GDI发动机及其稀燃优化技术

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自鹏己蝴你佻日排放法规和能源危机促使gdi发动机的研究得到了快速的发展，国外一些著名的汽车公司如丰田、三菱、福特塍己开发了比较成熟的（d机型和产品。下面就（d发动机的燃油控制技衣缸内气流控制技术及排放控制技术等作一论述。

gdi的电子控制策略（d中最关键的是要控制好混合气浓度在空间的分布及其随时间的变化，依靠采用高精度的高压喷油嘴、缸内气流控制技术、根据运转区域切换燃烧模式、使嘴远离火花塞以保贿默火等措施，可达到高燃油经济性和高性能。

2.1按工况区分控制模式的控制策略现代gdi通常是根据大、小负荷区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，因而通常采用压缩冲程中瞰由实现分层潘的控制模式，即在压缩冲程后期向缸内喷油，并通过活塞2 *顶部形状和气流运动来限制kjns，使喷射到气缸内的燃油所形成的可燃混合气集中在火花塞周围，而筐外周赚薄混合胡层腔气则形成了分层混合气，烧在整体挪比30~403的超稀薄混合气下进行时尚有足够的its空气可供在短时间内燃尽燃烧生成的黑烟。由于此时cd放弃使用节气门节流，因而可以减少发动机的泵气损失，m的空ns会吸收气缸壁上的热量，降低了热损失，从而大幅度改善燃油耗。1为丰田20uk顶置凸轮轴cd发动机的分层进旬制方法：在活塞顶上有渐开线形的燃烧室凹坑，位于涡流上塍窄的区域混合气形成的主要区域，较宽的区域b是主要燃烧空间，用以促进混合气快速扩uu设计成渐开线形凹坑的c是为便于蒸发的燃油流向火花塞。凹坑壁的角度和凹坑深度也进行了优化，以适于混合气形成，同时防止混合气扩散流出凹坑。

在高负荷区域，要求提高发动机扭矩和功率，必须采取略稀或理论当量的混合气或浓混合气。故此时发动机采用进气冲程喷油，实现均质燃烧的控制模式。即在进气冲程早期向气缸内喷s撤油，使-36-其可在整个燃烧室内均匀扩散，在点火时刻形成预混燃烧的均质混合气。此时由于燃油汽化时吸收了汽化潜热，使得缸内充量得到了冷却大了空气密度在提高体率（即增大进气量〉的同时还减少了爆震的倾向，使发动机的压缩比可上升到121u，提高了热效率，发动机以接近理论空燃比147：1或稍浓的空燃比混合气进行均质燃烧，同时实现高功率的输出和燃油的低消耗。

的调节方式。

它还是配备了电子控制的节流系统，即电动节气门。这其中最主要的原因是cd在大负荷工下工作时需要均匀混合气；其次酿应用nox排放时，需要有节流阀控制的进气歧管的真空度；再次，传统的制动系统制动时也需要真空度；最后，低负荷时没有节流阀排气温度会非常低，p牵低了催化剂的转化效率。

因此，当发动机的扭矩和转速对应于低工况区时，即油门踏板位移置较小时，电动节气□就保持全开，发动机在保持进气量基本不变的情况下，改变挪比来调苷环的膨由量进而对扭矩实行控制。这时发动机采用的调节方式机相同的“变质调节”，此时进气量和点火提前角几乎不影响扭矩。

当发动机的扭矩和转街时应于高工区时jp油门踏板位移置较大时，其空燃比被稳定在14. 7左右w.诵讨改奄电动苷与门的粜据1入与控制模式的切换通过喷油定时的变来实现。

切时要注意切换前后扭矩的一致以防扭蚺化带来振动。为此，三菱、丰田等公司在模式切换时采用了二段喷射技术，即在进气行程中喷射一部分燃料以便在燃烧室全空间内形成稀薄的预混合气。第二次在即将点火之前向火花塞喷射，以保证稀混合气的稳定着火和分层燃烧。据报麟用二段喷射技术的cn发动机可实现从中小负荷区向大功率区的平稳过渡，并可降低缸内的气体温度，从而抑制了爆震的发生，增加了功率的输出。

2.2扭矩控制策略对扭矩的控制实际上就患发动机喷油量的控制。通常情况下；cd主要是根据油门踏板的位移置来确定应有的扭矩，并由负荷的高低来切换顺矩缸的空气量，进而改变喷油置实现对扭矩的控制。这时发动机采用的是“变量调节”方式。此时点火提前角对扭矩有很大影响。表1为cn按d兄区分控制模式，为不同燃烧模式的控制范围。

表1gdi按工况区分控制模式工主要目标空燃比电动节气门冲量扭矩调节喷油正时喷油压力油束穿透燃油雾化低经济性不节气（全开）分层变质调节压缩行程的晚期高浅好高动力性m.7左右节气均质变童调节进气行程的早期低深差分：兄区控制的结果是其燃油经济性相对以往的汽油机可以提高25543左右，实现并趄过了目前柴油机所能达到的低燃料消耗水平；动力输出也比目前正在广泛使用的进喷射的汽油机增加了近1031，保证了人们对车辆动力性的要求。

2.3喷油定时控制策略cd可根据不同的：￡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。如，发动机处于低工况时，采用的是变质调节和分层充量这就要求燃油恰好喷在活塞顶部凹坑内，因而油束要尽可能集中，且雾化质量要高，可燃混合气能在短时间内形成。帐迸襞缬屯瞥俚窖顾跣谐痰暮笃诮楔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）。因为：a此时活塞正处于向上运动，气缸内的压力很大，这就迫使燃油喷射时所需的压力相应地增大。喷油压力越大，smd（油滴的索特平均直径，表示燃油的雾化程度）越小，燃油蒸发越快，雾化程度越高，油滴喷射距离有限，穿透度不深；b随着缸内压力的增大，充量被强制压缩，密度增大，因此油束中油滴所受的阻力也增大，油滴运动很快地受到衰减，使油束比较集中，并且喷射出的燃油穿透距离也保持适中；c.活塞的上行运动，减少了喷油与活塞顶部凹坑之间的距离保证了燃油可更加准确而又有效地被喷射在活塞顶部凹坑范围内通过限制其在凹坑内不向外扩散，使得它能被迅速地加热汽化，从而在抵达火花塞之前的短暂时间内促进空气迅速卷入汽化的燃油中，形成可燃混合气。同时结合活塞的向上运动，由翻滚气流将可燃混合气带往火花塞并在火花塞附近区域聚集形成浓的可燃混合气，而在燃烧室的其它空间形成稀薄混合气，从而实现混合气的分层和超稀薄燃烧。

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h0非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。同时要求油束的穿透深度应当大一些，以便扩大油束在气缸内的分布范围，使其能有足够的空间和时间让燃油和空气进行混合，形成均质充量。故此时应将喷油提早到吸气冲程的前期。

gdi的燃油喷射系统现代cd发动机的喷射系统主要采用汽油高压喷射模式，使用由电磁驱动的高压涡流喷油器。高压涡流喷油器的喷油压力一般为5~8mpa（最高为12mpa）。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，从而降低了油束的穿透度，避免其沾湿活塞和缸套壁面。高压涡流喷油器的另一个特点就是它的油束喷角和射程主要依赖于喷油压力和缸内背压，且后者的影响较大，因此它能根据不同负荷区的要求提供所需的喷雾形状。在部分负荷时，燃油在压缩行程后期喷射，缸内喷射背压较大喷出的燃料被强制压缩呈适宜分层燃烧的紧凑型。而在高负荷时，由于是在进气行程早期喷射燃油，缸内喷射背压较小，喷雾呈现为中空扩散的圆锥型这样不仅加快了喷雾在燃烧室内的扩散，而且使得它与周边空气的接触面积进一步扩大，即便是在比较低的喷射压力下，油束仍能保持原有的雾化水平与进入气缸的空气形成有效的混合，满足均质燃烧的要求。

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。为cd发动机所采用的各种喷油器喷嘴，a为多孔内开式喷嘴，其结构类似于柴油机喷嘴，但由于cd发动机的喷射压力远远低于柴油机，故这种结构易于积炭堵塞，且雾化分层效果不好，燃烧时火焰传播又不很稳定，所以一般很少在cn发动机上使用。b是外开式单孔针式喷嘴，据报道它能取消压力室容积，并且在设计上更灵活，可同时兼顾喷雾锥度、贯穿距离和燃油粒度的不同要求，但它的密封性要差一些，曾用于早期的cn发动机中。c为内开式旋流型喷嘴，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。此外，由它喷射出的油束方向便于调整，方便了其在气缸顶上的布置，再加它不易积炭的特点，使其成为目前cd发动机喷嘴所采用的主要形式，在gdi发动机上得到广泛使用。

合适浓度的混合气。在压缩过程中，挤流使逆滚流得到加强，有利于燃烧的进行。在燃烧过程后期，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”。目前三萎、丰田、mssan等公司开发的机型均采用此燃烧系统，如为三萎cd顶部带有球形凹坑的活塞，如为三菱cd发动机中的燃油运动。

gdi的燃烧系统燃烧系统的设计是cn开发的关键技术之一。

由于要兼荷均质预混和中小负荷分层稀燃的不同要求，更增加了它的设计难度。b开发的cn燃烧系统，可以分为以下三类：a油束控制燃烧g（图sa）燃油喷嘴靠砂筐布。虽然如此，但ecr始终还是不能在整个发动机转速负荷范围内减少nq排放量，所以单靠ecr是不能满足更为严格的eurol丨丨和eurolv排放法规的，进一步降低nx排放就必需开发在稀燃条件下的nq催化转化技术。

目前在稀薄燃烧nq催化转化技术领域内，nq的吸藏还原技术使用较多。这项技术主要是利用一些化学物质可在富氧的条件下通过催化剂的作用与nq生反应，以硝酸盐的形式将其存储起来，而在贫氧的条件下又可将其释放还原。它是以pt作为储存还原nox的主要催化剂，以碱金属、碱土金属或稀土金属作为储存nq的成分（以m表示）。

它的工作原理如0所示。当发动机以稀混合气工作时，其排气中c2含量迅速增加，存储器通过催化剂pt将no氧化成nq，随后生成的nq被碱土金属氧化物表面吸收形成硝酸盐存储在以m表示的存储元素中。：（上接第41页）

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