operation
Gasoline (SI) Diesel (CI) HCCI
Homogeneous
inhomogeneous
Homogeneous
Flame Propagation
Diffusion Combustion
Multiple Ignition & Combustion
分层稀燃－本田CVCC系统的工作原理
进气过程：
进气时，大量稀混合气和极少浓混合气由独立的化油器分别供给主 燃烧室和副燃烧室。副燃烧室中的浓混合气通过火焰喷孔流到主燃 烧室和稀混合气混合，并形成空燃比梯度（分层进气）。
压缩过程：
压缩时，一部分稀混合气被压入副燃烧室，形成中等浓度混合气， 因此在压缩终了时在火花塞周围形成着火性能较好的浓混合气；在 主燃烧室的火焰喷孔附近形成适于火焰传播的中等浓度的混合气； 在主燃烧室其余部分是很稀的混合气。
稀薄燃烧是指能 燃用空燃比为 18:1或更稀混合 气的汽油机。 稀薄燃烧按供给 方式可分为：
均质； 非均质。
分层、非均质燃 烧是发动机实现 稀薄燃烧的主要 方式。
稀薄燃烧汽油机与传统汽油机的性能对比
排放物与空燃比的关系
稀薄燃烧（分层进气）
统一式燃烧室：
德士古TCCS； 福特PROCO； 三菱MCP。
大众路波车的FSI直喷式汽油机
结构形式 排量 缸径×行程 压缩比 每缸气门数 凸轮轴形式 混合气形成方式 标定功率 最大扭矩 起步加速 最高车速 百公里油耗 直列四缸 1390 76.5×75.6 11.5 4 DOHC 汽油直喷 105（77）/6200 130/4250 10.5 199 5.0
丰田MVCS GDI系统
球与椭圆组合成的副燃烧室 产生涡流形成稳定混合气； 未燃成分少。
福特PROCO燃烧系统
福特PROCO（Programmed Combustion Process 程序化燃烧过程）系统的层状进气采用统一式其余 哦直接喷射，利用螺旋气道形成进气涡流，在火花 塞附近形成浓混合气。喷油随负荷加大而提前，使 混合气近于均匀。
分层稀燃－SKS燃烧系统工作原理
SKS与CVCC主要区别是用燃油喷射泵取代化油器向预燃室内单独供给 燃油。进气行程，高压喷射泵将燃料直接喷入预燃室内，压缩行程主燃 烧室内稀混合气一部分进入预燃室，最后形成浓混合气。 SKS中火花塞置于点燃室中，使火花塞周围没有强烈涡流，便于火核的 形成。预燃室内为浓混合气，当活塞位于压缩上止点时，预燃室及喷孔 附近的主燃烧室部分以等容燃烧，产生强烈的涡流进而点燃主燃烧室内 的稀混合气（λ＝1.5～3.0）。 主燃烧室内混合气在膨胀行程中几乎在等温状态下进行，爆发压力低， NOx排放少，膨胀温度高，使未燃HC与CO氧化。
着火膨胀过程：
火花跳火时，副燃烧室内浓混合气可靠着火，形成火焰从喷孔喷 出。首先着火的是喷孔附近中等浓度混合气，然后随着膨胀过程开 始使稀混合气着火燃烧，这样使极稀混合气能被火焰传播而稳定燃 烧。
分层稀燃－保时捷SKS燃烧系统
德国保时捷（Porsche）的SKS （Schichtlade-KammerSystem）是利用层状进气实现稀 燃的。 保时捷公司研究认为汽油机燃烧 由三个阶段组成：点火并形成火 焰中心；大部分燃料燃烧；后续 燃烧。第一阶段要求小部分混合 气由火花塞点燃放热大于表面散 热，因此点火应在稳定即没有涡 流的地方；第二阶段则需要强烈 涡流使燃烧迅速完成；第三阶段 则需要足够的过剩空气。
ห้องสมุดไป่ตู้
Emission
high NOx
PM, NOx Excellent
Fuel Economy Average