魏崇亮 郭曉鑫 馮志鵬 李國(guó)棟 王兆甲
(1-中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司重慶4011202-北京科技大學(xué)車輛工程研究所)
·綜述·
汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
魏崇亮1郭曉鑫1馮志鵬2李國(guó)棟1王兆甲1
(1-中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司重慶4011202-北京科技大學(xué)車輛工程研究所)
主要介紹了汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展過(guò)程、應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)難點(diǎn)以及存在的問(wèn)題,并對(duì)汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望,同時(shí)也對(duì)國(guó)內(nèi)自主品牌汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展寄予希望。
汽油機(jī)缸內(nèi)直噴排放燃油經(jīng)濟(jì)性
隨著汽車給環(huán)境帶來(lái)的排放污染和能源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)峻,世界各國(guó)對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求也愈加嚴(yán)格。我國(guó)于2013年發(fā)布了國(guó)V排放標(biāo)準(zhǔn)并于近期審查通過(guò)了《乘用車燃料消耗量限值》第四階段標(biāo)準(zhǔn)。由于目前中國(guó)汽油車占據(jù)相當(dāng)大比例,所以在降低汽油車油耗和排放方面具有一定技術(shù)優(yōu)勢(shì)的缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展就顯得尤為重要。相對(duì)傳統(tǒng)進(jìn)氣道噴油式汽油機(jī),汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)(簡(jiǎn)稱GDI)燃油經(jīng)濟(jì)性可以提高15%左右,HC排放量可減少30%[1、2]。目前汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)雖然已經(jīng)比較成熟,但其在燃燒控制、燃油噴射、排放控制、增壓技術(shù)等方面還需進(jìn)行深入研究。
缸內(nèi)直噴技術(shù)誕生于20世紀(jì)20年代,最初應(yīng)用于軍事技術(shù),直到20世紀(jì)50年代奔馳公司生產(chǎn)的300SL才實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)直噴技術(shù)在汽車領(lǐng)域的真正應(yīng)用。此后由于低廉的燃油價(jià)格以及電控技術(shù)的限制,缸內(nèi)直噴技術(shù)一直未能得到進(jìn)一步的發(fā)展。20世紀(jì)70年代,福特公司開(kāi)發(fā)出一種采用分層燃燒技術(shù)的ProCo系統(tǒng)[3],由于電控技術(shù)不夠成熟和成本過(guò)高以及排放超標(biāo),該系統(tǒng)也未能得到發(fā)展。
20世紀(jì)90年代以來(lái),隨著各國(guó)對(duì)環(huán)境和能耗的嚴(yán)格控制以及電控和制造技術(shù)水平的提高,各大汽車廠商紛紛發(fā)展缸內(nèi)直噴技術(shù),見(jiàn)表1。三菱公司于1996年率先把具有缸內(nèi)直噴技術(shù)的自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)4G93安裝在轎車Galant上,該發(fā)動(dòng)機(jī)首次采用曲頂活塞和豎直進(jìn)氣道,可減少進(jìn)氣阻力并有利于在高負(fù)荷工況下噴油產(chǎn)生很強(qiáng)的混合氣渦流,從而使燃燒更充分、動(dòng)力更強(qiáng)、油耗更少。豐田公司于1998年推出D4直噴系統(tǒng)并應(yīng)用在SZ和ZN系列發(fā)動(dòng)機(jī)上,在2005年又應(yīng)用于3GR-FSE發(fā)動(dòng)機(jī)上,該系統(tǒng)只有一組噴油嘴伸入氣缸并能實(shí)現(xiàn)均質(zhì)燃燒。在D4直噴系統(tǒng)基礎(chǔ)上,豐田又開(kāi)發(fā)出D4-S直噴技術(shù)并應(yīng)用在2GR-FSE發(fā)動(dòng)機(jī)上,該系統(tǒng)結(jié)合了直噴和間接噴射的優(yōu)點(diǎn),每缸分別配置低壓噴油嘴和缸內(nèi)直噴高壓油嘴,可實(shí)現(xiàn)不同負(fù)荷工況下的燃油噴射和燃燒控制要求。大眾公司于2001年推出FSI缸內(nèi)直噴系統(tǒng),大眾、奧迪大部分車型目前都已經(jīng)采用該技術(shù),是當(dāng)前業(yè)界最成熟、最先進(jìn)的缸內(nèi)直噴技術(shù)之一。通用公司推出的缸內(nèi)直噴技術(shù)SIDI依靠缸內(nèi)均質(zhì)燃燒來(lái)提升效率,沒(méi)有使用稀薄分層燃燒技術(shù),該技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)是不受油品的限制,不需要特別的養(yǎng)護(hù)。奔馳公司于2006年推出其缸內(nèi)直噴系統(tǒng)CGI,并于2010年推出最新一代缸內(nèi)直噴系統(tǒng)BlueDirect,該系統(tǒng)采用多點(diǎn)噴射、多重火花點(diǎn)火技術(shù)和壓電式噴油裝置使得燃燒效率和排放水平更高。福特公司于2007年推出EcoBoost缸內(nèi)直噴技術(shù),該系統(tǒng)融合了高壓直噴、渦輪增壓和雙獨(dú)立可變氣門正時(shí)系統(tǒng)三大技術(shù),能提供更佳的燃油經(jīng)濟(jì)性。隨著GDI發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)勢(shì)的體現(xiàn),保時(shí)捷、法拉利等公司近年來(lái)也相繼推出了自己的缸內(nèi)直噴技術(shù)。
表1 世界主要汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)統(tǒng)計(jì)
缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)包括燃油供給與噴射系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、GDI的燃油噴射和燃燒過(guò)程控制策略等。
GDI燃油供給系統(tǒng)主要依靠高精度快速響應(yīng)的電控系統(tǒng),燃油噴射系統(tǒng)則主要采用高壓共軌系統(tǒng)與電磁驅(qū)動(dòng)噴油器相結(jié)合的形式,其中高壓油泵、高壓油軌、噴油器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊(ECM)是噴射系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。ECM是直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的大腦并由軟件、執(zhí)行器、芯片等組成,其主要作用是采集發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù),并按照預(yù)定程序控制噴油時(shí)機(jī)和噴油量,從而實(shí)現(xiàn)最佳燃燒效率。
高壓油泵和高壓油軌對(duì)于制造精度和工作環(huán)境的要求很嚴(yán)格,高壓油泵通過(guò)油壓調(diào)節(jié)器控制燃油的壓力并實(shí)現(xiàn)平衡噴油嘴壓力的作用,通??山o燃油加壓到15 MPa,并最終將燃油送入油軌。
燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是GDI發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù),只有通過(guò)合理配置燃燒室形狀、燃油噴束、氣流運(yùn)動(dòng)等,特別是優(yōu)化活塞頂部的設(shè)計(jì),才能實(shí)現(xiàn)在中小負(fù)荷時(shí)的分層稀薄和大負(fù)荷時(shí)的均質(zhì)預(yù)混的要求,其中進(jìn)氣行程和壓縮行程中缸內(nèi)瞬時(shí)流場(chǎng)的組織尤為重要,可促進(jìn)燃料與空氣的有效混合,同時(shí)控制氣流的流動(dòng)以生成穩(wěn)定的分層混合氣。
按照可燃混合氣形成的控制方式以及火花塞和噴油器的相對(duì)位置,缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)包括氣流導(dǎo)向型、壁面導(dǎo)向型、噴射導(dǎo)向型。研究表明,噴射導(dǎo)向型系統(tǒng)燃燒效率損失和泵氣損失相對(duì)較小,比氣流導(dǎo)向型和壁面導(dǎo)向性有著更好的燃油經(jīng)濟(jì)性[4]。
GDI發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)在實(shí)踐中證明了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),但在目前缸內(nèi)直噴技術(shù)的應(yīng)用中,還存在一些技術(shù)性難點(diǎn)和亟待解決的問(wèn)題。
3.1 排放控制問(wèn)題
相對(duì)傳統(tǒng)進(jìn)氣道發(fā)動(dòng)機(jī),GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性方面具有一定的優(yōu)勢(shì),同時(shí)車輛的整體排放量也得到下降。但由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特性,其在中小負(fù)荷HC排放、NOx排放、顆粒排放方面還存在一些問(wèn)題。
由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性與進(jìn)氣道發(fā)動(dòng)機(jī)不同,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)火焰?zhèn)鞑シ绞绞菑幕鸹ㄈ浇臐饣旌蠀^(qū)到稀混合區(qū),導(dǎo)致在濃混合區(qū)域出現(xiàn)高溫區(qū)域,造成NOx排放升高。另外,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)較高的壓縮比和較快的反應(yīng)放熱率也是導(dǎo)致NOx升高的原因。由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比相對(duì)較高,氣缸內(nèi)燃燒溫度整體較低,導(dǎo)致氣缸內(nèi)未燃HC不能完全被氧化,另外由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在噴油時(shí)刻造成的缸內(nèi)濕壁現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致活塞腔、進(jìn)氣門底座、排氣門底座等區(qū)域燃燒不好,造成在中小負(fù)荷時(shí)HC排放較高。為了在HC排放升高不多的前提下有效地控制NOx排放,業(yè)界也嘗試采用給直噴汽油機(jī)加裝EGR系統(tǒng),加裝之后在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面都有一定的提升,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于此項(xiàng)研究已經(jīng)取得一定的進(jìn)展[5]。
由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)特別的噴油模式,使其在低負(fù)荷、冷起動(dòng)和工況轉(zhuǎn)換的狀況下尾氣顆粒物排放的質(zhì)量濃度和數(shù)量都高于傳統(tǒng)的進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)。其微粒產(chǎn)生機(jī)理主要是由于燃油高壓噴入氣缸內(nèi),造成混合氣混合時(shí)間短、局部過(guò)濃、缸內(nèi)濕壁等現(xiàn)象加重,又因缸內(nèi)燃燒溫度低導(dǎo)致微粒氧化不足所致。目前業(yè)內(nèi)主要研究方向是GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒質(zhì)量分析,隨著未來(lái)排放法規(guī)把直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的微粒數(shù)量納入檢測(cè),對(duì)于顆粒物的數(shù)量和粒徑方面的研究愈發(fā)重要[6]。
3.2 冷起動(dòng)控制策略問(wèn)題
由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的HC排放的80%以上是冷起動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的未燃HC[7],通過(guò)復(fù)雜的參數(shù)標(biāo)定可實(shí)現(xiàn)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)從冷起動(dòng)到適應(yīng)不同的負(fù)荷工況,并實(shí)現(xiàn)精確的供油和燃燒及排放控制。由于GDI技術(shù)能精確地控制噴入氣缸內(nèi)的燃油量,有效控制缸內(nèi)油氣的混合過(guò)程,改善汽油機(jī)冷啟動(dòng)排放,因此如何優(yōu)化GDI發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)階段的控制策略是一個(gè)重要的研究課題。
3.3 零部件制約問(wèn)題
由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn),對(duì)于關(guān)鍵零部件有著非常嚴(yán)格的要求。
GDI發(fā)動(dòng)機(jī)噴油壓力高,需配備高壓噴油嘴來(lái)提高油氣的霧化特性和混合效率,為了在分層燃燒時(shí)更好地控制氣體的流向,需要對(duì)燃燒室形狀和活塞進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),同時(shí)對(duì)氣缸的材質(zhì)也提出更高的要求。
缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的噴油器置于氣缸內(nèi),由于噴油壓力高、汽油清潔狀況、低速運(yùn)轉(zhuǎn),且噴孔無(wú)自潔能力,容易產(chǎn)生積垢,造成燃油經(jīng)濟(jì)性下降、排放惡劣、無(wú)法低溫冷起動(dòng),并且動(dòng)力性和加速性能也下降,影響駕駛性能。
除了噴油器的設(shè)計(jì),業(yè)界也采用噴油嘴清潔劑來(lái)解決該問(wèn)題,具體功效還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。為了使油氣在進(jìn)入燃燒室后產(chǎn)生氣旋渦流,從而提高混合油氣的霧化效果與燃燒效率,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、活塞大多設(shè)計(jì)有特殊的導(dǎo)流槽。
雖然GDI發(fā)動(dòng)機(jī)可以整體降低污染物的排放,但其燃燒模式提高了缸內(nèi)溫度并導(dǎo)致氮氧化物的排放增大。由于傳統(tǒng)的三元催化器對(duì)稀混合氣的氮氧化物轉(zhuǎn)化效率不高,需配備特殊的三元催化器裝置來(lái)降低氮氧化物,導(dǎo)致車輛整體成本上升,限制了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。同時(shí)由于國(guó)內(nèi)燃油標(biāo)號(hào)不高,高硫含量的燃油對(duì)催化器傷害較大,煉油成本也需提高,都制約了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。
3.4 超級(jí)爆燃及噪聲控制問(wèn)題
GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在低速大負(fù)荷工況下容易發(fā)生非正常燃燒模式即“早燃”現(xiàn)象而引發(fā)超級(jí)爆燃,特別是對(duì)小排量增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)尤為突出。超級(jí)爆燃是GDI發(fā)動(dòng)機(jī)降低油耗和提高升功率的主要障礙,其爆發(fā)壓力是正常爆壓的兩倍以上并呈大幅振蕩現(xiàn)象,超過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃承受極限,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油耗增加和噪聲加大,并可能對(duì)氣缸體、活塞、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等部件造成致命損壞。
超級(jí)爆燃的發(fā)生具有不可預(yù)測(cè)性和間歇性,其產(chǎn)生機(jī)理至今尚未有定論,主流觀點(diǎn)認(rèn)為超級(jí)爆燃是缸內(nèi)在火花塞在點(diǎn)火之前已經(jīng)發(fā)生早燃,使得汽油、機(jī)油和其混合液滴形成的未燃?xì)馊孀匀级纬傻摹?/p>
研究表明,對(duì)于由早燃引發(fā)的超級(jí)爆燃,其發(fā)生頻率和強(qiáng)度的影響因素主要包括燃油揮發(fā)性、機(jī)油品質(zhì)、點(diǎn)火時(shí)刻、噴油器設(shè)計(jì)、機(jī)油及冷卻液溫度、進(jìn)排氣運(yùn)動(dòng)、缸內(nèi)殘余廢氣和燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。
對(duì)于超級(jí)爆燃的抑制方法,研究發(fā)現(xiàn)加濃混合氣、掃氣、壓縮行程噴射燃油形成分層混合氣、中冷EGR對(duì)超級(jí)爆燃都具有一定的抑制效果[8]。在國(guó)內(nèi),奇瑞公司開(kāi)發(fā)了一種防止超級(jí)爆燃的活塞,通對(duì)對(duì)活塞倒角進(jìn)行改進(jìn),可減少未燃碳?xì)涞呐欧藕涂赡芤l(fā)超級(jí)爆燃的源頭碳煙顆粒,從而大大降低超級(jí)爆燃發(fā)生的概率,目前該活塞的應(yīng)用效果還有待驗(yàn)證。
由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)與普通進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射模式不同,其發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲較大,而超級(jí)爆燃所引發(fā)的噪聲更大,對(duì)于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲控制也是亟待解決的問(wèn)題。
4.1 燃燒控制技術(shù)
GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在分層稀燃區(qū)域有著良好的燃油經(jīng)濟(jì)性,如何擴(kuò)大其分層稀燃區(qū)域?qū)⑹荊DI發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)研究重點(diǎn)。由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在分層燃燒時(shí)的混合氣不均勻,容易產(chǎn)生NOx和碳煙,而HCCI(均質(zhì)充量壓燃)的燃燒特點(diǎn)可以抑制NOx和微粒的生成。有效地控制點(diǎn)火時(shí)刻和發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)燃燒工況內(nèi)的燃燒速率是實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒的重要因素,也是GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控制技術(shù)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)[9]。
4.2 燃油復(fù)合噴射技術(shù)
為了能夠兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn),理論上最理想的技術(shù)方案就是歧管噴射+缸內(nèi)直噴雙噴射系統(tǒng)。目前豐田和大眾已經(jīng)走在了前面,豐田率先推出了采用混合缸內(nèi)直噴和歧管噴射兩種方式的D4-S雙噴射系統(tǒng);繼豐田之后,大眾也推出了裝備此項(xiàng)技術(shù)的第三代EA888發(fā)動(dòng)機(jī)。如何把兩種噴射技術(shù)更好地融合到一起將是GDI發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。
4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)小型化
由于缸內(nèi)直噴技術(shù)所體現(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及環(huán)境和能源危機(jī),GDI發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)無(wú)疑是小型化,發(fā)動(dòng)機(jī)小型化可以增強(qiáng)汽油機(jī)的實(shí)際負(fù)荷能力并能降低泵氣損失。通過(guò)采用渦輪增壓技術(shù)、排氣歧管集成設(shè)計(jì)、鋁制缸蓋、凸輪軸可變正時(shí)技術(shù)以及高精度的燃油噴射技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的小排量高輸出,提高汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。2014年,福特發(fā)布了最新一代1.0T EcoBoost??怂?,油耗為4.3L/100km;菲亞特推出了0.9L 2缸Twin Air空氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)并搭載在2014款阿爾法羅密歐MiTo上,油耗能達(dá)到4.2L/100km。
雖然目前缸內(nèi)直噴技術(shù)已經(jīng)比較成熟,但由于關(guān)鍵技術(shù)都掌握在國(guó)外公司手中,國(guó)內(nèi)自主品牌在缸內(nèi)直噴技術(shù)方面還處于起步階段,目前長(zhǎng)城、奇瑞、比亞迪、吉利等都已經(jīng)推出了自己的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)城于2012年推出了搭配在哈弗H7上的低功率版GW4C20渦輪增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī);奇瑞2013年推出了一款1.2T三缸缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī),該發(fā)動(dòng)機(jī)配置了包括缸內(nèi)直噴、改善三缸發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平順性的平衡軸、可變排量機(jī)油泵以及雙凸輪軸結(jié)構(gòu)的配氣機(jī)構(gòu)等主流技術(shù),性能可與同型號(hào)的進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)相媲美,目前該款發(fā)動(dòng)機(jī)正處于測(cè)試階段??傊?,在新能源汽車還未普及之前,缸內(nèi)直噴技術(shù)必將是汽油機(jī)的主流技術(shù),而國(guó)內(nèi)自主品牌缸內(nèi)直噴技術(shù)發(fā)展還任重道遠(yuǎn)。
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Current Application Situations and Development Trend of Gasoline Direct Injection Engine
Wei Chongliang1,Guo Xiaoxin1,F(xiàn)eng Zhipeng2,Li Guodong1,Wang Zhaojia1
1-China Automotive Engineering Research Institute Co.,Ltd.(Chongqing,401120,China)2-Institute of Vehicular Engineering,Beijing University of Science and Technology
This paper introduces the development of the gasoline engine direct injection technology involved inapplication situations,technical difficulties and existing problems.Meanwhile,the development trend and research orientation of gasoline direct injection technology were also discussed especially for self-owned brand.
Gasoline engine,Direct injection,Emission,F(xiàn)uel economy
U464.11+4
A
2095-8234(2014)05-0078-04
2014-09-03)
魏崇亮(1978-),男,學(xué)士,主要研究方向?yàn)槠嚈z測(cè)及試驗(yàn)開(kāi)發(fā)。