研究生课程考试成绩单（试卷封面）任课教师签名：日期：注：1. 以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表，综合考试可不填。

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目录汽油机缸内直喷技术研究与发展 (1)1简介 (1)2 缸内直喷技术特点 (1)2.1分层燃烧缸内直喷汽油机 (2)2.2匀质混合燃烧缸内直喷汽油机 (3)3 GDI发动机的技术现状 (4)3.1燃油供给和喷射系统 (4)3.2喷射模式 (5)3.3燃烧系统 (5)3.3.1“喷束引导法”(spray-guided system) (6)3.3.2 “壁面引导法”(wall．guided system) (6)3.3.3 “气流引导法”(flow-guided system) (6)3.4缸内空气运动的组织 (6)4 GDI发动机目前存在的问题 (7)4.1 排放问题 (7)4.2催化器问题 (7)4.3积炭问题 (7)4.4喷油器问题 (7)4.5控制策略问题 (7)5今后GDI技术研究开发方向 (8)5.1降低NOx排放的技术 (8)5.2二次燃烧技术 (8)5.3二次混合技术 (9)5.4均质混合压燃技术 (9)6 GDI技术的发展前景 (9)参考文献 (10)汽油机缸内直喷技术研究与发展100177唐文来指导教师王鸿翔摘要：本文通过实例介绍了汽油机缸内直喷(GDI)技术的发展背景、技术特点、技术现状、目前面临的难题以及今后技术研究工作的重点，指出了排放的控制措施将成为决定其推广实用的关键因素。

最后对汽油机缸内直喷新技术的发展，进行了展望。

关键词：汽油机缸内直喷排放1简介随着石油资源越来越紧缺，人们对汽车的燃油经济性要求也越来越高，为此，一种新型的汽油机燃烧方式应运而生，即发动机稀薄燃烧技术，而实现稀薄燃烧的理想方式是缸内直喷分层喷油，即缸内直喷（GDI）。

直喷式发动机是在气缸内喷注汽油，将喷油器安装在燃烧室内，将汽油直接喷注在气缸燃烧室内，空气则通过进气门进入燃烧室与汽油混合成混合气被点燃做功，这种形式与直喷式柴油机相似，因此，缸内喷注式汽油发动机是将柴油机的形式移植到汽油机上的一种重大创举。

上世纪50年代，德国就研制了直喷二冲程汽油机，但由于当时内燃机制造技术和电控水平较低，其性能和排放并不理想。

90年代后，缸内直喷汽油机的研究有了快速发展。

缸内直喷汽油机改变了混合机理。

可采用稀薄分层燃烧技术，有效地降低HC等排放。

直喷方式的油滴蒸发依靠空气吸热而非壁面吸热，降低了混合气温度和体积，可降低爆燃倾向，提高发动机压缩比。

此外，GDI汽油机还具有瞬态响应好，易于实现精确的空燃比控制，具有快速的冷起动和减速快速断油能力等特点。

缸内直喷式发动机的空燃比达到40:1，具有节省燃油、减少废气排放、提升动力性能，减少发动机震动、喷油精度的提高、发动机更耐用等优点，目前各汽车制造企业纷纷推出了各自的缸内直喷发动机，如大众公司的FSI（燃油分层喷射）、通用公司的SIDI（点燃式直喷）、丰田公司的D—4S、宝马公司的HPI（高压直喷）、三菱公司的GDI（汽油缸内直喷）、保时捷的DFI（直接燃油喷射）等。

这些缸内直喷式汽油机各有自身的特点，技术先进，都明显优于进气道喷射汽油机。

2 缸内直喷技术特点缸内直喷汽油机是以传统电控喷射系统为基础，进行结构和控制技术的优化，使得混合气的形成与燃烧过程得到改善。

2.1分层燃烧缸内直喷汽油机这种发动机，部分负荷情况下采用分层燃烧，在火花塞附近形成极易点燃的较浓混合气，而在其他区域，则追求无油区，即形成空燃比趋向无穷大区域。

主要有壁面阻挡型和软喷射型等燃烧系统。

丰田D一4发动机采用壁面阻挡型稀薄燃烧系统(图1)。

当活塞运动到一定位置时，喷油器喷出的油束到达与活塞顶部凹坑基本垂直的壁面上，与壁面碰撞并飞溅。

进气气流经过电控涡流阀(E—SCV)，形成斜向进气涡流。

空气涡流运动使已蒸发的汽油蒸气和飞溅的油滴沿壁面横向运动，促进缸内混合气的形成。

喷油器为高压旋流式(8MPa～13MPa)，雾化性能好，雾滴高度微粒化，雾滴直径小于5μm。

喷射方式控制灵活，对不同转速与负荷采用不同的喷油控制方式，并带有电控废气再循环系统和氧传感器、三元催化器闭环控制系统等。

试验结果表明，其轿车工况试验油耗为17.4Km／L，而相应的装有PFI发动机的汽车油耗为13Km／L，节油达34％左右。

图 1 丰田D—4稀薄燃烧系统三菱4G稀燃系统(图2)与丰田D一4系统相近。

进气采用立式进气道，能够产生强大的进气气流，直接流入气缸，流速可达40m/s一50 m/s，充气效果好，以保证高度的纵向涡流及充气系统。

活塞顶部的凹坑浅，且壁面有一定的斜度。

在部分负荷输出时，油束与壁面碰撞后飞溅的油滴，随含有汽油蒸气和细小油滴的气流斜向上运动(图2中倒滚流)，被位于缸盖中部的火花塞点燃。

与丰田D一4系统一样采用高压旋流式喷油器，但喷油压力为5.0MPa，低于D一4系统。

发动机通过ECU直接用脉冲电流的宽度控制高压旋流式喷油器(如图2所示)喷油量的多少，利用特殊的喷孔形状，向气缸内喷出旋转的雾状燃油，与挤压空气涡流快速地混合，以便点火分层燃烧。

高压旋流喷油器采用的是瞬时高电压和大电流“峰值保持型”控制方式(用lOOV一110V和17A一20A打开，又用限流电阻以3A一5A的电流保持开启状态)。

这样，喷油器可以小型化，又缩短了“无效喷射时间”，开启速度快，响应性好，计量准确。

图 2 三菱4G稀薄燃烧系统软喷射型缸内直喷汽油机主要依靠适当的喷雾特性来形成分层混合气。

由于喷雾具有贯穿度较低、喷雾锥角较大、雾滴平均直径较小等喷雾特性，故称为软喷射(如图3所示)。

图 3 软喷射型缸内喷油汽油机2.2匀质混合燃烧缸内直喷汽油机福特汽车公司PROCO(Progrannned Combustion Injection)稀薄燃烧系统是程序化燃烧过程的缩写，采用匀质混合缸内直喷汽油机(如图4所示)。

进气道为螺旋式气道，汽油直接喷射到燃烧室内，利用涡流和滚流进行油气混合。

喷油器位于中央，两侧各有一个火花塞。

由于汽油在缸内雾化需要吸收能量，混合气温度下降。

因而可以采用高压缩比(ε=15)的发动机，并可在空燃比A/F=25的条件下工作。

图 4 福特PROCO稀薄燃烧系统3 GDI发动机的技术现状3.1燃油供给和喷射系统现代的GDI发动机燃油供给系统设计，为了达到分层稀薄混合气所要求的喷雾质量和灵活的喷油定时，均采用了精度高、响应快的柔性电控手段。

高压共轨喷射系统加电磁驱动喷油器被认为是满足缸内灵活喷射要求的喷射系统之一。

该系统由低压输油泵、燃油压力传感器、喷油压力控制阀、高压油泵、蓄压燃油轨、喷油器等组成。

电动低压输油泵把燃油从油箱输送到高压油泵，高压油泵由发动机凸轮轴驱动，将低压油泵送来的压力约0.35MPa的燃油压力增高到8～12MPa，并送往蓄压燃油轨，充满各缸喷油器的油腔。

当ECU令喷油器的电磁线圈通电使针阀打开时，汽油就通过喷嘴喷人气缸。

直喷式汽油机供油系统油路见图5。

图 5 直喷式汽油机供油系统油路GDI发动机需要形成高质量的混合气，除了依靠进气涡流外，对喷油器的喷雾质量要求很高。

由于燃油蒸发混合的时闻很短，要求喷雾要微粒化，一般缸内直接喷射的平均油粒直径在20～25μm，为此，喷油压力要维持在4一13MPa。

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。

另外，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，形成油滴沿壁流下，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，而圆周运动方向上的油粒应尽量保持高速运动，这样才有利于混合气的形成。

燃油喷射系统中，喷油器的结构形式对喷雾质量的影响很大。

由于汽油机的喷射压力远低于柴油机，如采用多孔喷油器，其喷嘴容易在工作中积碳堵塞，雾化分层不好，燃烧时火焰传播不稳定，因此GDI发动机上一般不采用多孔喷油器。

目前在GDI发动机上得到广泛应用的是内开式旋流喷油器，只有一个喷孔，工作油压为5.0—10MPa，其内部设有燃油旋流腔，它可以通过涡流比的选择而实现较好的喷雾形态和合适的贯穿度的配合，且喷束方向便于调整，方便了在气缸内的布置。

图6为旋流式喷嘴结构简图。

目前各大公司的研究人员正在广泛开展对新型喷油器的研究，重点是对其内部的结构细节进行进一步的改进设计，以期进一步提高喷油器的性能和使用寿命。

图 6 旋流式喷嘴3.2喷射模式GDI发动机燃油喷射模式可以分为单阶段喷射模式和多阶段喷射模式。

单阶段喷射模式是指在中小负荷时，燃油在压缩行程后期喷入，实现混合气分层稀燃并采用质调节以避免节流阀的节流损失，从而使GDI汽油机达到与柴油机相当的经济性；在大负荷和全负荷时，燃油在进气行程中喷人气缸，实现均质预燃和燃烧，以保持汽油机升功率高的特点。

多阶段喷射模式是指在进气行程中先喷入所需燃料的1/4，形成极稀的均质混合气，其余燃料在压缩行程后期再次喷入，形成分层混合气。

火花塞点火时，首先在浓混合气处形成较强的火焰，然后向稀混合气空间迅速传播。

应用该技术可实现发动机从中小负荷到大负荷的平稳过渡，降低气缸内的气体温度，抑制爆燃的产生。

3.3燃烧系统燃烧系统的设计是GDI发动机的关键技术。

要成功实现中小负荷时的分层稀燃和大负荷时的均质预混，就需要进行燃油喷束、气流运动和燃烧室形状的优化合理配合。

已经开发的GDI发动机燃烧系统。

按喷油器和火花塞的相对位置和混合气的组织形式可以有3种类型。

3.3.1“喷束引导法”(spray-guided system)燃油喷嘴靠近火花塞布置，火花塞位于燃油喷束的边缘，这种方式的优点是保证当整个燃烧室内为稀薄混合气时，火花塞周围仍能形成可供点火的混合气浓度。

Ford、Honda公司生产的某些机型采用这种燃烧系统。

3.3.2 “壁面引导法”(wall．guided system)燃油喷嘴远离火花塞布置，利用特殊形状的活塞表面配合气流运动，将燃油蒸气导向火花塞并在火花塞间隙形成合适浓度的混合气，如三菱、丰田、Nissan等公司开发的机型。

3.3.3 “气流引导法”(flow-guided system)同样是燃油喷嘴远离火花塞，利用缸内有组织的气流运动来达到上述目的。

FEV、AVL 公司开发的方案采取这样的燃烧系统。

上述几种燃烧系统方案的划分是十分粗略的，实际情况是上述几种方案交叉存在，各种因素并存并相互影响。

根据AVL的Ricardo公司的研究，火花塞布置在靠近中心的位置可以减少火焰传播距离，在怠速和部分负荷时对分层便于控制，但发动机对喷油器和火花塞之间的位置误差、喷雾变形敏感，火花塞容易被燃油沾湿而形成污垢导致点火困难。