缸內(nèi)直噴發(fā)動機工作原理及檢修

1、3.4 3.4 缸內(nèi)直噴發(fā)動機工作原理與檢修缸內(nèi)直噴發(fā)動機工作原理與檢修 教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容：l1 1、GDIGDI發(fā)動機發(fā)動機l2 2、FSIFSI發(fā)動機發(fā)動機l3 3、TFSITFSI發(fā)動機發(fā)動機l4 4、TSITSI發(fā)動機發(fā)動機汽油噴射的三種技術(shù)汽油噴射的三種技術(shù)l （1）化油器式汽油機l （2）進氣管噴射電控汽油機l （3）缸內(nèi)直噴電控汽油機兩種燃油噴射方式汽油機兩種燃油噴射方式汽油機 缸內(nèi)燃油噴射發(fā)動機的優(yōu)點：缸內(nèi)燃油噴射發(fā)動機的優(yōu)點：l （1）脈沖增壓可以實現(xiàn)。l （2）可采用更大的氣門疊開角。l （3）進氣管內(nèi)無燃料沉積。l （4）進氣管造型不受制約。l （5）可以提高壓縮比。l

2、 （6）可以實現(xiàn)混合氣分層燃燒。l （7）可直接冷卻燃燒室部件。搞清幾個概念：搞清幾個概念：l（1 1）GDIGDI（Gasoline Direct Injection ）l 汽油直接噴射汽油直接噴射缸內(nèi)直噴發(fā)動機 l（2 2）FSIFSI（Fuel Stratified Injection ）l 燃油分層噴射燃油分層噴射缸內(nèi)直噴發(fā)動機 l（3 3）TFSITFSI（Turbo Fuel Stratified Injection ）l 帶渦輪增壓器的燃油分層噴射帶渦輪增壓器的燃油分層噴射缸內(nèi)直噴發(fā)動機 l（4 4）TSITSI（Twincharger（Fuel）Stratified Injec

3、tion ）l 帶機械增壓器和渦輪增壓器的燃油分層噴射帶機械增壓器和渦輪增壓器的燃油分層噴射缸內(nèi)直噴發(fā)動機3.4.1 GDI3.4.1 GDI發(fā)動機發(fā)動機 1 1、GDIGDI發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)基本組成發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)基本組成l 系統(tǒng)主要由低壓輸油泵、燃油壓力傳感器、噴油壓力控制閥、高壓油泵、蓄壓燃油軌、噴油器等組成。l 廣泛應(yīng)用內(nèi)開式旋流噴油器，只有一個噴孔，工作油壓為5.0-10MPa。 2 2、噴射模式、噴射模式l GDI分兩步噴射的過程，第一步在進氣沖程中噴射汽油以降低氣體溫度，適應(yīng)高壓縮比；第二步在壓縮沖程后期噴射汽油，形成上面闡述過的層狀混合氣形態(tài)。 多階段噴射模式單階段噴射模式

4、（1 1）單階段噴射模式）單階段噴射模式 l 在中小負荷時，燃油在壓縮行程后期噴入，實現(xiàn)混合氣分層稀燃并采用質(zhì)調(diào)節(jié)以避免節(jié)流閥的節(jié)流損失，從而使GDI汽油機達到與柴油機相當?shù)慕?jīng)濟性。l 在大負荷和全負荷時，燃油在進氣行程中噴入氣缸，實現(xiàn)均質(zhì)預(yù)混合燃燒，以保持汽油機升功率高的特點。 （2 2）多階段噴射模式）多階段噴射模式l 多階段噴射模式是指在進氣行程中先噴入所需燃料的1/4，形成極稀的均質(zhì)混合氣，其余燃料在壓縮行程后期再次噴入，形成分層混合氣。l 應(yīng)用該技術(shù)可實現(xiàn)發(fā)動機從中小負荷到大負荷的平穩(wěn)過渡，降低氣缸內(nèi)的氣體溫度，抑制爆燃的產(chǎn)生。 3 3、燃燒系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)l GDI發(fā)動機燃燒系統(tǒng)按噴

5、油器和火花塞的相對位置和混合氣的組織形式可以有3種類型：l（1 1）噴束引導(dǎo)法）噴束引導(dǎo)法燃油噴嘴靠近火花塞布置，火花塞位于燃油噴束的邊緣，這種方式的優(yōu)點是保證當整個燃燒室內(nèi)為稀薄混合氣時，火花塞周圍仍能形成可供點火的混合氣濃度。l Ford、Honda等公司生產(chǎn)的某些機型。l（2 2）壁面引導(dǎo)法）壁面引導(dǎo)法燃油噴嘴遠離火花塞布置，利用特殊形狀的活塞表面配合氣流運動，將燃油蒸氣導(dǎo)向火花塞并在火花塞間隙形成合適濃度的混合氣，l MITSUBISHI、TOYOTA、NISSAN等公司開發(fā)的機型。l（3 3）氣流引導(dǎo)法）氣流引導(dǎo)法同樣是燃油噴嘴遠離火花塞，利用缸內(nèi)有組織的氣流運動來達到上述目的。l

6、FEV、AVL等公司開發(fā)的機型。5 5、GDIGDI發(fā)動機的優(yōu)點發(fā)動機的優(yōu)點 與傳統(tǒng)式汽油機比較：與傳統(tǒng)式汽油機比較：l（1） 燃油經(jīng)濟性更好。l（2） 最高動力相似。l（3） 扭力更好，特別在低轉(zhuǎn)速時。l（4） 有害的氣體更少。 6、GDIGDI發(fā)動機存在的問題發(fā)動機存在的問題l （1）中小負荷下未燃碳氫（UBHC）的排放較多 。l （2）空燃比不在當量比附近，目前成熟的三元催化技術(shù)不能得到有效利用，因而NOx排放較高。GDI發(fā)動機較高的壓縮比和較快的反應(yīng)放熱率也會引起NOx升高。l 采用了采用了EGREGR技術(shù)解決這個問題。技術(shù)解決這個問題。 l （3）在低負荷、過渡工況和冷起動的情況下，

7、GDI發(fā)動機的微粒排放比進氣道噴射發(fā)動機有明顯增加。l （4）在理論要求的范圍內(nèi)控制分層混合氣的組織和燃燒較為困難。l （5）工況變化時（實現(xiàn)“早噴”和“遲噴”之間的平滑過渡）所要求的噴射策略較為復(fù)雜，發(fā)動機負荷的“無級”變化較難。l （6）氣缸內(nèi)的燃燒沉積物較多，使用高能點火，影響火花塞壽命。l （7）噴嘴本身無自潔作用，容易結(jié)構(gòu)污染。l （8）高壓供油系統(tǒng)零部件的磨損較快、成本較高等。l （9）結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可靠性、耐久性有待進一步檢驗。l （10）維護保養(yǎng)不便。三菱三菱GDIGDI發(fā)動機發(fā)動機 燃油噴射狀態(tài)燃油噴射狀態(tài)進氣過程噴射進氣過程噴射 壓縮過程噴射壓縮過程噴射渦流形成渦流形成 3

8、.4.2 FSI3.4.2 FSI發(fā)動機發(fā)動機 1 1、FSIFSI發(fā)動機的分層燃燒技術(shù)發(fā)動機的分層燃燒技術(shù)l把燃油直接噴射到汽缸中去，以獲得更好的點火和燃燒條件。通過對燃燒室內(nèi)部形狀的設(shè)計，讓混合氣能產(chǎn)生較強的渦流使空氣和汽油充分混合。然后使火花塞周圍區(qū)域能有較濃的混合氣，其他周邊區(qū)域有較稀的混合氣，保證在順利點火的情況下盡可能的實現(xiàn)稀薄燃燒。而這種在不同區(qū)域擁有不同混合氣濃度的燃燒技術(shù)叫做汽油機分層燃燒技術(shù)。 大眾大眾FSIFSI發(fā)動機分層燃燒技術(shù)示意圖發(fā)動機分層燃燒技術(shù)示意圖 大眾大眾FSIFSI發(fā)動機分層燃燒技術(shù)解析發(fā)動機分層燃燒技術(shù)解析l由于活塞頂部設(shè)計了一個利于成渦流的凹坑，汽油噴

9、射入活塞坑以后，可以向上運動到火花塞附近，在火花塞附近形成一個較濃的區(qū)域，有利于點火。當中心區(qū)域點燃以后，放出的熱量要大大高于火花塞點火能量，因此就很容易引燃周邊汽油濃度較小的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)稀薄燃燒 。大眾大眾FSIFSI發(fā)動機兩次燃油噴射示意圖發(fā)動機兩次燃油噴射示意圖 大眾大眾FSIFSI發(fā)動機兩次燃油噴射工作過程發(fā)動機兩次燃油噴射工作過程l 系統(tǒng)在一個運轉(zhuǎn)周期內(nèi)使用了兩次燃油噴射。l （1）第一次噴射是在吸氣行程的時候噴入部分汽油，讓汽油跟空氣能有充分的時間混合。l （2）第二次噴射，是在壓縮終了時活塞接近上止點的時候噴入部分汽油，讓火花塞周圍形成較濃的區(qū)域，利于點火。l 在整個壓縮過程中，活塞

10、頂部都在形成強烈的渦流，這樣空氣跟汽油就能混合得更均勻，燃燒更充分。2 2、FSIFSI發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)基本組成發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)基本組成l系統(tǒng)主要由低壓電動燃油泵、燃油濾清器、高壓電動燃油泵、燃油計量閥、燃油軌、燃油壓力傳感器、噴油器等組成。FSIFSI發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)示意圖發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)示意圖 充氣系統(tǒng)充氣系統(tǒng)lFSI發(fā)動機采用的是類似柴油機工作方式將高壓汽油直接噴入氣缸爆發(fā)燃燒以獲得動力。l相對于傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機而言，采用這種工作方式后，由于汽油直接噴入每一個氣缸，結(jié)合稀薄燃燒技術(shù)，使汽油直噴發(fā)動機在部分負荷范圍內(nèi)采用專門的充氣模式來工作成為了現(xiàn)實。FSIFSI發(fā)動機的三種工作方

11、式發(fā)動機的三種工作方式 l FSI發(fā)動機按照發(fā)動機負荷工況，可以自動選擇工作模式：l （1）在低負荷時為分層稀薄燃燒。l （2）在中間負荷狀態(tài)時，采用均質(zhì)稀混合氣模式。l （3）在高負荷時則為均質(zhì)理論空燃比（14.6-14.7）燃燒。l 在三種運行模式中，燃料的噴射時間有所不同，在三種運行模式中，燃料的噴射時間有所不同，真空作用的開關(guān)閥進行開啟真空作用的開關(guān)閥進行開啟/ /關(guān)閉來控制進氣氣流關(guān)閉來控制進氣氣流的形態(tài)。的形態(tài)。均質(zhì)混合氣模式均質(zhì)稀混合氣模式分層充氣模式（1 1）分層充氣模式）分層充氣模式l 在分層充氣模式下，過量空氣系數(shù)為1.63的稀混合氣。l 空氣經(jīng)過接近全開的節(jié)氣門引入燃燒室

12、。此時，進氣歧管閥將下部進氣道完全關(guān)閉，這樣吸入的空氣在上部進氣道流動的速度就加快了，于是空氣會呈旋渦狀流入氣缸內(nèi)?；钊系陌伎訒鰪娺@種渦旋流動效果，與此同時，節(jié)氣門會進一步打開，以便盡量減小節(jié)流損失。在壓縮行程上止點前約60時，高壓燃油以10-15MPa的壓力噴入到火花塞附近，混合氣形成只發(fā)生在40-50曲軸轉(zhuǎn)角之間。 分層充氣模式工作過程分層充氣模式工作過程 （2 2）均質(zhì)稀混合氣模式）均質(zhì)稀混合氣模式l 在均質(zhì)稀混合氣模式下，過量空氣系數(shù)為1.55左右的稀混合氣。l 在這種工作模式下，和分層充氣模式一樣，節(jié)氣門開度大，進氣歧管關(guān)閉。燃油在進氣沖程（點火上止點前300左右時）噴射，產(chǎn)生加

13、速稀薄混合氣燃燒的縱渦流，形成混合氣的時間也就比較長，有利于形成均勻的稀混合氣。均質(zhì)稀混合氣模式工作過程均質(zhì)稀混合氣模式工作過程 （3 3）均質(zhì)混合氣模式）均質(zhì)混合氣模式 l 在均質(zhì)混合氣模式下，過量空氣系數(shù)為1左右的理論混合氣。l 節(jié)氣門開度按照油門踏板的位置來控制，在發(fā)動機負荷較大且轉(zhuǎn)速較高時，進氣閥就會完全打開，于是吸入的空氣就經(jīng)過上、下進氣道進入氣缸。燃油在進氣沖程中噴射，燃油和空氣就有更充足的時間來混合，并且可以利用空氣的流動旋轉(zhuǎn)的渦流來擊碎燃油顆粒，使之混合更加充分，均質(zhì)混合氣易于燃燒，可不必借助渦流作用。均質(zhì)混合氣模式工作過程均質(zhì)混合氣模式工作過程 l FSI發(fā)動機的燃油系統(tǒng)由低

14、壓系統(tǒng)和高壓燃油系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。l 在低壓系統(tǒng)中，電動燃油泵把0.3-0.6MPa的燃油經(jīng)濾清器供應(yīng)給高壓泵，從高壓燃油泵來的回油直接進入燃油箱。低壓系統(tǒng)中，發(fā)動機正常工作時的工作壓力為0.3MPa左右，起動時達到0.6MPa左右的壓力。FSI發(fā)動機一般是以單柱塞高壓泵將從低壓系統(tǒng)中過來的低壓燃油加壓到1015MPa，然后送入共軌管，由共軌管再把燃油分配到各個高壓噴油器。共軌管設(shè)計的足夠大，以至于可以補償在噴油時產(chǎn)生的輕微的壓力波動。l 為了能在較短的時間內(nèi)噴出大量的燃油，F(xiàn)SI發(fā)動機使用高達90V的直流電壓來控制高壓噴油器。 l采用FSI技術(shù)，可實現(xiàn)空燃比等于30的稀混合氣模式，其節(jié)油效果最高可達20%。l因為在富氧環(huán)境中會產(chǎn)生大量的NOX，所以稀薄燃燒技術(shù)的一個障礙是NOX的凈化，為了解決此問題，F(xiàn)SI 發(fā)動機配置了NOX存儲式催化凈化反應(yīng)器。3 3、FSIFSI發(fā)動機的優(yōu)點發(fā)動機的優(yōu)點