汽油发动机GDI技术解析
现今，大部分汽油发动机的燃料供给方式一直都是采用“缸外混合”的方式，也就是汽油通过喷油嘴喷到进气歧管中，在进气歧管内与新鲜的空气混合而成为“混合汽”。在发动机汽缸进气门还没有打开之前，这些混合汽都储存在进气歧管内，直到气门打开后，混合汽才能够因为燃烧室的负压而进入到燃烧室内，然后在活塞压缩行程的末端通过火花塞点燃剧烈燃烧。这种“缸外混合”的缺点是显而易见的，进入燃烧室的混合汽只能够通过气门的开闭来被动控制，对发动机不同工况的适应程度还不理想，响应速度还不够快。而且喷油嘴离燃烧室有一定的距离，汽油与空气的混合情况受进气气流的影响较大，并且微小的油颗粒会吸附在管道壁上，不能充分利用。
直接喷射(Gasoline Direct Injection缩写为GDI)则是如同柴油发动机一样将燃油直接喷入汽缸，并以非常精确的方式来控制，避免燃料浪费。缸内喷射发动机采用了立式吸气口、弯曲顶面活塞、高压旋转喷油器等技术手段，产生与传统发动机不同的缸内气流运动状态，使喷射入汽缸的汽油与空气形成一种多层次的旋转涡流。缸内直接喷射(GDI)系统将燃油精确地喷射到汽缸燃烧室内，与进气管喷射(PFI)系统相比，具有节省燃油、减少废气排放、提升动力性能、减少发动机震动、发动机更耐用等优点。
一、汽油直接喷射(GDI)技术的应用与发展
目前，各国的汽车公司都在大力开发和采用这种技术先进、性能优异的产品。日本三菱汽车公司一直处于领先地位。自1996年8月率先向市场投放第一台GDI发动机以来，三菱公司先后又开发出了多种不同类型的GDI发动机，即2.4L4缸发动机、3.0L 6缸发动机和3.5L 6缸发动机机，它们已分别装配于4种中、大型轿车并投放市场。
丰田公司研制出一种G4型2.0L的GDI发动机，并已批量装车使用。随后，又开发出1.6L、1.8L和2.0L的GDI发动机。其D4型GDI发动机可降低油耗30％左右，提高功率约10％。
日本其他厂家也有多种GDI发动机上市，如日产3.0L和2.5L的V6型发动机、富土重工2.5L的卧式对置4缸发动机、马自达2.0L的直列4缸发动机和本田1.0L的直列3缸发动机。
美国和欧洲的汽车厂家也都在积极研究GDI技术和开发GDI产品，并使GDI发动机在热效率、功率及排放上有进一步提高。
研究表明，GDI发动机可降低燃耗8％～15％。因而，在全球节约能源的浪潮中，各汽车厂家都在积极深入研究GDI发动机技术，纷纷在自己的车上装配GDI发动机。除日本和美国以外，大多数欧洲汽车生产厂家也都开始装用GDI发动机(1.4～2.0L)：奥迪公司的A3装备了新型GDI发动机，宝马公司为其12缸发动机引用了GDI技术，大众公司也有许多车型采用了GDI发动机。
纵观世界汽车产品技术的发展态势，GDI发动机正以其优异的性能得到日益广泛的重视和应用。
二、汽油直接喷射(GDI)发动机的结构与原理
1 结构
汽油直接喷射(GDI)发动机与普通进气管喷射发动机结构基本相似。除了在活塞头及进排气岐管形状有所改变之外，其最主要的区别在于燃油系统。缸内直喷发动机燃油系统包括低压系统与高压系统。
(1)低压系统
低压系统由油泵控制单元、油箱、电动油泵、带有压力限制阀的燃油滤清器(开启压力大约为680kPa)、低压燃油压力传感器组成。
燃油泵控制单元通过脉宽调制信号来控制电动燃油泵，使低压燃油系统的油压达到50～500kPa，在冷启动时使低压燃油系统的压力可达650kPa。如果燃油泵控制单元失效发动机将不能运转，电动燃油泵给高压泵供应压力约为600kPa的燃油。
(2)高压系统
高压系统由高压燃油泵、油压调节阀、油轨、压力限制阀、高压燃油压力传感器、高压喷射器(见图1)组成，燃油压力约为5～11MPa。
高压泵由凸轮轴驱动，经燃油计量阀建立压力，再经燃油分配管输送到高压喷油器上，压力缓冲器会吸收高压系统内的压力波动。高压泵只提供喷射所需油量的燃油，供油时，发动机根据需要油量计算出柱塞泵的供油起始行程，燃油压力控制阀吸合切断进油阀，高压油泵将泵腔内的燃油泵入油轨。
2 原理
GDI发动机顾名思义是在汽缸内喷注汽油，它将喷油嘴安装在燃烧室上方，将汽油直接喷射在汽缸燃烧室内，空气则通过进气门进入燃烧室与汽油混合形成可燃混合汽被点燃做功，这种形式与直喷式柴油机相似，如图2所示。
GDI汽油发动机的立式吸气口代替传统的横向吸气口，通过来自上方的下降气流，形成与以往发动机不同的缸内空气流。利用活塞顶的凸起形状增强这一纵向涡流，当压缩行程将要结束时，在燃烧室顶部的喷油嘴开始喷油，汽油与空气在涡流运动的作用下形成混合汽，这种急速旋转的混合汽是分层次的，越接近火花塞越浓，易于点火做功。但从总体上看，混合比可以达到40：1(一般汽油发动机的混合比是147：1)，也就是人们所说的“稀燃”。但由于缸内喷射压缩比高达12，与同体积的一般发动机相比功率与扭矩都提高了10％。
在这里要特别介绍一下活塞顶的形状对缸内气流的作用。活塞在上止点位置时，活塞头顶面与汽缸盖之间的间隙叫做燃烧室，燃烧室的容积是决定发动机性能的重要因素。GDI活塞顶面的凸起部分类似尖屋顶，又称“弯曲顶面活塞”，它缩小了燃烧室的容积，有助于形成强势涡流。缩小燃烧室容积必然提高了压缩比，因此GDI的压缩比达到12：1，压缩比提高了，缸内温度必然也随之提高，有助于稀燃。压缩比高，输出功率增大，这样也就弥补了稀燃带来的功率损失。
三、汽油直接喷射(GDI)的工作特点
1 汽油直接喷射到汽缸内，汽油喷射的位置、时刻、数量是可控的。GDI发动机在点火的瞬时，火花塞电极周围局部区域的混合汽较浓(空燃比为12～13.5)，便于发动机启动和着火燃烧。大部分区域的混合汽较稀，而且在浓稀之间，有从浓到稀的各种空燃比的混合汽，使燃烧室中混合汽浓度有组织形成各种层次，有利于涡流使火焰迅速传播，这样极稀的混合汽也能被火焰传播而稳定燃烧，从而实现稀薄燃烧。
2 能根据发动机不同的工况下，采用不同的燃烧方式：
(1)超稀混合汽燃烧方式。小负荷工况采用超稀混合汽燃烧方式。在压缩行程后期将汽油喷入汽缸，并利用弯曲顶面活塞形成的挤压涡流，在火花塞附近形成较浓的混合汽，但在整个汽缸内的混合汽为超稀混合汽，空燃比为25～40。
(2)稀混合汽燃烧方式。中等负荷工况采用稀混合汽燃烧方式。在进气行程将
汽油喷入汽缸，整个汽缸内的混合汽为稀混合汽，空燃比为20～25。
(3)浓混合汽燃烧方式。大负荷工况采用浓混合汽燃烧方式。在进气行程喷入汽缸，并利用压缩行程产生的挤气涡流形成均匀的混合汽，但整个汽缸内的混合汽为浓混合汽，空燃比约为12.5，比理论混合汽(空燃比为14.7)稍浓。
四、典型故障案1列分析故障现象
一辆别克新君威轿车，搭载LTD2.0L缸内直喷发动机，行驶18560km，出现加速不良、怠速抖动故障。故障诊断与排除
试车发现该车有规律的间歇性抖动，通常这种情况是由于发动机某个缸或是某几个缸工作不理想即缺缸造成的。因为考虑到缸内直喷发动机不能轻易通过断高压喷油嘴插头或高压线来做断缸实验。首先采用上海通用专用诊断仪MDI+GDS(上海通用2008年以后车型车辆诊断使用MDI+GDS，以前的TECH2将无法进入)对车辆发动机系统进行4缸的工作平衡测试，结果发现1、4缸平衡数值明显低于2、3缸，而E2、3缸的平衡值也不太理想。然后将1缸喷油器与2缸喷油器对调，重新进行4缸的工作平衡测试，而这次数值表明2、4缸的平衡值较低，因此大致可以判断1、4缸喷油器故障，因为考虑到该车行驶里程不到2万km，喷油嘴机械及电器故障可能性很小，另外在与车主交谈中得知该车经常跑外地、曾多次在外地小加油站加过油，因此怀疑该车是由于长时间加油不达标导致喷油器针孔产生汽油胶质，而1、4缸喷油器针孔的胶质严重。最后使用喷油嘴专门清洗设备清洗高压油嘴，故障排除。
维修小结
虽然上海通用车型的SIDI双模直喷发动机，可以实现分层燃烧和均匀燃烧两大功能、甚至能够使用93号汽油，但由于缸内直喷发动机的高压喷油嘴针孔非常细(喷射到汽缸内的油滴微粒直径仅为8μm——相当于人类头发丝直径的十分之一)，汽油胶质很容易堵塞油嘴，使喷油嘴不能正确提供喷油量。缸内直喷发动机对汽油的抗爆性要求很高，即对汽油标号要求非常高，一般需要97号以上汽油。除了按规定标号加油外，还应定期对燃油系统进行清洗。
另外缸内直喷发动机压缩比较高可达到25：1(普通电喷发动机仅为10：1左右)，而且缸内直喷发动机缸内温度较普通电喷发动机高，因此对机油的API与SAE两项级别都有要求，一般情况下需要加合成机油，个别车型发动机要求加注全合成机油。
在维修GDI发动机时应注意以下问题：
1 在拆卸高压喷油嘴时必须使用专用工具。
2 在拆卸缸内直喷发动机燃油系统部件时必须对LP(低压)、HP(高压)部分进行燃油压力释放。可使用诊断仪循环操作喷油嘴或在发动机运行后2h再对系统部件操作。
3 在安装喷油器时，应用无硅润滑油涂抹密封圈，千万不能使用普通润滑油。
4 由于GDS发动机高压系统压力非常高，因此在重新安装喷油器时应更换喷油器修理包内所有一次性元件(O形密封圈、塑料隔圈、卡环、隔离环、特氟隆密封件)，以确保密封性和安装精度要求。(大连职业技术学院)