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FSI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，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GDI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4～10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30～40,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。