缸内直喷式汽油机(GDI)工作原理

缸内直喷式汽油机（Gasoline Direct Injection）简称：GDI系统;又因为燃油是分层燃烧（Fuel Stratified Injection）故又称：FSI系统。传统式的电喷汽油机,是将汽油喷射在进气门外侧的进气歧管中,在进气过程和压缩过程中,利用时间和空间的均质混合方式,完成可燃混合气的形成,再点火燃烧作功。

现代汽油机缸内直喷系统GDI剖析

本文首先介绍了汽油机缸内直喷系统GDI的基本概念和采用GDI发动机带来的优点,然后详细介绍了GDI的工作原理,紧接着指出了目前GDI发动机所存在的问题,并进一步给出了今后GDI发动机需要改进的五个具体方向;最后对全文进行了总结和展望。

缸内直喷汽油机微粒排放特性的试验研究

试验研究了缸内直喷（GDI）汽油机的负荷、过量空气系数、点火时刻等参数对于三效催化器（TWC）后的颗粒（PM）排放特性的影响。试验在在2台GDI汽油机上进行,用气相质谱-色谱（GC-MS）联用方法,分析了TWC后微粒中可溶有机成分（SOF）。结果表明：随着负荷增加,微粒质量和数量排放增加,在满负荷工况下,微粒排放大幅增加;TWC后的SOF和核态微粒数量明显降低;随着过量空气系数的增加和点火时刻的推迟,微粒排放呈减少趋势;核态粒径峰值为10~20 nm,积聚态粒径峰值为50~70 nm。负荷、过量空气系数和点火提前角等参数和TWC对微粒粒径范围的影响小。

进气道对缸内直喷增压汽油机性能的影响

应用稳态CFD方法对高、低滚流比进气道进行了分析,高滚流比气道较低滚流比气道流量系数降低16%,滚流比提高22%.基于这两种气道对缸内直喷增压汽油机进气和压缩冲程油气混合的影响进行了瞬态CFD分析.结果表明,高滚流比气道在缸内能形成更规则的大尺度漩涡,且缸内瞬态滚流比更高,两种对称气道瞬态涡流比基本为零,进气道流量系数对增压发动机进气充量影响较小;高滚流比气道的缸内油气分布比低滚流比气道更均匀,湍动能也高.因此,缸内直喷增压汽油机宜采用高滚流比气道.最后,通过试验验证表明,高滚流比气道燃烧在低速1,500,r/min满负荷时提前5°CA左右,中速3,000,r/min满负荷时提前3°CA左右,高速时两者差别不大;高滚流比气道燃烧持续期较低滚流比气道缩短2°CA左右,缸内平均指示压力循环波动系数较低滚流比气道有明显的降低,燃烧稳定性改善20%～30%,油耗率降低5%～10%,HC和CO排放降低明显,NOx排放有所升高.

缸内直喷汽油机颗粒物粒径分布特性

采用DMS500快速颗粒取样分析仪对一台缸内直喷国Ⅳ汽油机进行了颗粒物粒径分布特性的试验研究.结果表明:缸内直喷汽油机排气颗粒物呈包括核态和积聚态颗粒物的双峰分布,仅怠速工况呈核态单峰分布.随转速升高,总颗粒物数浓度在部分负荷下逐渐降低,外特性先降低后升高;随负荷增加,总颗粒物数浓度在中、低负荷下逐渐降低,满负荷时急剧增加.随转速升高,核态颗粒物在部分负荷速度特性下数密度峰值逐渐降低,外特性下先降低后增加;积聚态颗粒物数密度峰值逐渐降低.随负荷增加,核态颗粒物数密度峰值在中、低负荷时逐渐降低,满负荷时增加;积聚态颗粒物数密度峰值在中、低负荷时先升高后降低,满负荷时最高.

滚流比对缸内直喷汽油机混合气形成及燃烧的影响

用FEV评价方法对两种进气道稳态流动特性进行了对比,适当减小气道与气门座夹角,可使滚流比提高约20.3%,而流量系数降低了11.8%.用FIRE软件对使用两种滚流比气道发动机的缸内流动进行了仿真,分析了滚流比对气流运动、混合气形成及燃烧的影响,并对其进行了试验验证.结果表明,在低速和高速工况下,高滚流比可以提高燃烧速率,改善燃烧稳定性,使燃油消耗率降低约10%.同时,高滚流比发动机由于具有较强的气流运动及缸内湍动能,混合气分布更加均匀且燃烧更充分,因此HC和CO排放也相应降低,而较高的缸内温度使得NOx排放在低速时增加比较明显.

火花点火对缸内直喷汽油机HCCI燃烧的影响

实现汽油机均质混合气压燃(HCCI)的难点是着火控制。在缸内直喷汽油机上实现了HCCI燃烧,研究了火花点火对HCCI燃烧特性的影响。结果表明,HCCI燃烧方式较火花点火(SI)火焰传播燃烧方式放热速率快,热效率高,NOx 大幅度降低。在HCCI临界状态时,火花点火有助于提高燃烧稳定性,抑制失火和爆燃,降低循环波动;当火花点火时缸内温度远超过临界着火温度时,火花点火对HCCI燃烧影响不大。火花点火在SI/HCCI燃烧模式切换工况时,能提高瞬态过渡平顺性。

缸内直喷汽油机工作过程三维数值模拟

用三维CFD数值模拟软件对一台均质充量缸内直喷汽油机全负荷工况时的进气、压缩和混合气形成过程进行了三维瞬态数值模拟.分析了进气道内及气缸内的工质运动状态,研究了缸内滚流的形成和发展历程及其对混合气形成的影响,探讨了两种喷油定时所对应的燃油喷雾、混合气形成过程.结果显示,在现有条件下喷油开始时刻为420°CA所对应的点火时刻火花塞附近混合气形成质量好于喷油开始时刻为390°CA的情况,更利于着火和火焰传播.另外,为了进一步改善混合气质量,改进了燃烧室设计方案,并对新方案的混合气形成质量进行了对比分析.结果表明,与原方案相比新燃烧室方案的燃料蒸发速度更快,混合气均匀性更好.

基于PEMS的缸内直喷汽油机颗粒物排放特性

为适应国6等日益严苛的排放法规,汽油机颗粒捕集器(GPF)被认为是一种应对缸内直喷(GDI)汽油机颗粒物排放限值最有效的潜在技术。本文以装有GPF的2.0T GDI发动机为研究对象,采用便携式排放测试系统(PEMS)研究了转速、负荷变化对发动机颗粒数(PN)排放特性的影响,以及不同排温下GPF的捕集效率的影响。结果表明:GDI汽油机总颗粒物数量浓度在转速不变时,随着负荷的增加呈现明显的先下降后急剧上升的U型趋势;GPF再生过程中,会出现GPF后的PN浓度大于GPF前的浓度的现象;一定程度内,灰分层的积累使汽油机颗粒捕集器过滤机理中的拦截沉积作用增强,深层过滤效果明显,捕集效率快速增大。

喷油开始时刻对缸内直喷汽油机性能的影响

通过对某涡轮增压缸内直喷汽油机缸内流动、混合气形成及燃烧过程的数值模拟,并借助发动机台架试验中获得的油耗、排放及燃烧数据,研究了喷油开始时刻对发动机性能的影响.结果显示,对于5 000r.min-1工况,喷油开始时刻为400°曲轴转角是混合气雾化混合的最佳方案,此时混合气分布比较均匀且点火时刻火花塞附近具有较高的湍动能,10%～90%燃烧持续期最短且HC排放较低,从而使其具有最佳的燃油经济性与燃烧稳定性.而2 000r.min-1工况的最佳喷油开始时刻推迟了30°曲轴转角.喷油提前,壁面油膜量增加,混合气当量比下降及火花塞附近较低的湍动能使得燃烧速率降低,因此HC排放、燃油经济性及燃烧稳定性均会变差.同样的情况也出现在推迟喷油中,由于混合不充分使得点火时刻混合气均匀度下降,从而使发动机性能恶化.

点火定时对缸内直喷汽油机燃烧及颗粒物排放的影响

采用燃烧分析仪和DMS500型快速颗粒取样分析仪,在一台缸内直喷汽油机上进行了点火定时对燃烧过程和颗粒物排放影响的试验研究。结果表明:随着点火定时的不断延迟,火焰发展期逐渐缩短,快速燃烧期逐渐增大,缸内压力峰值逐渐下降,瞬时放热率峰值和缸内最高燃烧温度均逐渐降低且后移,放热过程迟缓,膨胀行程缸内温度逐渐升高。缸内直喷汽油机排气颗粒物排放呈包括核态和积聚态颗粒物的双峰分布;随点火定时的推迟,核态和积聚态颗粒物峰值数密度均逐渐降低,颗粒物总数量浓度逐渐降低,积聚态颗粒物峰值粒径逐渐减小,而核态颗粒物峰值粒径受点火定时的影响较小。

缸内直喷汽油机排放PM_(2.5)的理化特征及影响因素

通过发动机台架实验研究了发动机的转速、负荷对缸内直喷（GDI）汽油机排放PM_（2.5）的排放水平、化学组成及颗粒物数浓度等的影响.结果表明：GDI汽油机排放PM_（2.5）,OC,EC的排放因子分别为（49.8±28.2）,（21.6±6.9）,（11.4±10.8）mg/kg.低转速时,PM_（2.5）排放量随着负荷的增加先减少后增加,中、高转速时随着负荷的增加逐渐增加.碳质气溶胶是GDI汽油机排放的PM_（2.5）的主要组成成分,

基于2阶段喷射的缸内直喷汽油机HCCI燃烧的研究

在缸内直喷汽油机(GDI)上采用2阶段燃油喷射技术来控制缸内混合气形成和燃烧,在GDI发动机上实现了均质混合气压燃(HCCI)燃烧方式,研究了缸内2阶段汽油喷射对HCCI燃烧特性的影响。结果表明,压缩行程中的第2次喷油时间可以有效地控制燃烧始点,二次喷油持续期可以控制燃烧速率、燃烧相位和拓宽发动机负荷。

汽油缸内多孔直喷喷雾破碎模型建立与试验

为了建立汽油缸内多孔直喷喷雾破碎模型,对Huh Gosman模型进行分析评估,并且以喷油压力为参数,建立初始破碎粒径分布公式,从而建立了汽油缸内多孔直喷喷雾破碎模型;并通过定容喷雾试验进行了汽油自由喷雾试验,验证所建模型的合理性。研究结果发现:以经验公式估计的初始液滴直径评估Huh Gosman模型,模拟结果贯穿度偏小;通过建立初始破碎粒径分布函数,同时对Huh Gosman模型进行修正,模拟计算结果与实际结果相近。最后利用该模型对不同喷油压力下的自由喷雾进行模拟,计算与试验结果吻合较好,最大误差小于5%。

车用汽油机缸内直喷技术的研究现状与展望

从汽油机的混合气形成与调节、燃油喷射、燃烧系统 3方面对车用汽油机缸内直接喷射技术的发展及新技术进行了概述。车用汽油机缸内直接喷射技术有很大的发展潜力 ,将得到更大发展并取代目前的进气道直接喷射方式。通过对排放、积炭、催化器及燃油喷射系统等问题的分析和探讨 。

FAI二冲程直喷汽油机缸内流场的多维数值模拟

利用AVL公司的三维计算流体力学(CFD)软件Fire对FAI(Free Armature Injection)直喷二冲程汽油机缸内流场进行了多维数值模拟。计算结果表明:喷油时刻对缸内混合气的形成有很大影响;低速低负荷工况,适当地推迟喷油时刻有利于分层充气;而大负荷工况则采用在不导致燃油短路损失的情况下,尽可能提前喷油,可以形成较浓的均质混合气。数值模拟结果与实际发动机性能试验结果相吻合。

缸内直喷式汽油机燃烧特性分析

采用燃烧分析仪测录了高负荷燃用化学计量比混和气式缸内直喷式汽油机在典型工况 (2 2 0 0r/min ,Pme=0 70MPa和 180 0r/min ,Pme =0 4 6MPa) 下的示功图 ,并对发动机的燃烧特性进行了分析。研究表明 ,发动机具有良好的燃烧特性。

FAI二冲程缸内直喷汽油机的研究

基于AX 10 0二冲程化油器式发动机进行了FAI(FreeArmatureInjection自由电枢喷射 )缸内直喷二冲程发动机的台架试验研究 ,在原机的基础上设计改造了一个适合缸内直喷的燃烧室结构 ,获得了大量的缸内直喷的试验数据和电控参数的MAP图 ,并做了该直喷发动机和原化油器发动机的性能、燃油消耗和HC排放的比较。结果表明 ,FAI直喷技术能够成功地应用于二冲程发动机缸内直喷系统 ,极大改善了燃油短路的现象和扫气效率 ,在整个运行范围内燃油消耗大大降低 。

汽油机缸内直喷的关键技术和发展现状

讨论了缸内直喷发动机的优缺点和当前对该种发动机提出的要求，认为缸内直喷技术的关键是掌握和控制好混合气浓度在空间的分布和随时间的变化。其控制是在一定的喷油、点火控制策略下靠燃油喷射系统与缸内流场的合理匹配实现的。阐述了缸内直喷对上述两个方面提出的要求，并讨论了发动机排放及其解决方法。

汽油机缸内直喷技术（GDI）

一、问：为什么要发展汽油机缸内直喷技术（简称GDI），当前国外开发情况如何？答：随着人们对节能和环保要求的日益严格。作为缸内直喷汽油机稀薄燃烧技术。在动力性、燃油经济性、排放性能等方面都有出色的表现和潜力。汽油缸内直喷技术作为第三种燃烧方式。得到了广泛重视和发展。已经成为汽车工业发展的重要方向。