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争论生课程〔论文类〕试卷
2025/2025 学年 第 1 学期课程名称： 车辆工程进呈现状
课程代码： 14000010
论文题目： 缸内直喷技术应用及进呈现状
学生姓名： 专业﹑学号：
学院：
缸内直喷技术应用及进呈现状
单晓峰
摘要：对汽油机缸内直喷技术的进呈现状和应用前景进展了介绍，并分析了其工作过程中的关键技术环节，指出来制约其进展的主要缘由和问题，并对其前景进
行了展望。
关键词：汽油机；缸内直喷；燃油经济性；爆燃
Application and Development Situation Gasoline Direct Injection Technology
Shan Xiaofeng
Abstract:The status and prospects of development of gasoline direct injection technology was introduced, and analyzes its working process of the key technical aspects, pointing out that the main reason for the constraints and problems of its development, and its prospects were discussed.
Key words:Gasoline engine；Direct injection；Fuel economy；Deflagration
引言
随着汽车给环境带来的排放污染和能源短缺问题日益严峻，世界各国对排放标准法规要求也愈加严格。我国于 2025 年公布了国 V 排放标准并于近期审查通过了《乘用车燃料消耗量限值》第四阶段标准。由于目前中国汽油车占据相当大比例，所以在降低汽油车油耗和排放方面具有肯定技术优势的缸内直喷技术的进展就显得尤为重要。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，以缸内直喷为代表的型混合气形成模式的争论与应用极大地提高了汽油机的燃油经济性。据争论说明其燃油经济性可以提高 15％左右，HC 排放量
可削减 30％[1。]
目前汽油机缸内直喷技术虽然已经比较成熟，但其在燃烧掌握、
燃油喷射、排放掌握、增压技术等方面还需进展深入争论。
缸内直喷技术的进展过程及应用现状
缸内直喷技术诞生于 20 世纪 20 年月，最初应用于军事技术，直到 20 世纪50 年月奔驰公司生产的 300SL 才实现缸内直喷技术在汽车领域的真正应用。此后由于低廉的燃油价格以及电控技术的限制，缸内直喷技术始终未能得到进一步的进展。20 世纪 70 年月，福特公司开发出一种承受分层燃烧技术的 ProCo[2系] 统，由于电控技术不够成熟和本钱过高以及排放超标，该系统也未能得到进展。
20 世纪 90 年月以后，由于发动机制造技术的快速提高，制造周密、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 发动机的争论与应用得到快速进展。GDI 发动机瞬态响应好，可以实现准确的空燃比掌握，具有快速冷起动和减速断油力量及潜在的系统优化力量，这些都显示了它比进气道喷射汽油机更优越。承受先进的电子掌握技术，解决了早期直喷发动机的掌握和排放等方面的很多问题。技术和电子掌握策略的进展使得很多发动机制造企业重考虑 GDI 发动机的潜在优点。1996 年日本三菱汽车公司领先推出 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承受GDI 和PFI 两套供油系统的 2G R—FSE V6 发动机；通用公司 2025 年开发出了承受可变气门定时(VV T)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 发动机的根底上，2025 年又开发出了可以实现分层稀燃的 R6 直喷发动机；德国群众公司 2025 年底利用电子掌握系统把与 TDI 柴油机相像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；2025 年奥迪公司开头将其 2. 0T —FSI 燃油分层直接喷射增压汽油机推向市场。
由于排放、燃烧稳定性、燃油品质、性能及牢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 技术目前仍旧存在一些技术难题。国内外的公司和争论机构也都在乐观地开发设计型直喷发动机，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。
缸内直喷关键技术的现状
缸内直喷发动机的关键技术包括燃油供给与喷射系统、燃烧系统的优化设计、GDI 的燃油喷射和燃烧过程掌握策略等。
高压喷油系统可以说是直喷发动机最关键的系统，与以前油气在进气歧管内混合，然后被负压吸入发动机不同，直喷发动机是用高压喷油嘴将燃油喷入汽缸， 由于汽缸内压力已经很大，因此需要喷油系统具备更大的压力。高压喷油主要可以分为发动机掌握模块〔ECM〕、高压油轨、高压油泵和喷油嘴四局部，其中 ECM主要采集发动机数据，依据预定程序掌握喷油时机和喷油量，从而实现最高燃烧效率；而高压油泵则主要负责燃油的加压，高压油轨主要起均衡各喷油嘴喷射压力的作用，而最终的喷油任务则由喷油嘴来执行。此外，还有多个传感器供给燃油压力等信息，确保整个系统的高效率。
燃烧系统的优化设计是 GDI 发动机开发的关键技术，只有通过合理配置燃烧室外形、燃油喷束、气流运动等，特别是优化活塞顶部的设计，才能实现在中小负荷时的分层淡薄和大负荷时的均质预混的要求，其中进气行程和压缩行程中缸内瞬时流场的组织尤为重要，可促进燃料与空气的有效混合，同时掌握气流的流淌以生成稳定的分层混合气。
依据可燃混合气形成的掌握方式以及火花塞和喷油器的相对位置，缸内直喷燃烧系统包括气流导向型、壁面导向型、喷射导向型。争论说明，喷射导向型系统燃烧效率损失和泵气损失相对较小，比气流导向型和壁面导向性有着更好的燃油经济性[3。]
缸内直喷发动机应用中的问题
虽然缸内直喷发动机有其巨大的优势，但在应用过程中也存在着技术难题和亟待解决的问题。
排放掌握问题
由于 GDI 发动机燃烧特性与进气道发动机不同，GDI 发动机火焰传播方式是从火花塞四周的浓混合区到稀混合区，导致在浓混合区域消灭高温区域，造成NOx 排放上升。另外，GDI 发动机较高的压缩比和较快的反响放热率也是导致NOx 上升的缘由。由于 GDI 发动机的空燃比相对较高，气缸内燃烧温度整体较
低，导致气缸内未燃 HC 不能完全被氧化，另外由于 GDI 发动机在喷油时刻造成的缸内湿壁现象严峻，导致活塞腔、进气门底座、排气门底座等区域燃烧不好， 造成在中小负荷时 HC 排放较高。为了在 HC 排放上升不多的前提下有效地掌握NOx 排放，业界也尝试承受给直喷汽油机加装EGR 系统，加装之后在动力性和经济性方面都有肯定的提升，目前国内外对于此项争论已经取得肯定的进展。
燃油经济性问题
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。
冷启动策略掌握问题
由于 GDI 发动机产生的 HC 排放的 80%以上是冷起动过程中产生的未燃HC，通过简单的参数标定可实现 GDI 发动机从冷起动到适应不同的负荷工况， 并实现准确的供油和燃烧及排放掌握。由于 GDI 技术能准确地掌握喷入气缸内的燃油量，有效掌握缸内油气的混合过程，改善汽油机冷启动排放，因此如何优化 GDI 发动机冷起动阶段的掌握策略是一个重要的争论课题。
超级爆燃及噪声掌握问题
GDI 发动机在低速大负荷工况下简洁发生非正常燃烧模式即“早燃”现象而引发超级爆燃，特别是对小排量增压缸内直喷发动机尤为突出。超级爆燃是 GDI 发动机降低油耗和提高升功率的主要障碍，其爆发压力是正常爆压的两倍以上并呈大幅振荡现象，超过了发动机的爆燃承受极限，导致发动机油耗增加和噪声加大，并可能对气缸体、活塞、曲柄连杆机构等部件造成致命损坏[4。]
对于超级爆燃的抑制方法，争论觉察加浓混合气、扫气、压缩行程喷射燃油形成分层混合气、中冷 EGR 对超级爆燃都具有肯定的抑制效果。在国内，奇瑞公司开发了一种防止超级爆燃的活塞，通对对活塞倒角进展改进，可削减未燃碳氢的排放和可能引发超级爆燃的源头碳烟颗粒，从而大大降低超级爆燃发生的概率，目前该活塞的应用效果还有待验证。
基于缸内直喷技术汽油机的进展趋势
发动机小型化
由于缸内直喷技术所表达的技术优势以及环境和能源危机，GDI 发动机进展的趋势无疑是小型化，发动机小型化可以增加汽油机的实际负荷力量并能降低泵气损失。通过承受涡轮增压技术、排气歧管集成设计、铝制缸盖、凸轮轴可变正时技术以及高精度的燃油喷射技术来实现 GDI 发动机的小排量高输出，提高汽油机的燃油经济性。2025 年，福特公布了最一代 EcoBoost 福克斯，油耗为 ；菲亚特推出了 2 缸 Twin Air 空气涡轮增压发动机并搭载在 2025 款阿尔法罗密欧 MiTo 上，油耗能到达 。
承受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快速进展。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，一样压缩比条件下，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[5:]
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。
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。
提高涡轮增压发动机瞬态响应
小负荷时不承受节气门，发动机的进气量大，涡轮增压器转速高，因此，即使在局部负荷稀燃区域时涡轮增压的响应延迟也较小。
燃烧掌握技术
GDI 发动机在分层稀燃区域有着良好的燃油经济性，如何扩大其分层稀燃区
域将是 GDI 发动机的一个争论重点。由于 GDI 发动机在分层燃烧时的混合气不均匀，简洁产生 NOx 和碳烟，而 HCCI〔均质充量压燃〕的燃烧特点可以抑制NOx 和微粒的生成。有效地掌握点火时刻和发动机整个燃烧工况内的燃烧速率是实现 HCCI 燃烧的重要因素，也是缸内直喷发动机燃烧掌握技术的一个进展趋势[6。]
结语
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淡薄燃烧技 术，在动力性、燃油经济性、排放性能等方面都有精彩的表现和潜力，已经成为汽车工业进展的重要方向。GDI 发动机还有很多难题有待解决，而且目前 GDI 发动机的造价较高。所以，GDI 发动机的进展还需要很长一段时间。
参考文献
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Carlos Queiroz，Eduardo Tomanik. Gasoline direct injection engines a bibliographical review [C].SAE Paper 973113
耿文娟，袁银南，[J].小型内燃机与摩托车，2025，39〔3〕：23～
28
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争论[J]. 内燃机工程，2025，33
〔5〕：63～66
Bandel W, Fraidl G K, Ka pus P E , et al. The Turbocharged GDI Engine :Boosted Synergies for High Fuel Economy Plus Ultra-low Emission[ C] . SAE Paper 2025-01-1266.
王志，王建昕，帅石金，等. 缸内直喷燃料改质掌握HCCI 着火时刻和燃烧速率的争论[J]. 自然科学进展，2025，16〔9〕：1191～1195