缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)工作

1、缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)（GDI ）工作原理1缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)（Gasoline Direct Injection） 簡(jiǎn)稱：GDI系統(tǒng)；又因?yàn)槿加褪欠謱尤紵‵uel Stratified Injection） 故又稱：FSI系統(tǒng)。 傳統(tǒng)式的電噴汽油機(jī)，是將汽油噴射在進(jìn)氣門(mén)外側(cè)的進(jìn)氣歧管中，在進(jìn)氣過(guò)程和壓縮過(guò)程中，利用時(shí)間和空間的均質(zhì)混合方式，完成可燃混合氣的形成，再點(diǎn)火燃燒作工。2這樣，燃油在氣缸內(nèi)滯留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（接近360曲軸轉(zhuǎn)角），燃油的粘結(jié)損耗較大，加速響應(yīng)性低，極易產(chǎn)生“爆燃”，氣缸磨損加大。能否和柴油機(jī)一樣，在壓縮終了，往缸內(nèi)直接噴射燃油，迅速混合點(diǎn)火燃燒，這只是人們多少年來(lái)的一個(gè)夢(mèng)想。3一

2、、電控汽油噴射系統(tǒng)的重大變革：1、三菱汽車公司和豐田汽車公司，在上個(gè)世紀(jì)的九十年代，即研發(fā)出“高靈敏度、高壓縮比、超稀薄混合氣”的缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)。壓縮比可達(dá)1213：1，實(shí)現(xiàn)了“低油耗、低污染、高功率”的夢(mèng)想。42、它拋棄了傳統(tǒng)的利用空間和時(shí)間的均質(zhì)混合方式，采用缸內(nèi)強(qiáng)渦流運(yùn)動(dòng)混合方式，在壓縮沖程的后期，和柴油機(jī)一樣，直接向缸內(nèi)噴射燃油，實(shí)現(xiàn)“質(zhì)的調(diào)節(jié)”，它對(duì)燃油的質(zhì)量要求不高，擺脫了汽油質(zhì)量對(duì)壓縮比提高的制約。相繼點(diǎn)火后，實(shí)現(xiàn)分層燃燒，利用A/F=3040：1的超稀薄混合氣穩(wěn)定燃燒，極大的改善了汽油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、凈化性。53、我國(guó)上海大眾和一汽大眾己引進(jìn)生產(chǎn)了“斯克達(dá)-明銳”（SKO

3、DA-Octavia-1.8T-FSI）和“邁騰”（Magotan-1.8T-FSI）缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)乘用車，己經(jīng)投入市場(chǎng)。隨著汽車保有量和排放污染物的驟增，以及社會(huì)環(huán)保法規(guī)要求的提升，缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)將成為今后“時(shí)代的寵兒”。6二、缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)的主要結(jié)構(gòu)： 缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)，是在傳統(tǒng)的電控噴射系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)研發(fā)的。在其他結(jié)構(gòu)方面無(wú)過(guò)多的變化，只是在可燃混合氣的形成方法上，和燃燒過(guò)程方面發(fā)生了概念性的變革。僅就GDI系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)介紹：71、直立式進(jìn)氣管產(chǎn)生下降大進(jìn)氣流，直接流入氣缸，流速快，可達(dá)4050m/s，充氣效果好。與傳統(tǒng)的橫向進(jìn)氣管相比，它的進(jìn)氣渦流方向是相反旋轉(zhuǎn)，噴油后能在

4、火花塞處形成濃油霧區(qū)，極易點(diǎn)火燃燒，起動(dòng)性能好，能實(shí)現(xiàn)分層燃燒。82、頂面彎曲活塞引導(dǎo)空氣產(chǎn)生進(jìn)氣渦流和擠壓高速旋轉(zhuǎn)渦流，以便形成理想地分層燃燒的可燃混合氣。旋轉(zhuǎn)渦流為“正向渦流”，與傳統(tǒng)的“逆向渦流”方向相反，有利于混合氣按濃稀方式層狀分布，進(jìn)行分層燃燒。93、采用兩級(jí)串聯(lián)式供油泵低壓供油泵為電動(dòng)渦輪式，油壓為0.35Mpa；高壓供油泵為往復(fù)柱塞式，由凸輪軸驅(qū)動(dòng)，使燃油軌道的油壓不斷堆積，產(chǎn)生55.5Mpa的噴射油壓，經(jīng)噴油器高速噴入氣缸，提高了霧化質(zhì)量，形成旋轉(zhuǎn)的燃?xì)鉁u流。10三角形凸輪驅(qū)動(dòng)油泵柱塞吸油和壓油，能快速平穩(wěn)的建立起油壓，當(dāng)軌道壓力達(dá)規(guī)定值（5Mpa）后，壓力傳感器信號(hào)通過(guò)EC

5、U使仃供電磁閥斷電OFF，彈簧將進(jìn)油閥頂開(kāi)，高壓供油泵即短暫仃止供油。114、軌道壓力傳感器是壓敏電阻制成的橋式電路傳感器，原理與傳統(tǒng)的進(jìn)氣管壓力傳感器Map類同。為ECU提供軌道內(nèi)燃油壓力的高低，當(dāng)壓力達(dá)5Mpa時(shí)，ECU指令仃供電磁閥斷電OFF，其彈簧推開(kāi)高壓油泵的進(jìn)油閥，使高壓油泵仃止吸油而仃供。此時(shí)，低壓油泵也同步仃止供油，維持規(guī)定的油壓。125、高壓旋流式噴油器由ECU直接用脈沖電流的寬度，控制噴油量的多少，利用特殊的噴孔形狀，向氣缸內(nèi)噴出旋轉(zhuǎn)的霧狀燃油，與擠壓渦流快速的混合，以便點(diǎn)火燃燒。它沒(méi)有進(jìn)氣管沉積油膜的缺點(diǎn)，又因噴油壓力較高，噴油器的自潔功能高，不易產(chǎn)生臟堵故障。136、特

6、別指出：噴油器是屬于瞬時(shí)高電壓和大電流“峰值保持型”驅(qū)動(dòng)方式（用100110V和1720A打開(kāi)；又用限流電阻以35A的電流，保持開(kāi)啟狀態(tài)），又稱，強(qiáng)勁、高頻、量化控制方式。14噴油器可小型化，又縮短了“無(wú)效噴射時(shí)間”，開(kāi)啟速度快，響應(yīng)性好，計(jì)量準(zhǔn)確。所謂“無(wú)效噴射時(shí)間”是因?yàn)殡姶啪€圈有一定的阻抗，故開(kāi)啟時(shí)間較Tr管導(dǎo)通時(shí)間遲后，該時(shí)間無(wú)燃油噴出，故針閥升起和座落與噴油脈沖寬度并不吻合，故而需要改善。 15為此，噴油器的檢測(cè)方式，應(yīng)使用專門(mén)的儀器（MVT-2診斷儀），以防觸電和逆變電源過(guò)載。16三、缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)的工作原理：1、氣缸內(nèi)渦流的運(yùn)動(dòng)在進(jìn)氣過(guò)程中，通過(guò)“直立式進(jìn)氣管”，在氣缸吸力的作

7、用下，產(chǎn)生強(qiáng)大的下降氣流，使充氣效率得到提高。又在“頂面彎曲活塞”的作用下，形成比傳統(tǒng)汽油機(jī)更強(qiáng)大的“滾動(dòng)渦流”。這個(gè)滾動(dòng)渦流，將壓縮后期噴射出的旋轉(zhuǎn)油霧，帶到燃燒室中央的火花塞附近，及時(shí)點(diǎn)火燃燒，這是一種革新手段。172、高壓旋轉(zhuǎn)油霧的產(chǎn)生高壓旋轉(zhuǎn)式噴油器，在壓縮沖程的后期（此時(shí)，缸內(nèi)壓力為0.61.5Mpa），以5Mpa的高壓噴射出旋轉(zhuǎn)的油霧，卷入“滾動(dòng)渦流”中，迅速吸熱汽化，以層狀混合狀態(tài)，被卷到火花塞附近。此時(shí)，火花塞附近為“高濃度”混合氣，極易點(diǎn)燃。缸內(nèi)的燃?xì)獬省跋“鼭狻睜顟B(tài)（O2分子包圍HC分子） ，它與氣缸壁間形成了絕熱層，提高了熱效率，使功率提高，油耗降低。183、高速燃燒渦流

8、的產(chǎn)生“稀包濃”的強(qiáng)燃燒渦流，因未燃物和己燃物溫度、密度和離心力的差異，在旋轉(zhuǎn)中逐層的換位和剝離（未燃物溫度低、密度大、離心力大，向外移動(dòng)；己燃物溫度高、密度小、離心力小，向內(nèi)移動(dòng)），并從內(nèi)向外穩(wěn)定地、徹底的分層燃燒。19“稀包濃”狀態(tài)的燃?xì)鉁u流，與氣缸壁間產(chǎn)生絕熱層，從而提高了熱效率。因高壓縮比和高速?gòu)?qiáng)渦流及渦流分層高效率燃燒的結(jié)果，即：進(jìn)氣渦流、壓縮渦流、燃燒渦流的綜合效果，與傳統(tǒng)的電噴汽油機(jī)相比，輸出的功率Pe和輸出扭矩Me提高了10%。20超稀薄的混合氣，空燃比A/F可達(dá)3040：1，與傳統(tǒng)的汽油機(jī)相比，因燃燒過(guò)程和燃燒溫度控制的合理，節(jié)油率可達(dá)40%，可使排氣中的CO、HC、NOx等

9、有害物質(zhì)大幅度降低。 21 4、起動(dòng)性能的提高：因燃油為直接噴入氣缸，無(wú)燃油的粘結(jié)損耗，又因火花塞處為高濃度混合氣，與傳統(tǒng)的均質(zhì)混合方式相比，起動(dòng)性能得到提高，發(fā)動(dòng)機(jī)在12個(gè)循環(huán)，即可起爆運(yùn)轉(zhuǎn)。而傳統(tǒng)的均質(zhì)混合發(fā)動(dòng)機(jī)，需要十幾個(gè)循環(huán)，才能起爆運(yùn)轉(zhuǎn)。225、中小負(fù)荷工況時(shí)的噴油特點(diǎn)：乘用車在市內(nèi)行駛占有的時(shí)間為75%85%，多在中、小負(fù)荷工況下工作，應(yīng)在壓縮行程后期噴油，以經(jīng)濟(jì)超稀薄混合氣成分為主，為分層燃燒方式。236、大負(fù)荷工況時(shí)的噴油特點(diǎn)：為了獲得大負(fù)荷時(shí)的功率值（包括其他工況），應(yīng)加濃可燃混合氣，以動(dòng)力性為主，采用“兩次噴油方式”。第一次是在進(jìn)氣行程，噴入適量燃油，形成均質(zhì)燃燒混合氣，此

10、為“補(bǔ)救功能”；此時(shí)，還可利用燃油的汽化熱，來(lái)降低進(jìn)氣溫度，提高充氣效率。第二次是在壓縮行程的后期噴油，形成濃稀不均的層狀混合氣，再點(diǎn)火燃燒。24因此，在大負(fù)荷工況時(shí)，一個(gè)工作循環(huán)中，噴油器發(fā)生兩次脈沖信號(hào)，脈沖寬度各不相同?！皟纱螄娚洹钡墓δ?，也可在起動(dòng)工況、急加速工況出現(xiàn)，以調(diào)節(jié)空燃比A/F的大小，改善使用性能。257、高壓縮比的實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)高功率的輸出：一是，加大進(jìn)氣量；二是，提高壓縮比；三是，控制燃燒過(guò)程。傳統(tǒng)式的電控噴射系統(tǒng)，因燃油質(zhì)量的制約，壓縮比已難突破10：1的大關(guān)，還需要使用辛烷值97#的汽油。而直噴式汽油機(jī)卻能突破這個(gè)界限值，使壓縮比提高到1213：1。且對(duì)汽油的辛烷值無(wú)過(guò)高

11、要求。究其原因如下：（1）因吸入的空氣量大幅度增加，進(jìn)氣冷卻效果較好。因而，使對(duì)“爆燃”的抑制作用也加大。 （2）直接噴入氣缸內(nèi)的超稀薄混合氣燃料的汽化熱，可降低氣體溫度和增大空氣密度的目的，因而不易產(chǎn)生“爆燃”26（3）再因“缸內(nèi)直噴”本來(lái)就具有不易產(chǎn)生“爆燃”的特性。因在壓縮沖程后期噴油，燃油在燃燒室內(nèi)滯留時(shí)間極短，使大幅度的提高壓縮比成為可能，1213：1的高壓縮比成為現(xiàn)實(shí)。 注爆燃的產(chǎn)生，是燃油滯留在氣缸內(nèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，己燃部分對(duì)未燃部分的擠壓和輻射造成的，即未燃部分產(chǎn)生大量的極不穩(wěn)的“過(guò)氧化物”，不等火焰?zhèn)鞯剑孕胁徽５募彼偃紵??？梢?jiàn)，直噴式的汽油機(jī)只能對(duì)點(diǎn)火早晚敏感，不存在“過(guò)氧化

12、物”這個(gè)問(wèn)題。278、因?yàn)椴捎贸”』旌蠚夥謱尤紵?，使有害的NOx生成量加大，故來(lái)采用“存儲(chǔ)式兩級(jí)三元催化器”凈化方式，使尾氣在催化器中有較長(zhǎng)的滯留時(shí)間（2s），從而使尾氣中的Co、Hc、NOx成分轉(zhuǎn)化還原為CO2、H20、N2無(wú)害氣體，并加裝溫度傳感器監(jiān)控。 28再者，在中小負(fù)荷工況，使EGR系統(tǒng)投入工作，并采用較大的EGR率（傳統(tǒng)式電噴系統(tǒng)為5%15%，而GDI系統(tǒng)為20%），并采用專門(mén)的雙級(jí)存儲(chǔ)式的三元催化器TWC，進(jìn)行廢氣凈化處理。29廢氣量的控制：雙計(jì)量系統(tǒng)的EGR裝置的空氣流量計(jì)AFS和進(jìn)氣管壓力傳感器MAP，能精密的測(cè)出新鮮空氣的質(zhì)量值和壓力值，廢氣進(jìn)入進(jìn)氣管后，管內(nèi)壓力即升高，

13、比較后即得出廢氣量值。309、如果增裝廢氣渦輪增壓系統(tǒng)（如：奧迪A6L-2.0T-FSI乘用車），充氣效率將進(jìn)一步提高，空氣密度加大，氧含量提高，燃燒條件進(jìn)一步改善，動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和凈化性將明顯提高。31大眾1.4LTFSI雙增壓系統(tǒng)：32四、典型車系供油系統(tǒng)介紹：奧迪-2.0-T-FSI乘用車，為廢氣渦輪增壓式缸內(nèi)噴射汽油機(jī)，其供油系統(tǒng)特點(diǎn)是：1、燃油壓力傳感器是壓敏電阻橋式電路，將軌道油壓的高低以電壓信號(hào)輸入ECU中，以便ECU使仃供電磁閥動(dòng)作，使高壓油泵及時(shí)仃止供油。332、仃供電磁閥ECU發(fā)令使其推桿動(dòng)作，高壓油泵的進(jìn)油片閥即常開(kāi)，仃止供油。3、過(guò)壓閥為柱塞式溢流閥，當(dāng)軌道油壓高于規(guī)定值時(shí)，即泄油降壓，維持軌道油壓，起保護(hù)作用。344、高電壓噴油器采用65V高電壓控制噴油，為強(qiáng)勁高頻量化控制方式，頻率響應(yīng)性高。理論證明：電壓值提高，電流值可大幅度減小，熱負(fù)菏降低，噴油器可