GDI发动机喷射系统策略.doc

1、GDI 发动机喷射系统策略摘要：作为汽油机最具潜力的喷射系统，GDI 系统的发展备受关注。GDI 发动机具有混合分层/均质运行能力，有较低的 HC 和 NOx 排放,是改善燃油经济性的重要策略,可取代多点燃油喷射 MPFI 发动机。本文介绍了 DFI 系统和 DMI 系统两种 GDI 发动机喷射策略，并对这两种喷射系统优缺点进行了比较。 关键字：GDI 发动机；DFI 系统；DMI 系统 Abstract: Recent developments have raised increased interest on gasoline direct injection system as the

2、most promising injection system. Following the concept of mixed stratified/homo-generous operation, GDI engines are an important strategy for fuel economy improvement. And they are considered as a replacement for MPFI engines with low HC emission and NOx emission. This paper mentioned the two inject

3、ion system strategies of DFI system and DMI system, providing a comparison about advantages and disadvantages for the injection systems. Key word: GDI engines；DFI system；DMI system 中图分类号：S219.031 文献标识码：A 文章编号： 0 引 言 汽油直喷技术（Gasoline Direct Injection）最初从柴油机喷射系统衍变而来，随着内燃机的发展，受到国内外众多学者的关注。由于汽油和柴油不同的物化性质

4、，汽油直喷系统存在一些缺陷，但它可以实现混合分层/均质运行模式1 ，是提高燃油经济性和降低 NOx 和 HC 排放的有效方法。传统的多点燃油喷射(Multi Point Fuel Injection)系统被安装在进气歧管上，油雾在进气过程中依靠气流运动蒸发，并与新鲜工质混合。这种喷射系统有较长的时间使混合气形成，但气道喷射加大了燃油消耗量，并且由于涡流和挤流运动，缸内混合气可能局部较浓或较稀。燃油直喷（Direct Fuel Injection）系统和预混直喷(Direct Mixture Injection)系统是汽油直喷系统的两种重要喷射策略，前者是将燃油直接喷入气缸，被广泛应用在柴油机上

5、，后者是将混合好的燃气喷入发动机中，对汽油直喷策略而言，两者都能很好地实现混合气制备，提高发动机热效率，降低 NOx 和 HC 排放。 1 燃油直喷策略 燃油直喷（DFI）系统是汽油直接喷射系统应用最普遍的策略，它对喷油器的要求 图 1DFI 系统的高压涡流喷油器运行原理图 很高。目前 GDI 系统喷油器应用最多的是轴针式高压喷油器，它形成的锥形喷雾雾化效果好，贯穿率大2 。图 1 是 DFI 系统的一种高压涡流喷油器，这种喷油器可以使油雾时产生一个回转动量和一个轴向动量，回转动量可以避免喷雾油滴接触缸壁，轴向动量可以保持锥形喷雾。这种 DFI 系统喷油器有两方面重要优势。图 2 是 AVL

6、单缸可视实验发动机的涡轮喷油器产生的喷雾图像。与缸壁接触的喷雾油滴减少意味着混合气燃烧过程中缸壁激冷效应和淬火现象较少，这使得缸壁附近产生的HC 降低。但由于混合气中大直径油滴较多，发动机的颗粒物排放和柴油机的一样多。 图 2 标准大气压下涡流喷油器的喷雾激光成像 2 预混直喷策略 预混直喷（DMI）系统可以解决 GDI 发动机混合气制备和分层控制问题，它是通过提前喷射和燃油预蒸发来实现的3 。DMI 系统需要在气缸顶部设置一个小预混合室，提前将燃油喷人预混合室，使其有更充分的时间蒸发混合，然后通过控制预混合室和燃烧室之间的喷嘴，向燃烧室提供燃油蒸汽。预混合室和燃烧室之间存在一个低压差，喷嘴打

7、开时，预混合室中的燃油蒸汽凭借低压差进入燃烧室，形成喷雾。这个低压差在低负荷时有利于分层燃烧，随压差的增大，燃油蒸汽形成喷雾的锥角越大。当燃烧开始喷嘴关闭，燃油再次喷人预混合室，吸收膨胀过程的壁热损失，进行下一循环混合气制备。这种喷射系统与分隔式燃烧室相似，但避免了混合气在分隔式燃烧室中的节流损失，燃油有一个良好的雾化预混过程，更容易实现分层/均质燃烧。 和其他喷射系统相比，DMI 系统从上止点开始工作，将燃油喷入预混合室，混合气制备时间充足，占 3/4 曲轴转角。为了实现完全可变正时，预混合室和燃烧室之间的喷嘴由发动机 ECU 控制，液压或电磁驱动，从而实现更好的响应。DMI 系统混合制备是

8、在预混合室中提前完成的，这避免了缸内混合气局部过浓，因此，DMI 系统 NOx 排放比 MPFI 和 DFI 系统的小。 与 MPFI 系统相比，这两种 GDI 系统无进气节流，充气效率提高，缸壁传热损失和节流损失减小，同时，它们的放热率较 MPFI 有所提升。此外，GDI 发动机由于火花塞和喷油嘴的安装位置，火花塞附近区域为浓混合气区域，火焰前锋容易形成，而 MPFI 发动机因缸内气流运动的影响，火焰前锋的形成受到干扰，剧烈程度变化较大，燃烧不完全，所以放热率较低。 与 MPFI 系统产生的 HC 排放相比，DFI 系统的 HC 排放较低，NOx 排放较 MPFI 系统高，这是因为燃油直喷系

9、统放热率较高，缸内平均温度升高，高温下产生的 NOx 增多，而 DMI 系统为均质混合燃烧，缸内各点温度差距不大，不利于 NOx 的生成。目前发展的排气后处理如 DeNOx 催化剂和储存式 NOx 催化剂，有助于直喷式发动机更大限度地减少 NOx 的排放4 。 5 结论 GDI 发动机实现分层/均质运行的两种策略DMI 系统和 DFI 系统,在放热、排放方面优势明显，但也存在一些不足。前者通过控制混合气在燃烧室附属容积里混合，形成均质的浓混合气或理论混合气，然后利用低压差将其喷入燃烧室。这个过程会产生节流损失，同时，附属容器和燃烧室之间的压差控制是影响 DMI 系统的关键因素。后者通过改善燃油

10、分布和燃烧过程油膜蒸发实现混合气制备，它的不足之处在于壁热损失和碳烟排放增加，以及对喷油器的性能要求很高。 参考文献 1杨嘉林. 车用汽油发动机燃烧系统的开发北京: 机械工业出版社，2009. 2Preussner C, Doting C, Fehhr S, etal. GDI Inter- act ion Between Mixture Preparation, Combust- ion System and Injector PerformanceC.SAE Paper 980498. 3Schapertons H, Emmenthal K-D, Grabe H-J, etal. VWs Gasoline Direct Injection (GDI) Research Engine. SAE Paper 910054. 4G.K.Fraidl, W.F.Piock, and M.Wirth. GDI Actual Trends and Future Strategies for Injection and Combustion Systems. SAE Paper 960465. 作者简介：熊沂铖，1988 年 2 月 23，男，在读研究生主要研究方向：发动机电控方向