汽油直喷系统结构与工作原理

1、汽油直喷系统结构与工作原理 近几十年来，受能源日益枯竭、油价不断上涨、全球变暖等问题的困扰，在满足发动机排放要求的前提下改善发动机燃油经济性显得格外迫切。开发具有汽油机优点同时又具备 柴油机部分负荷高燃油经济性优点的车用发动机是主要的研究目标。 汽油机缸内直喷技术被认为是目前最有效的节能减排技术之一,通过提升喷油压力、缸内直喷、分层燃烧等技术改善发动机的冷启动、燃烧组织及废气排放的同时,可大大降低燃油消耗并提升功率/扭矩输出。汽油机的缸内直接喷射（GDI）在空燃比很稀时，可在接近点火时刻才开始喷油，即压缩过程后期喷油，使火花塞周围的浓混合气来不及稀释就被点燃了，一般可在大于等于2550范围内稳

2、定工作。GDI燃烧系统明显改善燃油消耗率，但还需要解决一些技术问题，从长远看终将取代传统燃油喷射系统。汽油直喷系统结构简图如图1所示:图1：汽油直喷系统结构简图：汽油直喷发动机，将汽油直接喷入汽缸中，且喷射正时精确；而传统的汽油喷射发动机，汽油在汽缸外喷射，汽油与空气无法呈层状混合，且汽油会附着在进气管壁及进气门上，同时喷射正时较不理想。如图2所示：图:2：喷油器安装位置差异汽油缸内直喷燃烧系统（GDI）的主要特点如下：1、由于汽油直接喷射，使缸内充量得到冷却，可以使用较大的压缩比，怠速及部分负荷燃油消耗率可以降低。2、与缸外喷射系统汽油机相比，由于提高了燃油雾化质量和降低了泵吸损失，功率可以

3、增加。3、缸内汽油直接喷射发动机可大幅降低CO2 、CO 、HC 及NOx 的排放。缸内直接喷射发动机比一般喷射发动机能够更省油及输出功率高的原因如下：低负荷时，利用层状气体分布，压缩行程末期喷射的燃料被进气涡流及活塞顶部的球形曲面保持在火花塞附近，为易于点燃的最佳混合气，而周围则为空气层，整个燃烧室内成为40 : l 的超稀薄空燃比仍能稳定燃烧，达到省油效果。4、低负荷时，由于空燃比超稀薄化，故进排气的泵损失少，即气体交换损失少；且因燃料吸温冷却效果，冷却损失少。5、怠速转速可设定在较低值，例如，三菱汽车的GDI 发动机怠速为600r / min 。进气行程就开始喷油，燃料汽化的吸温冷却效果

4、，使空气密度增加，可提高容积效率，故比一般喷射发动机的输出功率高。6、直接喷入汽缸中燃油的汽化作用，降低空气温度，发动机不易爆震，故压缩比可提高，如GDI 发动机压缩比可达12 : 1。汽油缸内直喷（GDI）发动机的燃烧方式：1、分层燃烧直喷汽油机 最先投入市场的一些产品直喷汽油机，都在部分负荷工况时采用分层燃烧。理想的分层燃烧，混合气在缸内分成两个区域：一个区域为含油混合气区，当地空燃比接近当量空燃比。另一个区域为无油区，空燃比为无穷大。点燃燃烧仅发生在含油混合气区，因此，分层燃烧混合气的平均空燃比在理论上可远远大于当量空燃比。、均匀混合直喷汽油机 缸内直喷的另一个应用方向，是直喷均匀混合燃

5、烧系统，即在所有工况下都采用均匀混合气，空燃比和一般点燃汽油机相似。因此这种系统可看作是对进气道喷射的电喷均匀混合燃烧系统的改进。直喷发动机的技术关键点：高压喷油系统：高压喷油系统可以说是直喷发动机最关键的系统，与以前油气在进气歧管内混合，然后被负压吸入发动机不同，直喷发动机是用高压喷油嘴将燃油喷入汽缸，由于汽缸内压力已经很大，因此需要喷油系统具备更大的压力。高压喷油系统主要可以分为发动机控制模块（ECM）、高压油轨、高压油泵和喷油嘴四部分（如图3所示），其中ECM主要采集发动机数据，按照预定程序控制喷油时机和喷油量，从而实现最高燃烧效率；而高压油泵则主要负责燃油的加压，高压油轨主要起均衡各喷

6、油嘴喷射压力的作用，而最终的喷油任务则由喷油嘴来执行。此外，还有多个传感器提供燃油压力等信息，确保整个系统的高效率。ECM（或称ECU）不仅是直喷发动机的关键部分，也是所有技术较新的内燃机的重要组成部分，这个部分涉及到芯片、执行器、软件等多个环节，其中任何一个环节缺失都无法实 图3：高压喷油系统部件 现量产装车。目前ECM技术还是为国外企业所 把持，在技术上已经比较成熟。部分自主品牌虽然也初步具备了ECM的制造能力，但是在软件的匹配、执行器的可靠性等环节还有不少问题尚待解决，不过就跟变速器技术一样，这样的关键技术一旦取得突破，自主品牌厂商将受益匪浅。高压油泵则是燃油加压的关键环节，在低压油泵将

7、燃油送到高压油泵之后，高压油泵可以将汽油加压到十余兆帕的压力（这是普通汽油泵压力的三四十倍），并将其送入油轨。高压油泵通常是由凸轮轴带动，内部则有双头或者三头凸轮加压（如福特ECOBOOST系列发动机的“9号凸轮”）。在高压油泵上还集成了电子油轨压力调节器（FRP），它是一个由ECM控制的电磁阀，ECM以脉冲宽度调制的方式控制油压调节器，油压调节器控制着高压燃油泵的进口阀，从而控制燃油压力，当驱动线路失效时，高压油泵进入低压模式，发动机仍可应急运行。经过油泵加压之后，汽油进入高压油轨（见图4），在高压油轨稳定压力后，由于油轨和燃烧室之间存在压力差，高压油泵动作之后汽油即喷入汽缸内。喷嘴内部还有

8、电磁阀（见图5），可以实现对喷油量和时机的控制，其控制精度要求很高，同时由于喷嘴的位置从进气歧管移到了汽缸内，工作环境和温度都发生了很大变化，对其可靠性的要求也大大提高。图4：高压油轨图5：高压喷油嘴结构示意图：高分子密封圈；喷嘴针阀；衔铁；电磁线圈；细滤器除了喷油系统之外，其他发动机部件也要为直喷做出相应的设计，才能确保发动机的高效，尤其是活塞顶部的设计非常关键。按照可燃混合气形成的控制方式，缸内直喷方式又可分为油束控制燃烧、壁面控制燃烧和气流控制燃烧三类。在油束控制燃烧系统中，喷油器安置在燃烧室中央，火花塞安置在喷油器附近，油束控制对空气的利用率依靠油束的贯穿深度保证，而后者则受喷油器的喷

9、油压力控制。这种方式可以在低负荷的分层燃烧实现良好的燃油经济性，而当发动机处于中高负荷工况时，ECM调节高压油泵压力，使油束贯穿深度增大，从而实现均质加浓燃烧。在壁面控制燃烧系统中，喷油器和火花塞相隔较远，喷油器把燃油喷入活塞凹坑中，然后依靠进气流的惯性将油气混合送往火花塞。为了避免喷油器的温度过高，一般安置在进气门侧，活塞凹坑开口对向进气门侧，油气混合后直接流向火花塞。这种类型形成混合气的时间较长，易于形成较大区域的可燃混合气。在气流控制燃烧系统中，利用轮廓特殊的活塞表面形状形成的缸内气流和油束相互作用。此种系统不是把油雾朝活塞的凹坑喷射，而是朝火花塞喷，特殊形状的进气道与喷油器呈一定的夹角

10、，给混合气在汽缸内一定的回旋力，汽缸内形成的气流使油气不是直接喷向火花塞，而是在汽缸内形成涡流围绕火花塞旋转。这样就使大部分工况都能实行恰当的混合气充量分层和均质化。虽然直喷汽油机的优势明显，但是它也受到制造技术和油品质量的限制，因此短期内得到普及还不现实，不过凭借更为高效、经济的特点，它依然是未来内燃机技术的发展趋势，我们也有望见到更多性能出色、燃油经济性高的直喷发动机面世。汽油缸内直喷的燃油喷射控制： 为实现在各种运转条件下，均能安定的燃烧，因此依发动机转速与负荷，做最适当的燃油喷射量与喷射正时控制。燃油喷射量控制，即是空燃比的控制，如图6所示，随着空燃比的变化，燃烧形态也有四种变化。从成

11、层燃烧的超稀薄燃烧，转移至稀薄范围的均匀燃烧过程中，设有一弱成层燃烧范围，其目的是在空燃比发生变化时，用以抑制转矩变化的冲击图6：燃烧形态的变化低转速低负荷时：是成层燃烧，空燃比为25-50：1。由于发动机负荷小，所需动力较小，以超稀薄燃烧状态进行；在压缩行程末期燃油喷入深碗型活塞顶的燃烧室，与进气之横涡流混合成层化，进行成层燃烧，如图7所示。 图7：成层燃烧的作用低转速中负荷时：是弱成层燃烧，空燃比为2030：1。当发动机负荷增加，混合气需稍浓以维持正常的动力输出，部分燃油在进气行程先喷入气缸中，先行充分混合，并于压 缩行程末期再做第二次喷射，达到成层化与稀薄混合气之结果，以进行弱成层燃烧，如图8所示。图8：弱成层燃烧的作用中转速中负荷时：是稀薄范围均匀燃烧，空燃比为1523：1。为保持一定的转矩值，此时混合气需较浓，在进气行程初期喷入接近理论空燃比的燃油，经进气行程及压缩行程的均匀混合，进行稀薄范围的均匀燃烧，如图9所示。 图9：稀薄范围均匀燃烧作用高转速高负荷时：是较浓范围均匀燃烧，空燃比为1523：1。此时发动机必须发挥最大转矩值，故在进气行程喷人较多燃油，使空燃比维持在理论空燃比附近，进行较浓范围的均匀燃烧。汽油直喷发动机存在的问题：1、排放控制 Nox排放较多，HC及微粒排放增多 2、稳定性燃烧控制 汽油直喷发动机分层充