电子控制汽油机直喷技术的现状及发展趋势

电子控制汽油机直喷技术的现状和发展趋势     近几十年来，受能源日益枯竭、油价不断上涨、全球变暖等问题的困扰，在满足发动机排放要求的前提下改善发动机燃油经济性显得格外迫切。由于汽油机的燃油经济性比柴油机差，所以，降低汽油机的能耗已经成为汽车界当前必须要解决的问题。开发具有汽油机优点同时又具备柴油机部分负荷高燃油经济性优点的车用发动机是主要的研究目标。汽油缸内直喷 GDI 是提高汽油机燃油经济性的重要手段，近些年来，以缸内直喷为代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的新型混合气形成模式的研究与应用极大地提高了汽油机的燃油经济性。 一、GDI 发动机技术发展现状 开发车用具有汽油机优点同时具有柴油机部分负荷高燃油经济性优点的发动机是主要的研究目标。汽油缸内直喷是提高汽油机燃油经济性的重要手段，近些年来，以缸内直喷汽油机(Gasoline Direct Injection, GDI)为代表的新型混合气形成模式的研究和应用，极大地提高了汽油机的燃油经济性。以日本为代表的非均质直喷技术面临燃烧稳定性和后处理等问题，同时以欧洲为代表的均质直喷技术正在兴起。 对于汽油机缸内直喷的工作方式，20世纪50年代德国的Benz300SL 车型和 60 年代 MAN —FM系统，70 年代美国 Texaco 的 TCCS系统和 Ford 的PROCO 系统就曾经采用过 。这些早期技术大多基于每缸 2 气门和碗形活塞燃烧室，利用柴油机的机械泵和喷油器实现后喷。这些早期的 GDI 发动机在大部分负荷范围实现了无节气门控制并且燃油经济性接近非直喷柴油机。其主要缺点是由于采用机械式供油系统，各负荷甚至全负荷时后喷时刻是固定的，燃烧烟度限制了空燃比不能超过 20 ∶1。采用柴油机供油系统并利用涡轮增压技术来增加功率输出，使得汽油机性能与柴油机相似，且在部分负荷时有更差的 HC 排放。空气利用效率低，机械供油系统受到转速范围的限制，使得发动机的输出功率非常低。因此，受当时内燃机制造技术水平的限制，加之尚无电控喷射手段，开发出的 GDI 发动机性能和排放并不理想，没有得到实际应用。 20 世纪 90 年代以后，由于发动机制造技术的迅速提高，制造精密、性能优良的内燃机部件的应用和精度高、响应快的电控汽油直喷系统的应用使得GDI发动机的研究与应用得到快速发展。GDI 发动机瞬态响应好，可以实现精确的空燃比控制，具有快速冷起动和减速断油能力及潜在的系统优化能力，这些都显示了它比进气道喷射汽油机更优越 。 采用先进的电子控制技术，解决了早期直喷发动机的控制和排放等方面的许多问题 。新技术和电子控制策略的发展使得许多发动机制造企业重新考虑 GDI发动机的潜在优点。1996 年日本三菱汽车公司率先推出 1. 8 L 顶置双凸轮轴 16 气门4G93 壁面引导型直喷发动机；丰田公司开发出了同时采用 GDI和 PFI两套供油系统的 2GR —FSE V6发动机；通用公司 2004 年开发出了采用可变气门定时 VVT 技术的分层稀燃直喷发动机；宝马公司在低压均质混合气直喷 GDI V12 发动机的基础上，2006 年又开发出了可以实现分层稀燃的 R6 直喷发动机；德国大众公司 2000 年底利用电子控制系统把与 TDI柴油机相似的原理用在汽油机上，开发了壁面引导型燃油分层直喷 FSI 发动机，并用于 Lupo车上，其 100 km 的平均油耗只有 4. 9 L，成为世界上第一辆 5 L 汽油机汽车；2004 年奥迪公司开始将其 2.0T —FSI燃油分层直接喷射增压汽油机推向市场。 目前，引进的大众 FSI 发动机是我国唯一量产的 GDI发动机。缸内直喷技术对汽油的油品质量是个严格考验，正是基于这个原因，大众在中国的FSI发动机上取消了分层燃烧技术，只保留了均匀燃烧模式。由于排放、燃烧稳定性、燃油品质、性能及可靠性等方面的问题限制了 GDI 发动机普遍应用，GDI技术完全替代 PFI 技术目前仍然存在一些技术难题。国内外的公司和研究机构也都在积极地开发设计新型直喷发动机，如 AVL 公司正在开发基于喷射引导和激光点火系统的新一代分层稀燃直喷发动机技术。目前，国内一汽集团、华晨、奇瑞、长安和吉利等汽车企业联合高校正在开发理论空燃比混合气或多种燃烧模式相结合的 GDI发动机。 二、GDI 发动机应用中存在的问题 GDI发动机具有柴油机的经济性并保持了汽油机的特点，相对于技术成熟的 PFI发动机具有显著优点，但是排放、燃烧稳定性等方面的问题限制了其普遍应用，目前，GDI 技术完全替代 PFI 技术仍然存在一些技术挑战 ： a)排放控制 分层混合气浓度非均匀分布，存在较浓的混合气，在这些区域中局部燃烧温度仍然较高，导致NO x排放较多，然而总体混合气较稀不能有效利用三效催化器；分层混合气外边界较稀的部分易发生火焰熄灭现象，同时缸内喷油湿壁现象会使活塞顶部和气缸壁混合气过浓的区域燃烧不好，使得小负荷时 HC排放相对较高；分层燃烧工况由于混合气浓度分布不均匀，GDI发动机增加了微粒排放； b)稳定燃烧控制 GDI发动机分层充气稀燃区域的稳定燃烧控制难度较大，部分负荷分层稀燃和大负荷均质燃烧模式转变时的控制也非常复杂；为了降低 NO x排放GDI发动机采用较高的 EGR 率，且喷油嘴沉积物增加，都增加了稳定燃烧控制的难度； c)燃油经济性 燃油缸内直喷需要较高的供油压力，提高喷油压力和油泵回流增加了发动机机械损失，喷嘴、油泵驱动额外增加了电能消耗，催化器快速起燃和再生补偿也增加了燃油消耗； d)性能和可靠性 相对 PFI发动机，GDI 发动机喷嘴沉积物和积炭增多，并且由于提高了系统压力，降低了燃油的润滑性，增加了供油系统的磨损；由于使用较稀的混合气，缸套的磨损增加，进气门和燃烧室的沉积物也增加； e)控制复杂性 GDI发动机从冷起动到全负荷各种工况需要复杂的供油和燃烧控制，并需要复杂的排放控制系统和控制策略，同时也增加了系统优化的标定参数。 GDI发动机要求复杂的供油系统硬件，需要高压油泵和更复杂的控制系统，由于三效催化器在GDI发动机上不能有效地使用，目前，GDI 发动机面临的重要问题是 NO x排放控制。虽然 GDI发动机稀燃能够降低 NO x的排放，但是达不到三效催化器降低 NO x排放 90 %的水平。世界范围内正在开发稀燃催化器，但目前在整个发动机工作区域的NO x转化效率仍低于三效催化器，小负荷时 HC 排放增加仍待解决。 三、GDI 发动机燃烧系统 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析   燃烧系统设计是 GDI 发动机开发的关键技术之一，由于要兼顾大负荷均质预混和中小负荷分层稀薄的不同要求，增加了设计难度。GDI 发动机的燃烧系统设计，需要进行燃油喷束、气流运动和燃烧室形状等的优化合理配合，这其中还涉及到喷油器和火花塞的相对位置和方位的选取、进气道的设计与布置、喷油定时和点火时间的优化等细节的问题 。 按照层流充气方式，GDI 发动机燃烧系统可以分为 3 种:喷束引导型，即分层混合气形成主要依赖于喷束动态特性；壁面引导型，即分层混合气的形成主要依赖于油束和活塞表面形状及相互作用；气流引导型，依赖于缸内的流场形成分层混合气。 按照喷油嘴和火花塞之间的距离，GDI 发动机燃烧系统可以分为窄间距和宽间距两种。 壁面引导型和气流引导型燃烧系统属于宽间距设计，其优点为可降低燃烧室几何尺寸和热力学的设计约束，增加燃油由喷嘴到火花塞的传输时间，增强混合气的形成，其缺点是混合气形成时间相对窄间距系统长且循环波动使形成的滚流不稳定，不容实现更稀薄的燃烧，故不适合更稀薄的燃烧系统。喷束引导型燃烧系统属于窄间距设计，其优点为具有实现超稀薄燃烧、扩大稀燃区域的潜力，其缺点为混合气的形成时间短，增加了火花塞积炭的倾向，并且对喷束的几何参数、喷嘴的安装误差以及雾化程度等非常敏感。 基于窄间距设计的喷束引导燃烧系统由于具有实现更稀薄燃烧并扩大稀燃区域的潜力，因此，成为目前发动机生产厂和科研机构开发的下一代燃烧系统。 GDI发动机控制系统原理图 四、GDI 发动机燃烧技术发展趋势 由上述分析可知， GDI 发动机的发展面临排放、稳定燃烧控制、燃油经济性提高、性能可靠性以及控制复杂性等方面的挑战。为了应对日益严格的环保、排放、安全等法规要求；为了满足消费者对产品日益提高的动力性、经济性、可靠性要求，发动机技术的发展集中在了优化燃烧系统、配气系统、电子控制系统、新型 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 等方面。 4.1采用均质混合燃烧方式 采用∮a =1 的均质混合燃烧方式的主要优点是能够采用目前 PFI 发动机上广泛使用的三效催化器，可以避免采用稀燃 NO x 催化转化器，使其排放能够达到越来越严格的排放法规。同 PFI 发动机和分层稀燃 GDI发动机相比， ∮a =1 的均质混合燃烧发动机具有较多优点 ： a)发动机起动过程 具有更快速的起动,较少的起动加浓和降低起动 HC排放的潜力； b)瞬变工况 能够提高瞬态响应，减少加速加浓，实现更精确的空燃比控制，并能够最大限度地实现减速断油； c)燃烧过程 不需要分层充气和均质充气的模式转换；缸内燃油蒸发冷却充气,压缩行程可以减少热损失，有利于提高燃烧稳定性和 EGR 率，并能够提高受爆震限制的压缩比；若改为稀燃均质充气模式工作时系统不需要修改； d)燃油经济性 燃油经济性能够提高 5 %,容积效率也能够提高 5 %；能够最大限度地实现减速断油，并能应用直接起 —停技术，取消怠速，实现进一步节油； e)动力性能 由于容积效率提高 5 %,能够提高峰值扭矩和功率 7 %左右，可以在保持发动机扭矩和功率不变的前提下减小发动机的尺寸； f)系统的灵活性和复杂性 控制系统比分层稀燃简化，增加了系统优化的灵活性； g)与其他技术的匹配 更容易实现其他技术，如增压、取消发动机怠速、采用直接起 —停技术、采用无级变速器 CVT和采用混合动力技术； h)排放 不需要稀燃 NO x后处理系统，可以使用三效催化器，同分层稀燃 GDI 发动机相比具有更低的排放，并能够降低瞬态工况的排放。因此，均质理论空燃比 GDI发动机具有达到未来超低排放法规的潜力，是 GDI发动机的一个重要发展方向。 4.2采用分层充气或均质充气涡轮增压技术 通过提高进气压力、提高空气利用效率来减小发动机的尺寸是提高发动机经济性的有效途径，传统的 PFI 发动机由于受到爆震限制和涡轮增压器响应滞后等因素的影响，使得汽油机涡轮增压技术未能迅速发展。GDI 发动机由于缸内形成混合气，燃料蒸发能够降低混合气温度，同时混合气在缸内停留的时间相对较短，相同压缩比条件下，GDI 发动机要比 PFI发动机爆震倾向小，对燃料辛烷值的要求低。GDI发动机小负荷时不使用节气门，进气量相对较大，涡轮增压器转速高，使得 GDI 发动机在瞬态工况能够实现快速响应随负荷变化引起的涡轮增压变化。GDI 发动机应用涡轮增压技术具有下面优势： a)缸内充气冷却 由于燃油在气缸内蒸发能够显著冷却缸内充气，结合多阶段喷油可以有效地降低爆震倾向，因此，可以实现比常规 PFI更高的压缩比； b)分层充气 由于增加了发动机的充气量，所以，可以扩大发动机稀燃区域的转速和负荷范围； c)提高涡轮增压发动机瞬态响应 小负荷时不采用节气门，发动机的进气量大，涡轮增压器转速高，因此，即使在部分负荷稀燃区域时涡轮增压的响应延迟也较小。 4.3优化燃烧系统扩大分层稀燃区域   燃油经济性的提高是影响未来 GDI 发动机和小型高压共轨柴油机在市场所占比率的重要因素。GDI发动机在分层稀燃区域可以实现节油 20 %～25 %，可以优化 GDI 发动机燃烧技术，采用新一代喷射引导型燃烧系统，扩大分层稀燃范围，进一步提高 GDI发动机经济性。提高 < a能够大幅提高发动机的热效率，扩大直喷发动机分层充气稀燃区域是新一代直喷供油系统的发展趋势。因此，基于窄间距设计的喷束引导燃烧系统具有实现更稀薄燃烧并扩大稀燃区域的潜力，将成为下一代 GDI发动机的首选燃烧系统 。 4.4实现 GDI发动机的 HCCI燃烧   分层稀燃 GDI发动机的混合气不均匀，NO x会在燃料较稀的高温区产生,而在混合气较浓的区域易产生碳烟。在 HCCI的燃烧过程中，理论上是均匀混合气完全压燃、自燃、无火焰传播过程，这样可以阻止 NO x和微粒的生成,同时能够实现较高的燃油经济性。若实现 HCCI燃烧可以不需要任何后处理装置即可达到欧Ⅵ或更加严格的排放法规，但是，HCCI燃烧的实现需要解决两个问题，即点火时刻的控制和发动机整个工况内的燃烧速率的控制 。 HCCI燃烧需要通过控制气缸内温度、压力和混合气的浓度来控制整个气缸内混合气的燃烧时刻，没有明确的触发手段来控制燃烧，局部的温度变化或空燃比变化都是控制 HCCI燃烧起始时刻的关键变量，使燃烧控制变得十分困难。采用 GDI技术燃油直接喷入气缸内，能够更加灵活地控制喷油时刻和精确控制喷油量，为 HCCI 燃烧模式的实现提供了可能 。应用 GDI 技术实现 HCCI 燃烧具有以下优点： a)缸内直喷可以通过改变喷油时刻来改变局部混合气浓度； b)缸内燃油蒸发可以改变缸内局部温度； c)燃油早喷能够为燃油蒸发和形成均质混合气提供足够的时间；压缩行程的后喷能够控制气缸内局部区域混合气浓度，从而控制 HCCI燃烧，应用GDI的多阶段喷射可实现这两种喷射； d)缸内直喷技术在瞬态工况能够实现精确的喷油量控制，有效避免瞬态工况 HCCI 燃烧爆震或失火。因此，实现 HCCI燃烧是 GDI技术发展的一个重要方向。 五、结束语 GDI 发动机采用 < a= 1 的均质混合气燃烧方式，利用三效催化器，即可达到目前的排放法规，并且燃油经济性能够提高 5 %；采用分层充气或均质< a =1 充气时结合涡轮增压技术，通过提高空气利用效率减小发动机的尺寸，可以进一步提高发动机经济性；GDI发动机分层稀燃区域可以实现节油20 %～25 %,优化 GDI发动机燃烧技术采用新一代燃烧系统，扩大分层稀燃范围，可进一步提高 GDI发动机的经济性； HCCI 是可实现高效低污染的内燃机燃烧技术，缸内直喷多段喷射是 HCCI 燃烧在车用发动机上应用更有前途并更具可行性的方式通过上述技术途径，GDI 发动机在满足排放要求的前提下，能够极大地提高燃油经济性，因此，随着燃油价格不断上涨和 CO 排放限值日益严格，GDI发动机将会取代 PFI发动机成为车辆的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 配置。 机械1班 080191  宋锜