什么是GDI?

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“ 本文简单介绍GDI技术的应用，理论分析GDI技术的优势。”

提到GDI，我们首先要了解PFI。进气道喷射（Port Fuel Injection，PFI），是汽油机燃油供给的一种方式，将燃油喷在进气道内，主要依靠壁面温度与进气门打开时废气倒流的温度 促 进 燃 油 的 蒸 发 ， 从 而 与 空 气 混 合 形 成 可 燃 混 合 气 。 缸 内 直 喷（Gasoline Direct Injection，GDI）技术就是将燃油直接喷入燃烧室，通过气流的运动与空气充分混合。

进气道喷射和缸内直喷

那么，PFI和GDI有哪些主要的区别呢？混合气形成策略不同是PFI发动机与GDI发动机的主要区别。PFI发动机产品中，20％喷嘴装在气缸盖上进气门的背面，80％安装在进气歧管上靠近气缸盖位置，在发动机起动时，会在进气门附近形成瞬时的液态油膜，这些燃油会在每次进气过程逐渐蒸发进入气缸燃烧。因此，进气口处的油膜如同电容，具有积分的作用，发动机瞬时的供油量不能通过喷油器实现精确控制。由于部分蒸发现象导致油量控制延迟和计量偏差，冷机起动时由于燃油蒸发困难，使得实际供油量远大于需求空燃比的供油量，这样会导致冷起动时发动机有4～10个循环的不稳定燃烧，显著加大发动机未燃HC排放。GDI技术可以避免气门口燃油湿壁现象，实现燃烧各阶段准确供油，能够实现更稀薄燃烧并且降低缸与缸之间、循环与循环之间的变动，最初的冷启动循环不需加浓控制，降低瞬态工况HC的排放。然而GDI发动机对燃油蒸发和混合物形成有更严格的要求，需要通过更高的喷油压力提高燃油的雾化率。

GDI发动机的喷油器布置

PFI发动机的另一限制是中、小负荷时采用节气门来控制负荷，存在节流损失，GDI发动机在中、小负荷时采用分层充气工作模式，通过控制喷入气缸的油量来控制发动机的负荷，不采用节气门可以降低泵气损失和热损失。GDI发动机在理论上不存在上述两方面的限制，除了具有消除油膜湿壁现象和无节气门节流损失的优点外，GDI发动机具有优于PFI发动机的热力学特性。GDI共轨供油系统可以显著提高供油压力，提高雾化质量和雾化率，这使发动机起动时前两个循环无需额外供油就能实现稳定燃烧，这样GDI发动机冷起动时的HC排放具有降低到稳态工况的潜力。另外潜在的优点是可以实现减速断油，提高燃油经济性和降低HC排放，对PFI发动机而言，减速断油不是可行的选择，因为这样会减少或消除气门口附近的油膜，而在气门口附近建立稳定的油膜是一个需要几个循环的瞬态过程，这个过程能够使燃烧室内形成很稀的混合气，导致失火或回火。还有一个潜在的优点：缸内直喷能够降低进气温度，提高充气效率，燃油的蒸发能够冷却进气，汽化潜热主要来自新鲜充气，而不是燃烧室壁面，在燃油早喷和后喷阶段均能冷却进气，故在进气过程喷油能够提高充气效率。GDI发动机燃油经济性能够得到显著改善，对于不同的测试循环，最大可以提高20％～30％。PFI系统相比GDI系统也仍具有一定的优点，如PFI发动机的进气管相当于预蒸发室，能够增加燃油蒸发的时间，而GDI发动机燃油直接喷人气缸，混合气形成的时间少，燃油喷雾微粒必须足够小以保证燃油在喷油与点火之间的有限时间内能够蒸发，如果燃油液滴没能蒸发就会形成微粒和未燃的HC排放。此外，燃油直接喷到缸内，可能导致燃油冲击到活塞顶部和缸壁表面，这些因素可能导致微粒和HC排放的增加，并加大了发动机的磨损。PFI发动机还有其他优点，如低压喷射系统、可以采用三效催化器、更高的排温提高三效催化器的效率，这些都对GDI发动机的发展提出了挑战。

GDI发动机上喷油器的布置

其实，传统内燃机行业的新技术都是为了解决排放和节油两大宗旨而提出。而GDI实现喷油的精准控制，可以实现单次喷射和多次喷射。将来，甚至一直停留在学术研究的分层燃烧都有可能实现。另外，国内外学者也有在考虑将PFI和GDI的优势统筹，即新提出的P-DI方案。顾名思义，P-DI就是将PFI和GDI的优势最大化，即可以提升发动机的压缩比，又可以降低国六要求的PN排放。综合P-DI的优势，大致可以参考下表：

需求 lambda=1, 涡轮增压 GDI PFI P-DI

低速扭矩→扫气, 小型化 ** – **

降低油耗→提高压缩比 * – *

提高部分负荷的效率→优化燃烧 – * *

降低颗粒排放物；满足EU6的要求（NEDC循环） – * *

催化器加热（无需2次空气系统） ** – **

启动性能（冷机，比如 E85） * – **

机油稀释 – * *

怠速噪声 – * *

进气阀自清洁 – * *

作者简介：Demu，从事发动机控制器系统工程师和软件工程师多年，有丰富的ECU系统和软件设计经验。有兴趣的朋友可以关注最上方的公众号“汽车控制与人工智能”。往期推荐