缸内直喷汽油机性能和排放规律的试验研究
缸内直喷汽油机性能和排放规律的试验研究[20191208102702]
摘 要
本文主要介绍了国内外缸内直喷汽油机的发展现状，通过进行汽油机台架试验，考察了缸内直喷汽油机的燃烧模式和排放性能，获得各个性能和排放参数在不同工况下的变化规律。主要结论有：
性能特征：在油门开度保持80%不变的情况下，随着转速的提高，1）有效转矩Ttq先上升后下降最后趋于不变，并在2020r/min取得最大值为198.8N.m，有在2400r/min后趋于不变的趋势 2）燃油消耗率呈先下降后上升的趋势，转速为2400r/min时，燃油消耗率最低，为206.4（g/kW.h）；转速固定在2000r/min的情况下，随着负荷的加大，燃油消耗率先降低，最后趋于不变保持在230（g/kW.h）左右。
排放特征：在油门开度保持80%不变的情况下，随着转速的提高，NO排放变少，烟度值存在先降低后维持0.1rb不变的趋势，HC的体积分数降低了20%；转速固定在2000r/min的情况下，随着负荷的增加，NO体积分数降低了75.8%，HC的浓度升高，体积分数增加了84.4%，CO排放存在不断上升的趋势，且负荷较低时，CO体积分数为0。
关键字:燃烧模式性能排放台架试验
目录
1 绪 论 1
1.1选题背景与研究意义 1
1.1.1选题背景 1
1.1.2 研究意义 1
1.2 本课题的国内外研究现状 1
1.2.1 缸内直喷汽油机的发展现状 1
1.2.2 缸内直喷汽油机的燃烧模式 4
1.2.3 缸内直喷汽油机的排放性能 6
1.3 本文主要的研究工作 7
2 试验平台与方案 8
2.1 发动机台架系统 8
2.1.1 试验用机 8
2.1.2 测控系统主要元器件及功能 9
2.2 试验台测控参数与精度 12
2.2.1控制参数及精度 12
2.2.2 测量参数及精度 13
2.3 测试工况与方案 13
2.3.1 测试工况 13
2.3.2 试验方案 15
2.4 本章小结 15
3 试验结果与分析 16
3.1 性能试验结果 16
3.1.1 燃油消耗率 16
3.1.2 功率和转矩 17
3.1.3 排气温度 18
3.2 排放试验结果 19
3.2.1 NO排放 19
3.2.2 碳烟排放 20
3.2.3 HC排放 21
3.2.4 CO排放 22
3.3 本章小结 23
4 结 语 25
4.1全文总结 25
4.2工作展望 26
参考文献 27
致 谢 28
1 绪 论
1.1选题背景与研究意义
1.1.1选题背景
20世纪90年代之后,能源危机和日趋严刻的排放例法对汽油机的燃油经济性和排放性能的要求越来越高。因此，各大汽车制造商对节能减排技术进行研究和开发，以满足发动机排放的要求，提高燃油经济性。在所有技术中，汽油机缸内直喷技术不但能达到高要求的尾气排放，而且还提高了燃油经济性，已成为车用汽油机非常重要的研究和发展方向[1]。
缸内直喷汽油机（Gasoline Direct Injection，GDI）取缔了节流，使泵气损失减少；燃油蒸发使气缸内温度下降，使得汽油机压缩比提高；燃油在进气行程对进气进行冷却，使充气效率提高等。所有这些优点使得GDI汽油机的燃油经济性提高25%，动力性提高近10%[2]。另外，与进气道喷射汽油机相比，GDI汽油机有以下优点：瞬态响应快、空燃比控制更精确、冷起动迅速、冷起动时未燃碳氢排放少、减速时能快速断油[3]。
1.1.2 研究意义
现在对节能和环保要求越来越高，GDI汽油机稀薄燃烧技术,在动力性、燃油经济性、排放性能等方面都取得了良好成绩并表现出更大的潜能，这使得缸内直喷汽油机已经成为汽车工业不可或缺的一部分。缸内直喷与涡轮增压相结合已成明显态势，在这种情况下，汽油机不仅有希望降低油耗和污染物排放，而且还能进一步提升驾驶乐趣[4]。 可以预计，随着尾气后处理技术的发展和缸内喷射技术的完善，将会使缸内直喷汽油机性能、排放等方面有更大的进步，缸内直喷汽油机必会在车用发动机市场获得更多的份额[5]。参照相关国家标准和技术规范，对大众1.4升涡轮增压缸内直喷汽油机（Turbo Fuel Stratified Injection，TSI）进行台架试验，获得其性能和排放指标，有助于研究涡轮增压缸内直喷汽油机的性能和排放规律。
1.2 本课题的国内外研究现状
1.2.1 缸内直喷汽油机的发展现状
1990年之后，计算机数值模拟与可视化技术的运用，使探索内燃机性能变得更加方便，人们对缸内气流运动、混合气形成和燃烧的认识加深了。与此同时，运用精度高、反馈快的电控技术进行研究，使得人们对GDI汽油机了解更深刻[6]。下面首先介绍国外的GDI发动机发展状况。
（1）三菱汽车公司的GDI发动机
三菱公司的4G93型GDI发动机，其主要特点是：采用了电控高压汽油泵和高压旋流喷油器，以及多区控制策略，利用进气滚流配合活塞顶部曲面，来获得较合理的分层混合气。在部分负荷和怠速时，气缸内混合气很稀，空燃比仅为20～40[7]。三菱的4G93型缸内直喷发动机与同等排量进气道喷射的发动机相比，充气效率平均提高了5％，燃油经济性提高了35％左右，全负荷时的功率提高了10％。
（2）丰田汽车公司的D-4发动机
丰田公司的第一代D-4发动机特点主要有：1）直进气道和螺旋型进气道共同组成进气道，这样的进气道可以形成不同强度的进气旋流；2）活塞凹坑采用了渐开线形曲面；3）可变气门正时（VVT—i）和可变涡流控制技术，对发动机不同工况混合气进行调节[8]，此发动机部分负荷和怠速时，气缸内混合气很稀，空燃比仅为25～40；4)可变气门正时和废气再循环（EGR）技术可使NOx排放量下降95％。
后来，丰田公司又研发了第二代D-4发动机。与第一代D-4不同的是，第二代喷油器喷嘴是狭长状喷孔，且燃烧室是壳状的。运用此类型的喷嘴能够形成扇形喷雾，而且喷雾是喷向活塞顶部的凹坑，因为气流运动、活塞顶部凹坑壁面引导以及喷雾反弹的作用，在火花塞四周会形成浓混合气。
（3）奔驰公司的GDI发动机
梅赛德斯奔驰汽车公司研发的缸内直喷汽油机，其主要特点是：1）燃烧室形状简单，在气缸盖上是半球形，在活塞顶部是一盆形凹坑；2）喷油器安装在中心，火花塞在喷射油束侧面，且喷油器和火花塞布置距离较近，在火花塞四周易形成浓混合气。3）选用喷射压力能在4MPa～12MPa调整的高压共轨燃油喷射系统。4）此款GDI发动机与同类型的进气道喷射发动机相比，在2000r/min时达到最小燃油消耗率，NOx降低了35％，但未燃碳氢排放较高。
（4）FEV公司的GDI发动机
FEV公司研发的缸内直喷汽油机，具有以下特征：1）用优化的滚流和涡流运动来实现分层混合气，且在火花塞四周形成浓混合气[9]。2）燃烧系统的放热速率高于壁面引导和喷雾引导型的，热功转化效率也很高，但是气流运动对整机性能影响较大，并且稳定的分层混合燃烧很难实现，发动机循环波动在过渡工况较大，很难推广到实际生活中。
（5）大众燃油分层喷射发动机（Fuel Stratified Injection，FSI）
2000年，大众FSI发动机开始在量产车型上推广应用，先后搭载在高尔夫、宝来、波罗、帕萨特和奥迪等车型上[10]，与同类GDI发动机相比，大众的TSI发动机具有以下特点：1）油耗低和排放低，采用分层燃烧模式，在火化塞周围形成浓度较高的油气混合物体，其它空间形成较稀的混合气体，ECU始终保持供油的最佳比例，不但提高了燃油的利用率和发动机扭矩，也改善了尾气排放；2）必须使用高清洁度汽油(98号)来避免压缩比为11.5的缸内直喷发动机出现爆震[11]；3）提高热效率，FSI发动机可以在两种模式中自动选择。低负荷时为分层稀薄燃烧，高负荷时选用理论空燃比(14.6-14.7) 燃烧。
在国内，同济大学韩文艳等人对单段与两段喷射均质直喷汽油机混合气的形成进行了研究[12]。他们用定容弹试验，对某均质缸内直喷汽油机低速时燃油湿壁问题，进行了喷雾模型标定，同时，利用FIRE软件，采用数值模拟的办法，对单段和两段喷油策略的混合气形成过程进行研究。结果表明：1）满负荷2000 r/min时，单段喷油时燃油湿壁情形较严重，而采用两段喷油使燃油碰壁情况得到很好的改善，并且在点火时，混合气的均匀性也得到改善；2）第2段喷油结束的越晚，燃油碰壁量就越小，混合气混合的也越不均匀。
清华大学王志等人对增压直喷汽油机扫气抑制爆震进行试验研究及模拟解析[13]。在增压直喷汽油机稀薄燃烧的条件下，对不同负荷时，利用可变气门正时控制发动机进行不同VVT角度的扫气试验。得到结论：扫气能抑制爆震，并可以提高汽油机低速转矩。利用一维热力循环模型进行模拟解析得到：1）扫气主要使缸内残余废气系数减小，进气门关闭时缸内温度降低，从而抑制爆震；2）通过提高汽油机的进气充量和抑制爆震后增大点火提前角来提高汽油机的低速转矩。
上海理工大学尹丛勃等人对直喷汽油机可变滚流进气系统进行了实验研究[14]。他们建立了可变滚流四气门直喷汽油机光学可视化气道实验台，通过粒子图像测速系统，在不同进气门开度、不同滚流调节阀工作状态下，对缸内气流运动规律进行了实验测试研究。得到以下结论：1）气缸内主要是绕气缸轴线垂直方向旋转的滚流运动；2）滚流调节阀开启时，在缸内左右两侧，分别形成逆时针和顺时针方向的两个大尺度滚流；3）滚流调节阀关闭时，气缸内出现了较强的单一顺时针方向滚流运动趋势；4）进气门开度较小时，改变滚流阀状态对缸内进气流动的影响很微弱。
天津大学潘锁柱等人对点火定时对缸内直喷汽油机燃烧及颗粒物排放的影响进行了研究[15]。他们对一台缸内直喷汽油机，选用燃烧分析仪和DMS500 型快速颗粒取样分析仪，进行了点火定时对燃烧过程和颗粒物排放影响的试验研究。得到以下结论：随着点火时刻的不断推迟，1）火焰发展期渐渐缩短；2）快速燃烧期渐渐增长；3）缸内压力峰值渐渐下降；4）瞬时放热率峰值和缸内最高燃烧温度都慢慢下降且后移；5）放热过程变缓，膨胀行程缸内温度逐步升高；6）核态排放颗粒物和积聚态颗粒物峰值密度都逐步下降；7）颗粒物浓度逐步下降；8）积聚态颗粒物峰值粒径逐步变小，而核态颗粒物峰值粒径受点火时刻的影响较小。
上海交通大学李相超等人对直喷汽油机缸内喷雾湿壁问题进行了研究[16]。直喷汽油机的湿壁问题会稀释机油，降低燃油经济性，增加尾气排放。但对喷雾、燃烧室及缸内流场进行匹配与优化，能够很大幅度的减少燃油湿壁。他们利用激光诊断技术，首先对某直喷喷油器的喷雾特性进行全面测试，而后标定出三维CFD软件中的喷雾模型，对缸内喷雾和混合气形成过程进行仿真计算，还钻研了燃油喷射策略对燃油湿壁的影响。得到结论如下：选用两段喷射策略能够使碰壁量下降15%，而混合气混合的均匀程度仍保持不变；选用三段喷射能够使碰壁量下降27%，并且能够明显改善混合气浓度分布。
1.2.2 缸内直喷汽油机的燃烧模式
对应于不同的混合气形成模式，GDI 汽油机具有相应不同的燃烧模式。分层混合对应于各种分层燃烧模式，均质混合对应于均质燃烧模式。不同的燃烧模式适应于不同的工况，发动机高转速、高负荷时采用均质燃烧模式，这样能满足其快速响应性和动力性要求；怠速和部分负荷时采用分层燃烧模式，可以大幅度降低油耗。除此之外，还有一种新型的均质压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）的燃烧模式[17]。这是一种能更进一步挖掘出缸内直喷潜力的燃烧模式，能有效提高汽油机整机性能。
（1） 缸内直喷均质燃烧模式
均质燃烧模式的燃烧过程与进气道喷射发动机十分类似，在混合气点燃之后，一个近似球形的火焰前锋从火花塞开始，向燃烧室传播。在传播中，因为缸内气流以及湍流的作用，火焰前锋会呈现不同程度的扭曲、分裂，燃烧区加厚。当混合气均质化程度较好时，就会出现接近于全部的预混合燃烧，燃烧特点是理想的预混火焰。但是，对于缸内直喷发动机来说，要想得到理想的均质化混合气可不是一件简单的事。所以，在点火时刻，混合气状态因为燃烧室内部气流的作用，在火花塞处会出现循环变动，这会使燃烧变的不稳定。且燃油只是在进气行程直接喷入气缸燃烧室，喷注特性不良和点火正时不佳，会使喷注接触活塞表面，结果燃油润湿了活塞顶表面，还由于蒸发条件不佳而形成油膜。在扩散火焰中，这些油膜燃烧较慢且不完全，最终增加了碳烟和未燃碳氢排放。尤其是喷油器安装在垂直位置的燃烧过程，此种情形一定要探究。在均质模式工作时，若喷射系统具有合适的小的喷注垂直贯穿于燃烧室，就可以不出现活塞顶湿润情形。所以，为了达到混合气准备期间的高要求，现代缸内直喷汽油机比传统汽油机要复杂得多，当然喷射系统成本更高。另外，燃油喷射时活塞必须保证在下行过程中，活塞离喷注应有足够的距离。
（2）缸内直喷分层燃烧模式
分层燃烧模式与均质燃烧模式有很大的不同。分层模式燃烧不到达燃烧室壁面，且是在非常稀薄的混合气区域，离缸壁某一段距离处就会停止。分层燃烧的火焰传播较困难，在火花塞处的混合气被点燃之后，燃烧被限制在局部区域。特别是喷注导向型直喷汽油的燃烧过程，因为火花塞与喷油器非常接近，所以燃烧是在没有专门的空气引导的情形下工作。但是，对喷注导向型的燃烧过程，有组织的气流运动也会使混合气的形成和燃烧变快。气流运动能够使喷注的热能输入变好，所以有利于混合气在极短时间内形成。分层燃烧时，因为混合气准备不充分，空燃比梯度大，会伴有扩散燃烧。有组织的气流运动会在燃烧室内产生湍流，在点火时这些湍流会使火焰前锋加速，能使燃烧更快速、更充分，会使燃烧总效率得到提高。不同特点的气流运动会对燃烧产生不同的效果。一般来说，涡流存在的时间较长，在点火时刻和燃烧期间，涡流动能较大，能加快燃烧速度。滚流对燃油传输有系统的影响，且能防止燃油附着于活塞顶部，所以能减少HC排放。经进气运动带入燃烧室的动能主要形成扰流脉动速度，也能加快燃烧速度。一个遍及整个燃烧室的气流，可将火焰引导到燃烧室中心，并且稳定住，所以能提高燃烧效率和稳定性。
（3）HCCI燃烧模式
HCCI燃烧模式拥有热效率高、NOX和PM排放很低的优点，近年来在汽油缸内直喷发动机上实现可控HCCI 燃烧成为国际上的一个研究方向[18]。在均质混合气中，假如先期反应时间够长并且压力和温度分布也较合适的话，混合气就会自燃。均质压燃的自燃与进气道喷射汽油机的爆燃不一样，首先空燃比显著变小，所以局部放热减小；另外，整个燃烧室的温度分布和燃烧反应进程接近均衡的状态使得整个缸内混合气均匀地自燃，并不是像爆燃一样，自燃只是出现在局部的有限的末端混合气中。所以，在均质压燃中，可避免有害的爆燃冲击波。
摘 要
本文主要介绍了国内外缸内直喷汽油机的发展现状，通过进行汽油机台架试验，考察了缸内直喷汽油机的燃烧模式和排放性能，获得各个性能和排放参数在不同工况下的变化规律。主要结论有：
性能特征：在油门开度保持80%不变的情况下，随着转速的提高，1）有效转矩Ttq先上升后下降最后趋于不变，并在2020r/min取得最大值为198.8N.m，有在2400r/min后趋于不变的趋势 2）燃油消耗率呈先下降后上升的趋势，转速为2400r/min时，燃油消耗率最低，为206.4（g/kW.h）；转速固定在2000r/min的情况下，随着负荷的加大，燃油消耗率先降低，最后趋于不变保持在230（g/kW.h）左右。
排放特征：在油门开度保持80%不变的情况下，随着转速的提高，NO排放变少，烟度值存在先降低后维持0.1rb不变的趋势，HC的体积分数降低了20%；转速固定在2000r/min的情况下，随着负荷的增加，NO体积分数降低了75.8%，HC的浓度升高，体积分数增加了84.4%，CO排放存在不断上升的趋势，且负荷较低时，CO体积分数为0。
关键字:燃烧模式性能排放台架试验
目录
1 绪 论 1
1.1选题背景与研究意义 1
1.1.1选题背景 1
1.1.2 研究意义 1
1.2 本课题的国内外研究现状 1
1.2.1 缸内直喷汽油机的发展现状 1
1.2.2 缸内直喷汽油机的燃烧模式 4
1.2.3 缸内直喷汽油机的排放性能 6
1.3 本文主要的研究工作 7
2 试验平台与方案 8
2.1 发动机台架系统 8
2.1.1 试验用机 8
2.1.2 测控系统主要元器件及功能 9
2.2 试验台测控参数与精度 12
2.2.1控制参数及精度 12
2.2.2 测量参数及精度 13
2.3 测试工况与方案 13
2.3.1 测试工况 13
2.3.2 试验方案 15
2.4 本章小结 15
3 试验结果与分析 16
3.1 性能试验结果 16
3.1.1 燃油消耗率 16
3.1.2 功率和转矩 17
3.1.3 排气温度 18
3.2 排放试验结果 19
3.2.1 NO排放 19
3.2.2 碳烟排放 20
3.2.3 HC排放 21
3.2.4 CO排放 22
3.3 本章小结 23
4 结 语 25
4.1全文总结 25
4.2工作展望 26
参考文献 27
致 谢 28
1 绪 论
1.1选题背景与研究意义
1.1.1选题背景
20世纪90年代之后,能源危机和日趋严刻的排放例法对汽油机的燃油经济性和排放性能的要求越来越高。因此，各大汽车制造商对节能减排技术进行研究和开发，以满足发动机排放的要求，提高燃油经济性。在所有技术中，汽油机缸内直喷技术不但能达到高要求的尾气排放，而且还提高了燃油经济性，已成为车用汽油机非常重要的研究和发展方向[1]。
缸内直喷汽油机（Gasoline Direct Injection，GDI）取缔了节流，使泵气损失减少；燃油蒸发使气缸内温度下降，使得汽油机压缩比提高；燃油在进气行程对进气进行冷却，使充气效率提高等。所有这些优点使得GDI汽油机的燃油经济性提高25%，动力性提高近10%[2]。另外，与进气道喷射汽油机相比，GDI汽油机有以下优点：瞬态响应快、空燃比控制更精确、冷起动迅速、冷起动时未燃碳氢排放少、减速时能快速断油[3]。
1.1.2 研究意义
现在对节能和环保要求越来越高，GDI汽油机稀薄燃烧技术,在动力性、燃油经济性、排放性能等方面都取得了良好成绩并表现出更大的潜能，这使得缸内直喷汽油机已经成为汽车工业不可或缺的一部分。缸内直喷与涡轮增压相结合已成明显态势，在这种情况下，汽油机不仅有希望降低油耗和污染物排放，而且还能进一步提升驾驶乐趣[4]。 可以预计，随着尾气后处理技术的发展和缸内喷射技术的完善，将会使缸内直喷汽油机性能、排放等方面有更大的进步，缸内直喷汽油机必会在车用发动机市场获得更多的份额[5]。参照相关国家标准和技术规范，对大众1.4升涡轮增压缸内直喷汽油机（Turbo Fuel Stratified Injection，TSI）进行台架试验，获得其性能和排放指标，有助于研究涡轮增压缸内直喷汽油机的性能和排放规律。
1.2 本课题的国内外研究现状
1.2.1 缸内直喷汽油机的发展现状
1990年之后，计算机数值模拟与可视化技术的运用，使探索内燃机性能变得更加方便，人们对缸内气流运动、混合气形成和燃烧的认识加深了。与此同时，运用精度高、反馈快的电控技术进行研究，使得人们对GDI汽油机了解更深刻[6]。下面首先介绍国外的GDI发动机发展状况。
（1）三菱汽车公司的GDI发动机
三菱公司的4G93型GDI发动机，其主要特点是：采用了电控高压汽油泵和高压旋流喷油器，以及多区控制策略，利用进气滚流配合活塞顶部曲面，来获得较合理的分层混合气。在部分负荷和怠速时，气缸内混合气很稀，空燃比仅为20～40[7]。三菱的4G93型缸内直喷发动机与同等排量进气道喷射的发动机相比，充气效率平均提高了5％，燃油经济性提高了35％左右，全负荷时的功率提高了10％。
（2）丰田汽车公司的D-4发动机
丰田公司的第一代D-4发动机特点主要有：1）直进气道和螺旋型进气道共同组成进气道，这样的进气道可以形成不同强度的进气旋流；2）活塞凹坑采用了渐开线形曲面；3）可变气门正时（VVT—i）和可变涡流控制技术，对发动机不同工况混合气进行调节[8]，此发动机部分负荷和怠速时，气缸内混合气很稀，空燃比仅为25～40；4)可变气门正时和废气再循环（EGR）技术可使NOx排放量下降95％。
后来，丰田公司又研发了第二代D-4发动机。与第一代D-4不同的是，第二代喷油器喷嘴是狭长状喷孔，且燃烧室是壳状的。运用此类型的喷嘴能够形成扇形喷雾，而且喷雾是喷向活塞顶部的凹坑，因为气流运动、活塞顶部凹坑壁面引导以及喷雾反弹的作用，在火花塞四周会形成浓混合气。
（3）奔驰公司的GDI发动机
梅赛德斯奔驰汽车公司研发的缸内直喷汽油机，其主要特点是：1）燃烧室形状简单，在气缸盖上是半球形，在活塞顶部是一盆形凹坑；2）喷油器安装在中心，火花塞在喷射油束侧面，且喷油器和火花塞布置距离较近，在火花塞四周易形成浓混合气。3）选用喷射压力能在4MPa～12MPa调整的高压共轨燃油喷射系统。4）此款GDI发动机与同类型的进气道喷射发动机相比，在2000r/min时达到最小燃油消耗率，NOx降低了35％，但未燃碳氢排放较高。
（4）FEV公司的GDI发动机
FEV公司研发的缸内直喷汽油机，具有以下特征：1）用优化的滚流和涡流运动来实现分层混合气，且在火花塞四周形成浓混合气[9]。2）燃烧系统的放热速率高于壁面引导和喷雾引导型的，热功转化效率也很高，但是气流运动对整机性能影响较大，并且稳定的分层混合燃烧很难实现，发动机循环波动在过渡工况较大，很难推广到实际生活中。
（5）大众燃油分层喷射发动机（Fuel Stratified Injection，FSI）
2000年，大众FSI发动机开始在量产车型上推广应用，先后搭载在高尔夫、宝来、波罗、帕萨特和奥迪等车型上[10]，与同类GDI发动机相比，大众的TSI发动机具有以下特点：1）油耗低和排放低，采用分层燃烧模式，在火化塞周围形成浓度较高的油气混合物体，其它空间形成较稀的混合气体，ECU始终保持供油的最佳比例，不但提高了燃油的利用率和发动机扭矩，也改善了尾气排放；2）必须使用高清洁度汽油(98号)来避免压缩比为11.5的缸内直喷发动机出现爆震[11]；3）提高热效率，FSI发动机可以在两种模式中自动选择。低负荷时为分层稀薄燃烧，高负荷时选用理论空燃比(14.6-14.7) 燃烧。
在国内，同济大学韩文艳等人对单段与两段喷射均质直喷汽油机混合气的形成进行了研究[12]。他们用定容弹试验，对某均质缸内直喷汽油机低速时燃油湿壁问题，进行了喷雾模型标定，同时，利用FIRE软件，采用数值模拟的办法，对单段和两段喷油策略的混合气形成过程进行研究。结果表明：1）满负荷2000 r/min时，单段喷油时燃油湿壁情形较严重，而采用两段喷油使燃油碰壁情况得到很好的改善，并且在点火时，混合气的均匀性也得到改善；2）第2段喷油结束的越晚，燃油碰壁量就越小，混合气混合的也越不均匀。
清华大学王志等人对增压直喷汽油机扫气抑制爆震进行试验研究及模拟解析[13]。在增压直喷汽油机稀薄燃烧的条件下，对不同负荷时，利用可变气门正时控制发动机进行不同VVT角度的扫气试验。得到结论：扫气能抑制爆震，并可以提高汽油机低速转矩。利用一维热力循环模型进行模拟解析得到：1）扫气主要使缸内残余废气系数减小，进气门关闭时缸内温度降低，从而抑制爆震；2）通过提高汽油机的进气充量和抑制爆震后增大点火提前角来提高汽油机的低速转矩。
上海理工大学尹丛勃等人对直喷汽油机可变滚流进气系统进行了实验研究[14]。他们建立了可变滚流四气门直喷汽油机光学可视化气道实验台，通过粒子图像测速系统，在不同进气门开度、不同滚流调节阀工作状态下，对缸内气流运动规律进行了实验测试研究。得到以下结论：1）气缸内主要是绕气缸轴线垂直方向旋转的滚流运动；2）滚流调节阀开启时，在缸内左右两侧，分别形成逆时针和顺时针方向的两个大尺度滚流；3）滚流调节阀关闭时，气缸内出现了较强的单一顺时针方向滚流运动趋势；4）进气门开度较小时，改变滚流阀状态对缸内进气流动的影响很微弱。
天津大学潘锁柱等人对点火定时对缸内直喷汽油机燃烧及颗粒物排放的影响进行了研究[15]。他们对一台缸内直喷汽油机，选用燃烧分析仪和DMS500 型快速颗粒取样分析仪，进行了点火定时对燃烧过程和颗粒物排放影响的试验研究。得到以下结论：随着点火时刻的不断推迟，1）火焰发展期渐渐缩短；2）快速燃烧期渐渐增长；3）缸内压力峰值渐渐下降；4）瞬时放热率峰值和缸内最高燃烧温度都慢慢下降且后移；5）放热过程变缓，膨胀行程缸内温度逐步升高；6）核态排放颗粒物和积聚态颗粒物峰值密度都逐步下降；7）颗粒物浓度逐步下降；8）积聚态颗粒物峰值粒径逐步变小，而核态颗粒物峰值粒径受点火时刻的影响较小。
上海交通大学李相超等人对直喷汽油机缸内喷雾湿壁问题进行了研究[16]。直喷汽油机的湿壁问题会稀释机油，降低燃油经济性，增加尾气排放。但对喷雾、燃烧室及缸内流场进行匹配与优化，能够很大幅度的减少燃油湿壁。他们利用激光诊断技术，首先对某直喷喷油器的喷雾特性进行全面测试，而后标定出三维CFD软件中的喷雾模型，对缸内喷雾和混合气形成过程进行仿真计算，还钻研了燃油喷射策略对燃油湿壁的影响。得到结论如下：选用两段喷射策略能够使碰壁量下降15%，而混合气混合的均匀程度仍保持不变；选用三段喷射能够使碰壁量下降27%，并且能够明显改善混合气浓度分布。
1.2.2 缸内直喷汽油机的燃烧模式
对应于不同的混合气形成模式，GDI 汽油机具有相应不同的燃烧模式。分层混合对应于各种分层燃烧模式，均质混合对应于均质燃烧模式。不同的燃烧模式适应于不同的工况，发动机高转速、高负荷时采用均质燃烧模式，这样能满足其快速响应性和动力性要求；怠速和部分负荷时采用分层燃烧模式，可以大幅度降低油耗。除此之外，还有一种新型的均质压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）的燃烧模式[17]。这是一种能更进一步挖掘出缸内直喷潜力的燃烧模式，能有效提高汽油机整机性能。
（1） 缸内直喷均质燃烧模式
均质燃烧模式的燃烧过程与进气道喷射发动机十分类似，在混合气点燃之后，一个近似球形的火焰前锋从火花塞开始，向燃烧室传播。在传播中，因为缸内气流以及湍流的作用，火焰前锋会呈现不同程度的扭曲、分裂，燃烧区加厚。当混合气均质化程度较好时，就会出现接近于全部的预混合燃烧，燃烧特点是理想的预混火焰。但是，对于缸内直喷发动机来说，要想得到理想的均质化混合气可不是一件简单的事。所以，在点火时刻，混合气状态因为燃烧室内部气流的作用，在火花塞处会出现循环变动，这会使燃烧变的不稳定。且燃油只是在进气行程直接喷入气缸燃烧室，喷注特性不良和点火正时不佳，会使喷注接触活塞表面，结果燃油润湿了活塞顶表面，还由于蒸发条件不佳而形成油膜。在扩散火焰中，这些油膜燃烧较慢且不完全，最终增加了碳烟和未燃碳氢排放。尤其是喷油器安装在垂直位置的燃烧过程，此种情形一定要探究。在均质模式工作时，若喷射系统具有合适的小的喷注垂直贯穿于燃烧室，就可以不出现活塞顶湿润情形。所以，为了达到混合气准备期间的高要求，现代缸内直喷汽油机比传统汽油机要复杂得多，当然喷射系统成本更高。另外，燃油喷射时活塞必须保证在下行过程中，活塞离喷注应有足够的距离。
（2）缸内直喷分层燃烧模式
分层燃烧模式与均质燃烧模式有很大的不同。分层模式燃烧不到达燃烧室壁面，且是在非常稀薄的混合气区域，离缸壁某一段距离处就会停止。分层燃烧的火焰传播较困难，在火花塞处的混合气被点燃之后，燃烧被限制在局部区域。特别是喷注导向型直喷汽油的燃烧过程，因为火花塞与喷油器非常接近，所以燃烧是在没有专门的空气引导的情形下工作。但是，对喷注导向型的燃烧过程，有组织的气流运动也会使混合气的形成和燃烧变快。气流运动能够使喷注的热能输入变好，所以有利于混合气在极短时间内形成。分层燃烧时，因为混合气准备不充分，空燃比梯度大，会伴有扩散燃烧。有组织的气流运动会在燃烧室内产生湍流，在点火时这些湍流会使火焰前锋加速，能使燃烧更快速、更充分，会使燃烧总效率得到提高。不同特点的气流运动会对燃烧产生不同的效果。一般来说，涡流存在的时间较长，在点火时刻和燃烧期间，涡流动能较大，能加快燃烧速度。滚流对燃油传输有系统的影响，且能防止燃油附着于活塞顶部，所以能减少HC排放。经进气运动带入燃烧室的动能主要形成扰流脉动速度，也能加快燃烧速度。一个遍及整个燃烧室的气流，可将火焰引导到燃烧室中心，并且稳定住，所以能提高燃烧效率和稳定性。
（3）HCCI燃烧模式
HCCI燃烧模式拥有热效率高、NOX和PM排放很低的优点，近年来在汽油缸内直喷发动机上实现可控HCCI 燃烧成为国际上的一个研究方向[18]。在均质混合气中，假如先期反应时间够长并且压力和温度分布也较合适的话，混合气就会自燃。均质压燃的自燃与进气道喷射汽油机的爆燃不一样，首先空燃比显著变小，所以局部放热减小；另外，整个燃烧室的温度分布和燃烧反应进程接近均衡的状态使得整个缸内混合气均匀地自燃，并不是像爆燃一样，自燃只是出现在局部的有限的末端混合气中。所以，在均质压燃中，可避免有害的爆燃冲击波。
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