缸内直喷式汽油机工作

缸内直喷式汽油机（GDI）

工作原理

随着近些年油价的不断飙升，汽车日常使用中的油耗问题也愈发突出，对于家用经济型轿车来说更是如此，各大汽车生产厂也是在油耗上大做文章。现在，以丰田、本田、日产为主的日系车在油耗表现上更是让欧美的各大汽车生产厂自愧不如。为了回应日系车的强大攻势，欧美的各汽车厂商也纷纷深挖自己的发动机的潜能，采用新技术最大限度的为车主节省在燃油上的支出。

在这一方面，德国大众率先做出了表率，大众公司对自己旗下的新车型所配用的发动机开始采用FSI燃油缸内直喷技术，保时捷、奥迪、大众、斯柯达的新车均采用了这一技术。大众研发燃油缸内直喷技术意义实际上，汽油缸内直喷技术源于柴油发动机的喷油技术，为了能使汽油发动机能像柴油发动机那样具备较高的燃烧效率，使燃油燃烧更充分，从而达到尽可能的节省燃油的目的。汽油缸内直喷技术是实现汽油在气缸内分层燃烧的一种特有技术，而汽油分层燃烧又是实现汽油稀薄燃烧的手段。所谓稀薄燃烧就是让发动机运转时的空燃比低于理论空燃比，采用较少的燃油量，使燃油充分燃烧，并将废气中的可燃气体也进行燃烧，将其转化为热能，降低尾气中有毒气体的排放，提高发动机的燃烧效率，达到节省燃油的目的。大众集团为了使其发动机做到稀薄燃烧，实现分层燃烧的技术要求，达到节省燃油降低有害气排放的目的，因此采用了燃油缸内直喷技术。大众集团旗下各大汽车品牌现在均采用了FSI发动机，在国内的合资品牌上，奥迪的A4和A6、大众的迈腾、高尔夫、斯柯达的明锐也都采用了具备FSI燃油缸内直喷技术的发动机。在大众集团的品牌优势和前期的宣传推广的影响下，人们都会认为燃油缸内直喷技术是大众最先发明的。其实不然，最早使用这一技术的并非大众的FSI发动机，而是日本三菱的GDI发动机。作为现在主流的两大燃油直喷技术的代表，FSI发动机和GDI发动机在国内的命运却是截然不同。我国上海大众和一汽大众已引进生产了“斯克达-明锐”（SKODA-Octavia-1.8T-FSI）和“迈腾”（Magotan-1.8T-FSI）缸内直喷式汽油机乘用车，己经投入市场。缸内直喷式汽油机，简称：GDI系统（GasolineDirectInjection）；又因为燃油是分层燃烧，又称：FSI系统（FuelStratifiedInjection）。传统式的电喷汽油机，是将汽油喷射在进气门外侧的进气歧管中，在进气过程和压缩过程中，利用时间和空间的混合方式，完成可燃混合气的形成，再点火燃烧作功。

这样，燃油在气缸内滞留时间过长（接近360ο曲轴转角），燃油的粘结损耗较大，加速响应性低，极易产生“爆燃”，气缸磨损加大。能否和柴油机一样，在压缩终了，往缸内直接喷射燃油，迅速混合点火燃烧，这只是人们多少年来的一个梦想。一、电控汽油喷射系统的变化：

1、三菱汽车公司和丰田汽车公司，在上个世纪的九十年代，即研发出“高灵敏度、高压缩比、超稀薄混合气”的缸内直喷式汽油机，有四缸机和六缸机两个机型。压缩比可达12~13：1，实现了“低油耗、低污染、高功率”的梦想。我国由于各种不同观念和因素的束缚，没有实现跨越时代的变革，得到推广普及。2、它抛弃了传统的利用空间和时间的混合方式，采用缸内强涡流运动混合方式，在压缩冲程的后期，和柴油机一样，直接向缸内喷射燃油，实现“质的调节”，它对燃油的质量要求不高，摆脱了汽油质量对压缩比提高的制约。相继点火后，实现分层燃烧，利用A/F=30~40：1的超稀薄混合气稳定燃烧，极大的改善了汽油机的动力性、经济性、净化性。3、故又称：“超越柴油机的低油耗、低污染、高功率”汽油机，虽压缩比较高（12~13：1），但不易爆燃，并对汽油质量的好坏要求不高，这一特点是传统汽油机所不及的优势。4、随着汽车保有量和排放污染物的骤增，能源危机和社会公害己成为现实，随着社会环保法规要求的提升，缸内直喷式汽油机将成为今后普及推广的方向。二、缸内直喷式汽油机的主要结构：

缸内直喷式汽油机，是在传统的电控喷射系统的基础上，改进研发的。在其他结构方面无过多的变化，只是在可燃混合气的形成方法上和燃烧过程方面发生了概念性的变革。为此，仅就三菱车系GDI系统的主要结构介绍如下：1、轨道压力传感器为ECU提供轨道压力的高低，当压力达5Mpa时，ECU指令仃供电磁阀动作，推开高压油泵的进油阀，使高压油泵仃止吸油而仃供。此时，低压油泵也同步仃止供油，维持规定的油压。2、直立式进气管—产生下降大进气流，直接流入气缸，流速快，可达40～50m/s，充气效果好。与传统的横向进气管相比，它的进气涡流方向是相反旋转，喷油后能在火花塞处形成浓油雾区。3、顶面弯曲活塞—引导空气产生进气涡流和挤压高速旋转涡流，以便形成理想地分层燃烧的可燃混合气。旋转涡流为“正向涡流”，与传统的“逆向涡流”方向相反，有利于混合气按浓稀方式层状分布，进行分层燃烧。4、采用两级串联式供油泵—低压供油泵为电动涡轮式，油压为0.35Mpa；高压供油泵为往复柱塞式，由凸轮轴驱动，使燃油轨道的油压不断堆积，产生5～5.5Mpa的喷射油压，经喷油器高速喷入气缸，提高了雾化质量，形成旋转的燃气涡流。三角形凸轮驱动油泵柱塞吸油和压油，能快速平稳的建立起油压，当轨道压力达规定值后，压力传感器信号通过ECU使仃供电磁阀断电，将进油阀顶开，高压供油泵即短暂仃止供油。5、高压旋流式喷油器—由ECU直接用脉冲电流的宽度，控制喷油量的多少，利用特殊的喷孔形状，向气缸内喷出旋转的雾状燃油，与挤压涡流快速的混合，以便点火燃烧。它没有进气管沉积油膜的缺点，又因喷油压力较高，喷油器的自洁功能高，不易产生脏堵故障。6、特别指出：喷油器是属于瞬时高电压和大电流“峰值保持型”驱动方式（用100～110V和17～20A打开；又用限流电阻以3～5A的电流，保持开启状态）。又称为，强劲、高频、量化控制方式。喷油器可小型化，又缩短了“无效喷射时间”，开启速度快，响应性好，计量准确。为此，喷油器的检测方式，应使用专门的仪器（MVT-2诊断仪），以防触电和逆变电源过载。所谓“无效喷射时间”—是因为电磁线圈有一定的阻抗，故开启时间较Tr管导通时间迟后，该时间无燃油喷出，故针阀升起和座落与喷油脉冲宽度并不吻合，故而需要改善。

三、缸内直喷式汽油机的工作原理：

1、气缸内涡流的运动—在进气过程中，通过“直立式进气管”，在气缸吸力的作用下，产生强大的下降气流，使充气效率得到提高。又在“顶面弯曲活塞”的作用下，形成比传统汽油机更强大的“滚动涡流”。这个滚动涡流，将压缩后期喷射出的旋转油雾，带到燃烧室中央的火花塞附近，及时点火燃烧，这是一种革新手段。2、高压旋转油雾的产生—高压旋转式喷油器，在压缩冲程的后期（此时，缸内压力为0.6～1.5Mpa），以5Mpa的高压喷射出旋转的油雾，卷入“滚动涡流”中，迅速吸热汽化，以层状混合状态，被卷到火花塞附近。此时，火花塞附近为“高浓度”混合气，极易点燃，缸内的燃气呈“稀包浓”状态（O2分子包围HC分子），在旋转中逐层的剥离，并从内向外稳定地、彻底的分层燃烧。“稀包浓”的超稀薄的混合气，空燃比A/F可达30~40：1，与传统的汽油机相比，节油率可达40%，可使排气中的CO、HC、NOx等有害物质大幅度降低。它与气缸壁间形成了绝热层，提高了热效率，使功率提高，油耗降低。

3、起动性能的提高：

因燃油为直接喷入气缸，无燃油的粘结损耗，又因火花塞处为高浓度混合气，与传统的均质混合方式相比，起动性能得到提高，发动机在1～2个循环，即可起爆运转。而传统的均质混合发动机，需要十几个循环，才能起爆运转。4、中小负荷工况时的喷油特点：

乘用车在市内行驶占有的时间为75%～85%，多在中、小负荷工况下工作，应在压缩行程后期喷油，以经济超稀薄混合气成分为主，为分层燃烧方式。5、大负荷工况时的喷油特点：

为了获得大负荷时的功率值（包括其他工况），应加浓可燃混合气，以动力性为主，采用“两次喷油方式”。第一次是在进气行程，喷入适量燃油，形成均质燃烧混合气，此为“补救功能”；此时，还可利用燃油的汽化热，来降低进气温度，提高充气效率。第二次是在压缩行程的后期喷油，形成浓稀不均的层状混合气，再点火燃烧。因此，在大负荷工况时，一个工作循环中，喷油器发生两次脉冲信号，脉冲宽度各不相同。

“两次喷射”的功能，也可在起动工况、急加速工况出现，以调节空燃比A/F的大小，改善使用性能。视频6、高压缩比的实现—汽油机高功率的输出：

一是，加大进气量；

二是，提高压缩比；

三是，控制燃烧过程。

传统式的电控喷射系统，因燃油质量的制约，压缩比已难突破10：1的大关，还需要使用辛烷值97#的汽油。而直喷式汽油机却能突破这个界限值，使压缩比提高到12~13：1。且对汽油的辛烷值无过高要求。究其原因如下：

（1）因吸入的空气量大幅度增加，进气冷却效果较好。因而，使对“爆燃”的抑制作用也加大。

（2）直接喷入气缸内的超稀薄混合气燃料的汽化热，可降低气体温度和增大空气密度的目的，因而不易产生“爆燃”（3）再因“缸内直喷”本来就具有不易产生“爆燃”的特性。因在压缩冲程后期喷油，燃油在燃烧室内滞留时间极短，使大幅度的提高压缩比成为可能，12~13：1的高压缩比成为现实。

注—爆燃的产生，是燃油滞留在气缸内的时间较长，己燃部分对未燃部分的挤压和辐射造成的，即未燃部分产生大量的极不稳的“过氧化物”，不等火焰传到，自行不正常的急速燃烧。可见，直喷式的汽油机只能对点火早晚敏感，不存在“过氧化物”这个问题。7、高压缩比和高速涡流及涡流分层高效率燃烧的结果，即：进气涡流、压缩涡流、燃烧涡流的综合效果，与传统的电喷汽油机相比，输出的功率和输出扭矩提高了10%。8、因为采用超稀薄混合气分层燃烧，使有害的NOx生成量加大，故来采用“存储式两级三元催化器”净化方式，使尾气在催化器中有较长的滞留时间（2s），从而使尾气中的CO、HC、NOx成分转化还原为CO2、H20、N2无害气体，并加装温度传感器监控。

再者，在中小负荷工况，使EGR系统投入工作，并采用较大的EGR率（传统式电喷系统为5%～15%，而GDI系统为20%），并采用专门的双级存储式的三元催化器TWC，进行废气净化处理。9、如果增装废气涡轮增压系统（如：奥迪A6L-2.0T-FSI乘用车），充气效率将进一步提高，空气密度加大，氧含量提高，燃烧条件进一步改善，动力性、经济性和净化性将明显提高。四、三菱车系的两种汽油机型的速度特性比较—

汽油机的速度特性，是在一定的节气门开度下，功率Pe、扭矩Me、油耗ge等参数，随转速变化的规律，它是衡量汽油机动力性、经济性好坏的重要指标。

注—扭矩曲线呈二次弯曲状，是可变配气相位机构投入工作造成的结果。五、三菱车系的两种汽油机型主要结构差异比较：应该说明：三菱车系GDI发动机的结构特点，除上述内容外，尚有如下特点：

（1）多采用卡门涡流式空气流量计，对进入的空气量计量检测。

（2）采用电机驱动的智能型节气门体，装有双电位器的加速踏板传感器（APS-1和2）和双电位器节气门位置传感器（TPS-1和2），提高了综合控制功能，简化了各控制系统的结构。

（3）采用了VTEC电控可变配气相位与升程的配气机构，使汽车的动力性、经济性、净化性得到大幅度的提高。

（4）其他控制系统与传统的电控喷油系统，包括各种传感器，无大的结构差异，极易使汽油机结构快速转型更新（缸盖、活塞、进气管），推广普及使用。六、三菱车系4G6—GDI发动机故障代码表：

1、三菱系列电喷系统的故障代码，是短接OBD—Ⅱ插座中的1#—4#孔，SW—ON，故障灯即闪显ECU代码。

2、消码—拆下保险合中ECI保险丝20秒。OBD-Ⅱ检测连接器三菱系列电喷系统的故障代码：七、典型车系供油系统介绍：

奥迪-2.0-T-FSI乘用车，为废气涡轮增压式缸内喷射汽油机，其供油系统特点是：

1、燃油压力传感器—是压敏电阻桥式电路，将轨道油压的高低以电压信号输入ECU中，以便ECU使仃供电磁阀动作，使高压油泵及时仃止供油。2、停供电磁阀—ECU发令使其推杆动作，高压油泵的进油片阀即常开，停止供油。

3、过压阀—为柱塞式溢流阀，当轨道油压高于规定值时，即泄油降压，维持轨道油压，起保护作用。4、高电压喷油器—采用65V高电压控制喷油，为强劲高频量化控制方式，频率响应性高。理论证明：电压值提高，电流值可大幅度减小，热负菏降低，喷油器可小型化。5、供油压力和喷油压力可变—其正常油压值为：低压为300Kpa；高压为5Mpa。当冷车起动时，为改善冷起动性能和热起性能，50s秒内低压升高为600Kpa；高压升高为10Mpa。6、为废气涡轮增压式缸内喷射汽油机，充气效率将进一步提高，动力性、经济性和净化性明显提高。

缸内直喷的代表——大众FSI和三菱GDI哪个更强？

大众对FSI技术的定义并非是燃油缸内直喷，而是FuelStratifiedInjection的字母简写，是燃料分层喷射的意思。这是实现燃料稀薄燃烧的基础。燃油的稀薄燃烧，供油系统会向气缸内喷入浓度较稀的燃油，在气缸内实际空然比要比理论空然比高，由于单纯利用火花塞放电的能量无法使混合气发火燃烧，而采用分层燃烧技术后，在燃料相对较浓的地方进行点火，利用较浓区域的燃料发火燃烧的能量引燃较稀区域的燃料，降低了点火能量，又实现了稀薄燃烧。由此看来，燃油分层燃烧技术是实现发动机稀薄燃烧的重要技术手段，而要实现燃油的分层燃烧就只有采用在气缸内直接喷油才能实现。大众的FSI技术和三菱的GDI技术就都是利用了燃油缸内直喷使燃油在燃烧室内逐层燃烧，来达到稀薄燃烧的目的。大众FSI那么大众是怎样利用在气缸内直接喷油实现分层燃烧的呢？我们前面提到大众的燃油缸内直喷技术并非是大众集团最早使用的，因此受到技术保护的限制，大众就不能采用和三菱GDI相同的结构。为了避免技术上的冲突，又实现缸内直喷的分层燃烧，大众的工程师可谓是想尽了办法，在多次试验的积累下，最终开放出独特的燃油分层燃烧技术。

大众的FSI发动机具有独特的燃烧室和活塞顶的结构发动机工作时，在一个工作循环过程中进行两次喷油，当发动机进入进气行程时，喷油器第一次向气缸内喷入较少的燃油，这与普通的电喷发动机再进气管内喷油类似，但由于喷油量较小，气缸内混合气浓度也相对较稀，在进入压缩冲程后，较稀的混合气甚至不能在火花塞发出的电弧下发火燃烧，这样就避免了汽油在高压缩比下产生爆燃，当进入压缩行程末段时，活塞还未运动到上止点时，喷油器在气缸内进行第二次喷油，此时，高速喷出的燃油在高压下，借助活塞顶部的特殊凹陷结构在气缸内形成的强涡流，运动到燃烧室顶部，在火花塞附近形成一个混合气浓度相对较高的区域，此处混合气的浓度足以保证火花塞放出的电弧能将其引燃，在涡流的作用下，火焰也很快的从混合气浓度较高的区域扩散到浓度较低的区域。利用这一过程，较高的压缩比和强大的涡流就使稀薄的混合气可以在气缸内充分燃烧，提高了汽油的燃烧效率，达到增大功率的同时又节省了燃油的消耗量。这就是大众的FSI发动机的工作过程，实际上，在这一过程中为了实现稀薄燃烧的目的，燃油的分层燃烧才是最核心的技术，而将燃油直接喷射到气缸中，只是实现汽油分层燃烧的技术基础。大众的FSI发动机要利用燃烧室内的涡流来实现分层燃烧的，当发动机转速很高时，由于空气流速过快，涡流反而不容易形成，这就不利于在火花塞附近形成相对混合气浓度较高的区域，也就不利于实现汽油的分层燃烧。因此我们不难得出这样一个结论：大众的FSI发动机是适用于低转速的发动机，其对低速时的燃油消耗有很大程度的削减。而在发动机高速运转时，空气流速较快，在气缸内的涡流效果明显下降，实现分层燃烧也就更为困难，为了避免这一现象，在高转速时发动机的喷油量就会相对有一定提高，此时的油耗也就会有些许提高。缸内直喷发动机的特点：均匀燃烧和分层燃烧。均匀燃烧：在全负荷时，燃油喷射与进气同步，燃油得到完全雾化，使混合汽均匀地充满燃烧室，自然会得到充分的燃烧，使发动机动力得到淋漓尽致的发挥。在均匀燃烧时有着和传统喷射发动机相同的空气与燃油混合比，即空燃比是14.7∶1。而燃油的蒸发又使混合汽降温，去除了爆震的产生。也就是说在均匀燃烧情况下，在获得高动力输出和扭矩值的同时付出了较低的燃油消耗。

缸内直喷发动机出色的经济性主要表现在部分负荷时的分层燃烧。

可燃混合物只分布在火花塞周围，换句话说，空燃比是14.7∶1的混合气集中在火花塞周围，在燃烧室的其他部分则是非常稀薄、接近纯空气的混合气。混合汽层的大小范围精确地反映了瞬时发动机动力的需求。在分层燃烧时，直到压缩行程时才喷射燃油，油雾直接进入燃烧室中的空气，而喷油就发生在点火前瞬间。发动机在中、低速时燃油非常节省。另一个优点是，在燃烧时空气层隔绝了热，减少了热量向汽缸壁的传递，从而减少了热量损失提升了发动机热效率。

燃油直喷发动机难以克服两个缺点：第一，该技术在比较柔和的驾驶方式才能实现分层燃烧，表现出较强的经济性；而在需要性能的时候就必须转换到均匀燃烧，这样的话就等于性能表现和省油表现不能同时满足。第二，缸内直喷发动机的噪音问题比较大，尤其在低转速的时候，其声音有些类似柴油机。这两个问题现在都不能从根本得到解决。国产FSI发动机为何技术缩水？“分层喷射”和“均匀喷射”两种运行模式的FSI发动机在奥迪中国的网站上却只变成了一种运行模式—“均匀喷射模式”。

从外观上看不出缩水的FSI发动机

没有分层喷射功能的缩水版FSI保留了“均匀喷射”工作模式，也就是说不论低负荷还是高负荷的工况，发动机都会进行燃料缸内均匀燃烧，但是喷油量依然还是根据进气量来精确控制的（GDI发动机的特性），以此保证原有的高动力输出和扭矩并实现较低的燃油消耗量。由于没有分层喷射功能，缩水版FSI在低速运行时的燃油经济性会低于有此功能的发动机，原因

汽油直喷发动机最精密的部分――喷油嘴

汽油直喷发动机最精密的部分就应该是喷油嘴了。喷油嘴是一个高精密度的零件，喷油量的多少就取决于其环形间隙开合的大小。为了保证精确的喷油量，环形间隙很小，误差极少。由于精度高间隙小，对粘附在间隙内的杂质的敏感性就高了，有一点杂质都会造成阻塞，导致供油不足。而积碳就是造成阻塞的主要的杂质。有资料表明，环形间隙内6/1000毫米厚的积碳就会使喷油嘴油量下降26%。它还会改变燃油喷射方向，导致混合气不均匀，使汽车动力性能下降。

很多人都认为积碳是由于使用燃油标号低造成的，多花点钱加注高标号汽油就可以缓解，可惜真