缸内直喷车用汽油机

本书是对缸内直喷汽油机燃烧系统所涉及的各个方面的开发、运行和优化阐述全面、文献完整的经典著作，主要内容涵盖汽油直喷技术的混合气准备、燃烧、排放和燃油经济性，沉积物形成和后处理策略等，并对缸内直喷汽油技术所涉及的关键部位以及燃油系统的主要问题进行了深入详细的讨论。此外，还有很多与该技术应用有关的指导原则、数据说明、参数测量及其各种因素综合影响的详细介绍。
本书可作为高等院校学生学习和掌握缸内直喷汽油机专业知识的参考教材，也可作为工业界面向产品开发、指导项目工程师持续改进发动机性能的参考手册和专业培训参考教材，还可作为技术管理人员及企业领导者了解缸内直喷汽油机技术的历史和未来发展趋势的参考书。
Fuquan(Frank)Zhao,David L.Harrington,Ming-Chia Lai,Automotive Gasoline Direct-Injection Engines
ISBN 978-0768008821
CopyrightZhao,Fuquan
Simplified Chinese Translation Copyright2023 by China Machine Press.This edition is authorized for sale in the Chinese mainland(excluding Hong Kong SAR,Macao SAR and Taiwan).
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本书中文简体字版由机械工业出版社在中国大陆地区（不包括香港、澳门特别行政区及台湾地区）出版发行。未经出版者书面许可，不得以任何方式抄袭、复制或节录本书中的任何部分。

火花点燃式四冲程缸内直喷汽油机（GDI）的设计与开发是全球汽车工业界一项重要的世界性创新之举。该汽油机的热力学潜能可极大地改善燃油经济性，吸引人们进行了一系列的研究和开发来理解、发展和优化汽油缸内直喷技术。燃油喷射过程，喷雾雾化和蒸发，混合气形成、燃烧，沉积物形成和降低排放，都是系统优化的关键问题，在本书中这些问题都得到了充分的研究。新技术如高压系统、共轨系统、汽油喷射系统和实时计算机参数过程控制等的应用，使直喷、分层充量的汽油机成为可能。在过去10年中，已获得了大量的本领域的技术信息。
本书阐述了在直喷、点燃式发动机领域快速发展过程中的关键问题，并且评估了各个过程和子系统在整个系统效率上的贡献。本书反映了汽车界和学术界的最新研究成果，包括大量来自非英语的技术文章和研究进展中的讨论、数据和图表。其研究重点既包括混合气准备、燃烧和排放物形成的基础过程，也包括发动机系统开发过程中的实际问题，如冷起动、积炭、燃油稀释和后处理系统。伴随燃油直接喷射、喷雾形成、卷吸和混合、燃烧和排放的复杂现象，都通过清晰的、有组织的方法，置于一个反映现代技术水平的硬件和程序的框架中呈现。相关主题的所有出版物也在本书中进行了细致的分析和讨论。
本书的目标之一是如何在这个复杂的课题中实现快速学习，同时成为全球性的直喷主辅系统开发方面极有用的参考文献。另一目标是对开发新的直喷发动机系统过程中，对需要仔细斟酌的参数提供讲解和评价。同时本书也适当提供了缸内直喷汽油机与进气道喷射汽油机和柴油机系统的详细对比。本领域读者想要了解的几乎所有信息，包括术语、世界范围内的研究和进展、物理过程的解释，都可以在本书中得到。在缸内直喷汽油机系统方面提出建议、撰写文章、指导实验或者做出管理决策之前，阅读本书将会获益匪浅。
全书共分为10章，其中包括超过330张图片、75个表格和525篇参考文献。在实际发动机配置下的燃油经济性和排放的数据，对发动机的研究和开发者来说是极其重要的，所以本书收集了所有可以得到的缸内直喷配置下的数据，并从细节上进行了回顾和讨论。根据系统复杂性将缸内直喷发动机分为四类，对每种类型的优缺点进行了标注和解释，并注重其重要趋势和结论一致性。这使发动机开发者、研究者和工程管理人员能够在趋势和有争议的问题方面获得信息，如对在优化条件下怎样才能够让发动机容积效率和压缩比增加，以及在特定的控制策略下怎样能够让碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）和颗粒物的排放最少。
第1章介绍了后续章节将详细讨论的基础过程和分类。对进气道喷射和缸内直喷发动机固有的混合气准备过程进行了讨论，并指出了使用缸内直喷汽油机技术的优势。同时介绍了缸内直喷汽油机一般的分类和所有产品的规格、原型机和试验机。
第2章详细介绍了燃烧系统的构造和形成分层充量的控制策略。从系统需求、燃烧稳定性、系统灵活性、发动机性能和排放等方面，对喷雾引导型、壁面引导型和空气引导型燃烧系统的优缺点和难点进行了全面的对比。
第3章介绍了喷油器和整个燃油系统的设计要求，同时也介绍了所有应用缸内直喷的产品和原型机的喷油器的独特特点，提供了喷油驱动器和燃油输送动力学的详细分析，详细讨论了单循环内多次喷射的性能。
第4章非常详细地讨论了缸内直喷汽油机燃油喷雾的动力性和特性，这可能是本领域中最为详细的分析。该分析涵盖了喷雾雾化要求、压力室初始喷雾特性、喷雾锥角和贯穿度、后喷动力特性等诸多内容。本章概括了偏置喷雾以及分段喷雾的特性，并且对多种产品和原型机的喷油器形成喷雾的关键特性进行了描述，包括涡流喷雾（内旋和外旋）、多孔、槽式喷射和其他形式的喷油器，以及由脉冲压力、空气辅助喷油器产生的喷雾。一个很重要但是被低估的问题——环境条件对各类喷油器形成的喷雾的影响，也在本章中进行了详细的讨论。本章还对当前所有喷油器的最佳实践性能进行了列表对比，同时指出了与缸内直喷汽油机喷雾测量和特性相关的关键问题。
第5章详细介绍了空气、燃油混合的特殊要求，以及缸内直喷汽油机中空气流场问题和喷雾-壁面的交互作用。深入讨论了可能导致HC排放增加和润滑油稀释的意外的燃油碰壁过程。讨论了冷起动中的混合气准备过程，以及不同发动机运行参数对发动机冷起动性能的影响。
第6章详细介绍了不同运行模式下缸内直喷汽油机燃烧特性的预测，详细解释了燃烧和排放控制策略的实施方法，并讨论了其对燃烧过程的影响。
第7章概述了缸内直喷的沉积物问题以及它对发动机燃烧、性能和排放恶化的影响，提供了重要的最小化沉积比例和沉积影响的系统指导。
第8章介绍了HC、NOx和颗粒物的形成机理，深入地概括了目前排放控制技术和后处理硬件系统的性能和局限性，并且全面总结和讨论了在如何满足未来排放标准的基础上取得的一致意见。分析了稀NOx催化作用对晚喷、分层的缸内直喷汽油机发展的影响，并对利用稀燃、匀质充量、直喷发动机作为一种选择来降低系统复杂性进行了分析。
前言第9章分析了缸内直喷汽油机技术在提高燃油经济性方面的所有潜力，逐条记载并评估了所有可能导致预测的燃油经济性与实际最好的燃油经济性之间存在差异的因素，讨论了缩小这种差异的长期和短期的解决方案。为了挖掘缸内直喷汽油技术的潜能，填补其他技术的不足，将缸内直喷汽油技术和其他嵌入式发动机技术进行结合是一种选择。
第10章的导论部分，概述和讨论了与当前缸内直喷汽油机发展相关的缸内直喷分层充量（DISC）发动机上进行的主要工作。其主体部分收集了所有全球范围内的缸内直喷汽油机的产品机、原型机和试验机，对这些发动机和相应的燃烧和后处理系统在性能、排放和经济性方面的优势进行了回顾，对需要进一步开发的内容也进行了讨论。发动机图、系统控制图表和规格都编撰在本章之中，排放控制策略也配以图形进行了讨论。
本书包含了与缸内直喷汽油机相关的各方面内容，可以作为工科院校的研究生教材，或者作为内燃机本科生的参考书籍。在本书中包含的信息可用于燃油系统开发、燃油喷射技术、混合气准备、燃烧系统开发、沉积物问题和稀燃发动机后处理技术方面的工业项目基础知识培训、汽油机燃油系统的工程研讨会和讲习班。在第2~10章的每一个章节中，都详细描述了一个明确的主题，这些文字、图形和表格都分别为各自的主题服务。所有汽车制造商、发动机配件和后处理提供商、添加剂和燃油公司、研究机构和院校的工程师和研究人员，都能够从本书中有所收获。在这个领域的工程师和研究人员会发现本书在进行缸内直喷发动机的系统优化、理解和实验数据的解释方面的巨大作用。对本领域产品决策负责的企业管理人员能够从本书各章节一系列清晰的优缺点描述及对产品机型相关方面的讨论中获益。
Fuquan(Frank) Zhao(赵福全)
David L.Harrington（大卫·L.哈灵顿）
Ming-Chia Lai（赖明嘉）

序
前言
致谢
缩写表
第1章绪论
1.1概述
1.2直接喷射与进气道喷射的对比
1.3缸内直喷发动机分类
1.4总结
第2章燃烧系统的结构
2.1引言
2.2喷油器和火花塞的相对位置
2.3实现分层混合气的方法
2.3.1喷雾引导型燃烧系统
2.3.2壁面引导型燃烧系统
2.3.3气流引导型燃烧系统
2.4总结
第3章燃油喷射系统
3.1引言
3.2燃油系统的设计要求
3.3喷油器的设计要求及对策
3.4油压要求
3.5喷油器分类
3.5.1针阀内开、单流体涡流式喷油器
3.5.2定形喷雾式喷油器
3.5.3槽式喷嘴
3.5.4多孔喷嘴
3.5.5针阀外开、单流体涡流式喷油器
3.5.6压电驱动式喷油器
3.5.7脉冲压力空气辅助式（PPAA）喷油器
3.6GDI喷油器的驱动和动态特性
3.7多次喷油的设计要求
3.8总结
第4章燃油喷雾特性
4.1引言
4.2喷雾雾化要求
4.3燃油的喷雾类型
4.4初始喷雾的相关要素
4.5后喷动力学和雾化
4.6喷雾贯穿距和锥角的注意事项
4.7偏置喷雾特性
4.8分阶段喷射相关要素
4.9单流体涡流式喷油器的喷雾特性
4.9.1涡流式喷嘴流体动力学及设计参数的影响
4.9.2燃油涡流比对喷雾特性的影响
4.9.3内开式单流体涡流式喷油器的喷雾特性
4.9.4外开式单流体涡流式喷油器的喷雾特性
4.9.5定形喷雾式（Shaped-Spray）喷油器的喷雾特性
4.10单流体无涡流喷油器的喷雾特性
4.10.1槽式喷嘴的喷雾特性
4.10.2多孔喷嘴的喷雾特性
4.10.3冷态拖动起动过程中的喷雾特性
4.11脉冲压力空气辅助式喷油器的喷雾特性
4.12环境密度对喷雾过程的影响
4.13喷油器工作温度及燃油挥发性对喷雾发展的影响
4.13.1涡流式喷油器工作温度对喷油过程的影响
4.13.2非涡流式喷油器工作温度及背压对喷雾过程的综合影响
4.14喷雾雾化范围的设计和运转工况变量
4.15目前GDI喷油器的佳实用性能
4.16与GDI燃油喷雾特性相关的问题
4.16.1GDI燃油喷雾测量的关注点
4.16.2喷雾特性的问题
4.16.3GDI喷雾测量技术及设备
4.16.4DV80与DV90测量精度的比较
4.17总结
第5章混合气形成过程和方法
5.1引言
5.2缸内流动特性与GDI燃烧之间的关系
5.2.1SI发动机的典型缸内流动特性
5.2.2GDI流场特性及其相关要素
5.2.3燃料喷射对缸内流场的影响
5.3燃油-空气混合过程
5.3.1缸内充量的冷却
5.3.2缸内油气混合特性
5.4喷雾与壁面的相互作用
5.4.1GDI喷雾与投射表面之间的相互作用
5.4.2喷雾-壁面相互作用的相位问题
5.4.3喷雾湿痕
5.5非预期的喷雾撞壁
5.5.1喷雾燃油碰壁对燃烧和排放的作用
5.5.2缸壁湿壁对润滑油稀释的影响
5.6冷起动过程燃料湿壁
5.7总结
目录第6章燃烧过程及控制策略
6.1引言
6.2发动机工作模式和喷油策略
6.2.1早喷、均质工作模式
6.2.2晚喷、分层混合气工作模式
6.2.3理论空燃比混合气工作模式
6.2.4改善催化器起燃特性的略微稀薄分层燃烧模式
6.2.5工作模式切换
6.2.6不同工作模式复杂程度对比
6.2.7GDI发动机工作模式分类
6.3分段喷油策略
6.3.1模式切换过程中的两阶段喷射策略
6.3.2分段喷射改善发动机全负荷性能
6.3.3后喷策略改善催化器起燃特性
6.3.4后喷用于NOx储存催化器的再生
6.3.5分段喷射控制均质压燃发动机
6.3.6分段喷射在发动机工作脉谱上的实施
6.4燃烧特性
6.4.1均质燃烧
6.4.2分层燃烧和均质燃烧的比较
6.5运转和设计参数对GDI发动机燃烧的影响
6.5.1喷油时刻和点火时刻的影响
6.5.2喷雾锥角的影响
6.5.3废气再循环（EGR）的影响
6.5.4抗爆燃性
6.5.5空气辅助式和单流体式GDI喷油系统的燃烧特性对比
6.6总结
第7章沉积物问题
7.1引言
7.2喷油器积炭
7.2.1喷油器积炭的危害
7.2.2喷油器处沉积物的生成过程及特性
7.2.3喷油器内部积炭的形成机理
7.2.4喷油器头部温度对沉积物生成的影响
7.2.5运转循环对喷油器积炭的影响
7.2.6喷油器设计对喷油器积炭的影响
7.2.7燃油成分对喷油器积炭的影响
7.2.8脉冲加压、空气辅助式GDI喷油器积炭的形成特性
7.3燃烧室沉积物（CCD）
7.4进气门沉积物（IVD）
7.5其他GDI系统部件的沉积物
7.6总结
第8章排放：生成机理和降低措施
8.1引言
8.2HC排放物
8.2.1冷起动和瞬态工况的HC排放
8.2.2小负荷下分层燃烧模式下HC排放来源
8.2.3运转参数对HC排放的影响
8.3NOx排放
8.3.1分层燃烧GDI发动机的NOx排放
8.3.2控制NOx排放的废气再循环技术
8.3.3稀燃NOx后处理系统的需求
8.3.4稀燃NOx催化器
8.3.5NOx存储催化器的工作原理
8.3.6NOx存储催化器的工作温度窗口
8.3.7NOx存储催化器的再生问题
8.3.8NOx存储催化器的布置比较：紧耦合和底板下
8.3.9HC/NOx比对NOx存储能力的影响
8.3.10NOx存储催化器和冷起动催化器的必要条件
8.3.11NOx存储催化器的硫中毒及其脱硫处理
8.3.12NOx存储催化器诊断
8.3.13基于尿素的SCR系统
8.3.14低温等离子体后处理器系统
8.4颗粒排放
8.4.1发动机颗粒排放的常规特性
8.4.2PFI发动机的颗粒物排放
8.4.3GDI发动机的颗粒排放
8.4.4单流体和空气辅助式喷射系统的GDI发动机颗粒排放比较
8.5总结
第9章燃油经济性：潜力与挑战
9.1引言
9.2燃油经济性的潜力和限制
9.2.1提高燃油经济性的因素
9.2.2单流体和空气辅助式GDI燃烧系统的燃油经济性比较
9.2.3燃油经济性与排放之间的折中
9.2.4未来燃油经济性提高的机遇
9.3GDI与其他技术相结合
9.3.1增压GDI发动机
9.3.2废气涡轮增压与机械增压GDI发动机
9.3.3增压GDI发动机的燃烧与排放特性
9.3.4发动机怠速停机策略
9.3.5GDI发动机与CVT的匹配
9.3.6GDI发动机在混合动力系统上的应用
9.4总结
第10章汽油缸内直喷系统产品与原型机
10.1早期DISC发动机开发
10.2三菱公司基于逆滚流的壁面引导型GDI燃烧系统
10.3丰田燃烧系统
10.3.1丰田第一代基于涡流的壁面引导型D-4燃烧系统
10.3.2丰田第二代壁面引导型D-4燃烧系统
10.4日产基于涡流的壁面引导型NEODi燃烧系统
10.5雷诺喷雾引导型IDE燃烧系统
10.6亚当-欧宝壁面引导型ECOTEC DIRECT燃烧系统
10.7奥迪壁面引导燃烧系统
10.8AVL燃烧系统
10.8.1AVL基于涡流的壁面引导型燃烧系统
10.8.2AVL混合气喷射DMI燃烧系统
10.9FEV气流引导型燃烧系统
10.10菲亚特燃烧系统
10.11福特燃烧系统
10.11.1福特喷雾引导型燃烧系统
10.11.2福特涡流、壁面引导型燃烧系统
10.12本田喷雾引导型燃烧系统
10.13五十铃燃烧系统
10.14马自达基于涡流的壁面引导型燃烧系统
10.15梅赛德斯-奔驰喷雾引导型燃烧系统
10.16采用脉冲压力空气辅助式燃油喷射系统的欧比特燃烧系统
10.17标致公司逆滚流壁面引导型直喷燃烧系统
10.18里卡多基于滚流的壁面引导型燃烧系统
10.19萨博喷雾引导型燃烧控制系统
10.20斯巴鲁喷雾引导型燃烧系统
10.21大众基于滚流的壁面引导型FSI燃烧系统
10.22总结
参考文献