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1、1传统的汽油机传统的汽油机( (包括化油器式和大部分进气包括化油器式和大部分进气道喷射汽油机道喷射汽油机) )，一般在空燃比，一般在空燃比A/F=12.6A/F=12.61717范围内工作，其混合气是均质的。所谓范围内工作，其混合气是均质的。所谓稀薄燃烧汽油机是一个范围很广的概念，稀薄燃烧汽油机是一个范围很广的概念，只要只要A/FA/F1717，就可以称为稀薄燃烧汽油机。，就可以称为稀薄燃烧汽油机。首页返回章返回节2稀燃汽油机分为两类，一类是非直喷式稀燃汽油机分为两类，一类是非直喷式汽油机，包括化油器式和进气管喷射式汽油机，包括化油器式和进气管喷射式汽油机，即使采取一些特殊技术措施，汽油机，即
2、使采取一些特殊技术措施，一般只能在一般只能在A/F 25A/F 25的范围内工作。而另的范围内工作。而另一类是缸内直喷式汽油机，可在一类是缸内直喷式汽油机，可在A/F=A/F=2550范围内稳定工作。范围内稳定工作。首页返回章返回节3一、缸内直接喷射技术一、缸内直接喷射技术缸内直接喷射技术是指将喷油器植入气缸内缸内直接喷射技术是指将喷油器植入气缸内, ,利用利用发动机电控系统经过计算分析精确控制喷射量发动机电控系统经过计算分析精确控制喷射量, ,通通过高压将汽油喷入燃烧室过高压将汽油喷入燃烧室, ,使缸内燃油与空气接近使缸内燃油与空气接近理想的混合状态理想的混合状态, ,并由火花塞点燃实现充分
3、燃烧并由火花塞点燃实现充分燃烧, ,从而提高发动机的动力性和燃油经济性从而提高发动机的动力性和燃油经济性, ,同时将有同时将有害气体排放降到最低水平。害气体排放降到最低水平。41.1.采用缸内直接喷射技术的优势采用缸内直接喷射技术的优势(1)(1)节省燃油节省燃油现代发动机技术的趋势之一就是节约燃料现代发动机技术的趋势之一就是节约燃料, ,而而缸内直喷技术可以大大提升燃油的雾化程度及缸内直喷技术可以大大提升燃油的雾化程度及其与空气混合的效率。采用缸内直喷技术的车其与空气混合的效率。采用缸内直喷技术的车型燃油消耗水平可下降型燃油消耗水平可下降20%20%以上。以上。(2)(2)减少废气排放减少废
4、气排放缸内直喷发动机的高压燃油泵能提供高达缸内直喷发动机的高压燃油泵能提供高达12MPa12MPa的压力的压力, ,确保燃料充分燃烧确保燃料充分燃烧, ,最大程度地减最大程度地减少废气中的有害污染物少废气中的有害污染物, ,保护环境。保护环境。5(3)(3)提升动力性能提升动力性能由于燃料的混合更充分由于燃料的混合更充分, ,燃烧更彻底燃烧更彻底, ,使燃料转使燃料转化为动能的效率提升化为动能的效率提升, ,直接推动了发动机动力性直接推动了发动机动力性能的提高能的提高, ,同排量下同排量下, ,最大功率可提高最大功率可提高15%15%。(4)(4)减少发动机振动减少发动机振动由于缸内直喷技术燃
5、烧稀混合气由于缸内直喷技术燃烧稀混合气, ,缸内爆燃情缸内爆燃情况大大减少况大大减少, ,高压缩比对降低发动机低速下的振高压缩比对降低发动机低速下的振动也有明显的效果。动也有明显的效果。6(5)(5)喷油量的准确度提升喷油量的准确度提升缸内直喷技术的关键就是电控系统的精确控制。由于缸内直喷技术的关键就是电控系统的精确控制。由于电控系统会感知发动机缸内的实际工作情况电控系统会感知发动机缸内的实际工作情况, ,并在瞬间并在瞬间完成对喷油量、喷油时间和压力的微调完成对喷油量、喷油时间和压力的微调, ,保证发动机始保证发动机始终处于精确的喷油状态。终处于精确的喷油状态。(6)(6)发动机更耐用发动机更
6、耐用新技术不但提升效率新技术不但提升效率, ,减少排放减少排放, ,更对发动机寿命的延更对发动机寿命的延长起到积极的作用。燃油被直接喷射于气缸内并迅速长起到积极的作用。燃油被直接喷射于气缸内并迅速转化为能量转化为能量, ,大大降低了传统发动机燃油依附于进气歧大大降低了传统发动机燃油依附于进气歧管而带来的积炭等损害。管而带来的积炭等损害。72.2.缸内直接喷射缸内直接喷射与传统燃油喷射与传统燃油喷射汽油机的区别汽油机的区别传统的燃油喷射传统的燃油喷射汽油发动机将汽汽油发动机将汽油喷入进气歧管。油喷入进气歧管。雾化的汽油在进雾化的汽油在进气歧管内开始与气歧管内开始与空气混合空气混合, ,然后然后再
7、进入到气缸中再进入到气缸中燃烧。燃烧。8缸内直接喷射汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技术缸内直接喷射汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技术, ,通过一个高压燃油泵提供通过一个高压燃油泵提供10MPa10MPa以上的压力以上的压力, ,将汽油提供给位于将汽油提供给位于气缸内的喷油器。然后通过电控单元控制喷油器将燃料在最恰气缸内的喷油器。然后通过电控单元控制喷油器将燃料在最恰当的时间直接喷入燃烧室当的时间直接喷入燃烧室, , 燃烧室内较强的涡流使空气和汽油燃烧室内较强的涡流使空气和汽油充分混合，使火花塞周围区域能有较浓的混合气充分混合，使火花塞周围区域能有较浓的混合气, ,周边区域有周边区域
8、有较稀的混合气较稀的混合气, ,保证了顺利点火并能实现稀薄燃烧。保证了顺利点火并能实现稀薄燃烧。93.3.缸内直接喷射技术的问题缸内直接喷射技术的问题缸内直接喷射技术存在的一个主要问题是废气后缸内直接喷射技术存在的一个主要问题是废气后续处理。在分层充气模式和均质稀薄充气模式中续处理。在分层充气模式和均质稀薄充气模式中, ,传统的闭环三元催化转化器不能快速地将燃烧过传统的闭环三元催化转化器不能快速地将燃烧过程中产生的氮氧化物转换成氮气。程中产生的氮氧化物转换成氮气。开发了氮氧化物存储式催化转化器后开发了氮氧化物存储式催化转化器后, ,才使得排放废气才使得排放废气符合欧符合欧废气排放标准。在该系统
9、中废气排放标准。在该系统中, ,氮氧化物被暂时氮氧化物被暂时地储存在转换器中地储存在转换器中, ,然后系统性地转换成氮气。然后系统性地转换成氮气。另一个问题是汽油中的硫成分。由于硫酸的化学另一个问题是汽油中的硫成分。由于硫酸的化学特性与氮氧化物的类似特性与氮氧化物的类似, ,所以硫也同样会被储存在所以硫也同样会被储存在氮氧化物存储式催化转化器内氮氧化物存储式催化转化器内, ,并且占用了应当存并且占用了应当存储氮氧化物的空间。汽油中硫的含量越高储氮氧化物的空间。汽油中硫的含量越高, ,存储式存储式催化转化器的再生就越频繁催化转化器的再生就越频繁, ,因此就要消耗额外的因此就要消耗额外的汽油。汽油
10、。10二、缸内直接喷射技术的发展二、缸内直接喷射技术的发展1.燃油供给系统燃油供给系统缸内直接喷射汽油发动机燃油供给系统缸内直接喷射汽油发动机燃油供给系统, 采用了采用了精度高、响应快的柔性电控手段。精度高、响应快的柔性电控手段。2.喷射系统喷射系统采用内开式旋流喷油器，可通过涡流比的选择采用内开式旋流喷油器，可通过涡流比的选择实现较好的喷雾形态和合适的贯穿度，且喷束实现较好的喷雾形态和合适的贯穿度，且喷束方向便于调整。方向便于调整。113.3.喷射模式喷射模式分为单阶段喷射模式和多阶段喷射模式。分为单阶段喷射模式和多阶段喷射模式。单阶段喷射模式是指在中小负荷时，燃油在压单阶段喷射模式是指在中
11、小负荷时，燃油在压缩行程后期喷入，实现混合气分层稀燃。在大缩行程后期喷入，实现混合气分层稀燃。在大负荷和全负荷时，燃油在进气行程中喷入气缸，负荷和全负荷时，燃油在进气行程中喷入气缸，实现均质燃烧。实现均质燃烧。多阶段喷射模式是指在进气行程中先喷入所需多阶段喷射模式是指在进气行程中先喷入所需燃料的燃料的1414，形成极稀的均质混合气，其余燃，形成极稀的均质混合气，其余燃料在压缩行程后期再次喷入，形成分层混合气。料在压缩行程后期再次喷入，形成分层混合气。可实现中小负荷到大负荷的平稳过渡，降低缸可实现中小负荷到大负荷的平稳过渡，降低缸内的温度，抑制爆燃的产生。内的温度，抑制爆燃的产生。124.燃烧系
12、统燃烧系统按照喷油器和火花塞的相对位置和混合气按照喷油器和火花塞的相对位置和混合气的组织形式有三种类型。的组织形式有三种类型。（1）壁面引导法）壁面引导法喷油器和火花塞相隔较远，喷油器把燃油喷入喷油器和火花塞相隔较远，喷油器把燃油喷入活塞凹坑中，依靠进气气流的惯性将油气混合活塞凹坑中，依靠进气气流的惯性将油气混合并送往火花塞。喷油器一般安装在进气门侧，并送往火花塞。喷油器一般安装在进气门侧，活塞凹坑开口对向进气门侧，油气混合后直接活塞凹坑开口对向进气门侧，油气混合后直接流向火花塞。混合气形成时间较长，易于形成流向火花塞。混合气形成时间较长，易于形成较大区域的可燃混合气。较大区域的可燃混合气。1
13、3（2 2）气流引导法）气流引导法特殊形状的进气道与喷油器呈一定的夹角，给特殊形状的进气道与喷油器呈一定的夹角，给混合气一定的回旋力，利用活塞表面的特殊形混合气一定的回旋力，利用活塞表面的特殊形状形成缸内气流，使油气不直接喷向火花塞，状形成缸内气流，使油气不直接喷向火花塞，而是在气缸内形成涡流围绕火花塞旋转。而是在气缸内形成涡流围绕火花塞旋转。（3 3）喷束引导法）喷束引导法喷油器在燃烧室中央，火花塞在喷油器附近，喷油器在燃烧室中央，火花塞在喷油器附近，依靠油束的贯穿深度来保证空气的利用率。依靠油束的贯穿深度来保证空气的利用率。145.5.缸内空气流动缸内空气流动涡流涡流旋转轴线平行于气缸中心
14、线。旋转轴线平行于气缸中心线。滚流滚流旋转轴线垂直于气缸中心线。旋转轴线垂直于气缸中心线。挤流挤流形成于压缩行程上止点时与缸盖间隙处的径向形成于压缩行程上止点时与缸盖间隙处的径向气体运动。气体运动。15三、缸内直接喷射技术的实际应用三、缸内直接喷射技术的实际应用1.1.三菱缸内汽油直接喷射三菱缸内汽油直接喷射GDIGDI三菱三菱1.8L1.8L顶置双凸轮轴顶置双凸轮轴1616气门气门4G934G93型型GDI(Gasoline Direct-Injection)GDI(Gasoline Direct-Injection)发动机自发动机自19961996年首次推出之后得到了广泛的应用年首次推出之
15、后得到了广泛的应用, ,迄今为迄今为止三菱汽车公司共生产了一百多万台止三菱汽车公司共生产了一百多万台GDIGDI发动机。发动机。GDIGDI发动机采用壁面引导燃烧方法和两次喷射发动机采用壁面引导燃烧方法和两次喷射, ,采用了立式吸气口、弯曲顶面活塞、高压旋转采用了立式吸气口、弯曲顶面活塞、高压旋转喷油器等三种技术手段。喷油器等三种技术手段。16(1)(1)立式吸气口立式吸气口立式吸气口代替了传统的横向吸气口立式吸气口代替了传统的横向吸气口, ,通过来自上方的通过来自上方的强大下降气流强大下降气流, ,形成与以往发动机相反的缸内空气流动形成与以往发动机相反的缸内空气流动纵向涡流转流。纵向涡流转流
16、。(2)(2)弯曲顶面活塞弯曲顶面活塞GDIGDI发动机活塞的顶部一半是球形发动机活塞的顶部一半是球形, ,另一半是壁面。活另一半是壁面。活塞顶面的凸起部分像屋顶塞顶面的凸起部分像屋顶, ,又称又称“弯曲顶面活塞弯曲顶面活塞”, ,它它缩小了燃烧室的容积缩小了燃烧室的容积, ,有助于形成强势涡流。缩小燃烧有助于形成强势涡流。缩小燃烧室容积必然提高了压缩比室容积必然提高了压缩比, ,因此因此GDIGDI的压缩比可达到的压缩比可达到1212。压缩比提高了压缩比提高了, ,缸内温度必然也随之提高缸内温度必然也随之提高, ,有助于稀燃。有助于稀燃。压缩比高压缩比高, ,输出功率增大输出功率增大, ,这
17、样也就弥补了稀燃带来的这样也就弥补了稀燃带来的功率损失。功率损失。(3)(3)高压旋转喷油器高压旋转喷油器通过高压旋转喷油器喷射出雾状汽油通过高压旋转喷油器喷射出雾状汽油, ,在压缩行程后期在压缩行程后期的点火前夕的点火前夕, ,被气体的纵涡流融合成球状雾化体被气体的纵涡流融合成球状雾化体, ,形成形成一种以火花塞为中心一种以火花塞为中心, ,由浓到稀的层状混合气状态。由浓到稀的层状混合气状态。17GDIGDI发动机的喷油过程共分两个阶段发动机的喷油过程共分两个阶段1)1)辅喷油阶段辅喷油阶段: :在进气行程时在进气行程时, ,发动机进行发动机进行一次喷油一次喷油, , 是辅喷油。是辅喷油。喷
18、油的数量不大喷油的数量不大, ,喷油的主要目的也不是为了喷油的主要目的也不是为了点火燃烧。这部分少量的汽油汽化挥发点火燃烧。这部分少量的汽油汽化挥发, , 吸收吸收热量热量, , 能降低气缸内的温度。使气缸内可以容能降低气缸内的温度。使气缸内可以容纳的气体密度增大。所以这次喷油的结果是给纳的气体密度增大。所以这次喷油的结果是给气缸降温的同时气缸降温的同时, ,还可以提高进气密度还可以提高进气密度, ,让更多让更多的空气进入到气缸的空气进入到气缸, ,而且能确保汽油跟空气均匀而且能确保汽油跟空气均匀的混合。的混合。182)2)喷油阶段喷油阶段: :当活塞即将达到发动机压缩行当活塞即将达到发动机压
19、缩行程的上止点时程的上止点时, ,在火花塞点火之前在火花塞点火之前, ,一定量的一定量的汽油再次被喷出汽油再次被喷出, ,这次喷射被称为主喷油。这次喷射被称为主喷油。此时此时, ,活塞的凹面会使混合气在火花塞周围形成活塞的凹面会使混合气在火花塞周围形成一个浓度较高的区域一个浓度较高的区域, ,这种相对较浓的混合气能这种相对较浓的混合气能被火花塞顺利点燃被火花塞顺利点燃, ,而周围混合气较稀的区域是而周围混合气较稀的区域是无法被火花塞的火焰直接点燃的无法被火花塞的火焰直接点燃的, ,它只能在中心它只能在中心区域成功燃烧以后区域成功燃烧以后, ,利用燃烧产生的能量同时点利用燃烧产生的能量同时点燃。
20、燃。19由于采用了上述设计由于采用了上述设计,GDI,GDI发动机能在发动机能在40:140:1的超稀空燃比情况下正常运转。在这种稀的超稀空燃比情况下正常运转。在这种稀薄燃烧的情况下薄燃烧的情况下, ,燃料可以更加充分地燃烧燃料可以更加充分地燃烧, ,榨取每一滴燃油的所能产生的动能。与此榨取每一滴燃油的所能产生的动能。与此同时同时, ,由于燃烧充分由于燃烧充分, ,可以大幅度减少未燃可以大幅度减少未燃烧的气体从发动机里排出烧的气体从发动机里排出, ,从而获得更低的从而获得更低的排放。排放。GDIGDI的分两段喷油除了实现上述功能外的分两段喷油除了实现上述功能外, ,还还能有效减小爆燃的产生能有
21、效减小爆燃的产生, ,从而可以采用更高从而可以采用更高的压缩比的压缩比, ,获得更强劲的动力输出。获得更强劲的动力输出。20虽然虽然GDIGDI发动机可以降低整体的废气排放污发动机可以降低整体的废气排放污染染, ,但是它的氮氧化物的排放非常高。为此但是它的氮氧化物的排放非常高。为此, ,需要采用有效的有针对性的三元催化装置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。才能保证尾气的排放达到环保部门的要求。但是在国内但是在国内, ,油品中的含硫量非常高油品中的含硫量非常高, , 汽油汽油燃烧后很容易产生硫化物而使催化器中毒燃烧后很容易产生硫化物而使催化器中毒, ,从而
22、导致催化反应失效从而导致催化反应失效, ,使氮氧化物无法得使氮氧化物无法得到还原处理。这也就是为何到目前为止到还原处理。这也就是为何到目前为止, ,国国内没有一款匹配三菱内没有一款匹配三菱GDIGDI发动机的车销售的发动机的车销售的原因了。原因了。212.2.奔驰缸内直接喷射奔驰缸内直接喷射CGICGI奔驰奔驰CLS350 CGI(stratified-Charged CLS350 CGI(stratified-Charged Gasoline Injection)Gasoline Injection)轿车搭载的轿车搭载的M272DE M272DE V6V6缸内直喷汽油发动机缸内直喷汽油发动机
23、, ,是由奔驰公司和博是由奔驰公司和博世公司合作开发的世界上第一台采用压电世公司合作开发的世界上第一台采用压电式喷油器的缸内直喷汽油机式喷油器的缸内直喷汽油机, ,其特点是采用其特点是采用喷束引导燃烧方法和三次喷射模式。喷束引导燃烧方法和三次喷射模式。22(1)(1)燃油供给与喷射系统燃油供给与喷射系统 CGICGI发动机上使用的高压压电喷油器发动机上使用的高压压电喷油器, ,采用几微米宽锥采用几微米宽锥状环形喷孔状环形喷孔, , 塑造一个稳定的、非常理想的从浓到稀塑造一个稳定的、非常理想的从浓到稀的喷雾效果。在喷射时的喷雾效果。在喷射时, ,还可以吸收周边紊乱的空气颗还可以吸收周边紊乱的空气
24、颗粒粒, ,进入燃油喷射的层与层之间进入燃油喷射的层与层之间, ,形成一个理想的点火形成一个理想的点火前状态。前状态。CGICGI发动机还包括高压燃油泵以及后面的燃油导轨以及发动机还包括高压燃油泵以及后面的燃油导轨以及其中的燃油压力调节阀其中的燃油压力调节阀, ,它们为系统提供稳定的燃油。它们为系统提供稳定的燃油。在燃油导轨中在燃油导轨中, ,峰值燃油压力可以达到峰值燃油压力可以达到20MPa,20MPa,约是普通约是普通电喷汽油发动机的电喷汽油发动机的7070倍倍, ,比一些其他缸内直喷发动机也比一些其他缸内直喷发动机也高得多高得多, ,这样做的目的就是为了分层喷射时有理想的喷这样做的目的就
25、是为了分层喷射时有理想的喷雾效果雾效果, ,在高转速下有足够量的汽油供给。而且由于在在高转速下有足够量的汽油供给。而且由于在喷射瞬间喷射瞬间, ,导轨内的压力不可避免会出现瞬间下降导轨内的压力不可避免会出现瞬间下降, ,高高压也会让这种瞬间压力变化减小压也会让这种瞬间压力变化减小, ,喷射也就更加精确无喷射也就更加精确无误。误。23(2)(2)压电直喷技术压电直喷技术 目前的缸内直喷发动机都存在分段控制模式目前的缸内直喷发动机都存在分段控制模式低转速时使用分段多次喷射燃烧低转速时使用分段多次喷射燃烧, ,高转速下不使用。高转速下不使用。主要原因是目前的喷油器都是螺旋线圈电磁控制式的主要原因是目
26、前的喷油器都是螺旋线圈电磁控制式的, ,在高转速状态下在高转速状态下, ,喷油时间要求极短喷油时间要求极短, ,喷油器响应速度喷油器响应速度并不适合太高转速。并不适合太高转速。因此因此, ,奔驰开发了压电触发的喷油器。奔驰开发了压电触发的喷油器。利用活塞在压缩行程的压力利用活塞在压缩行程的压力, ,通过压力变形下的微弱电通过压力变形下的微弱电信号信号, ,经过放大电路放大后控制阀门开闭。压电喷油器经过放大电路放大后控制阀门开闭。压电喷油器百万分之一秒的反应时间百万分之一秒的反应时间, ,使喷油器基本的多点分层喷使喷油器基本的多点分层喷射成为可能射成为可能, ,在每次压缩的短时间内在每次压缩的短
27、时间内, ,再分为多次喷射再分为多次喷射, ,特别是高转速下特别是高转速下, ,也同样有分段喷射也同样有分段喷射, ,从而得到更理想从而得到更理想的稀薄燃烧的稀薄燃烧, ,这对提高发动机燃烧效率是至关重要的。这对提高发动机燃烧效率是至关重要的。24(3)(3)排放问题排放问题尽管奔驰尽管奔驰CGICGI发动机在很多方面都有突破发动机在很多方面都有突破, ,但和但和其他缸内直喷发动机一样其他缸内直喷发动机一样, ,也面临一个头痛的问也面临一个头痛的问题题, ,那就是因高压缩比带来的高温副作用那就是因高压缩比带来的高温副作用, ,产生产生了过多的氮氧化物的排放。了过多的氮氧化物的排放。奔驰使用了专
28、门的氮氧化物净化器以及传感器奔驰使用了专门的氮氧化物净化器以及传感器, ,效果虽然更好效果虽然更好, ,但价格却比三元催化转化器要贵但价格却比三元催化转化器要贵得多。得多。253.3.宝马高精准缸内直接喷射宝马高精准缸内直接喷射HPIHPI目前目前, ,宝马的直四、直六、宝马的直四、直六、88和和V12V12发动机上均发动机上均配有高精准缸内直接喷射配有高精准缸内直接喷射HPI(High Precision HPI(High Precision Injection),Injection),同样采用了喷束引导燃烧方法和二同样采用了喷束引导燃烧方法和二次喷射。次喷射。HPIHPI发动机能做到每分钟
29、发动机能做到每分钟20002000次独立燃油喷射次独立燃油喷射, ,每次喷射的油量可低至每次喷射的油量可低至2mg,2mg,通过阀门之间的中央通过阀门之间的中央部位的压电式喷油器使喷油得到异常精确的控制。部位的压电式喷油器使喷油得到异常精确的控制。26压电式喷油器设置在气门的中心位置并安压电式喷油器设置在气门的中心位置并安装在靠近火花塞附近的区域。装在靠近火花塞附近的区域。HPIHPI发动机使用的喷油器向外开启。发动机使用的喷油器向外开启。HPIHPI发动机的过量空气系数发动机的过量空气系数在在0.92.5的范的范围内围内, , 燃油消耗少燃油消耗少, , 污染物排放水平低。污染物排放水平低。
30、27第二节 奥迪A6L FSI缸内直喷发动机技术一、奥迪FSI缸内直喷发动机二、奥迪A6L 2.0L TFSI缸内直喷系统的结构与工作原理28一、奥迪一、奥迪FSIFSI缸内直喷发动机缸内直喷发动机FSI(Fuel stratified Injection)FSI(Fuel stratified Injection)指燃油分层喷射指燃油分层喷射, ,是是直喷式汽油发动机领域的一项革命性技术。直喷式汽油发动机领域的一项革命性技术。20022002年年, ,大大众在众在Lupo FSILupo FSI和和Golf FSIGolf FSI发动机上首次使用了带发动机上首次使用了带Bosch Bosch
31、 Motronic MED7Motronic MED7发动机管理系统的汽油直接喷射系统。发动机管理系统的汽油直接喷射系统。 Golf FSI 1.6LGolf FSI 1.6L发动机采用气流引导和壁面引导结合的发动机采用气流引导和壁面引导结合的燃烧方法燃烧方法, ,可使燃油与空气达到理想的混合效果。可使燃油与空气达到理想的混合效果。20042004年年, ,奥迪在奥迪在FSIFSI发动机中融入涡轮增压技术形成发动机中融入涡轮增压技术形成TFSITFSI发动机发动机技术。采用气流引导的燃烧方法发动机发动机技术。采用气流引导的燃烧方法, ,大大大降低了燃油消耗和有害气体的排放。大降低了燃油消耗和有
32、害气体的排放。理论上理论上, ,奥迪奥迪FSIFSI发动机有三种操作模式发动机有三种操作模式: :分层充气模式、分层充气模式、均质稀薄充气模式和均质充气模式。均质稀薄充气模式和均质充气模式。ECUECU根据转矩、功根据转矩、功率、废气和安全要求选择相应的操作模式。率、废气和安全要求选择相应的操作模式。291.1.分层充气模式分层充气模式从起动到中间负荷和转速的区域从起动到中间负荷和转速的区域, ,发动机一直发动机一直运行在分层充气模式中。在此模式中运行在分层充气模式中。在此模式中, ,发动机发动机产生的转矩仅由喷入的燃油量确定产生的转矩仅由喷入的燃油量确定, ,空气质量空气质量和点火提前角产生
33、的影响很小。和点火提前角产生的影响很小。进入分层充气模式的前提条件是进入分层充气模式的前提条件是: :发动机在相应的负荷和转速区域中发动机在相应的负荷和转速区域中;系统中没系统中没有与废气排放相关的故障有与废气排放相关的故障;冷却液温度高于冷却液温度高于50;50;氮氧化物传感器准备就绪氮氧化物传感器准备就绪;氮氧化物存氮氧化物存储式催化转化器的温度在储式催化转化器的温度在250-500250-500。30(1)(1)进气进气在分层充气模式中为了尽可能地降低节气门的在分层充气模式中为了尽可能地降低节气门的节流损失节流损失, ,节气门将尽可能地开大。进气歧管中节气门将尽可能地开大。进气歧管中安置
34、一翻板安置一翻板, ,分层进气过程中翻板向上封住下进分层进气过程中翻板向上封住下进气歧管气歧管, ,让进气加速通过让进气加速通过, ,与与形活塞顶配合形活塞顶配合, ,形形成进气涡旋。成进气涡旋。31(2)(2)喷油喷油 分层充气模式的喷油过程发生在压缩行程的后分层充气模式的喷油过程发生在压缩行程的后l/3,l/3,开开始于约上止点前始于约上止点前6060, ,结束于约上止点前结束于约上止点前4545。燃油被喷射在活塞顶的凹坑内燃油被喷射在活塞顶的凹坑内, ,喷油器喷嘴的几何形状喷油器喷嘴的几何形状使得空气与燃油的混合物能根据需要进行分配。使得空气与燃油的混合物能根据需要进行分配。燃油通过燃油
35、凹腔和向上的活塞运动被引导至火花塞。燃油通过燃油凹腔和向上的活塞运动被引导至火花塞。这一过程得到可转向空气流的帮助这一过程得到可转向空气流的帮助, ,它也将燃油引导至它也将燃油引导至火花塞。燃油在被引导至火花塞的过程中与吸入的空火花塞。燃油在被引导至火花塞的过程中与吸入的空气混合。气混合。32(3)(3)混合混合 混合气形成只能发生在曲轴转角混合气形成只能发生在曲轴转角4040-50-50。此时。此时, ,在燃烧室中心的火花在燃烧室中心的火花塞的周围形成一层混合气气雾，这些混合气气雾被一层由新鲜空气和再塞的周围形成一层混合气气雾，这些混合气气雾被一层由新鲜空气和再循环废气完美组合的外层包围。整
36、个燃烧室内的循环废气完美组合的外层包围。整个燃烧室内的一般在一般在1.6-31.6-3之间。之间。如果喷油和点火之间的时间间隔太短如果喷油和点火之间的时间间隔太短, ,则由于混合物还没有足够的准备时则由于混合物还没有足够的准备时间间, ,所以不能被点燃。如果时间间隔太长所以不能被点燃。如果时间间隔太长, ,则会导致在整个燃烧室内的进则会导致在整个燃烧室内的进一步均质化。一步均质化。33(4)(4)燃烧燃烧 空气与燃油的混合物在火花塞周围区域准确定位后空气与燃油的混合物在火花塞周围区域准确定位后, ,点点火周期就开始了。此时火周期就开始了。此时, ,仅雾化的混合物被点燃仅雾化的混合物被点燃, ,
37、因为因为有其他气体起着隔离层的作用有其他气体起着隔离层的作用, ,这样就减小了气缸壁的这样就减小了气缸壁的热损耗并且提高了发动机的热效率。由于空气过量程热损耗并且提高了发动机的热效率。由于空气过量程度较高度较高,NOx,NOx的排放非常高。的排放非常高。342.2.均质稀薄充气模式均质稀薄充气模式在分层充气模式和均质充气模式之间的过渡区域中在分层充气模式和均质充气模式之间的过渡区域中, ,发动机运行在均质稀薄充气模式中。发动机运行在均质稀薄充气模式中。(1)(1)进气进气 节气门将尽可能地开大并且进气歧管翻板被关闭。这样节气门将尽可能地开大并且进气歧管翻板被关闭。这样, ,首先会降低节气门上的
38、节流损失首先会降低节气门上的节流损失, ,其次会在气缸中产生强其次会在气缸中产生强烈的空气流。烈的空气流。35(2)(2)喷油喷油 燃油在上止点前约燃油在上止点前约300300时被直接喷入气缸。时被直接喷入气缸。ECUECU对喷油量进行调节使得过量空气系数对喷油量进行调节使得过量空气系数约为约为1.551.55。36(3)(3)混合混合 由于喷油点提前由于喷油点提前, ,给混合气的形成留出了更多给混合气的形成留出了更多的时间的时间, ,从而导致燃烧室中形成均质混合气。从而导致燃烧室中形成均质混合气。37(4)(4)燃烧燃烧 点火时点火时, ,燃烧发生在整个燃烧室内，均质稀燃的燃烧发生在整个燃烧
39、室内，均质稀燃的点火时间选择范围宽泛点火时间选择范围宽泛, ,有很好的燃油经济性。有很好的燃油经济性。383.3.均质充气模式均质充气模式均质充气模式能充分发挥动态响应好、转矩和功均质充气模式能充分发挥动态响应好、转矩和功率高的特点。在更高负荷和转速的区域中率高的特点。在更高负荷和转速的区域中, ,发动机发动机运行在均质充气模式中。运行在均质充气模式中。(1)(1)进气进气均质充气模式的进气过程中均质充气模式的进气过程中, ,节气门位置由加速踏板决节气门位置由加速踏板决定定, ,进气歧管中的翻板位置视不同情况而定。当发动机进气歧管中的翻板位置视不同情况而定。当发动机处于中等负荷和转速时处于中等
40、负荷和转速时, ,进气歧管翻板关闭进气歧管翻板关闭, ,进气被导进气被导入气缸中入气缸中, ,从而促进了混合气的形成。随着发动机负荷从而促进了混合气的形成。随着发动机负荷和转速的增加和转速的增加, ,仅仅依靠上部管道吸入的空气会使得空仅仅依靠上部管道吸入的空气会使得空气量不能满足需要。这时气量不能满足需要。这时, ,进气歧管翻板的下部管道被进气歧管翻板的下部管道被打开。打开。(2)(2)喷油喷油 燃油在上止点前约燃油在上止点前约300300时被直接喷入气缸。时被直接喷入气缸。39(3)(3)混合混合 由于在进气行程中喷入燃油由于在进气行程中喷入燃油, ,对混合物的形成而言就有对混合物的形成而言
41、就有了更多的时间。这样了更多的时间。这样, ,就在气缸中形成了均质混合气。就在气缸中形成了均质混合气。此时燃烧室中的过量空气系数此时燃烧室中的过量空气系数=1=1。(4)(4)燃烧燃烧 在均质充气模式中在均质充气模式中, ,点火时刻是影响发动机的转矩、燃点火时刻是影响发动机的转矩、燃油消耗和排放行为的主要因素。油消耗和排放行为的主要因素。40二、奥迪二、奥迪A6L 2.0 TFSIA6L 2.0 TFSI缸内直喷系统的结构与工作缸内直喷系统的结构与工作原理原理1.1.进气系统进气系统1)ECU1)ECU控制进气歧管翻板电动机控制进气歧管翻板电动机V157V157工作工作, ,电动机通过一电动机
42、通过一个连接杆来调节同轴的四个进气歧管翻板。个连接杆来调节同轴的四个进气歧管翻板。41分层的目的分层的目的: :改善冷机时的怠速改善冷机时的怠速; ; 改善改善充气效果充气效果, ,提高发动机运提高发动机运行性能行性能; ;在超速切断时防在超速切断时防止发动机抖动。止发动机抖动。而在其他的转速范围时，而在其他的转速范围时，吸入的空气通过打开进吸入的空气通过打开进气歧管翻板被引入到燃气歧管翻板被引入到燃烧室内烧室内这种空气进这种空气进气方式可实现均质充气气方式可实现均质充气模式模式, ,减小进气阻力减小进气阻力, ,使使功率得到提高。功率得到提高。在功率较低且转速在在功率较低且转速在1000-5
43、000r/min1000-5000r/min时时, ,吸入的空气通过关闭吸入的空气通过关闭的进气歧管翻板被引入到燃烧室内的进气歧管翻板被引入到燃烧室内这种空气进气方式用于这种空气进气方式用于分层充气模式。分层充气模式。422.燃油系统燃油系统(1)电动燃油泵电动燃油泵电动燃油泵安装在燃油箱中电动燃油泵安装在燃油箱中,集成了油位传感器。集成了油位传感器。 (2)燃油泵控制单元燃油泵控制单元 燃油泵控制单元安装在电动燃油泵上面燃油泵控制单元安装在电动燃油泵上面,其功能是通过其功能是通过PWM(脉宽调制脉宽调制)信号来控制电动燃油泵信号来控制电动燃油泵,使低压燃油系使低压燃油系统的燃油压力达到统的燃
44、油压力达到0.050.5MPa;在冷起动时使低压燃在冷起动时使低压燃油系统的压力达到油系统的压力达到0.65MPa。燃油泵控制单元失效将。燃油泵控制单元失效将造成造成PWM信号无法到达电动燃油泵信号无法到达电动燃油泵,发动机将因供油问发动机将因供油问题不能运转。题不能运转。43(3)(3)高压燃油泵高压燃油泵 高压燃油泵由凸轮轴以机械方式来驱动。压力缓冲高压燃油泵由凸轮轴以机械方式来驱动。压力缓冲器会吸收高压系统内的压力波动。器会吸收高压系统内的压力波动。44(4)(4)燃油压力调节阀燃油压力调节阀N276N276燃油压力调节阀燃油压力调节阀N276N276调节燃油系统调节燃油系统中高压部分的
45、燃油中高压部分的燃油压力。出于安全原压力。出于安全原因因, ,燃油压力调节阀燃油压力调节阀是一个在不通电时是一个在不通电时打开的电磁阀。打开的电磁阀。45(5)(5)高压燃油压力传感器高压燃油压力传感器G427G427高压燃油压力传感器的核心是一个钢膜高压燃油压力传感器的核心是一个钢膜, ,在钢膜上镀有在钢膜上镀有应变电阻应变电阻, ,要测的压力经压力接口作用到钢膜的一侧时要测的压力经压力接口作用到钢膜的一侧时, ,由于钢膜弯曲变形由于钢膜弯曲变形, ,就引起应变电阻的阻值发生变化。就引起应变电阻的阻值发生变化。ECUECU给传感器供电给传感器供电, ,供电电压为供电电压为5V5V。当压力升高
46、时电阻。当压力升高时电阻降低降低, ,于是信号电压升高。于是信号电压升高。46(6)(6)低压燃油压力传感器低压燃油压力传感器G410G410低压燃油系统内的燃油压力由低压燃油压力传低压燃油系统内的燃油压力由低压燃油压力传感器来监控并将压力信号发送给感器来监控并将压力信号发送给ECUECU。如果监控。如果监控的压力偏离规定值的压力偏离规定值,ECU,ECU将发送一个适当的将发送一个适当的PWMPWM信信号号( (频率频率20Hz)20Hz)给燃油泵控制单元给燃油泵控制单元, ,燃油泵控制单燃油泵控制单元发送一个元发送一个PWMPWM信号给电动燃油泵信号给电动燃油泵, ,使低压燃油系使低压燃油系
47、统内的燃油压力返回到规定值。统内的燃油压力返回到规定值。47(7)(7)高压喷油阀高压喷油阀N33-N33 N33-N33 高压喷油阀是一个单孔喷嘴。它将燃油直接喷高压喷油阀是一个单孔喷嘴。它将燃油直接喷入燃烧室入燃烧室, ,并且可以在短时间内喷射出大量的燃并且可以在短时间内喷射出大量的燃油。油。48ECUECU内集成有两个内集成有两个升压电容器升压电容器, ,这两这两个电容器产生个电容器产生50-50-90v90v的起动电压。的起动电压。这个电压用于保证这个电压用于保证较短的喷油时间较短的喷油时间( (与进气歧管喷射与进气歧管喷射相比相比) )。失效模式失效模式: :当一个当一个失效的高压喷
48、油阀失效的高压喷油阀被失火检测电路检被失火检测电路检测到时测到时, ,该喷油阀该喷油阀停用。停用。49(8)(8)驱动方式驱动方式1)1)冷起动时二次喷射冷起动时二次喷射二次喷射是一种特殊的工作模式二次喷射是一种特殊的工作模式, ,是为了在冷是为了在冷起动时迅速加热催化转化器。在进气行程中起动时迅速加热催化转化器。在进气行程中, ,在在距点火上止点约距点火上止点约300300时喷入部分燃油时喷入部分燃油, ,这部分这部分燃油由于时间较长可均匀混合。在压缩行程中燃油由于时间较长可均匀混合。在压缩行程中, ,在距点火上止点约在距点火上止点约6060时进行第二次喷射。此时进行第二次喷射。此时在火花塞
49、附近形成了较浓的混合气时在火花塞附近形成了较浓的混合气, , 可使点可使点火较晚火较晚, ,且可以保证发动机稳定运行。二次喷射且可以保证发动机稳定运行。二次喷射也能达到最佳空燃比也能达到最佳空燃比14.714.7：1 1。随着排气门打开。随着排气门打开, ,排气温度升高很快排气温度升高很快, ,催化转化器在催化转化器在30-40s30-40s即达到即达到其工作温度其工作温度300300。502)2)正常模式正常模式正常的操作模式发生在催化转化器到达工作温正常的操作模式发生在催化转化器到达工作温度后度后, ,此时进入正常的喷油正时此时进入正常的喷油正时, ,因为催化转化因为催化转化器不再需要进行
50、附加的加热。发动机工作在最器不再需要进行附加的加热。发动机工作在最佳空燃比佳空燃比14.714.7：1 1的情况下。的情况下。3)3)低压燃油系统预起动低压燃油系统预起动当打开驾驶员侧车门当打开驾驶员侧车门, ,收到车门开关信号时收到车门开关信号时, ,电电动燃油泵即开始工作。电动燃油泵提前工作可动燃油泵即开始工作。电动燃油泵提前工作可缩短起动时间且可迅速建立高压。为避免电动缩短起动时间且可迅速建立高压。为避免电动燃油泵损坏燃油泵损坏, ,由一个计数器监控预起动次数。由一个计数器监控预起动次数。51(9)NOx(9)NOx存储式催化净化器存储式催化净化器52当涡轮增压发动机当涡轮增压发动机高负
51、荷工作时，会高负荷工作时，会逐渐吸入温度较高、逐渐吸入温度较高、密度较低的热空气，密度较低的热空气，带来燃烧效率降低带来燃烧效率降低的弊端，宝马这项的弊端，宝马这项技术便是降低此时技术便是降低此时吸入空气的温度，吸入空气的温度，提升燃烧效率。提升燃烧效率。当系统判断发动机在高负荷、高工况工作状态时，当系统判断发动机在高负荷、高工况工作状态时，如果仅是开启进气歧管内的喷雾系统仍不能有效降如果仅是开启进气歧管内的喷雾系统仍不能有效降低进气温度后，布置在燃烧室的喷嘴也将开启，直低进气温度后，布置在燃烧室的喷嘴也将开启，直接将水雾喷入燃烧室，从而更加有效的为发动机进接将水雾喷入燃烧室，从而更加有效的为
52、发动机进行降温。行降温。5354？得益于这项技术，发动机压缩比也可以从原先的得益于这项技术，发动机压缩比也可以从原先的9.5:1提提升至升至11:1，输出功率最多提升，输出功率最多提升10%，并且喷雾系统带来，并且喷雾系统带来的进气温度降低还可以降低发动机相关零部件的热负荷。的进气温度降低还可以降低发动机相关零部件的热负荷。宝马官方公布的资料显示发动机的活塞、阀门、催化器宝马官方公布的资料显示发动机的活塞、阀门、催化器和涡轮增压器这些部件使用寿命都会大大加强。除此以和涡轮增压器这些部件使用寿命都会大大加强。除此以外，燃油兼容性也会更优秀，因此，即便是使用部分国外，燃油兼容性也会更优秀，因此，即
53、便是使用部分国家汽油标号相比德国偏低，也同样可以达到设计时的功家汽油标号相比德国偏低，也同样可以达到设计时的功率，而不用因个别地区的燃油品质问题而降低发动机输率，而不用因个别地区的燃油品质问题而降低发动机输出功率。出功率。新技术可能遇到的问题新技术可能遇到的问题虽然这套喷雾系统拥有提升发动机功率、提高发动机燃虽然这套喷雾系统拥有提升发动机功率、提高发动机燃油实用性、提升相关部件耐用性、降低燃油消耗等诸多油实用性、提升相关部件耐用性、降低燃油消耗等诸多优点，但是在技术上其存在诸多问题需要克服。优点，但是在技术上其存在诸多问题需要克服。55 水源的选择水源的选择虽然这套喷雾冷却系统设计时考虑到了极端气虽然这套喷雾冷却系统设计时考虑到了极端气候条件下的大多数用车环境，也就是说日常行候条件下的大多数用车环境，也就是说日常行驶大部分情况下都无需考虑为喷雾系统补水的驶大部分情况下都无需考虑为喷雾系统补水的事情，但如果在诸如冬天这样较为干燥的环境事情，但如果在诸如冬天这样较为干燥的环境时，就可能需要为系统补充喷雾用水了。时，就可能需要为系统补充喷雾用水了。但只能补充蒸馏水。但只能补充蒸馏水。56
