缸内直喷原理及应用

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1、缸内直喷原理及应用缸内直喷原理及应用缸内直喷技术的原理及应用当今世界科技日新月异，得到了快速发展。而现代汽车作为人们极为重要的交通工具，其发动机新技术不断涌现和应用，汽车整体性能迅速提高，缸内直喷技术应运而生。1、缸内直喷技术原理介绍缸内直喷又称 FSI，FSI(Fuel Stratified Injection)燃料分层喷射技术代表着传统汽油引擎的一个发展方向。传统的汽油发动机是通过电脑采集凸轮位置以及发动机各相关工况从而控制喷油嘴将汽油喷入进气歧管。但由于喷油嘴离燃烧室有一定的距离，汽油同空气的混合情况受进气气流和气门开关的影响较大，并且微小的油颗粒会吸附在管道壁上，所以希望喷油嘴能够直接

2、将燃油喷入汽缸。FSI 就是大众集团开发的用来改善传统汽油发动机供油方式的不足而研制的缸内直接喷射技术，先进的直喷式汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技术，通过一个活塞泵提供所需的 100bar 以上的压力，将汽油提供给位于汽缸内的电磁喷射器。然后通过电脑控制喷射器将燃料在最恰当的时间直接注入燃烧室，其控制的精确度接近毫秒，其关键是考虑喷射器的安装，必须在汽缸上部留给其一定的空间。由于汽缸顶部已经布置了火花塞和多个气门，已经相当紧凑，所以将其布置在靠近进气门侧。由于喷射器的加入导致了对设计和制造的要求都相当的高，如果布置不合理、制造精度达不到要求导致刚度不足甚至漏气只能得不偿失。另外 FSI

3、 引擎对燃油品质的要求也比较高，目前国内的油品状况可能很难达到 FSI 引擎的要求，所以部分装配了 FSI 的进口高尔夫出现了发动机的水土不服。 此外，FSI 技术采用了两种不同的注油模式，即分层注油和均匀注油模式。发动机低速或中速运转时采用分层注油模式。此时节气门为半开状态，空气由进气管进入汽缸撞在活塞顶部，由于活塞顶部制作成特殊的形状从而在火花塞附近形成期望中的涡流。当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷射器喷出，形成可燃气体。这种分层注油方式可充分提高发动机的经济性，因为在转速较低、负荷较小时除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室的其它地方只需空气含量较高的混合气即可，而 F

4、SI 使其与理想状态非常接近。当节气门完全开启，发动机高速运转时，大量空气高速进入汽缸形成较强涡流并与汽油均匀混合。从而促进燃油充分燃烧，提高发动机的动力输出。电脑不断的根据发动机的工作状况改变注油模式，始终保持最适宜的供油方式。燃油的充分利用不仅提高了燃油的利用效率和发动机的输出而且改善了排放。2、缸内直喷技术之应用-GDI 发动机GDI 发动机简称汽油直接喷射发动机，是近年来国外内燃机研究与开发的热点。专家认为，汽油机直喷技术的出现，使汽车发动机技术进入了一个崭新的时代，它在 21 世纪有取代传统的汽油机和柴油机的趋势，成为轿车最理想的动力装置。传统的汽油发动机是将汽油喷射到进气管中，与空

5、气混合后再进入气缸内燃烧，而GDI 发动机是将汽油直接喷入气缸，利用缸内气流和活塞表面的燃料雾化与空气形成混合气进行燃烧。GDI 发动机具有很好的工作稳定性和负荷性能，同时低温起动性能得到了明显改善，能实现分层燃烧，燃油经济性大大提高，其油耗可达到涡轮增压直喷(TDI)柴油机的水平，且省略了涡轮增压装置，省却了复杂的高压喷射系统。GDI 发动机能用稀燃技术，空燃比可高达 40：1，甚至最高可达 100：1，使得功率和转矩均高于传统汽油机，油耗、噪声及二氧化碳的排放量都较低，GDI 发动机工作的均匀性、瞬时反映性、起动性等均比传统汽油发动机有较大的改进。因此各国汽车生产企业都在大力开发这种技术先

6、进、性能优异的 GDI 发动机。GDI 发动机的研究始于德国，早在 50 年代，德国就有直喷二冲程汽油机装车应市，甚至还装到声名显赫的 SL 级奔驰轿车上，但是很快就销声匿迹。后来德国的设计师们，无论是奔驰、宝马，还是大众，对于汽油直接喷射都采取皱眉挥斥的态度。因为根据试验，他们认为这种发动机运转性能差，汽车几乎无法开，废气问题也无法解决，于是便停止了 GDI 发动机的研制开发。日本三菱汽车公司于 1996 年研制成功 GDI 发动机，并将其装在 Galant 牌汽车上，于同年 8 月投放日本汽车市场。1997 年装备同样发动机的中级轿车Garisma 进入西欧市场，该发动机排量为 1.8L，

7、功率为 88kW，100km 油耗为 5L 左右，发动机价格较原先略有上涨。三菱汽车公司计划在最近几年内将其生产的汽油机全部改成汽油直接喷射，丰田汽车公司也准备步其后尘，三菱公司的成功表明，汽油直接喷射是可行的。废气中的氮氧化物含量高的问题，可利用废气再循环及加装第二只催化裂化转换器来解决。今天，几乎所有汽油机都是间接喷射的，与其相比，GDI 发动机无论在油耗上，还是在排放净化上，都取得了巨大的进步，并且在稀燃方面，GDI 发动机允许混合气变得稀薄，特别是在部分负荷内。理论计算出的标准空燃比应是 15：1，在稀燃技术方面丰田和三菱都取得了初步的成果，空燃比已达到20：1。但是，若采用汽油直接喷

8、射，混合气可进一步稀化。通常进气道或多或少呈水平布置，而三菱的 GDI 发动机则通过垂直布置的进气道和专门设计的鼻形活塞，成功地在燃烧室中建立起分层充量。在火花塞附近的区域内，形成较深的油雾，即能着火的混合气，在其它区域内一点混合气也没有。因此，即使是空燃比40：1 的混合气，发动机也能可靠着火。油门最大时，混合气接近标准空燃比，这时省油的优点消失，但汽车很少在全负荷工况下工作。GDI 发动机的研制开发，可谓花开在德国，果却结在日本。三菱汽车公司 GDI 发动机的研制成功令全世界的汽车制造商和发动机制造商瞠乎其后，于是世界车坛掀起了GDI 发动机研制开发利用热潮。从此，汽油机的发展又迈出新的一

9、步，这也将推动世界汽车工业的发展。 日本对于 GDI 发动机的研制开发与利用，日本三菱汽车公司处于领先地位，1997 年先后又开发出 2.4L 四缸机、3.0L 六缸机和 3.5L 六缸机三种机型，分别装于四种中、大型轿车上投放市场。还推出三种新的 GDI 发动机：0.66L 直列三缸机、1.5L 直列四缸机和 4.5L 的 V8 机。据三菱汽车公司对 1.8L 的 GDI 发动机测试表明，该机可节油 20，降低排放 20，提高发动机功率和转矩 10。丰田汽车公司于 1996 年底研制出 D-4 型2.0L 的 GDI 发动机，已批量装车使用。1998年，该公司加紧开发 1.6L 和 1.8L

10、 的 GDI 发动机， 1999 年还推出一种新型的 2.0L 的 GDI 发动机。丰田汽车公司 D-4 型 GDI 发动机可降低油耗的 3.0L 和 2.5L 的 V6 机、富士重工 2.5L 的卧式对置四缸机、马自达 2.0L 的直列四缸机和本田 1.0L 的直列三缸机均上市。 美国克莱斯勒汽车公司开发的四冲程 GDI 发动机使燃油经济性提高 20-30，可与小排量的直喷柴油机媲美；福特汽车公司对 GDI经过深入研究发现，GDI 发动机有进一步提高热效率和功率的潜力。德国大众汽车公司开发的 GDI 发动机在 1997年法兰克福汽车博览会上获得好评。奥迪汽车公司也展出了 1.2L 的三缸 G

11、DI 发动机。奔驰汽车公司于 1997 年底投资近 1 亿马克，全面起动 GDI 研究项目，在 2001 年或 2002 年推出 GDI 发动机，并认为欧洲汽车装用的 GDI 发动机应能满足欧洲法规对排放标准的最新要求。伴随着 21 世纪，GDI 发动机将在汽车动力装置中层露锋芒。GDI 发动机存在的问题中小负荷未燃的 HC 较多，这是由于油雾会碰到活塞顶部和缸壁，分层燃烧使局部区域混合气过稀，缸内燃油蒸发造成温度过低，不利于未燃的 HC进行后燃。微粒排放比 MPI 发动机增加，主要是由于分层燃烧局部区域混合气过浓，液态油滴扩散燃烧，缸内温度低，氧化不完全形成的。在不同的转速工况下，缸内气流强

12、度不同，如何在宽广的工况范围内把气流控制好，保证分层混合气的形成是GDI 的关键技术问题。目前 GDI 仍属于研究开发阶段，只有少量产品投放市场。 GDI 发动机较传统汽油机的优势电喷式汽油机按燃油喷射位置可分为两种形式:进气道喷射(PFI) 和缸内直喷( GDI) 。进气道喷射发动机当进气门关闭时将燃油喷在各缸进气门的背面,进气冲程中油气混合物进入气缸。在冷启动过程中,由于蒸发不完全,燃油会在进气道、进气门背部形成油膜和油坑。实际喷入的燃油量远远超过了按化学当量比计算得到的喷油量,因此发动机在冷启动的 410 个循环中会出现失火或部分燃烧的现象10,使 HC 排放显著增加。相反,直喷式汽油机

13、避免了进气道湿壁现象的问题,而且喷油泵可以精确控制发动机的喷油量,使发动机在 2 个工作循环之内就能顺利启动,提高了发动机的瞬时响应速度,同时也降低了发动机冷启动时的 HC 排放。进气道喷射发动机的负荷变化是依靠节气门调节混合气的进气量。尽管节气门控制对 PFI 发动机来说已是成熟的技术,但节气门所引起的泵气损失是不可避免的,这也是汽油机热效率较柴油机低的一个原因。相反,直喷式汽油机不是依靠节气门调节混合进气量来调节负荷,而是改变发动机的喷油量来改变缸内空燃比以实现发动机负荷的变化,这就提高了 GDI 发动机在部分负荷时的热效率11 。进气道喷射发动机在不采用辅助的助燃方法组织稀燃时,其空燃比

14、最大可以达到 27,超过这一界限,发动机工作会不稳定,HC 排放增加12 。要超过这一极限,必须使用缸内直喷的方法,通过充量分层,使发动机在部分负荷时的空燃比达到 3040,燃油经济性改善高达 30%左右,而且可以大大降低发动机的怠速转速。此外,由于直喷式发动机直接将燃油喷至气缸,消除了燃油供给的滞后效应,故当发动机在减速时可以停止喷油,从而提高了燃油经济性。燃油的汽化潜热可以降低混合气的温度和容积,从而影响着发动机的充气效率和爆震趋势。对进气道喷射发动机而言,由于燃油是喷在进气歧管内的,燃油的蒸发主要依赖于进气道和进气门等热源对油膜的热传递,因而不能显著地冷却充质。而对缸内直喷式汽油机而言,燃油直接喷入到气缸,可以冷却缸内温度,从而提高发动机的充气量,尤其是在大负荷工况下,燃油在压缩冲程开始便喷入燃烧室内,GDI 发动机的输出功率较 PFI 发动机高出 10 %左右。不同的喷射定时影响着燃烧室表面到充质的传热率。在进气冲程中喷油,增加了缸壁对充质的热传递,这样燃油蒸发对最终充质温度的冷却效果就变差了。在压缩冲程中喷油,喷油之前由于空气温度较高,缸壁对空气的传热率降低,这样当燃油喷入时,燃油蒸发对充质的冷却效果保持的时间较长,因而在点火时刻燃气温度较低,最终降低了爆震趋势。