汽车发动机缸内直喷培训课件.ppt

1、缸内直接喷射,汽油机供油方式的历史发展 对于汽油机的供油方式，就时间而言，可分为三个阶段：化油器式汽油机（carburation）、进气道多点电喷式汽油机（MPI）以及下面将要详细介绍的缸内直喷汽油机（GDI）。 当进入20世纪90年代时，已经拥有100多年历史的化油器式汽油机逐渐退出了汽车领域，取而代之的是进气道多点电喷汽油机，而到了90年代的中后期，又出现了以分层稀燃为主要特征的汽油机缸内直喷技术。下图中给出了该三种类型汽油机供油方式的变迁。,这三种供油方式的主要差别在于燃料出口的位置：化油器式汽油机是在进气管道的化油器位置上吸出燃料，并与空气混合，从而雾化形成可燃混合气，然后经过气门进入

2、气缸进行燃烧（如图1左图所示）；进气道多点电喷汽油机则是在进气歧管，即在气门之前的位置上喷射燃料，然后经气门进入气缸（见图1中图）；而缸内直喷汽油机，顾名思义，就是在气缸内直接喷射燃料（图1右图）。 抛去已经相对比较落后的化油器式汽油机（在经济性以及环保性等方面，都与另两种方式没什么可比性了）不讲，我们来看看MPI与GDI之间的比较。,首先，MPI当进气门关闭时发动机将燃油喷在各缸进气阀的背面，在进气冲程时才使油气混合物进入气缸。在冷起动时，由于此时蒸发并不完全，燃油会在进气道、进气阀背部表面形成油膜和油坑，使得实际喷入的燃油量远远超过理论值，以致在启动的前410个循环中会明显出现失火或部分燃

3、烧现象，导致HC的排放显著增加。而GDI由于在缸内直喷，避免了进气道湿壁，没有MPI的问题，从而在冷起动时HC排量不高，在第2个工作循环时即可正常运转。,其次，MPI的另一个局限性在于负荷的变化依靠节气门的调节，虽然节气门控制对MPI来说已经发展为非常成熟的技术，但它所带来的热动力损失是相当大的，利用节气门来调节都会产生泵吸损失，且会使发动机在低负荷时热效率降低。而GDI不需要节气门来调节负荷，从而提高了在部分负荷时的容积效率，改善了燃油经济性。,另外，在利用燃油冷却充质方面，MPI的燃油的蒸发主要依赖于进气道和进气阀等热源对油膜的热传递，因而无法显著冷却充质；而对GDI而言，燃油是以较细的雾

4、化颗粒形式进入气缸，从周围的空气中取得热能，有效地冷却了充质。 从上面的比较中，我们可以很清晰的了解到，GDI比MPI在燃油经济性以及排放性等方面都有长足的进步。图2是三种方式以及柴油机的性能比较简图。,从图中我们看到，在燃油经济性方面，GDI甚至已经超过了柴油机，并且成功实现了汽油机的稀燃；而在功率输出方面，GDI也是遥遥领先于其他两种方式。可见，虽然GDI还有一些技术问题需要解决，但是显然缸内直喷技术已经是汽油机发展的大势所趋。,自1996年三菱汽车公司推出了第一款商品化的缸内直喷式汽油机（GDI）后，Toyota在同年稍后则推出了名为D-4的GDI发动机，日产公司在第二年也推出了自己的G

5、DI机型。从此，人们追求了几十年的GDI汽油机开始了商品化的里程。 雷诺汽车公司在1999年研究开发的商品化GDI，也标志着欧洲开始加入GDI的发展行列之中。之后，大众公司将GDI发动机装在了Lupo-1.4升轿车上，Citeron则于2001年推出了相应的GDI产品。大众公司甚至已经宣称，要在2005年将其所有的汽油机都改为GDI。,1.燃烧系统和结构 GDI燃烧系统包含组织缸内空气运动的元件和喷油器,混合气 的生成往往离不开活塞顶凹坑(燃烧室)的配合,火花塞也很能重要.,1)油束控制燃烧系统 火花塞靠近喷油器,喷油后形成充量分层,可以不受限制地将负荷降低到=8的怠速负荷.但会出现燃油润湿火

6、花塞的问题. 2)壁面控制燃烧系统 喷油器将油束喷到活塞凹坑中,然后由气流将燃油送往火花塞。采用立式进气道，形成顺向翻滚气流。 3)气流控制燃烧系统 利用轮廓分明的缸内气流与油速相互作用形成充量分层和 混合气均质化，缸内气流变成逆向翻滚气流。,2.燃油供给系统的组成,1)低压油泵 低压油泵是电动泵,并联一个机械式燃油压力调节器,出口压力为0.35MPa. 2)高压油泵 高压油泵由发动机的凸轮轴驱动在0.35MPa基础上将油压提高到12MPa. 3)燃油蓄压器 用铝制成管状,上有用于连接高压油泵、喷油器、燃油 压力传感器和燃油压力控制阀。 4）燃油压力传感器 用于测定燃油蓄压器中的压力，测量电阻

7、采用薄膜技术。,5)燃油压力控制阀 其任务是在发动机 的整个运行范围内按照 特性场数据调节系统压 力。实现对燃压力的闭 环控制。,6)电磁高压涡流喷油器 多孔型 多孔型喷油器的油束互相离散，较难均匀化，雾化特性不佳。 锥型 锥面型喷油器的雾化质量也不佳。 涡流型 涡流喷油器的雾化质量优良，油束可倾斜，耐脏， 适宜用于汽油直喷。,3.控制策略 1)按工况区分控制模式 GDI之所以能节油20，主要是低 工况范围无节流损失的超稀薄燃烧，采用充气分层，而充气分 层离不开推迟喷油的配合。高工况范围恰恰相反，强调的是提 高转矩和功率，必须采取略稀或1的混合气。,2)转矩控制策略 低工况加速质调节 高工况加

8、速量调节,3)模式切换策略 低工况质调节和高工况量调节两种模式间的切换需要进行 控制。 （1）切换前，节气门必须先关闭，进气压力下降，A/F， 此时必须避开A/F=1923的禁区，质调节在A/F22（1.5） 左右时会产生黑烟;而采用变量调节时A/F超过19 （=1.3） 左右时会发生燃烧不稳定甚至缺火.所以切换点要增加喷油量, 使A/F突变,迅速越过上述禁区 （2） A/F突然会使转矩突然，为使转矩保持恒定，必须减小点火提前角，以抵消影响。,4)怠速转速控制策略 在怠速工况下， A/F达到40时的燃烧速率大致与全负荷工况相同，而且随着转速的降低，燃烧速率和稳定性改善，可选空燃比40。,稀燃技

9、术 车用汽油机稀燃及实现技术稀燃是指发动机在空燃比/大于理论空燃比情况下的燃烧 .稀燃时 ,燃料可以燃烧完全 ,有害排放物 , , 和2 都较少 .由于稀燃时燃烧室内的主要成份为2和2 ,它们的比热比较小 ,多变指数较高 ,因而热效率高 ,燃油经济性好 .实现稀燃技术的关键是点火瞬时在火花塞处形成易于着火的浓混合气 ,空燃比/ =1 2 1 3.5 ,其余处为稀薄混合气 .可以提高稀燃能力 ,缩短火焰发展期和燃烧持续时间 ,但稀燃使火焰传播速度变慢 .因此 ,应采取相应的措施来促进缸内混合气分层及加快火焰的传播 。,1.着火极限问题和解决措施 均质混合气（）1.4或A/F 20.85时,过稀的

10、混合气便 达到了着火极限. 稀薄燃烧发动机的空燃比可以高达50100,远远大于着火极 限,主要措施有加强雾化、组织一定的气流运动，改进点火系统和 采用分层燃烧技术。 加强雾化 任务是使燃油的颗粒细化，使油粒均匀分布，目的 是增加蒸发气化面积以增大燃烧率。 组织燃烧室内气流速度 组织进气涡流和挤气涡流。 改进点火系统 高能点火,2.分层燃烧技术 点火瞬时在火花塞处形成易于着火的浓混合气 ,空燃比/ =1 2 1 3.5 ,着火后其它区域的混合气即使很稀，也能点燃、 传播火焰并继续燃烧。 分层燃烧：在火花塞附近的混合气浓一点，其他的混合气稀 一点。 均质燃烧：混合气浓度基本不变的。 通过分层燃烧，

11、可A/F值，大多数稀燃发动机都采用分层 燃烧方式。一般在中小负荷工况时采用分层燃烧，在大负荷时采 用弱分层燃烧。,分层燃烧的方案： 1）单室式 单室式主要利用喷油嘴喷油所形成的旋转气流，火花塞、喷 油器与燃烧室的匹配，以及供油方式和热处理等各种方式进行分 层稀燃。喷油嘴在火花塞附近造成较浓的混合气，并在气流的扰 动下，产生较好的效果。A/F值可达100。 如三菱的GDI、丰田的D4和大众的FSI均为单室式。,2）双室式 双室式由主副双室构成，其空燃比可达到A/F=37。,3）点火正时控制,混合气变稀,则着火落后期和速燃期都长,实现最佳转矩的最小点火提前角(MBT)将增大,随着缸内空气运动的增强

12、, MBT明显减小,燃烧速率将变得对点火正时十分敏感. 点火正时还要考虑、空气运动状况和喷油正时等因素。 总之，随着的增大，点火提前角应增大。,4）闭环控制,稀薄燃烧发动机的过量空气系数超出常规， 的大小影响着发动机的性能和排放，给发动机工作带来困难，所以要用闭环控制。 （1）目标 过稀造成燃烧不稳定， 不能超越燃烧极限，为了提高发动机的动力性，在高工况时不能实行稀薄燃烧。 （2）实施 采用片式宽带氧化传感器（线性氧传感器），从0.82.5。 （3） 切换控制策略 ECU根据汽车工况切换发动机工作中的混合气浓稀，从加速到巡航切换回混合气浓度的过程中迅速跳过为控制NOX所设的禁区。,5）燃烧极限

13、控制,混合气浓度接近稀燃极限时，燃烧开始不稳定，平均指示压力的波动 明显增大。可用两个步骤检测并控制稀燃极限： （1）利用脉冲盘感应传感器检测曲轴角速度。调整各缸喷油量。 （2）在一个气缸内装有燃烧压力传感器，以检测稀燃极限。采集压力数据，如循环之间转矩波动过大，便可知该缸混合气已超过稀燃极限，必须增加喷油量，以免发生缺火；如果转矩波动过小，应当减少喷油量，使混合气变稀，以节油和降低NOX排放。,三菱经典GDI,（1）两种燃烧模式的燃油喷射 三菱公司使用了自己独特的技术，使得GDI发动机既具有低的燃油消耗又有高的功率输出。这种看上去矛盾的性能是靠采用了2种燃烧模式来实现的。换句话来说，就是喷射

14、正时随着发动机负荷的变化而变化。 对于中低速情况，GDI使燃油在压缩冲程后期喷射，就好象柴油机一样。这么做可以形成理想的分层空燃混合气，从而实现稀薄燃烧。当高转速时，燃油在进气冲程时喷射，这样就可形成均质空燃混合气，和传统的MPI发动机一样实现高功率输出。,所以GDI主要有以下两种燃烧模式： 分层燃烧模式：（Stratified Mode）主要应用在中低转速以及负荷情况下。燃料在火花塞点燃之前喷入燃烧室，于是燃油在燃烧室几乎没有时间与空气混合。这样，就使得燃油空气混合气的成分在燃烧室内不均匀分布。在火花塞附近较浓，而在与之较远处则相对比较稀薄。 这样一方面火花塞的点燃需要有较浓的混合气，而另一

15、方面整个混合气的成分又比较稀薄，从而很好地减少了燃油的消耗，此时的空燃比可达到40左右。 均质燃烧模式：（Homogeneous Mode）主要应用在高负荷条件下，用来提供大功率。该模式中，燃油在进气冲程早期就已喷射入发动机，给予燃油与空气充分的时间在燃烧室均一地混合，并形成较浓的可燃混合气。由于混合气混合平均，且温度较低，从而又降低了发动机敲缸的可能。,（2）三菱GDI基础技术 总体来说，三菱公司是采用了四个关键技术来实现GDI的。立式吸气口使最理想的气流进入气缸；弯曲顶面活塞通过对燃油空气混合气定形来控制燃烧；高压燃料泵提供了缸内直接喷射的必要压力；而高压旋转喷射器控制了燃料喷雾的蒸发和扩

16、散。 这些基础技术与其他燃料控制技术的结合让三菱的GDI发动机实现了低燃油消耗以及高功率输出。在下文将分别进行详细介绍。,立式吸气口代替了原先在传统发动机中使用的横向进气口，通过来自上方的强大下降气流，形成与以往发动机相反的缸内空气流，即纵向涡流转流（如图4所示）。 三菱的GDI活塞顶面如图5所示，称为弯曲顶面活塞，它由于缩小了燃烧室的容积，有助于形成强势涡流，并提高了压缩比，使得压缩比可达12：1，比以往发动机高出1/3左右；另一方面，它还增强了纵向涡流转流。值得一提的是，这样的活塞顶面形状是通过先进的缸内观察技术（甚至包括了激光技术）来实现优化的。,图5 弯曲顶面活塞,随着缸内压力的提高，

17、则需要高压燃料泵以高压的方式将燃料送进燃烧室内。为了避免汽油机高压缩比时容易产生的爆燃现象，GDI采用两步喷射过程，首先在进气冲程时进行喷射使得气体温度降低，适应高压缩比；第二步则在压缩冲程后期喷射，形成层状混合气。 新开发的高压旋转喷射器提供了满足所有发动机操作方式的理想喷射模式，同时又使整个燃油喷束旋转，从而充分雾化燃料（图6左）。另外根据上述的两种不同模式，其喷射方式也有所不同，具体可见图6右边的比较图。,（3）低燃油消耗 在传统的汽油机中，在火花塞周围以最理想的密度扩散可燃混合气是相当困难的。然而，在GDI中这完全可能实现。甚至由于理想的分层燃烧使得燃油可以在压缩冲程后期喷射来维持极稀

18、的可燃混合气，GDI的燃油消耗可以低到极点！ 一台供分析使用的发动机已经证明了，在分层燃烧模式中空气与燃油可以以理想的密度在火花塞周围混合而成。除此之外，这个结论根据对点火之前的燃油喷射情况的分析得到证实。所以，空燃比为40的稀薄混合气的稳定燃烧是可实现的（见图7）。,图7上图描述了燃油二次喷射的整个过程，而下图为空燃比为40（包括EGR则为50）的稀薄燃烧现象。,图7 燃油二次喷射 及稀薄燃烧,图 奔驰C级轿车1.8L CGI汽油缸内直喷发动机,图 奔驰C级轿车1.8L CGI汽油缸内直喷发动机,GDI的分层混合燃烧在降低空燃比的同时，并不会导致不正常的燃烧。例如，当发动机怠速时，此时的燃烧

19、是最不稳定的，而GDI发动机即使在可燃混合气极其稀薄（空燃比为40）的情况下依然维持一个稳定以及快速的燃烧状态。另外，它还提供了在设置怠速方面更大的灵活性。与传统发动机相比，GDI的怠速燃油消耗减少了近40%，如图8所示。,图8 怠速时的燃油消耗,除怠速之外，在40km/h的速度时，GDI也比同类型的传统发动机节省35%的燃油消耗，如图9所示。,图9 40km/h速度 下的燃油消耗,在15工况的测试中（大致可近似为城市驾驶），GDI比同类型传统发动机节省了35%（见图10）。甚至于该测试的结果还表明，GDI发动机的燃油消耗性能比柴油机还要好。,图10 15工况燃油经济性比较,在排放性能方面，

20、由于GDI产生的高压高 温环境会产生NOx的排 放过高，GDI采用了高 EGR率（排气再循环） 使得NOx的排放低了 97%，如图11所示。,图11 NOx排放（40km/h）,（4）高输出功率 为了实现比传统MPI发动机更高的功率输出，GDI发动机具有高压缩比以及更有效率的空气进气系统，从而使得体积效率得到很大的改进。 首先，立式吸气口使得空气进气更平滑，而在压缩冲程后期，燃油在缸内的蒸发则冷却了空气，从而提高了体积效率，具体可见图12。,其次，通过燃油的蒸发冷却缸内的空气还具有抵制发动机敲缸的功能。因此，GDI发动机允许压缩比高达12，从而更大程度地提高了燃烧效率，在图13中，我们可以清晰

21、地看到GDI发动机比传统MPI的压缩比要高不少。 在动力输出方面，GDI发动机的输出功率及扭矩都要比传统MPI要高10%左右，从而使得GDI在加速性能方面也要提高不少，具体可见图14。,图13 压缩比比较图,图14 功率、 扭矩比较图,所以说，三菱公司 所推出的这款GDI发动 机确实真正将高燃油经 济性与高动力性的优点 结合在了一起，也给了 后来其他GDI发动机的 出现打好了扎实的基础， 可以说这确实是汽油机 技术的一个重大的里程 碑。,图15 三菱GDI发动机实物图,GDI的氮氧化物排放：虽然GDI发动机可以降低整体的废气排放污染，但是同时它有一个非常大的缺点，那就是氮氧化物的排放非常高。为

22、了减小这类污染物的排放，需要采用有效的有针对性的三元催化装置才能保证尾气的排放达到环保部门的要求。但是在国内，油品中的含硫量非常高，这种含硫量高的汽油燃烧后很容易产生硫化物，这种硫化物会让催化器中毒，从而导致催化反应失效，这样一来GDI发动机高排放的氮氧化物无法得到还原处理。这也就是为何到目前为止，国内没有一款匹配GDI发动机的车型销售（包括进口汽车）的原因了。,对于三菱GDI发动机在排放方面的缺陷，雷诺开发出了更好的解决办法。雷诺的IDE发动机是其首次在欧洲推出的缸内直喷发动机，它使用了另一种不同的设计彻底解决了三菱GDI发动机的问题。IDE仍然采用了空气和燃油稀薄混合，但同时加大了EGR阀

23、废气循环量。EGR是ExhaustGasRecirculation的缩写，翻译成中文就是废气再循环的意思。这项技术可以减小燃油消耗量，并且有效的降低燃烧温度这一点，就是它有效解决GDI发动机排放问题的根源,分层燃烧的好处在于热效率高、节流损失少、有限的燃料尽可能多地转化成工作能量。分层燃烧模式下节气门不完全打开，保证进气管内有一定真空度（可以控制废气再循环和碳罐等装置）。这时，发动机的扭矩大小取决于喷油量，与进气量和点火提前角关系不大。,TSI发动机,TSI是turbo-charging super-charging（涡轮,机械增压）和Fuel Stratified Injection（燃油分层直喷）三个关键特色的首字母缩写。,机械增压,机械增压器采用皮带与曲轴皮带盘连接，