汽车新技术之汽油机缸内直喷

1、 汽油机缸内直喷技术1.缸内直喷技术概述2.缸内直喷技术的工作原理3.缸内直喷技术特点4.缸内直喷技术现状5.缸内直喷技术的实际应用6.缸内直喷发动机目前存在的问题7.缸内直喷技术推广应用的主要问题8.缸内直喷技术今后的研究开发方向1.缸内直喷技术概述 缸内直喷又称FSI(Fuel Stratified Injection)，即燃料分层喷射技术，代表着传统汽油引擎的一个发展方向。传统的汽油发动机是通过电脑采集凸轮位置以及发动机各相关工况从而控制喷油嘴将汽油喷入进气歧管。但由于喷油嘴离燃烧室有一定的距离，汽油同空气的混合情况受进气气流和气门开关的影响较大，并且微小的油颗粒会吸附在管道壁上，所以希

2、望喷油嘴能够直接将燃油喷入汽缸。在近来各汽车厂商采用的发动机科技中，最炙手可热的技术非缸内直喷莫属。1.缸内直喷技术概述 这套由柴油发动机衍生而来的科技目前已经大量使用在包含大众（含奥迪）、宝马、梅赛德斯-奔驰、通用以及丰田车系上。 各厂商缸内直喷技术英文缩写：大众：TSI、奥迪：TFSI、梅赛德斯-奔驰：CGI、宝马：GDI、通用：SIDI、福特：GDI、比亚迪：TI。2.缸内直喷技术的工作原理缸内直喷就是将燃油喷嘴安装于气缸内，直接将燃油喷入气缸内与进气混合。喷射压力也进一步提高，使燃油雾化更加细致，真正实现了精准地按比例控制喷油并与进气混合，并且消除了缸外喷射的缺点。同时，喷嘴位置、喷雾

3、形状、进气气流控制，以及活塞顶形状等特别的设计，使油气能够在整个气缸内充分、均匀的混合，从而使燃油充分燃烧，能量转化效率更高。3.缸内直喷技术特点 缸内直喷汽油机是以传统电控喷射系统为基础，进行结构和控制技术的优化，使得混合气的形成与燃烧过程得到改善。 按照燃料在燃烧室里面的均匀程度又可分为分层燃烧缸内直喷汽油机和匀质混合燃烧缸内直喷汽油机31.分层燃烧缸内直喷 这种发动机，部分负荷情况下采用分层燃烧，在火花塞附近形成极易点燃的较浓混合气，而在其他区域，则追求无油区，即形成空燃比趋向无穷大区域。主要有壁面阻挡型和软喷射型等燃烧系统。 丰田D一4发动机采用壁面阻挡型稀薄燃烧系统(图1)。当活塞运

4、动到一定位置时，喷油器喷出的油束到达与活塞顶部凹坑基本垂直的壁面上，与壁面碰撞并飞溅。进气气流经过电控涡流阀(ESCV)，形成斜向进气涡流。空气涡流运动使已蒸发的汽油蒸气和飞溅的油滴沿壁面横向运动，促进缸内混合气的形成。31.分层燃烧缸内直喷31.分层燃烧缸内直喷图1.丰田D4稀薄燃烧系统 喷油器为高压旋流式(8MPa13MPa)，雾化性能好，雾滴高度微粒化，雾滴直径小于5m。喷射方式控制灵活，对不同转速与负荷采用不同的喷油控制方式，并带有电控废气再循环系统和氧传感器、三元催化器闭环控制系统等。试验结果表明，其轿车工况试验油耗为17.4KmL，而相应的装有PFI发动机的汽车油耗为13KmL，节

5、油达34左右。31.分层燃烧缸内直喷 三菱4G稀燃系统(图2)与丰田D一4系统相近。进气采用立式进气道，能够产生强大的进气气流，直接流入气缸，流速可达40m/s一50 m/s，充气效果好，以保证高度的纵向涡流及充气系统。活塞顶部的凹坑浅，且壁面有一定的斜度。在部分负荷输出时，油束与壁面碰撞后飞溅的油滴，随含有汽油蒸气和细小油滴的气流斜向上运动(图2中倒滚流)，被位于缸盖中部的火花塞点燃。31.分层燃烧缸内直喷图2.三菱4G稀薄燃烧系统31.分层燃烧缸内直喷 软喷射型缸内直喷汽油机主要依靠适当的喷雾特性来形成分层混合气。由于喷雾具有贯穿度较低、喷雾锥角较大、雾滴平均直径较小等喷雾特性，故称为软喷

6、射(如图3所示)。图 3 软喷射型缸内喷油汽油机32.匀质混合燃烧缸内直喷福特汽车公司PROCO (Progrannned Combustion Injection)稀薄燃烧系统是程序化燃烧过程的缩写，采用匀质混合缸内直喷汽油机(如图4所示)。进气道为螺旋式气道，汽油直接喷射到燃烧室内，利用涡流和滚流进行油气混合。喷油器位于中央，两侧各有一个火花塞。由于汽油在缸内雾化需要吸收能量，混合气温度下降。因而可以采用高压缩比(=15)的发动机，并可在空燃比A/F=25的条件下工作。图4.福特PROCO稀薄燃烧系统4.缸内直喷技术现状 燃油供给和喷射系统 喷射模式 燃烧系统 缸内空气运动的组织41.燃油

7、供给和喷射系统 现代的GDI发动机燃油供给系统设计，为了达到分层稀薄混合气所要求的喷雾质量和灵活的喷油定时，均采用了精度高、响应快的柔性电控手段。高压共轨喷射系统加电磁驱动喷油器被认为是满足缸内灵活喷射要求的喷射系统之一。 该系统由低压输油泵、燃油压力传感器、喷油压力控制阀、高压油泵、蓄压燃油轨、喷油器等组成。41.燃油供给和喷射系统图 5 直喷式汽油机供油系统油路燃油喷射系统中，喷油器的结构形式对喷雾质量的影响很大。由于汽油机的喷射压力远低于柴油机，如采用多孔喷油器，其喷嘴容易在工作中积碳堵塞，雾化分层不好，燃烧时火焰传播不稳定，因此GDI发动机上一般不采用多孔喷油器。目前在GDI发动机上得

8、到广泛应用的是内开式旋流喷油器，只有一个喷孔，工作油压为5.010MPa，其内部设有燃油旋流腔，它可以通过涡流比的选择而实现较好的喷雾形态和合适的贯穿度的配合，且喷束方向便于调整，方便了在气缸内的布置。图6为旋流式喷嘴结构简图。41.燃油供给和喷射系统图6.旋流式喷嘴结构简图4.2喷射模式 GDI发动机燃油喷射模式可以分为单阶段喷射模式和多阶段喷射模式。 单阶段喷射模式是指在中小负荷时，燃油在压缩行程后期喷入，实现混合气分层稀燃并采用质调节以避免节流阀的节流损失，从而使GDI汽油机达到与柴油机相当的经济性；在大负荷和全负荷时，燃油在进气行程中喷人气缸，实现均质预燃和燃烧，以保持汽油机升功率高的

9、特点。4.2喷射模式 多阶段喷射模式是指在进气行程中先喷入所需燃料的1/4，形成极稀的均质混合气，其余燃料在压缩行程后期再次喷入，形成分层混合气。火花塞点火时，首先在浓混合气处形成较强的火焰，然后向稀混合气空间迅速传播。应用该技术可实现发动机从中小负荷到大负荷的平稳过渡，降低气缸内的气体温度，抑制爆燃的产生。4.3.燃烧系统 燃烧系统的设计是GDI发动机的关键技术。要成功实现中小负荷时的分层稀燃和大负荷时的均质预混，就需要进行燃油喷束、气流运动和燃烧室形状的优化合理配合。已经开发的GDI发动机燃烧系统。按喷油器和火花塞的相对位置和混合气的组织形式可以有“喷束引导法”(spray-guided

10、system)、“壁面引导法”(wall-guided system)、“气流引导法”(flow-guided system)3种类型。4.3.燃烧系统 “喷束引导法”：燃油喷嘴靠近火花塞布置，火花塞位于燃油喷束的边缘，这种方式的优点是保证当整个燃烧室内为稀薄混合气时，火花塞周围仍能形成可供点火的混合气浓度。Ford、Honda公司生产的某些机型采用这种燃烧系统。4.3.燃烧系统 “壁面引导法”：燃油喷嘴远离火花塞布置，利用特殊形状的活塞表面配合气流运动，将燃油蒸气导向火花塞并在火花塞间隙形成合适浓度的混合气，如三菱、丰田、Nissan等公司开发的机型。4.3.燃烧系统 “气流引导法”：同样是

11、燃油喷嘴远离火花塞，利用缸内有组织的气流运动来达到上述目的。FEV、AVL公司开发的方案采取这样的燃烧系统。4.3.燃烧系统上述几种燃烧系统方案的划分是十分粗略的，实际情况是上述几种方案交叉存在，各种因素并存并相互影响。根据AVL的Ricardo公司的研究，火花塞布置在靠近中心的位置可以减少火焰传播距离，在怠速和部分负荷时对分层便于控制，但发动机对喷油器和火花塞之间的位置误差、喷雾变形敏感，火花塞容易被燃油沾湿而形成污垢导致点火困难。另外，火花塞和喷油器都布置在中间有时会影响进气门的尺寸。远距离布置的方式可避免沾湿火花塞，但燃油碰壁较多，并且需要精确设计特殊形状的燃烧室，对缸内混合气运动的组织

12、要求更高一些。4.4.缸内空气运动的组织气缸内的空气运动对喷雾和燃烧的影响很大。GDI发动机缸内空气的运动有涡流、滚流和挤流。涡流的旋转轴线平行于气缸中心线，滚流的旋转轴线垂直于气缸中心线，挤流形成于压缩冲程活塞接近上止点时与缸盖间隙处的径向气体运动，它有助于加强压缩终点时的湍流强度。目前大部分GDI发动机应用涡流作为缸内空气运动的主要形式，其特点是持续时间长，在缸内的径向发散少，对保持混合气的相对集中和分层有利，可以充分利用它来维持压缩冲程中的混合气分层。由于涡流的旋转动量与发动机的转速成正比，而油束的动量是独立的，不受发动机转速的影响，因此，利用涡流来促进油气混合有一个操作范围限制。此外，

13、涡流比过高还会由于离心力的作用使油滴甩向缸壁，造成湿壁现象的增加。4.4.缸内空气运动的组织 近年来，日本三菱汽车公司对滚流在GDI发动机中的应用做了大量的试验研究，结果显示，在压缩行程的后期，滚流能够有效地增加靠近缸壁处的气体流动速度，从而可以促进粘附在缸壁上的油滴快速蒸发，也可利用滚流程活塞顶部的凹坑相配合将分层混合气导向火花塞，控制油束碰撞和火焰传播，从排气侧到进气侧的挤流还能提高燃烧速度。5.缸内直喷技术的实际应用 大众TSI：国外大众的1.4T发动机上以及进口尚酷1.4T上TSI代表的是Twincharger Fuel Stratified Injection这几个单词首字母的缩写，

14、通过字母表面意思可以理解为双增压+分层燃烧+喷射的意思。 而大众1.8/2.0TSI中的“TSI”则代表着Turbo Fuel Stratified Injection,通过字母表面意思可以理解为涡轮增压+分层燃烧+缸内直喷的意思 装配车型：速腾、明锐、新宝来等5.缸内直喷技术的实际应用 大众/奥迪的TFSI： TFSI就是带涡轮增压（T)的FSI发动机。 FSI发动机的主要优势有：动态响应好、功率和扭矩可以同时提升、燃油消耗降低 装配车型：奥迪A3、A6L、A8L等5.缸内直喷技术的实际应用 SIDI：SIDI是Spark Ignition Direct Injection的缩写，直译为火花

15、点燃直接喷射技术。 装配车型：别克君威、君越，凯迪拉克赛威等6.缸内直喷发动机目前存在的问题 GDI发动机拥有很多优良的性能，如：油耗低、污染小、动力性能好等等。但是GDI技术同样存在着许多技术瓶颈制约了它的进一步发展和应用，亟待改进。6.缸内直喷发动机目前存在的问题排放问题：GDI汽油机的开发成功，极大地提高了汽油机的燃油经济性。但其排放总体上要高于工作在理论空燃比下，附加三元催化等尾气处理装置的进气道喷射汽油机。其排放问题主要有：1)中小负荷下未燃HC排放较多。采用混合气分层后，极易造成火焰从浓区向稀区传播时熄灭。同时，稀燃造成缸内温度偏低，不利于未燃HC随后的继续氧化。壁面阻挡型直喷系统

16、，因喷雾碰壁较多，而活塞顶和缸壁的温度低，使HC排放较高。2)NOx的排放。虽然因采用较稀的空燃比，气缸内的反应温度较低，但由于分层混合气由浓到稀将不可避免地出现混合气过浓或浓混合气区域过大的状况，这些区域恰恰是高温区域，使NOx生成增加。另外，GDI发动机较高的压缩比和较快的反应放热率也会引起NOx升高。3)微粒排放。因为局部区域过浓的混合气和未蒸发的液态油滴扩散燃烧而引起颗粒排放增加，并且缸内温度低也造成了微粒氧化不完全。6.缸内直喷发动机目前存在的问题 催化器问题：GDI汽油机工作在稀空燃比条件下，其造成的富氧和较低的排气温度使传统的三元催化器对NOx的转化率不高，废气排温较低不利于三元

17、催化器的起燃，限制了它在GDI汽油机上的应用。6.缸内直喷发动机目前存在的问题 积炭问题：由于GDI汽油机，火花塞点火燃烧的是占据小部分空间的分层混合气，其他空间只有极微量的燃油存在，且燃料的气化蒸发使缸内温度偏低，点火后火焰在传播过程中逐渐减弱，到达分层混合气以外的其他空间时，极易造成熄火，使混合气不能充分燃烧，产生积炭。6.缸内直喷发动机目前存在的问题 喷油器问题：GDI汽油机的喷油器置于气缸内，由于喷油压力低，喷孔没有自洁能力，很容易积垢，造成喷油量减少、喷雾特性变坏，进而使发动机的燃烧恶化，影响发动机的功率输出和排放。6.缸内直喷发动机目前存在的问题 控制策略问题：在实际GDI汽油机上

18、，理想的混合气浓度均匀递降的分层不可能实现，使得精确分层混合气的控制和燃烧过程组织的难度相当大。发动机不同负荷的喷油时刻相差较大，各种负荷间平滑过渡所要求的喷射策略也较复杂，因此实现发动机输出动力的连续变化需要较复杂的控制策略。直喷汽油机的开发难点，还体现在燃烧系统的优化和喷油系统的开发比较复杂，电控系统精确控制难和开发成本高，对汽油喷雾和空气的混合运动认识不足等方面。另外，GDI较高的喷射压力要求也造成汽油泵和喷油器功率要求高，汽油的润滑性差，因此，如何开发出抗磨损能力强、功率消耗低的供油系统和燃油喷射系统，也是直喷汽油机需要解决的一个问题。7.缸内直喷技术推广应用的主要问题 难以在宽广的运

19、行范围内准确控制分层燃烧 负荷变化时控制策略比较复杂 喷嘴和火花塞附近燃料容易堆积 部分负荷时HC排放较高7.缸内直喷技术推广应用的主要问题 部分负荷分层燃烧时，局部NOx排放过高 大负荷时NOx、碳烟排放较高 需要开发专门针对GDI的三效催化装置7.缸内直喷技术推广应用的主要问题 由于汽油自润滑性差加上采用的高压喷射，燃油喷射系统和缸壁磨损较大；同时，伴随着高压喷射所带来的相应的油泵损失增大 增加了喷嘴及相关驱动器的电消耗8.缸内直喷技术今后的研究开发方向 现在GDI技术尚处于逐步成熟时期，各种问题的出现是必然的，但GDI的研究一定要在确保动力性能的基础上尽可能的“节能减排”。而从当前的形式

20、来看低碳问题又是中之重。 今后GDI的主要技术研究开发方向有：降低NOx排放、二次燃烧技术、二次混合技术、均质混合压燃技术。降低NOx排放的技术 稀燃催化器：稀燃催化器的开发将直接影响到GDI汽油机排放问题的解决。目前开发的有稀燃催化还原型NOx催化器、NOx搜捕型等。但这些催化器都不同程度的存在转化率低、工作温度范围窄、控制复杂、性能不如传统的三元催化器等问题，还需深入研究。日本三菱公司采用稀燃NOx催化剂加三元催化剂的技术(图8)，NOx可以达到美国加州排放标准。图 7 三菱汽车公司稀燃催化器和二次燃烧系统降低NOx排放的技术 废气再循环：废气再循环(EGR)是通过降低缸内最高燃烧温度及氧

21、气的相对浓度从而降低NOx排放的一种有效方法。在GDI汽油机中，因稀燃使缸内富余氧气较多，可实用较高的EGR比率而不会使燃烧恶化。如果将再循环废气与可燃混合气进行分层，减少废气与可燃混合气的掺混，保证点火时刻火花塞附近有适于着火的混合气，避免废气靠近火花塞，能大大提高EGR比率，从而大大降低NOx排放。采用电控EGR可以精确控制EGR比率，能较好地解决发动机的动力性和经济性与NOx排放之间的协调问题。 二次燃烧技术 二次燃烧是指在进行正常分层燃烧的怠速运转时，除了在压缩行程后期喷油外，在膨胀行程后期再次喷入少量燃油，在缸内高温、高压气体的作用下点火燃烧并使排气温度提高。 通常，起动后怠速状态下的排气温度为