吃得少跑得快 掰掰小排量GDI那点事

当前排放和油耗法规日益加严，汽油缸内直喷（GDI）技术可以减少排放、降低油耗，而涡轮增压小型化（Downsi...



当前排放和油耗法规日益加严，汽油缸内直喷（GDI）技术可以减少排放、降低油耗，而涡轮增压小型化（Downsizing）技术可以进一步减低油耗，增强动力输出，提升驾乘舒适性。在这样的背景下，国内各大主机厂陆续引进或开发出GDI发动机，缸内直喷（GDI）＋进排气连续可变气门（DVVT）＋涡轮增压（Turbo）几乎成为新开发直喷发动机的标准硬件配置。

基于动力性提升的扫气及起步辅助功能匹配开发

小排量发动机低速时排气量小，增压度不高，无法发挥涡轮增压器的高扭矩优势，因此低速动力性差是小排量缸内直喷发动机面临的一大问题。GDI发动机仅在进气压缩冲程喷油，同时涡轮增压技术能够在进气－排气方向上产生一定的正压，可以通过优化DVVT标定数据，加大进排气门重叠角，在低转速时能够产生中等以上强度的扫气效应（Scanvenging），即新鲜的进气可以扫除燃烧室内残余的废气进而加大提高缸内的实际进气量来进一步提升低速动力性能，以某1.0T GDI发动机为例，通过扫气技术的匹配应用，低速动力性提升5％～10％（5Nm～13NM，对应1000rpm～1600rpm全负荷）。同时只要发动机工况稳定， 扫气技术可以保证发动机一直处于高扭矩状态，除此之外小排量GDI还可以采用动态扫气技术（Wiper，瞬时大幅提高VVT气门重叠角）实现动态过程涡轮增压未完全发挥最大能力时的扭矩增加，提升车辆动态加速性能。

另外起步辅助功能和发动机附件（如压缩机，发电机）控制功能可以改善低温及高原环境下的车辆动力表现，这两项功能都是在不改变发动机性能的基础上通过优化控制策略来提高车辆的起步动力性能。

基于文丘里管的碳罐冲洗功能匹配

在发动机设计和标定参数优化时通常考虑在一定的发动机负荷内控制发动机节气门开度尽可能大以降低泵气损失（Pump Loss），进气压力提升后指示功增加，进而可以改善中等负荷（非增压的节流区域，真空度较小）的比油耗，但带来的负面影响是可利用的真空度降低了，同时对于搭载增压发动机的车辆而言，车重功率比逐渐提高是趋势，即“小马拉大车”，为了使车辆运行在万有特性低油耗区，车辆的档位数逐渐提高，最终导致增压发动机运行负荷较高，歧管可利用真空度下降。因此对于小排量涡轮增压发动机而言，传统的单管路碳罐冲洗系统（碳罐阀->进气歧管）的冲洗问题比较突出，增压工况碳罐无法冲洗，总体的冲洗量比较低，存在蒸发物排放超标风险，另外对于配置起停功能的项目，甚至要降低停机次数牺牲油耗性能来增加碳罐冲洗量。通过采用带文丘里管的双管路碳罐冲洗系统的引入和控制策略及标定数据的优化，在小排量增压项目上实现全工况全时碳罐冲洗功能，有效提高了碳罐冲洗量，排放测试循环的冲洗量提升幅度大于100％，蒸发物排放结果均低于国V排放法规规定的2g/次的限值要求并能满足未来更苛刻的排放法规要求。整车颗粒物（PM）排放优化

GDI由于采用缸内直接喷射，雾化及混合时间较气道喷射短，燃油和空气的混合质量较差，同时混合气呈现出扩散燃烧的特性，这些因素的存在使得颗粒物（PM）排放较PFI大幅提高，尤其是在冷机阶段，燃油雾化条件更差，PM排放更高。颗粒物排放可以通过机内净化（EMS参数优化）和机外净化（颗粒捕集器，GPF）来降低，目前国内GDI项目几乎全部采取机内净化措施来满足国V排放法规要求，由于采用机内净化措施，对于搭载相同发动机但车重不同的车型而言其颗粒物排放水平也不尽相同，车重越大，车辆运行负荷高，油耗高，PM排放量大，这一点对“小马拉大车”的小排量增压项目是不利的。通常综合使用高压多次喷射（2～3次喷射实现分层燃烧，减少燃油湿壁量）、增大气门重叠角（提高废气对混合气的加热量）、推迟点火（增加燃油和混合气的混合时间）等措施来降低PM排放。结合不同发动机的喷油器布置形式（顶置或侧置）可以采取灵活的多次喷射模式，如顶置喷油项目可以将点火角与第二次喷射结束角耦合起来，降低冷机阶段PM排放的同时燃烧稳定性（COV）也能得到保证。新项目经过台架冷机和热机稳态工况的参数优化之后需进行为期两个月左右的整车PM排放标定，通过优化高压油轨压力、DVVT气门正时以及多次喷射的起止时刻、燃油分配比例等参数能有效降低PM排放量。目前所有已批产小排量直喷项目的PM排放均满足客户的工程目标和国V法规4.5mg/km的限值要求，且通过了严苛的十六万公里排放耐久测试。整车油耗优化：

GDI发动机燃油在缸内喷射，燃油雾化吸热能够降低缸内温度，压缩比较PFI有所提高，油耗可以降低，为此客户对GDI项目的低油耗的期望值很高。为充分挖掘GDI发动机的节油潜力，从台架到整车，每个功能模块的匹配都深入考虑油耗最低，如台架VVT角度选取、多次喷射标定、催化器加热功能匹配等，在排放达标的前提下油耗目标被放在参数优化的首要位置。另外还重视以下方面的匹配优化工作：

（1） 采用先进的热管理技术，协调电子节温器（ECT）、电控水泵（SWP）、主动进气格栅（AGS）和无级风扇等热管理部件的高效运行，保证快速暖机，降低能耗；（2） 复杂的起停功能（SS）结合智能发电技术（IGC）显著提升节油效果；

（3） 油品自学习功能够能识别高标号油品（95＃或97＃），主动调整点火参数，确保终端用户在实际用车过程中使用不同标号的燃油都能达到最佳的燃油经济性；

（4） 各种节油硬件技术的深入研究，如变排量机油泵，可变低压汽油泵控制（DECOS）等，选取油耗最低的控制参数；

（5） Idle Boost实现怠速转速“按需控制”，根据负载大小来适时调整怠速转速以获得不同的怠速扭矩，最大限度地降低怠速转速以获得更低的怠速油耗。

节油硬件的匹配优化并结合常规的EMS精细标定，GDI项目排放油耗均达到客户苛刻的工程目标并满足现行油耗法规要求，大部分车型都能享受国家购置税减半的优惠政策。

起动及熄火过程舒适性优化：

1. GDI由于采用缸内喷射技术，相比于PFI项目在低温冷启动阶段可以采用各种不同的喷射模式，如低压喷射（HO1），进气冲程多次喷射（HO2,HO3），压缩冲程多次喷射等（SH1，SH2…），还有在进气冲程喷一次和压缩冲程喷两次的三次喷射模式（HP3s）以及预喷等功能可选用。匹配团队根据不同发动机的特性通过选择合适的喷射模式和对进气、喷射以及点火参数进行优化，能够确保在零下30度的极低温度下实现快速、可靠的冷启动，启动时间通常小于4s且一次成功。
2. 先进的直接启动技术（Direct Start）通过识别发动机停机位置并计算燃烧可靠的第一缸以达到快速启动的目的，可以将GDI发动机自动启动时间从500～600ms降低至350～400ms，缩短起动机齿轮啮合时间的同时降低了起动机噪音，提高了自动启动舒适性。
3. 对于配置了双质量飞轮（DMFW）的项目，启动过程转速跨越共振区域会产生较强烈的振动，尤其是三缸机甚至会出现持续共振，影响舒适性，严重的共振会导致飞轮损坏，在实际项目中通常使用以下方法来消除共振带来的舒适性和安全性问题：

1. 优化起动机控制参数有效避免长时间共振问题
2. 通过预判共振、改变启动机控制策略等方式解决启动过程快松钥匙（Short Start）共振问题
3. 采用识别共振并切断喷油的后处理方式保护传动系统不受损坏

除了启动过程的振动，配置了DMFW的发动机在熄火过程中转速同样要经过共振区，尽管因为没有喷油发动机没有做功不会产生持续共振，但是也会出现停机时间变长、振动较为明显的舒适性问题。通过对熄火过程中节气门开度适度优化以及对电子负载进行智能控制使得发动机在熄火后转速由怠速转速快速降到零，能够缩短熄火时间并有效改善熄火过程的振动问题，同时重复启动性能亦不受影响。

目前已有多个联合电子匹配开发的传统小排量GDI汽油机项目批产上量，采用了MED17控制器的E85灵活燃料和混合动力项目也将陆续批产。UAES强大的汽油发动机管理系统本地化开发匹配团队将进一步深入挖掘小排量GDI发动机“吃得少跑得快”的潜能，为国内外客户提供满足未来日益加严的排放和油耗法规的绿色节能环保产品以及高质高效的技术服务，继续引领中国汽车驱动科技。

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