【文章內(nèi)容簡介】 后的汽油，通過高壓油軌和噴油器，將其直接噴入缸內(nèi)，從而使缸內(nèi)的汽油得到充分霧化，并和空氣盡可能按照最優(yōu)化的模式進行混合，提高了燃燒過程的可控性，并大大優(yōu)化了整個燃燒和做功過程。它具有使發(fā)動機得到更高的充氣效率、更精確的瞬態(tài)和過渡工況的供油控制、大大增強發(fā)動機的抗爆性和充分提高燃燒熱效率等優(yōu)點，使發(fā)動機在獲得更高的動力性的同時擁有更好的燃油經(jīng)濟性。 GDI技術(shù)一般可使發(fā)動機的功率達到同排量非直噴發(fā)動機的 ～ ，燃油效率提高 20％以上 。 ? 柴油高壓共軌（ CR）：該技術(shù)將由高壓油泵產(chǎn)生的 1600大氣壓的柴油經(jīng)油軌和噴油器，在數(shù)毫秒的時間內(nèi)最多可分 5次直接噴入缸內(nèi)燃燒室，使高度霧化的柴油和空氣混合并燃燒。精確控制的多次噴射達到了優(yōu)化燃燒過程，可以增加功率、降低油耗、降低振動噪音、減少 NOx及 HC排放并消除黑煙，使柴油機在進一步提高并保證原有的高燃油經(jīng)濟性和大扭矩的優(yōu)點的同時，實現(xiàn)了 與汽油機相當(dāng)?shù)牡驮胍?、低排放和大功率? ? 渦輪 增壓中冷（ TCI）：渦輪增壓中冷技術(shù)利用發(fā)動機排出的廢氣推動渦輪，并通過渦輪帶動壓氣機，增加發(fā)動機的進氣壓力、提高進氣密度，這樣通過增加單位體積里參加做功的氣體的質(zhì)量，提高單位做功體積的功率密度，從而提高發(fā)動機的功率和扭矩。 ? 同時，增壓后提高了缸內(nèi)混合氣燃燒的速率和燃燒充分性，不但大大提高了燃油經(jīng)濟性，還減少 CO和 HC等有害氣體的排放。 ? 中冷是協(xié)助將增壓后比較高的進氣溫度降下來，從而更好地保證進氣密度，提高進氣效率，保證發(fā)動機的增壓效果。一臺發(fā)動機應(yīng)用渦輪增壓中冷技術(shù)后，其功率和扭矩可增加４０％以上，燃油消耗可以降低 10%15%左右 。 ? 可變配氣相位（ VVT）：可變配氣相位（ VVT）技術(shù)指的是發(fā)動機的配氣相位可以根據(jù)性能需要適時的改變，即根據(jù)燃油經(jīng)濟性、動力性和排放控制的要求對不同的工況采用不同的氣門正時相位，以達到進氣系統(tǒng)的最優(yōu)化，對降低發(fā)動機油耗、提高低速扭矩、改善功率特性有顯著效果。 ? 此外， VVT技術(shù)在提高發(fā)動機性能的同時可以降低污染排放，從而取代或減少在排放控制零部件上的投入，甚至可以免去安裝 EGR、二次空氣等裝置就可以達到苛刻的排放法規(guī)的要求。發(fā)動機采用該技術(shù)可以達到增加功率、減少油耗，改善排放的目的。 Gasoline DirectInjection發(fā)動機 ? 化油器（ carburetor）發(fā)動機是在進氣管道的化油器位置上吸出汽油，與空氣 混合，霧化形成混合氣，經(jīng)氣門進入氣缸。 ? 電控汽油噴射發(fā)動機一般是在進氣歧管，氣門之前的位置上噴射汽油 PFI（ port fuel injection）發(fā)動機，再經(jīng)氣門進入氣缸。 ? 因此，進氣口處的油膜如同電容，具有積分作用，發(fā)動機瞬時供油量不能通過噴油器實現(xiàn)精確控制。 ? 由于部分蒸發(fā)現(xiàn)象導(dǎo)致油量控制延遲和計量偏差，冷起動時由于燃油蒸發(fā)困難，使得實際供油量遠大于需求的供油量，這樣單質(zhì)冷起動時發(fā)動機 4個～ 10個循環(huán)的不穩(wěn)定燃燒，顯著增大發(fā)動機 CO、 HC。 ? 直噴式汽油 (Gasoline DirectInjection)發(fā)動機，將噴油嘴安裝在燃燒室內(nèi)，將汽油直接噴注在氣缸燃燒室內(nèi)，空氣則通過進氣門進入燃燒室與汽油混合成混合氣被點燃作功，這種形式與直噴式柴油機相似，因此有人認為缸內(nèi)噴注式汽油發(fā)動機是將柴油機的形式移植到汽油機上的一種創(chuàng)舉。 ? 缸內(nèi)噴注的關(guān)鍵在于產(chǎn)生與傳統(tǒng)發(fā)動機不同的缸內(nèi)氣流運動狀態(tài)，通過技術(shù)手段使噴射入氣缸的汽油與空氣形成一種多層次的旋轉(zhuǎn)渦流。 ? 因此 GDI采用了立式吸氣口、彎曲頂面活塞、高壓旋轉(zhuǎn)噴射器等三種技術(shù)手段。 ? 立式吸氣口代替?zhèn)鹘y(tǒng)的橫向吸氣口，通過來自上方的強大下降氣流，形成與以往發(fā)動機相反的缸內(nèi)空氣流動－縱向渦流轉(zhuǎn)流。 ? 彎曲頂面活塞利用活塞頂?shù)耐蛊鹦螤睿鰪娏诉@個縱向渦流轉(zhuǎn)流，再通過高壓旋轉(zhuǎn)噴射器噴射出霧狀汽油，在壓縮沖程后期的點火前夕，被氣體的縱渦流融合成球狀霧化體，形成一種以火花塞為中心，由濃到稀的層狀混合氣狀態(tài)。 ? 這樣，從總體上看，雖然混合比達到 40： 1，但聚集在火花塞周圍的混合氣卻很濃厚，很容易點火燃燒。 ? 活塞頂?shù)男螤顚Ω變?nèi)氣流的作用?；钊谏现裹c位置時，活塞頭頂面與氣缸蓋之間的間隙叫做燃燒室，燃燒室的容積是決定發(fā)動機性能的重要因素。 GDI活塞頂面的凸起部分象屋頂，又稱“彎曲頂面活塞”，它縮小了燃燒室的容積，有助于形成強勢渦流。 ? 縮小燃燒室容積必然提高了壓縮比，因此 GDI的壓縮比達到 12： 1，比以往發(fā)動機高出 1/3左右。壓縮比提高了，缸內(nèi)溫度必然也隨之提高，有助于稀燃。 ? 壓縮比高，輸出功率增大，這樣也就彌補了稀燃帶來的功率損失。 ? 壓縮比提高也就是說缸內(nèi)壓力提高了，與之配合的是高壓燃料泵，用高壓方式將汽油送進燃燒室內(nèi)。 ? 但是，汽油的性質(zhì)決定壓縮比只能局限于一定的限度內(nèi)，否則就會出現(xiàn)爆燃，為了避免這一現(xiàn)象， GDI分兩步噴射的過程。 ? 第一步在進氣沖程中噴射汽油以降低氣體溫度，適應(yīng)高壓縮比； ? 第二步在壓縮沖程后期噴射汽油，形成上面闡述過的層狀混合氣形態(tài)。這是一環(huán)扣一環(huán)的技術(shù)，相輔相成，缺一不可。 ? 稀燃技術(shù)有省油的優(yōu)點，但因為高壓高溫環(huán)境也會產(chǎn)生NOx（氮氧化物）排放過高的現(xiàn)象。 ? GDI采用了 EGR技術(shù)解決這個問題。所謂 EGR是指排氣再循環(huán)技術(shù)，將排出氣缸已經(jīng)燃燒過的部分氣體利用氣門重疊時間再回到氣缸中，降低燃燒的最高溫度從而降低 NOx的排放量， GDI的 NOx可下降了 90%。 ? 缸內(nèi)噴注式汽油發(fā)動機的優(yōu)點是油耗量低，升功率大?；旌媳冗_到 40:1（一般汽油發(fā)動機的混合比是 15:1），也就是人們所說的“稀燃”。 ? 機內(nèi)的活塞頂部一半是球形，另一半是壁面，空氣從氣門沖進來后在活塞的壓縮下形成一股渦流運動，當(dāng)壓縮行程行將結(jié)束時，在燃燒室頂部的噴油嘴開始噴油，汽油與空氣在渦流運動的作用下形成混合氣，這種急速旋轉(zhuǎn)的混合氣是分層次的，越接近火花塞越濃，易于點火作功。 ? 由于缸內(nèi)噴注壓縮比達到 12，與同體積的一般發(fā)動機相比功率與扭矩都提高了 10％。 ? 這種缸內(nèi)噴注式汽油發(fā)動機是由日本三菱汽車公司創(chuàng)制的，這種稱為 16氣門 4G93型發(fā)動機最早安裝在三菱 HSRV型概念車上，并在 96年 6月北京國際車展上廣泛做了宣傳，但當(dāng)時許多人認為這種發(fā)動機只是一種“概念”而已，沒有引起足夠的重視。 ? 但隨著這幾年美日歐等國大汽車廠商豐田、本田、奔馳、通用等對這種汽油發(fā)動機都產(chǎn)生了興趣，紛紛修改了原來的方案研究起缸內(nèi)噴注式汽油發(fā)動機，認為這種發(fā)動機很可能會成為下世紀初汽油發(fā)動機的主要機型，人們又重視起來缸內(nèi)噴注汽油發(fā)動機的發(fā)展狀況了。 ? 而現(xiàn)在三菱的 GDI發(fā)動機已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，無論是先進性還是實用性都滿足市場的需要，三菱還將在 2023年推出新一代的 GDI發(fā)動機。 與傳統(tǒng)進氣道燃油噴射 PFI（ PORT FUEL INJECTION）相比，汽油機 GDI技術(shù)優(yōu)點主要為： 1. 可以實現(xiàn)分層稀燃，使壓縮比提高至 12～ 14。 2. 部分負荷時采用像柴油機那樣的質(zhì)調(diào)節(jié) (無節(jié)氣門的節(jié)流損失 )，可大幅度提高指示效率，達到節(jié)能 15%～ 20%的目標，即達到直噴式柴油機的燃油經(jīng)濟性水平。 3. 循環(huán)熱量的利用更合理 (因混合氣同時被燃燒室壁和活塞加熱，使這一部分循環(huán)熱量被利用而不是傳給冷卻水 )，熱損失小，故熱效率較高。 4. 因進氣充量溫度較低，所以具有較高的充氣效率和抗爆震特性。 5. 因汽油直接噴入缸內(nèi)，即使在低溫下也具有良好的加速響應(yīng)性和優(yōu)異的瞬態(tài)驅(qū)動特性。 GDI燃燒本身仍有很多不足之處需要改進： 1. GDI發(fā)動機的噴油器放在氣缸內(nèi)，由于噴油壓力低，噴孔沒有自潔作用，因此很容易結(jié)垢，從而使噴霧特性變壞，噴油量減少，使發(fā)動機的燃燒惡化，影響發(fā)動機的功率輸出和排放。 2. GDI的火焰在快速傳播的同時，會出現(xiàn)部分火焰熄滅的現(xiàn)象，這就會使 HC的排放增加，另外，缸內(nèi)壁面的燃油附著、著火延遲等情況也會使 HC的排放增加。 3. 由于氣缸內(nèi)混合氣的濃度和溫度分布不均勻， NOx在高溫區(qū)生成較多，而高空燃比造成的氧含量過高，又使對 NOx的處理難度增加。 4. 傳統(tǒng)的三元轉(zhuǎn)換器只能在空燃比為 工作，顯然已不適合稀薄燃燒。 5. 發(fā)動機不同負荷的噴油時刻相差較大，發(fā)動機各種負荷的平滑過渡也有待進一步解決，成品發(fā)動機的成本較高，目前也很難大量占有市場。 為了解決 GDI汽油機存在的這些問題，必須作進一步的深入研究，開發(fā)出一些切實可行的新技術(shù)： 1. 二次混合技術(shù) ?目的是減少積炭的生成，提高 GDI汽油機的機械抗爆性，進一步增大壓縮比，提高發(fā)動機的機械效率。 ?二次混合技術(shù)是指在進氣行程中先噴入所需燃料的 1/4，形成極稀的均質(zhì)混合氣。在壓縮行程后期再次噴射，噴入剩余燃料，形成分層混合氣。 ?故在火花塞點火前，缸內(nèi)混合氣形成超稀均質(zhì)混合氣和較濃的分層混合氣。火花塞點火時，首先在濃混合氣處形成較強的火焰，迅速向稀混合氣空間傳播，因火焰較強，可點燃稀混合氣。稀混合氣的燃燒又會反射，促進 濃混合氣再次燃燒，使燃料充分燃燒，減少了積炭的產(chǎn)生。 ?目的是降低 HC排放。二次燃燒是指在進行正常分層燃燒的怠速運轉(zhuǎn)時，除了在壓縮行程后期噴油外，在膨脹行程后期再次噴入少量燃油，在缸內(nèi)高溫、高壓氣體的作用下點火燃燒并使排氣溫度提高。 ?通常起動后的怠速狀態(tài)下的排氣溫度為 200℃ 左右，使用二次燃燒可使排氣溫度上升到 800℃ 。這樣可大大加快催化劑開始工作的時間。 ?反應(yīng)式排氣管可使發(fā)動機的排氣在排氣管中滯留，激活與空氣的反應(yīng)，并使膨脹行程后期的二次燃燒反應(yīng)在排氣管中繼續(xù)進行，從而加速激活催化劑，使 HC排放降低。 (EGR) ? EGR是降低 NOx排放的一種有效方法。 EGR可有效降低缸內(nèi)最高燃燒溫度及氧氣的相對濃度，從而降低 NOx排放。 ?在 GDI汽油機中，因稀燃使缸內(nèi)富余氧氣較多，可使用較高的 EGR比率而不會使燃燒惡化。 ?如果將再循環(huán)廢氣與可燃混合氣進行分層，減少廢氣與可燃混合氣的摻混，保證點火時刻火花塞附近有適于著火的混合氣，避免廢氣靠近火花塞，能大大提高 EGR比率，從而大大降低 NOx排放。 ?采用電控 EGR可以精確控制 EGR比率，較好地解決發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性與 NOx排放之間的協(xié)調(diào)問題。 ? 稀燃催化器的開發(fā)將直接影響到 GDI汽油機排放問題的解決。 ? 目前正在開發(fā)的各種適用于稀燃的催化器有稀燃選擇還原型 NOx催化器、吸藏還原型 NOx催化器、未燃 HC氧化催化器等。 ? 但這些催化器都不同程度地存在轉(zhuǎn)化效率低、工作溫度范圍窄、性能不如傳統(tǒng)的三元催化器等問題，還需進一步的研究。 直噴技術(shù)產(chǎn)生了 2個新的概念：均勻燃燒和分層燃燒 ?均勻燃燒：在全負荷時，燃油噴射與進氣同步，燃油得到完全霧化，使混合汽均勻地充滿燃燒室，自然會得到充分的燃燒，使發(fā)動機動力得到淋漓盡致的發(fā)揮。在均勻燃燒時有著和傳統(tǒng)噴射發(fā)動機相同的空氣與燃油混合比，即空燃比是 ∶ 1，此時的 lambda值是 1。而燃油的蒸發(fā)又使混合汽降溫，去除了爆震的產(chǎn)生。也就是說在均勻燃燒情況下，在獲得高動力輸出和 扭矩值的同時付出了較低的燃油消耗。 ? 分層燃燒：它 出色的經(jīng)濟性主要表現(xiàn)在部分負荷時的分層燃燒，可燃混合物只分布在火花塞周圍，換句話說，空燃比是 ∶ 1的混合氣集中在火花塞周圍，在燃燒室的其他部分則是純凈的空氣。 ? 混合氣層的大小范圍精確地反映了瞬時發(fā)動機動力的需求。在分