稀薄燃烧的优势:

热效率随空燃比增加而增加 降低CO、HC和NOx的排放 改善发动机部分负荷性能

当今汽车工业面临的两大问题：环境污染加剧和能源使用过 度。这促使人们开发新的发动机技术。


进气道喷射的汽油机稀燃技术
GDI ：Gasoline Direct Injection即缸内直喷汽油机。 优点：具有优良的燃油经济性和降低排放的潜力 国外情况：目前日本的三菱、丰田、本田，美国的福特、通 用，欧洲的AVL、Bosch等世界著名研究机构与生产企业都开 发了比较成熟的GDI机型和产品。 我国：技术还不太成熟，主要依靠国外技术支持来开发自己的 产品，如奇瑞与AVL公司共同开发的2.0升发动机同时具备以下 技术：TCI(废气涡轮增压中冷)、GDI(汽油直喷)、VVT(可变气 门正时)
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一个螺旋进气道和一个直进气道控制涡流比 一个切向进气道和一个中性进气道控制涡流比 大幅降低进气门升程控制涡流比
绕气缸中心线的进气涡流
绕气缸中心线的进气涡流
进气道喷射的汽油机稀燃技术


进气涡流比电子控制
喷油正时电子控制

点火正时电子控制 稀薄燃烧λ闭环控制 稀燃极限电子控制 NOx排放的控制策略
扭矩调节 变质调节 变量调节
充量 分层 均质
喷油正时 压缩冲程的晚期 吸气冲程的早期
喷油压力 喷油雾化 油束穿透 高 的 好 差 浅 深
GDI电子控制策略
GDI技术的优点及其存在问题
4.1 GDI的优点 4.2 GDI技术存在的问题
4.2.1 排放问题 4.2.2 积炭 4.2.3 催化器问题 4.2.4 功能问题



GDI还减少了燃烧室壁的传热损失。
汽油机直喷技术的分类

燃油直接喷射DFI（Direct Fuel Injection） 混合气直接喷射DMI(Direct Mixture Injection)

图 1 三菱缸内直喷汽油机
各种燃油供给系统的变迁
图2 汽油机燃油供给系统的变迁
与MPI相比，GDI的燃油供给系统的优点
均质燃烧

在全负荷时，燃油喷射与进气冲程同步进行，燃 油得到完全雾化，使混合气均匀地充满燃烧室并 得到充分燃烧，使发动机动力完全发挥。 在均质燃烧时过量空气系数值是1。燃油的蒸 发又使混合气温度降低，降低了爆震的趋势。 可在获得高动力输出和扭矩值的同时得到较好的 燃油经济性。


分层燃烧

在部分负荷时，直到压缩行程快终了，点火前瞬间时才喷射燃 油。高度雾化油并分布在火花塞周围，而在燃烧室的其他部分 则是纯净的空气。随着油雾的扩散，在最浓的那一层混合气达 到理想空燃比之后立即被点燃，然后火焰向周围传播。 分层燃烧时的过量空气系数值达到4，实现了发动机的稀薄燃 烧。同时在分层燃烧时空气层的温度比较低且起隔热作用，减 少了热量向汽缸壁的传递，从而减少了做功冲程的热量损失提 升了发动机热效率。 分层燃烧技术显著地提高了发动机在中、低负荷时的燃油经济 性。


因进气充量温度较低，所以具有较高的充气效率和抗爆震 特性； 因汽油直接喷入缸内，即使在低温下也具有良好的加速响 应性和优异的瞬态驱动特性。
GDI技术存在的问题
1 排放问题

GDI发动机在中小负荷下未燃HC排放较多。 采用较稀的空燃比后，使NOx生成增加。另外，稀薄 燃烧时由于排气始终处于氧化氛围，使NOx的还原比 较困难。 GDI发动机机的微粒排放在低负荷、过渡工况和冷起 动的情况下要高于传统的进气道喷射汽油机。
三种典型的GDI燃烧系统
GDI燃油供给系统的组成
GDI燃油供给系统的组成
GDI电子控制策略

按工况区分控制模式 扭矩控制策略 喷油正时控制策略 喷油压力控制策略 怠速转速控制策略
GDI电子控制策略
工况 低 高
主要目标 经济性 动力性
空燃比 25~40 14.7左右
节气门 全开 节气

传统的三元催化器同时净化NOx、CO、HC 等3种排 放物的效果只有在理论空燃比下才能实现。 GDI汽油机工作在稀空燃比条件下，其造成的富氧使 传统的三元催化器对NOx的转化率不高，同时废气的 排温较低也不利于三元催化器的起燃，限制了它在 GDI汽油机上的应用。

GDI技术存在的问题
4 功能问题


汽油机稀薄燃烧电子控制
进气道喷射的汽油机稀燃技术 缸内直喷稀薄燃烧（GDI）

Hale Waihona Puke 进气道喷射的汽油机稀燃技术

进气涡流比电子控制

喷油正时电子控制 点火正时电子控制 稀薄燃烧λ闭环控制 稀燃极限电子控制 NOx排放的控制策略
汽油机稀薄燃烧电子控制

喷油正时电子控制

在形成分层充气的场合 在形成均质混合气的稀薄燃烧场合
在形成分层充气的场合
在形成均质混合气的稀薄燃烧场合
进气道喷射的汽油机稀燃技术


进气涡流比电子控制 喷油正时电子控制
点火正时电子控制

稀薄燃烧λ闭环控制 稀燃极限电子控制 NOx排放的控制策略
点火正时电子控制
稀薄燃烧λ闭环控制的实施

片式宽带氧传感器
Application - Gasoline engines - Continuous =1 control - Warm up control - Lean burn control - Gasoline Direct Injection (GDI) - Stationary engines - Incinerator applications - Lambda measuring equipment Advantages - Measuring range =0,7 ... (air) - Fast light-off (~15 s) - Super fast light-off available (<10 s) - Rapid dynamic control - Possible cylinder selective registration Bosch(公司) LSU 4线性（片式宽带）氧传感器

随着λ的增大，点火提前角应增大。
进气道喷射的汽油机稀燃技术


进气涡流比电子控制 喷油正时电子控制 点火正时电子控制
稀薄燃烧λ闭环控制

稀燃极限电子控制 NOx排放的控制策略
稀薄燃烧λ闭环控制

稀薄燃烧λ闭环控制目标的确定 稀薄燃烧λ闭环控制的实施 稀薄燃烧λ切换控制策略
稀薄燃烧λ闭环控制目标的确定
实现稀薄燃烧须解决的问题 点燃困难 燃烧不稳定 三效催化转化器的NOx 稀薄燃烧电子控制的项目 进气涡流比 喷油正时 点火正时 过量空气系数
进气道喷射的汽油机稀燃技术

进气涡流比电子控制 滚筒分层
绕气缸中心线的进气涡流
进气涡流比电子控制
绕气缸中心线的进气涡流
GDI发动机NOx排放的控制策略

EGR NOx贮存－还原催化转化器 非热能等离子体技术 NOX捕集器 SCR技术
GDI的优点
通过以上的介绍，我们可以总结出GDI技术的许多优点： 可以实现分层稀燃，使压缩比提高至12—14； 部分负荷时采用像柴油机那样的质调节(无节气门的节流 损失)，可大幅度提高指示效率，达到节能15%—20％的 目标，即达到柴油机的燃油经济性水平； 循环热量的利用更合理(因混合气可同时被燃烧室壁和活 塞加热，使这一部分循环热量被利用而不是传给冷却 水)，热损失小，故热效率较高；
稀薄燃烧λ切换控制策略
进气道喷射的汽油机稀燃技术


进气涡流比电子控制 喷油正时电子控制 点火正时电子控制 稀薄燃烧λ闭环控制
稀燃极限电子控制

NOx排放的控制策略
稀燃极限电子控制
利用脉冲盘感应传感器检测曲轴角速度 在一个有代表性的汽缸内设一个燃烧压力传 感器

稀燃极限电子控制

MPI 燃油直接喷入进气道，蒸发不 完全，实际喷油量远大于按化 学当量比计算得到的喷油量 。 燃油经济性差 在发动机开始起动的4——10个 循环中还会出现失火或部分燃 烧的现象，HC排放显著增加

GDI 避免了进气道湿壁现象的问 题，为燃油的精确计量提供了 方便，燃油经济性好。


降低了冷起动过程中HC的排放 量，提高了发动机的瞬态响应 速度，在第2个工作循环就能正 常运转起来 通过调整缸内空燃比的变化来 达到发动机的工况要求，避免 了低负荷时的损失，动力性随 之得以改善。
稀薄燃烧及控制
稀薄燃烧：
传统汽油机(指普通电喷汽油机)为了正常点火并使三元催化转换器能发 挥出最大效率,将空燃比控制在14.7(即理论空燃比)左右,然而理论上完 全燃烧是不可能真正实现的。只有在提供过量空气的情况下,才可能使 燃料与空气充分混合,使进入燃烧室的燃料充分燃烧,大大地减少尾气排 放中的ＣＯ和ＨＣ含量。当空气对充量的稀释率达到50%时，可节油 12% ; 这种在汽油机燃烧室内充入过量空气,使空燃比达到20以上的燃烧,称为 稀薄燃烧。

负荷的变化依靠节气门的调 节，热动力损失很大，使发动 机在低负荷时的热效率显著降 低 ，动力性也降低了。

图3 不同的燃烧系统之间经济性和动力性的比较
现代GDI的特点

电子油门 喷油正时 喷油器 电子控制技术
GDI发动机的工作原理


部分负荷时，压缩冲程喷油，采用稀薄燃烧系 统 高负荷时，进气行程喷油，采用均质混合气燃 烧系统
进气道喷射的汽油机稀燃技术


进气涡流比电子控制 喷油正时电子控制 点火正时电子控制 稀薄燃烧λ闭环控制 稀燃极限电子控制