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1、汽油发动机缸内直接喷射技术应用研究摘要：本文分析了汽油发动机缸内直接喷射技术典型代表奥迪 FSI 技术、博世 DI- Motronic MED7 系统和奔驰 CGI 系统的技术特点，阐述了汽油发动机直接喷射技术的先进性及广泛应用需解决的一些问题。关键词：FSI 技术，DI- Motronic MED7 系统，CGI 系统问题，技术应用，解决问题近年来，由于能源枯竭和环境污染情况日益严重，汽车用发动机面临着越来越严峻的考验。目前汽车使用的发动机主要是汽油机和柴油机。柴油机的混合气是在气缸内部形成的，它采用直接喷射的方式，在压缩冲程末尾，直接经高压喷油泵将高压柴油喷入燃烧室，因气缸内的空气被压缩而
2、产生高温，高于柴油燃点时，引发柴油自燃。故柴油机不需电火花来点燃，结构相对汽油机简单，因此压缩比较大。但由于压缩比大，柴油机工作粗暴，柴油机的这种燃油喷射技术不能直接应用于汽油机。目前大多数汽油机采用多点燃油喷射技术，但混合气在进气门处形成，汽油雾化不完全，混合气质量欠佳，所以燃烧不充分，冷起动排放和燃油经济性较差。汽油发动机缸内直接喷射技术则与多点喷射系统迥然不同，该技术与柴油机相类似，是将汽油直接喷射到气缸里，通过相应的控制手段，可以大大提高发动机的燃油经济性和动力性，同时降低排放。早在 1954 年，奔驰 300SL 就应用了缸内直接喷射技术，它将雾状燃油直接喷入进气歧管，比化油器发动机
3、提供了更大的动力和更高的燃油经济性。自单点和多点喷射技术在 80年代普遍应用以来，发动机技术改进一直在进气系统做文章，如气门数增加、可变进气、可变气门升程及正时等，而没有实现根本的突变。缸内直接喷射技术是通过“均匀燃烧”和“分层燃烧” ，在发动机高负荷，尤其是低负荷下工作时燃油消耗降低，动力还有很大提升，部分负荷时具有的很大节油作用，对城市轿车和客车来说非常实用。目前，世界上有很多知名公司对缸内直接喷射技术做了研究。1996年 8 月日本三菱公司研制出第一台汽油直接喷射（简称为 GDI（Gasoline Direct Injection） ）发动机，1996 年末日本丰田汽车公司研制出 D4
4、型 GDI 发动机，随后日本的日产、马自达、本田以及美国的福特、克莱斯勒、德国的奔驰等公司都在积极研究和开发 GDI 发动机。一、汽油发动机直接喷射技术的技术特点和应用目前，研究和开发汽油发动机直接喷射技术的公司很多，现就技术比较成熟的奥迪公司的 FSI 技术、博世公司的 DI-Motronic MED7 系统、奔驰公司的 CGI 系统等介绍汽油发动机直接喷射技术的技术特点及应用情况。（一）奥迪轿车的 FSI 技术FSI（Fuel Stratified Injection）技术是指汽油分层喷射技术。运用 FSI 技术，汽油会被直接喷射到气缸的燃烧室内，在发动机非满负荷工作的情况下，形成所谓的稀
5、薄燃烧，节约燃料。而在满负荷工作情况下，发动机采用所谓的均匀燃烧，满足动力性需求。一般发动机采用的是汽油在进气歧管内与空气混合，然后进入燃烧室燃烧。空气与汽油的最佳空燃比是 14.7:1，为达到良好的燃烧效果，汽油和空气的比率必须在最佳空燃比附近。而 FSI 技术采用了稀薄燃烧技术，不必达到最佳空燃比，发动机也会有良好的经济性和动力性。可见同等条件下，FSI 技术的发动机会更省油。当混合气比较稀时，混合气不容易燃烧。如果让过稀混合气能良好燃烧，如本田公司采用的一缸内两个火花塞来点燃混合气。但是如果混合气更稀，两个火花塞也不能保证良好的燃烧。要使稀混合气良好燃烧，需要把汽油直接喷入气缸。一是利用
6、气缸的高温使汽油更好地雾化、气化。二是把燃烧室设计成特殊的形状，使进入的空气形成涡流，并且使火花塞周围混合气浓一些，离火花塞较远的地方稀一些，以利于火花塞周围混合气迅速燃烧，并带动较远处较稀混合气的燃烧。这种燃烧就叫做“分层燃烧” 。正是这种所谓的“分层燃烧” ，使发动机具有良好的经济性。部分负荷时，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，在燃烧室的其它部分则是纯净的空气。混合气层的大小、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。另外，在燃烧时空气层隔绝了
7、热，减少了热量向汽缸壁的传递，从而减少了热量损失，提升了发动机的热效率。而在全负荷时，燃油喷射与进气同步，燃油得到完全雾化，使混合气均匀地充满燃烧室，自然会得到充分的燃烧，发动机将达到最大动力，也就是所谓的“均匀燃烧” 。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气降温，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。FSI 技术与普通发机供油最大的不同是：一个做功循环内，两次供油。第一次喷油在进气行程开始喷入部分的油，让汽油跟空气充分混合，另一次是在压缩行程的末尾活塞接近上止点时再喷入
8、部分汽油，让火花塞周围形成较浓混合气，利于点火。活塞顶部的凹陷，则让进气在整个时间内一直成为强烈的涡流，利于混合气的充分混合及气化。目前应用奥迪轿车的 FSI 技术的最新主要车型有：08 款奥迪 A8L 2.8FSI 豪华型；08款奥迪 A8L 3.2FSI 豪华型；08 款奥迪 A8L 4.2FSI 尊贵型；07 款奥迪 A8L 3.2FSI 尊贵型；新奥迪 A6L 2.0TFSI 标准型（自动、手动） ；08 款奥迪 A6L 2.8 FSI 尊享型等。08 款车型的主要性能参数比较如下表 1 所示：表 1：08 款车型的主要性能参数比较车型 平均油耗 加速时间 最大扭矩 最大输出功率奥迪
9、A8L 2.8FSI 9.1L/百公里 8.2 秒（0-100km/h） 280NM 154KW奥迪 A8L 3.2 FSI9.9 L/百公里 7.9 秒（0-100km/h） 330 NM 191 KW奥迪 A8L 4.2 FSI10.9 L/百公里 6.3 秒（0-100km/h） 440 NM 257 KW奥迪 A6L 2.8 FSI7.1 L/百公里 9.1 秒（0-100km/h 280NM 154KW（二）博世公司的 DI-Motronic MED7 系统博世发动机进气系统采用模块化设计，还集成了 ECU 技术，有效简化了进气系统的结构。进气模块主要由执行器和传感器组成。主要构成部
10、件包括集成了热膜式空气流量计的空气滤清器、电子节气门总成、燃油输送管道及喷油器等。博世 Motronic ME7 系统的ECU、执行器及传感器通过控制区域网络（CAN）的数据总线与其它系统进行数据传输，从而能够简化系统的布局设计、减少系统的布线长度。CAN 对传输的数据具有实时检测和自动校验等功能。博世 Motronic ME7 系统是以既定扭矩为基础的发动机管理系统，通过适量的燃油喷射来实现驾驶者输入指令所对应扭矩的输出。DI- Motronic MED7 系统是博世公司第一代直喷扭矩控制的电子发动机管理系统，其工作原理与 ME7 系统基本相同：电子节气门(ETC)首先将驾驶者的输入指令转换
11、为电子信号,然后由该电子信号控制节气门阀的开度。MED7 接收来自各方面的扭矩需求量，然后确定所需求的扭矩总量，最终系统在保证发动机输出所需扭矩的前提下，实现油耗及排放水平的最优化。博世 DI-Motronic MED7 系统通过对燃油喷射量、进气量及喷射角度的合理匹配来保证从均质燃烧（Homogeneous）到分层燃烧（Stratified）等各工况下发动机输出扭矩的稳定性。另外，在稀薄燃烧工况下 NOx 排放非常低。1非满载工况下的经济运行模式当汽车进行非满载工况行驶时，MED7 在压缩行程中喷射燃油，并且仅在火花塞附近区域形成可燃混合气。燃烧将从该区域扩散到其它浓度较稀薄的部位，这种分层
12、燃烧技术可以将精确定量的混合气在燃烧室内进行完全燃烧。同时，由于分层燃烧技术减少了燃烧室壁的热量损耗，因而提高了燃烧过程的热效率。另外，当汽车处于低速或怠速工况行驶时，MED7 将打开节气门，从而避免空气进入节气门造成的功率损耗。总之，在非满载工况下 MED7 将通过控制燃油喷射量达到期望的输出扭矩值。此时，MED7 发动机管理系统采用分层燃烧技术来降低油耗，从而保证车辆按照经济模式行驶。2满载工况下的动力运行模式当汽车进行满载工况行驶时，MED7 在进气行程中喷射燃油，在燃烧室内形成理想配比=1 的均质可燃混合气。初始喷射形成的混合气处于冷态（具有较高的密度） ，该混合气经过压缩行程的充分混
13、合和升温，达到理想的燃烧状态。所以在满载工况下，MED7 可以降低油耗（相对于传统的发动机）和提高输出功率，从而满足动力运行的需求。3排放控制当汽车进行非满载工况行驶时，通过废气再循环技术 EGR 来降低 NOx 的排放。同时，MED7 还采用了 NOx 催化转换器以满足未来更为严格的排放法规对 NOx 的排放限制。4燃油供应MED7 采用了共轨燃油输送系统，其共轨油道内由高压泵生成的燃油压力可达120bar。MED7 可精确控制燃油的喷射时刻和持续时间，其喷油器采用了高速电磁控制技术，有力保证了燃油喷射量的精确控制。5燃油经济性MED7 系统可以在均质燃烧和分层燃烧两种工况之间进行快速切换（
14、在驾驶者毫无察觉的情况下） ，优先以经济模式行驶，相应提高了系统的燃油经济性。与传统的进气管喷射系统相比，MED7 直喷系统提高燃油经济性可达 20。6动力性与传统的进气管喷射系统相比，博世 MED7 直喷系统可以增强动力达 5，主要是通过提高压缩比和使均质燃烧初期混合气体处于冷态等技术来实现。目前应用 DI-Motronic MED7 系统的主要车型有：奔驰 CLS 350；路虎 Land Rover；路虎 Range Rover；法拉利 612 Scaglietti；宝马 X5 3.0；保时捷 Cayenne GTS 等。（三）奔驰的 CGI 系统奔驰的 CGI（Stratified-Ch
15、arged Gasoline Injection）系统是指多阶段燃油喷射系统。它成功突破现行燃油喷射技术在发动机转速上的限制，成功地拉高发动机转速的区域，并在时速超过 120 公里时，仍可进行精密控制油气混合比，以进行最具省油效益的稀薄燃烧，让燃油效率更为精进。根据原厂测试，CGI 发动机在高速公路上以定速巡航时，油耗表现将比现行运用缸内直喷技术的 V6 引擎，每百公里节省约 1.5 升的燃油，省油效益更将达到 15%的差距。为达到缸内直喷的燃油效果，高压泵产生的油压高达 200bar，这时发动机处于高压与高温的环境，发动机启动后 10 秒即高达 700的高温。另外，为降低氧氮化合物排放，采用
16、了双组电子控制的废气冷却系统与循环设计，以及具备氧氮化合物储存管路的触媒转化器，系统可依照发动机运转条件，循环利用约 40%的废气，以达到降低废气排放的环保效能。奔驰的 CGI 系统目前应用的主要车型有：奔驰 CLS 350 CGI；奔驰 C 200 CGI；C350 CGI Blue Efficiency；奔驰 CLK DTM；E350 CGI 等。其主要性能参数如下表 2 所示：表 2：奔驰的 CGI 系统性能参数比较车型 平均油耗 加速时间 最大扭矩 最大输出功率BENZ C 200 CGI 7.88.4L/百公里 9.0 秒（0-100km/h）250NM 125KWC350 CGI Blue Efficiency8.3 L/百公里 6.2 秒（0-100km/h）365 NM 214 KWCLS 350 CGI 9.19.3 L/百公里 6.7 秒（0-100km/h）365 NM 215 KWE350 CGI 8.7 L/百公里 365 NM 215 KW（四）汽油发动机缸内直接喷射技术的主要
