小型车用汽油机缸内直喷（GDI）开发系列问题的探讨

韩同群，黄流军，程婷婷

（湖北汽车工业学院汽车工程学院，湖北十堰442002）

小型车用汽油机缸内直喷（GDI）开发系列问题的探讨

韩同群，黄流军，程婷婷

（湖北汽车工业学院汽车工程学院，湖北十堰442002）

介绍了小型缸内直喷（GDI）车用汽油机的性能特点和技术要求，针对目前国内外内燃机行业的技术现状和开发手段，探讨了开发一款小型GDI汽油机的技术配置以及需要解决的关键问题，最后列出了完成虚拟样机的主要工作。

汽油机；GDI技术；技术配置；虚拟样机

0　引言

近年来，新能源汽车在一定范围内得到应用，但还不能大规模取代内燃机作为车用动力，国内外的汽车企业对汽车及动力总成研究仍把主要精力集中在传统内燃机新技术的研究与应用方面。

目前我国乘用车动力领域仍以中、小型汽油机为主［1］，供油与燃烧系统采用进气道燃油喷射（Port Fuel Injection，PFI）、均质燃烧、非增压等传统成熟技术。另一方面，汽油缸内直接喷射（Gasoline Direct Injection，GDI）发动机在动力性、经济性、快速响应性及废气污染物排放等方面明显优于PFI汽油机，越来越多的汽车企业致力于GDI汽油机的研发且已有很多搭载GDI汽油机的车型问世。自主品牌的GDI产品研发方兴未艾，国内高校及相关科研机构也对GDI汽油机做了较全面的研究。

总的说来，国内GDI产品开发起点能与国际同步，但由于国内各类环境因素制约，如研发条件、油品质量、零部件制造水平等，自主产品与世界水平还存在一定差距。例如无论是合资还是自主品牌的GDI汽油机基本上还不能在稀燃模式下工作，小型机（排量0.6～1.5 L）产品较少［2-3］。

笔者从GDI发动机的基本工作原理、燃烧模式、性能特点出发，结合市场化产品的使用状况，对GDI技术产品化要求进行详细分析，对小型GDI发动机燃烧系统、进气系统、喷油系统及增压系统等设计开发过程中的关键问题进行了探讨。

1　小型GDI汽油机技术要求与配置

小型汽油机不仅要“小”，即排量小（0.6～1.5 L，体积小、重量轻），而且还要“高”和“优”。汽油机小排量化并具有高性能，即较高的升功率（大于70 kW·L-1），低油耗、低排放，满足愈来愈严格的燃油消耗和排放法规要求。

1.1燃烧系统

GDI汽油机燃烧系统同时满足大负荷工况下均质预混燃烧和中小负荷工况下分层稀薄燃烧的要求。缸内能否形成燃烧所需的混合气是关键，对混合气形成起决定作用有燃油喷射、气流运动和燃烧室形状等因素。

1.2技术配置

通过调查统计国际知名汽车品牌包括美、日、德、意、法、韩12个系列21款GDI汽油机，排量1.0～3.5 L，高性能GDI汽油机采用了诸多先进配置，比传统汽油机在动力性、经济性、排放等都有较大的改善和提升，如表1所示。

表1　汽油机配置不同对性能的改善和提升

对于中、小排量汽油机，如福特1.0EcoBoost、标致雪铁龙1.2 THP、日产MR 16 DDT、大众1.8 TSIEA888等，性能改善和提升更加明显。

2　小型GDI汽油机预开发

2.1燃烧系统设计开发

1）中小负荷工况下实现分层稀薄燃烧

低负荷时，为了获得足够的进气量和气流，可取消节气门或节气门全开（实际保留为电动节气门，原因另述）。在保持进气量基本不变的情况下，通过调节每循环喷油量改变空燃比，即“质调节”。

燃油在空间的分布及其随时间的变化要形成分层的稀燃混合气，分层混合气的形成可采用多种方法结合，包括气流引导、壁面引导和喷射引导等。采用压缩冲程后期向缸内喷油，并通过活塞顶部形状和气流运动来限制其扩散，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，而在火花塞外周部的稀薄混合气与层状空气则形成了分层混合气。

2）高负荷工况下的均质充量和量调节

高负荷时，喷油时刻置于吸气冲程前期，提高喷油压力，加大油束的穿透度，以便扩大油束在气缸内的分布，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，用节气门来进行“量调节”。GDI汽油机不同负荷下的燃烧模式见图1。

图1　GDI汽油机不同负荷下的燃烧模式

2.2关键总成和部件

1）燃油系统

GDI汽油机的燃油系统喷射压力为10～15 MPa，最高可达20 MPa，远高于PFI汽油机0.3～0.4 MPa的喷射压力，对油轨的材料和可靠性要求更高。喷油器深入燃烧室内，工作温度在500～1100℃，喷孔间隙为微米级，积碳易堵塞喷孔。目前，压电晶体喷油器的应用是努力方向。另外，燃油压力要可调。高压油泵一般由进气凸轮轴上的4个凸轮驱动，升程在一般在2.5～4mm之间。

2）进气系统

空滤器、节气门、进气管（总管和歧管）和汽缸盖进气门等组成进气系统。为了增加进气充量及增强进气滚流，首先对进气管的管径、管长、谐振腔的容积进行设计，其次是增加可变滚流和可变管长等结构等，然后进行性能开发和匹配标定。

GDI本应取消节气门，但实际将其设计成电动节气门予以保留。因为GDI在大负荷工况下工作时需要量调节，在应用EGR时需要有节流控制形成进气歧管的真空度，且传统的汽车制动系统制动时也需要真空度，即使低负荷时完全没有节流作用排气温度会非常低，降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，即油门踏板位移量较小时，电动节气门就保持全开。

汽缸盖中的气道、燃烧室部分对气流运动、混合气形成、火焰传播等起重要作用。

增压系统可采用机械增压和废气涡轮增压，一些机型已把2种增压方式结合起来使用。

3）活塞

活塞顶面形状对燃烧室内气流的运动及混合气的形成有很大的影响。壁面引导、气流引导和喷射引导都需要特殊的活塞顶面凹坑相适应。

4）排放及后处理系统

将吸附催化转化和选择还原催化转化结合，应用稀燃排放产物HC和CO作为还原物质，采用沸石和贵金属分子筛催化器对NOX进行选择还原。

5）电控系统及标定

GDI汽油机对电控系统要求更高，为了达到均质燃烧或分层稀薄燃烧所要求的喷雾质量、灵活的喷油定时和点火正时，实现不同燃烧模式平顺过度，需采用精度高、响应快的柔性控制策略。

2.3预开发过程要完成的工作和技术手段

车用发动机的“预开发”，即完成虚拟样机和基本方案优化。

1）做好方案策划，确定开发目标

新机型的开发须做好方案策划、市场调研和项目可行性分析，一个成功的机型并不是将全部新技术都予以应用，一个产品取得成功关键并不全在于其应用或者垄断了什么技术，而在于它如何合理地使用新技术并创造出独特的竞争优势。所以，项目可行性除了受到政策、法规的约束外，还要考虑设计、工艺、生产及成本等因素。“预开发”阶段只确立动力性、经济性、排放目标。

2）确定方案

如前所述，要确定所开发机型的基本技术配置，须综合考虑各种配置的优缺点和需要解决的问题。主流GDI的技术配置为废气涡轮增压（或机械增压）、排气再循环系统（EGR）、缸内燃油喷射、可变进气相位及气阀升程、可变涡流进气及新型三效催化转换器结合应用等，可组成“双增压+电控燃油喷射+分层稀燃+EGR+新型三效催化转换器”的综合配置。

3）性能模拟

利用成熟的内燃机性能模拟软件进行初期性能模拟。目前应用比较多的是美国Gamma Technologies公司GT-Power和奥地利AVL公司的Boost软件，均为一维气体流动模拟软件，可初步预估发动机的性能。

4）CFD仿真

一维气体流动模拟软件不能对发动机的流动和燃烧进行精细仿真，采用CFD三维模拟软件可以计算流场中的各种参数。例如，对于缸内流动，计算GDI汽油机的喷雾过程、速度场、湍流动能、空燃比分布及温度场分布，揭示缸内气流从孕育、发展到被压缩及破碎的过程规律。目前已有很多成熟的、专业的CFD计算软件，AVL公司的Fire软件、动力学计算公司推出的Star-CD软件、美国的Kiva软件等等。

5）零部件造型设计和虚拟装配

运用CAD软件完成发动机零件的三维实体造型，对已造型的零件通过约束关系或精确定位方式进行部件装配及整机装配，并对装配件进行干涉检查。典型的CAD软件有Pro/E，UG等。

6）其他CAE分析

在完成零件的三维造型后，运用CAE技术，对整机的结构进行有限元分析，对各运动部件进行动力学仿真计算：结构强度分析，可以判断内燃机结构在工作载荷作用下是否安全，哪些部位会发生应力集中，哪些部位强度不足，以此来改进设计；动力学仿真分析，基于多体动力学理论，可在研究阶段预测发动机运动机构甚至整车的动力学性能，对这些性能进行优化；进行总体结构优化、模态分析、疲劳分析、热分析、噪声分析等。

7）建设工程数据库

将设计工作进行数据积累和管理技术数据，可摆脱对个体技术人员的依赖，提高设计技术的继承性，方便技术咨询、数据查询，利于设计流程管理。

综上，开发过程的技术路线图如图2所示。

图2　小型GDI汽油机“预开发”技术路线图

3　总结

将车用汽油机做“小”，即小排量，并且具有高性能，难度越来越大，但GDI技术的成熟提供了强有力的技术支持。

将更多的新技术应用于小型车用汽油机上，如增压、可控进气、更精确和柔性的喷油控制、EGR、新型三效催化剂等，可大幅度提高动力性、降低油耗，并使排放达到国际先进标准。一般可使功率提升15%～40%，最大扭矩提高10%～30%，综合油耗下降25%左右。

包括发动机在内的动力总成是汽车企业的核心技术；发动机的虚拟样机设计和方案优化的虚拟工程，包括正向设计和逆向工程是设计从传统走向现代的重要手段，可以大幅度缩短产品开发周期。

［1］中国产业信息网.2014年1-11月内燃机产业市场行情概述［EB/OL］.（2014-12-23）［2016-03-29］.http：// www.chyxx.com/industry/201412/298493.html.

［2］魏崇亮，郭晓鑫，冯志鹏，等.汽油机缸内直喷技术应用现状与发展趋势［J］.小型内燃机与车辆技术，2014（10）：79-80.

［3］耿文娟，袁银南，居钰生.汽油机缸内直喷技术探析［J］.小型内燃机与摩托车，2010，39（3）：23-28.

［4］孙勇，帅石金，王建昕，等.汽油缸内喷射喷雾特性的三维数值模拟［J］.内燃机学报，2002（3）：4-7.

［5］王海波.分层燃烧GDI发动机燃烧过程的仿真研究［D］.长春：吉林大学，2009.

［6］杜维明.8AYT10缸内直喷发动机开发及关键技术研究［D］.长春：吉林大学，2013.

［7］赵弘志，杜文畅，闫朝亮，等.大排量汽油机满足国五排放标定方法研究［J］.内燃机与配件，2012（11）：1-3.

［8］李元平，平银生，尹琪.增压缸内直喷汽油机早燃及超级爆震试验研究［J］.内燃机工程，2012（10）：64-66.

Discussion on Some Problems of Development of Gasoline Direct Injection（GDI）for Small Displacement Vehicle Engine

Han Tongqun，Huang Liujun，Cheng Tingting
（School of Automotive Engineering，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442002，China）

The performance characteristics and technical requirements of a small displacement gasoline direct injection（GDI）engine were introduced.In view of the current design method of internal combustion engine industry at home and abroad，the technical configuration and some key problems to be solved in the development of the small displacement GDI engine were discussed.Finally，the main works of the virtual prototype were listed.

gasoline engine；GDI technology；technical configuration；virtual prototype

TK427

A

1008-5483（2016）03-0001-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2016.03.001

2016-04-29

韩同群（1967-），男，湖北十堰人，教授，从事汽车发动机设计方面的研究。E-mail：htqhtq67@sina.com