现代缸内直喷式汽油机_2
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现代燃油直喷燃烧技术将引领车用发动机市场
系统 ，奔驰 开发 了 Ｃ ＧＩ系统 ，菲亚特 则开发 了 ＪＳ Ｔ
系统 ， 虽然名字 不同 ， 但它们 都代表 了汽 油缸 内直喷 。
旦这一新理论在 实践得到应用 ， 以预见 ， 后的 可 今
发动机会更加高效、 更加清洁， 汽车的使用将更加安 全 且有利于环保 。
２ 直喷技术 能均 匀燃烧和分层燃烧 ．
说， 空燃 比是 １． １ ４ ７： 的混合气集中在火花塞周围， 在燃烧室的其他 部分则足纯净 的空气。混合汽层的 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 问。分层燃烧时 值达到 ４ ，可见发动机在中、低 速 时燃 油 足多么 节 省 。另一个 优 点是 ，在 燃烧 时空 气层 隔绝 了热 ，减 少 了热量 向气缸 壁 的传 递 ，从 而
料的燃烧 ， 化学能转化 为热 能 ， 把 再将热 能转化 为机
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 ，使 发动机 动力得 到淋漓 尽
致的发挥 。 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 １． １ ４７： ，此
械能的热动力机械 。内燃机是热效率最高的热力机 械，但仍存在着 巨大的节能及降低尾气污染的潜力。 对于量调节 式的汽油机而 言，在部分 负荷 时， 因节 会 气门开度小而造成发动机的泵气损失大， 从而降低发
动机 的机械 效率 ， 响到经 济性 。 影 取消节气 门就是提 高汽油机 经济性 的最根 本措施 。 由于 目前的汽 油机 但
时的 值是 １ 。而燃油的蒸发又使混合气 降温 ，去
系统 ， 虽然名字 不同 ， 但它们 都代表 了汽 油缸 内直喷 。
旦这一新理论在 实践得到应用 ， 以预见 ， 后的 可 今
发动机会更加高效、 更加清洁， 汽车的使用将更加安 全 且有利于环保 。
２ 直喷技术 能均 匀燃烧和分层燃烧 ．
说， 空燃 比是 １． １ ４ ７： 的混合气集中在火花塞周围， 在燃烧室的其他 部分则足纯净 的空气。混合汽层的 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 问。分层燃烧时 值达到 ４ ，可见发动机在中、低 速 时燃 油 足多么 节 省 。另一个 优 点是 ，在 燃烧 时空 气层 隔绝 了热 ，减 少 了热量 向气缸 壁 的传 递 ，从 而
料的燃烧 ， 化学能转化 为热 能 ， 把 再将热 能转化 为机
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 ，使 发动机 动力得 到淋漓 尽
致的发挥 。 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 １． １ ４７： ，此
械能的热动力机械 。内燃机是热效率最高的热力机 械，但仍存在着 巨大的节能及降低尾气污染的潜力。 对于量调节 式的汽油机而 言，在部分 负荷 时， 因节 会 气门开度小而造成发动机的泵气损失大， 从而降低发
动机 的机械 效率 ， 响到经 济性 。 影 取消节气 门就是提 高汽油机 经济性 的最根 本措施 。 由于 目前的汽 油机 但
时的 值是 １ 。而燃油的蒸发又使混合气 降温 ，去
缸内直喷汽油、机应用现状及问题综述
０ 前 言
近 年 来 ，随 着 能 源 与环 境 问 题 的 日益 严 峻 ，
熟 ，但是 电池 的续航里程短 ，寿命 不长 ，回收困
难 ，而 且 需 要 充 电 ，在 传 统 热 电 占主 导 地 位 的 今
各国在汽车节能减排方面都制定 了严格 的限制性法 律法规 ，给各大车企带来 了强大的压力。例如针对 ２ ０ １ ５年 的 Ｃ Ｏ ， 排 放标 准 ，中 国的限值 为 １ ６ １
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： ＧＤＩ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｗａ ｓ ａ ｃ ｃ ｅ ｐ ｔ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ ｗｏ ｒ ｄ － ｗｉ ｄ ｅ ａ ｓ ｈ ｉ ｇ ｈ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ，ｌ ｏ ｗ ｆ ｕ ｅ ｌ ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ， ｌ ｏ ｗ ｅ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｈ ｉ ｇ ｈ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ － ｗｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ． Ｔ Ｓ Ｉ ＧＤＩ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｓ ｈ ａ ｖ ｅ ｍｏ ｕ ｎ ｔ ｅ ｄ ａ ｔ ａ ｌ ｍｏ ｓ ｔ ａ ｌ ｌ ＶＷ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ． ｔ ｈ ｅ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ＧＤＩ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ａ ｌ ｓ ｏ ｔ ａ ｋ ｅ ａ ｉ ｍｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｔ ａ ｍｏ ｕ ｎ ｔ ｉ ｎ ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｖ ｅ ｒ ｓ ｅ ａ ａ ｕ ｔ ｏ ｍｏ ｂ ｉ ｌ ｅ ｃ ｏ ｒ ｐ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ． ｂ ｕ ｔ ａ Ｉ ｌ ｔ ｈ ｅ ＧＤＩ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｆ ｉ ｔ ｔ ｅ ｄ ａ ｔ ｍｉ ｄ ｄ ｌ ｅ ｏ ｒ ｈ ｉ ｇ ｈ ｐ ｒ ｉ ｃ ｅ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ． Ｓ ｏ ｍｅ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍｓ ｏ ｆ ＧＤＩ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｗ ｅ ｒ ｅ ｐ ｕ ｚ ｚ ｌ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ Ｃｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ａ ｕ ｔ ｏ ｍｏ ｂ ｉ ｌ ｅ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ｅ ｖ ｅ ｎ ｔ ｔ ｈ ｅ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｗｉ ｔ ｈ ｓ ｅ ｆ ｒ － ｏ ｗｎ ｅ ｄ ＧＤＩ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｆ ｒ ｏ ｍ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｉ ｎ ｇ ． Ｔ ｈ ｅ ＧＤＩ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｗｉ ｌ ｌ ｂ ｅ ｉ ｆ ｔ ａ ｔ ａ Ｉ ｌ ｐ ｒ ｉ ｃ ｅ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ａ ｌ ｏ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｓ ｔ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ．
缸内直喷简介
因此，在大负荷工况时，一个工作循环中，喷 因此，在大负荷工况时，一个工作循环中， 油器发生两次脉冲信号， 油器发生两次脉冲信号，必须是用瞬时高电压 和大电流“峰值保持型”驱动方式（ 100～ 和大电流“峰值保持型”驱动方式（用100～ 110V和17～20A打开 110V和17～20A打开） 。 打开） 两次喷射”也可在起动工况、 “两次喷射”也可在起动工况、急加速工况出 以调节空燃比A/F的大小 改善使用性能。 的大小， 现，以调节空燃比A/F的大小，改善使用性能。 可见，只有在等速稳定工况行驶，才能节油。 可见，只有在等速稳定工况行驶，才能节油。
检测方法： 检测方法： 可燃混合气较浓， （1）在小负荷工况时 可燃混合气较浓，输出 ）在小负荷工况时—可燃混合气较浓 电压应为0.66v左右；在中等负荷工况时 可燃混 左右； 电压应为 左右 在中等负荷工况时—可燃混 合气较稀，输出电压应为3.3v左右。 左右。 合气较稀，输出电压应为 左右 （2）连续地快速加减油门踏板，输出电压应连 ）连续地快速加减油门踏板， 续的变化，反应时间应为1.1s为好（与传统数据 为好（ 续的变化，反应时间应为 为好 相近， 相近，10s＞8次）。 ＞ 次 3）宽带氧传感器，也有多组故障代码， （3）宽带氧传感器，也有多组故障代码，如： P1133—A/F传感器反应速度过慢； 传感器反应速度过慢； 传感器反应速度过慢 P0171—混合气稀。等等 混合气稀。 混合气稀 等等----
5、高压旋流式喷油器— 高压旋流式喷油器— ECU直接用脉冲电流 由ECU直接用脉冲电流 的宽度， 的宽度，控制喷油量的多 利用特殊的喷孔形状， 少，利用特殊的喷孔形状， 向气缸内喷出旋转的雾状 燃油， 燃油，与挤压涡流快速的 混合，以便点火燃烧。 混合，以便点火燃烧。它 没有进气管沉积油膜的缺 又因喷油压力较高， 点，又因喷油压力较高， 喷油器的自洁功能高， 喷油器的自洁功能高，不 易产生脏堵故障。 易产生脏堵故障。
GDI(汽油机缸内直喷技术)排放特性及后处理
GDI排放特性及后处理1前言随着经济的发展及人民生活水平的不断提高,汽车保有量越来越大。
汽车在带给人类巨大便利的同时也带给人类严重的环境污染，为此世界各国纷纷制定愈来愈严格的排放法规，以减少汽车废气排放污染。
为满足排放法规的要求，人们对发动机排放控制技术的研究也在不断的深入。
2汽油机有害排放物的成分及其危害汽油机排放物的成分非常复杂,除了N2、O2、CO2、H2和水蒸气等无害外，其余均为有害成分，主要是从排气管排出的废气和其它部位漏出的燃料蒸汽以及从曲轴箱窜出的气体，主要包括不完全燃烧生成的CO，未燃烧的燃料HC，高温燃烧时生成的NOx 等。
（1）CO是城市大气中的主要污染物，而汽车排出的CO占整个大气中的90%以上，CO易与血红蛋白结合，致使人体缺氧，引起头痛、头晕、呕吐等症状，严重时可使人窒息死亡；（2）NOx、HC化合物在阳光中紫外线照射作用下发生一系列的链式化学反应，NOx 是光化学烟雾产生的主要元凶，使人眼红、头痛、手足抽搐，还会使植物枯死并使橡胶破裂。
空气污染的危害广泛而深远，已严重威胁着人类的生存与发展。
3传统内燃机有害成份的生成机理3.1CO生成机理CO是一种不完全燃烧的产物，是汽油机排气中有害成分浓度最大的物质，其生成主要受混合气浓度的影响，在过量空气系数Φa＜的浓混合气工况时，由于缺氧使燃烧中的碳不能完全氧化成CO2，CO作为中间产物生成。
在Φa＞1的稀混合气工况时，理论上不应有CO产生，但实际燃烧过程中，由于混合不均匀部分区域的Φa＜1条件成立，由局部燃烧不完全而产生CO或者已成为燃烧产物的CO2 和H2O在高温时吸热，产生热离解分解反应，由此生成CO。
3.2HC生成机理HC排放物的生成除了曲轴箱通风口漏出和油箱蒸发外，主要是不完全燃烧、壁面淬熄等原因：（1）不完全燃烧：发动机运转时，若混合气过浓或过稀，或着废气被严重稀释，或者点火系统发生故障，则火花塞可能不跳火，或者跳火后不能使混合气着火，或者着火后又在传播过程中熄灭，致使混合气中部分燃料，甚至全部燃料以未燃HC形式排出，使HC排放明显升高。
缸内直喷技术
但是，随着世界工业化的发展，汽车成为不可或缺的主要交通工具，而作为汽车主要动力的这种化油器式汽油机废气中的有害成分(C O、H C和N O X等)对大气造成了污染，而燃烧产物二氧化碳又产生“温室效应”导致全球气候变暖。随着汽车数量的与日俱增，对人类生存环境的危害日趋加剧，因此汽车的节能减排已成为全球刻不容缓需要解决的重要问题。
2、汽车发动机新技术---缸内直喷式
近年来，当代汽车汽车飞速发展，汽车新技术不断涌现和应用，带动汽车性能不断改善。下面就现代缸内直喷式汽油机进行简单介绍。
汽油机的发展经历了100多年的漫长历史，其中具有里程碑意义的发展阶段无不是以油气混合方式和机理的变迁为标志的。
早期的化油器式汽油机依靠化油器喉口气流流速增加所产生的真空度将汽油吸出被高速进气空气流雾化以及汽油油滴本身的蒸发而与空气形成可燃混合汽。油气混合比(空燃比=进气空气质量/燃油质量)取决于化油器喉口的设计和量孔直径，负荷的调节是由节气门的开度来调节进入汽缸的油气混合汽量来实现的，因此属于混合汽外部形成的量调节方式，且没有任何反馈控制。由于汽油-空气混合汽能在相当宽的空燃比范围内点燃，这种不太精确的控制对早期汽油机的正常运行并不存在什么问题。
既然油气混合物能有如此惊人的杀伤力，那在汽车上引入显然也会获得更高的动力和更省油的表现。根据云爆弹原理，大众为高压泵设计了一个非常精巧的结构，通过进气阀的凸轮轴来为油泵提供动力，这样很好的解决了油泵和进气阀之间的正时问题，也提高了燃油效率；同时作为一个纯机械的结构，这个高压泵具备了非常高的可靠性，大众（博世）甚至还设计了一个内部保护回路防止油压过高。可惜的是，大众和博世的设计尽管确保了机械自身的可靠性，但高压燃油轨(Rail)里的高压燃料是无法保护的，为了保证发动机运转的顺畅性，燃油轨中必须保持一定的压力。这个在平时是没有问题的，问题就出在了碰撞上。当发动机受到巨大的外力撞击时，位于发动机前部的高压共轨喷射系统就成了发动机首先受到撞击的部分。
2、汽车发动机新技术---缸内直喷式
近年来，当代汽车汽车飞速发展，汽车新技术不断涌现和应用，带动汽车性能不断改善。下面就现代缸内直喷式汽油机进行简单介绍。
汽油机的发展经历了100多年的漫长历史，其中具有里程碑意义的发展阶段无不是以油气混合方式和机理的变迁为标志的。
早期的化油器式汽油机依靠化油器喉口气流流速增加所产生的真空度将汽油吸出被高速进气空气流雾化以及汽油油滴本身的蒸发而与空气形成可燃混合汽。油气混合比(空燃比=进气空气质量/燃油质量)取决于化油器喉口的设计和量孔直径，负荷的调节是由节气门的开度来调节进入汽缸的油气混合汽量来实现的，因此属于混合汽外部形成的量调节方式，且没有任何反馈控制。由于汽油-空气混合汽能在相当宽的空燃比范围内点燃，这种不太精确的控制对早期汽油机的正常运行并不存在什么问题。
既然油气混合物能有如此惊人的杀伤力，那在汽车上引入显然也会获得更高的动力和更省油的表现。根据云爆弹原理，大众为高压泵设计了一个非常精巧的结构，通过进气阀的凸轮轴来为油泵提供动力，这样很好的解决了油泵和进气阀之间的正时问题，也提高了燃油效率；同时作为一个纯机械的结构，这个高压泵具备了非常高的可靠性，大众（博世）甚至还设计了一个内部保护回路防止油压过高。可惜的是，大众和博世的设计尽管确保了机械自身的可靠性，但高压燃油轨(Rail)里的高压燃料是无法保护的，为了保证发动机运转的顺畅性，燃油轨中必须保持一定的压力。这个在平时是没有问题的，问题就出在了碰撞上。当发动机受到巨大的外力撞击时，位于发动机前部的高压共轨喷射系统就成了发动机首先受到撞击的部分。
汽油机缸内直喷技术开创发动机新时代
动 机 相 比 ，Ｓ Ｆ Ｉ发 动 机 可 将 汽 油 直 接
此 外 ， 款 新 型 ６缸 发 动 机 还 使 这
喷入 燃烧 室 ， 而降低 了发动 机 的热 从
用 了 奥 迪 可 变 气 门 升 程 系 统 （ Ｓ） ＡＶ ，
量损 失 。 Ｆ Ｉ 动 机 配 备 了 按 需 控 制 的 燃 Ｓ发
维普资讯
新 枧 Ａ Ｍｌ ｌＮＣ 努 Ｕ ０ Ｎ ＡＥ Ｔ Ｂ ＴＮ ＯＬ Ｅ
汽油机缸 内直喷技术开创发动机新 时代
口吉林／ 车万华
奥 迪 轿 车 装 备 的 发 动 机 采 用缸 内直 喷 技 术 ， 种 缸 内 直 喷 发 动 机 被 这 称 为 汽 油 直 喷 式 发 动 机 （ Ｓ ）直 喷 ＦＩ，
油 供 给 系 统 ， 缸 ４只 气 门 ， 变 进 每 可 气 歧 管 以及 进 、 气 凸 轮 轴 连 续 可 调 排
装 置 。 汽 油 被 直 接 喷 入 燃 烧 室 ， 活 单 塞 高 压 泵 的 共 轨 高 压 喷 射 系 统 负 责 提 供 精 确 的 燃 料 ， 并 形 成 ３０～ ．
秒 级 精确 计 算注 入汽 油 量 的功 能 ， 大 大提 高 了 Ｆ Ｉ 动机 的压 缩 比 ， 也 Ｓ发 这 是 提高 发动机 效 率 的必要 先决 条件 。 例 如 ， 奥 迪 Ａ６ 轿 车 配 备 的 Ｌ
２８ Ｓ ．Ｌ Ｆ ＩＶ６缸 内 直 喷 发 动 机 ， 能 够 在 ５ ｏ ～ ０ Ｏ／ ｉ ５ ｏ ６ ０ ｒｒ ｎ时 输 出 １ ４ Ｗ 的 ａ ５ｋ 最 大 功 率 ， 并 在 ３ ０ ５ ０ ｒｍｉ ０ ０～ ０ Ｏ ／ ｎ的 宽转 速 范 围 内输 出 ２０ １ ８ Ｎ・１的 最 大 １
扭 矩 。 奥 迪 Ａ６ ． Ｆ Ｉ轿 车 仅 用 Ｌ ２８ Ｓ
此 外 ， 款 新 型 ６缸 发 动 机 还 使 这
喷入 燃烧 室 ， 而降低 了发动 机 的热 从
用 了 奥 迪 可 变 气 门 升 程 系 统 （ Ｓ） ＡＶ ，
量损 失 。 Ｆ Ｉ 动 机 配 备 了 按 需 控 制 的 燃 Ｓ发
维普资讯
新 枧 Ａ Ｍｌ ｌＮＣ 努 Ｕ ０ Ｎ ＡＥ Ｔ Ｂ ＴＮ ＯＬ Ｅ
汽油机缸 内直喷技术开创发动机新 时代
口吉林／ 车万华
奥 迪 轿 车 装 备 的 发 动 机 采 用缸 内直 喷 技 术 ， 种 缸 内 直 喷 发 动 机 被 这 称 为 汽 油 直 喷 式 发 动 机 （ Ｓ ）直 喷 ＦＩ，
油 供 给 系 统 ， 缸 ４只 气 门 ， 变 进 每 可 气 歧 管 以及 进 、 气 凸 轮 轴 连 续 可 调 排
装 置 。 汽 油 被 直 接 喷 入 燃 烧 室 ， 活 单 塞 高 压 泵 的 共 轨 高 压 喷 射 系 统 负 责 提 供 精 确 的 燃 料 ， 并 形 成 ３０～ ．
秒 级 精确 计 算注 入汽 油 量 的功 能 ， 大 大提 高 了 Ｆ Ｉ 动机 的压 缩 比 ， 也 Ｓ发 这 是 提高 发动机 效 率 的必要 先决 条件 。 例 如 ， 奥 迪 Ａ６ 轿 车 配 备 的 Ｌ
２８ Ｓ ．Ｌ Ｆ ＩＶ６缸 内 直 喷 发 动 机 ， 能 够 在 ５ ｏ ～ ０ Ｏ／ ｉ ５ ｏ ６ ０ ｒｒ ｎ时 输 出 １ ４ Ｗ 的 ａ ５ｋ 最 大 功 率 ， 并 在 ３ ０ ５ ０ ｒｍｉ ０ ０～ ０ Ｏ ／ ｎ的 宽转 速 范 围 内输 出 ２０ １ ８ Ｎ・１的 最 大 １
扭 矩 。 奥 迪 Ａ６ ． Ｆ Ｉ轿 车 仅 用 Ｌ ２８ Ｓ
第三章缸内直接喷射技术
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• (2)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—— 低转速时使用分段多次喷射燃烧,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, 在高转速状态下,喷油时间要求极短,喷油器响应速度 并不适合太高转速。
• 因此,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,通过压力变形下的微弱电 信号,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,使喷油器基本的多点分层喷 射成为可能,在每次压缩的短时间内,再分为多次喷射, 特别是高转速下,也同样有分段喷射,从而得到更理想 的稀薄燃烧,这对提高发动机燃烧效率是至关重要的。
8
• 3.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 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 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,才使得排放废气 符合欧Ⅳ废气排放标准。在该系统中,氮氧化物被暂时 地储存在转换器中,然后系统性地转换成氮气。
21
• (1)燃油供给与喷射系统
–CGI发动机上使用的高压压电喷油器,采用几微米宽锥 状环形喷孔, 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,还可以吸收周边紊乱的空气颗 粒,进入燃油喷射的层与层之间,形成一个理想的点火 前状态。 –CGI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,它们为系统提供稳定的燃油。 在燃油导轨中,峰值燃油压力可以达到20MPa,约是普通 电喷汽油发动机的70倍,比一些其他缸内直喷发动机也 高得多,这样做的目的就是为了分层喷射时有理想的喷 雾效果,在高转速下有足够量的汽油供给。而且由于在 喷射瞬间,导轨内的压力不可避免会出现瞬间下降,高 压也会让这种瞬间压力变化减小,喷射也就更加精确无 误。
• (2)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—— 低转速时使用分段多次喷射燃烧,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, 在高转速状态下,喷油时间要求极短,喷油器响应速度 并不适合太高转速。
• 因此,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,通过压力变形下的微弱电 信号,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,使喷油器基本的多点分层喷 射成为可能,在每次压缩的短时间内,再分为多次喷射, 特别是高转速下,也同样有分段喷射,从而得到更理想 的稀薄燃烧,这对提高发动机燃烧效率是至关重要的。
8
• 3.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 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 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,才使得排放废气 符合欧Ⅳ废气排放标准。在该系统中,氮氧化物被暂时 地储存在转换器中,然后系统性地转换成氮气。
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• (1)燃油供给与喷射系统
–CGI发动机上使用的高压压电喷油器,采用几微米宽锥 状环形喷孔, 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,还可以吸收周边紊乱的空气颗 粒,进入燃油喷射的层与层之间,形成一个理想的点火 前状态。 –CGI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,它们为系统提供稳定的燃油。 在燃油导轨中,峰值燃油压力可以达到20MPa,约是普通 电喷汽油发动机的70倍,比一些其他缸内直喷发动机也 高得多,这样做的目的就是为了分层喷射时有理想的喷 雾效果,在高转速下有足够量的汽油供给。而且由于在 喷射瞬间,导轨内的压力不可避免会出现瞬间下降,高 压也会让这种瞬间压力变化减小,喷射也就更加精确无 误。
浅析汽油机缸内直喷技术
浅析汽油机缸内直喷技术作者：李长灏来源：《科技创新导报》 2012年第8期李长灏(江苏汽车技师学院江苏扬州 225003)摘要:本文主要介绍了发动机缸内直喷技术,这套先进的发动机技术是目前最炙手可热的。
文章主要从汽油缸内直喷结构、FSI发动机的工作原理、汽油缸内直喷的工作过程,充分说明了汽油机缸内直喷技术的先进性。
关键词:汽油机缸内直喷技术中图分类号:U464 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)03(b)-0062-01在近来各厂家采用的发动机科技中,最炙手可热的技术非缸内直喷莫属。
这套由柴油发动机衍生而来的科技目前已经大量使用在包含VAG、BMW、Mercedes-Benz、GM以及TOYOTA(Lexus)等车系上。
其中VAG集团可以算是导入缸内直喷科技最具代表性的例子,目前包含Audi和VW都已将名为FSI的缸内直喷发动机列为旗下车款的高价动力来源,而且在Audi和VW车系的顶级车上,甚至更以FSI结合上涡轮增压以增大动力。
1 汽油缸内直喷结构供油系统的主要部件是:高压油泵、共轨、燃油压力传感器、压力控制阀、高压喷嘴和ECU。
首先是对喷嘴的要求提高了,以前的喷嘴是安装在进气歧管,今天不同了,亲临前线,安装在了燃烧室,自然要经受住烈火的考验。
高压电磁喷嘴扮演着重要的角色,电磁单元被激活的时间和油压决定了喷射量的多少。
燃油喷射时间则被控制在几千分之一秒。
供油系统采用缸内直喷设计的最大优势,就在于燃油是以极高压力直接注入于燃烧室中,因此除了喷油嘴的构造和位置都有异于传统供油系统,在油气的雾化和混合效率上也更为优异。
加上近来车上各项电子系统的控制技术大幅进步,计算机对于进气量与喷油时机的判读与控制也愈加精准,因此在搭配上缸内直喷技术以使得发动机的燃烧效率大幅提升下,除了发动机得以产生更大动力,对于环保和节能也都有正面的帮助。
大众汽车FSI汽油直喷技术是直喷式汽油发动机领域的一项创新的革命性技术。
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精滤器 喷嘴
右)，立足于节能减排，力求通过分层稀薄燃烧方
燃料
空滤器
式来提高压缩比，使汽油机在保持本身优点的前提
溢流阀 节流阀杆
润滑柱塞偶件用的机油管 下，在燃油经济性方面达到或接近柴油机的水平。
高压油泵
但是，由于缸内直喷式汽油机既有喷油系统又有点
火系统，结构较为复杂，成本也较高，同时在燃烧
室内实现分层燃烧的调试比较困难，开发费用大，
按照混合汽分层的机理，现代缸内 直喷式汽油机的分层燃烧系统大体上可分 为喷射油束引导、壁面引导和空气气流引 导三种，图10示出了这些燃烧系统的结 构型式。它们在混合汽的形成及其向火 花塞的输送以及充量运动的产生等方面的 设计思想存在着很大的不同，而喷油器和 火花塞的空间布置不仅影响气缸盖的结 构，而且也影响形成可供点燃的混合汽的 时间和区域，因而对燃烧过程产生重大的 影响。
再加上当时尚缺乏供稀薄燃烧用的NOx后处理技
油箱
供油 油泵调速器 泵 润滑油泵用的机油管
图5 Daimler-Benz公司30 0SL型轿车汽油机的缸内汽油 直喷系统(19 5 4 年)
术，因此一直到20世纪80年代末，汽油机缸内直 喷分层稀燃技术仍未进入实用阶段。
随着内燃机技术的进步，特别是基于微电子 技术的计算机技术的迅速发展，为汽油机缸内直接 喷射技术的重新发展提供了前提条件，同时迫于节
火花塞 喷油器
喷油器
能和环保要求日益严格的压力，也对汽油机缸内直 接喷射寄予新的期望而再次提上议事日程，因而20 世纪90年代各国纷纷加强了对汽油机缸内直喷技术
的研究，至1996～1997年日本三菱和丰田公司率
全负荷
先相继将其开发的缸内分层稀燃直喷式汽油机投入 批量生产。特别是最近10来年，欧洲在Bosch等燃
(1)喷射油束引导 喷射油束引导的燃烧过程(图10左) 由于喷油器和火花塞布置得非常紧凑，直 接位于喷射油束的边缘，混合汽向火花塞 的输送实际上仅依靠喷射油束的能量，在 不同的发动机负荷即不同的喷油量时， 获取形成混合汽所需的空气是通过调节 喷射油束的物理参数—贯穿深度来实现 的，而充量运动和燃烧室的几何形状的影 响较小。同时，由于火花塞与喷油器之间 的间距较小，其燃烧过程可用于混合汽形 成的时间非常短，使得只有非常少的混合 汽能够可靠地点燃，因而其分层燃烧的能 力极为有限，而且混合汽的点燃是在一个 过量空气系数具有很大梯度的范围内实现 的，因而对于局部过量空气系数的波动 (例如因喷射油束的差异)反应极其敏感， 其燃烧过程强烈地依赖于喷射油束的形状 及其特性的误差。另一方面，喷射油束对 火花塞的直接撞击，不仅会导致采用普通 电极材料的火花塞寿命缩短，而且还出现
空军研究所(DVL)和Bosch公司合作，首先致力 量(图6左)。在20世纪50-60年代，美国Texaco公
司也推出了TCP(Texaco Combustion Process)燃
调节用真空管
带有喉管和节 流阀的进气管
烧系统以及1968年Ford公司推出的PROCO(FordProgrammed Combustion Process )燃烧系统(图6
公司就曾经生产过汽油喷射的固定式发动机。以 出了专供赛车使用的四冲程缸内直喷式汽油机。
后，汽油喷射的应用范围逐步转移到活塞式航空发 直到1952年汽油直接喷射才首次批量应用于汽
动机上。二战前夕的20世纪30年代，德国已开始 车，Gutbrod公司首先使用Bosch公司提供的机
范明强 (本刊专家委员会委员)
方法做重大改动，通常是为了提高汽车发动机的 3.1L的四冲程直立6缸M198缸内直喷式汽油机(图5
功率，往往仅在现有的汽缸盖结构基础上，为配 和图6中)，搭载于300SL型轿车。
备直接喷射喷油器而进行相应的修改，因此开发
虽然1934年德国就开始研究如何通过把燃油
的重点侧重于喷油装置及其调节。1938年德国 直接喷入燃烧室而得到不均匀的混合汽，即分层充
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·March
栏目编辑：范颖
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式汽油机轿车，标志着汽油缸内直喷技 术，无论是在喷油系统、缸内空气运动和 燃烧过程的组织及其调试方面，还是在电 子控制系统和废气后处理系统方面都已 相当成熟，开始进入蓬勃发展的崭新阶 段。
与此同时，大众公司已在我国大连 设厂开始批量生产缸内直喷式汽油机，供 应一汽大众和上海大众轿车，与欧洲同步 推出新车型供应国内市场。因此，对于我 国汽车维修行业来讲，这种技术含量颇高 的节能减排的新车型，既为拓展维修市场 空间提供了新的机遇，也对知识的更新和 提高维修技术提出了新的挑战。
B ＭＡＳＴＥＲ ＴＨＥ ＢＡＳＩＣＳ 基础知识讲座
现代缸内直喷式汽油机(二) 文/江苏 范明强
(接上期)
2.缸内直喷式汽油机的发展历史
在内燃机出现的早期，即20世纪初，人们就 于汽车二冲程缸内直喷式汽油机的研究，并完成
已对汽油喷射方式进行过研究。1900年德国Deutz 了装车试验。Daimler Benz公司也于1939年推
用Benz和BMW公司的汽油喷射发动机装备军用飞 械控制式汽油喷射系统批量生产装有二冲程缸内
机。
直喷式汽油机的轿车，因二冲程汽油机采用缸内
航空发动机采用汽油喷射技术所取得的成 直接喷射之后可避免扫气过程中的燃油损失，
果，自然也引起了人们将其应用到汽车上的兴 与当时的化油器汽油机相比，其燃油耗节约了
趣。但是，当时并没有对化油器式汽油机的燃烧 25%～40%。1954年Benz公司首次推出了排量为
图10 缸内直喷式汽油机燃烧系统的分类
环多次喷射的策略。在小负荷工况时只需 进气行程期间的单次喷油就足以获得均匀 的油气混合汽，而在低速高负荷运转工况 时，在进气行程期间将喷油量分成2次或 3次喷射，这样就能够在尽可能少湿壁的 情况下获得非常均匀的油气混合汽，图8 示出了其在发动机特性曲线场范围内多次
和使用条件的考虑，有的机型已开始采用 在所有运行工况下全部以均质混合汽燃 烧运行，这样一来发动机的电控系统就要 简单得多，也无需应用吸附式降NOx催化 器以及低硫汽油，电控单元和三元催化器 基本上可与进气道喷射机型通用，从而成 本要明显优于以分层混合汽燃烧运行的 机型，只是其燃油耗略为逊色，但仍要 比进气道喷射汽油机低5～9％。然而， 如果这种均质混合汽运行的直喷式汽油 机采用高废气再循环，也可实现稀薄燃 烧，那么其与分层混合汽燃烧在燃油耗上 的差别将会进一步减小。1999年，FiatGM-Opel动力总成公司在2.2-Ecotec进 气道喷射汽油机的基础上推出的该公司第 一台2.2-Direct Ecotec直喷式汽油机， 就是在经过综合经济效益评估后，决定放 弃分层混合汽燃烧而仍沿用均质混合汽燃 烧，与进气道喷射机型相比较，其标定功 率提高6%，最大扭矩提高8%，低速扭矩 提高6%～10%，燃油耗降低6%，并达到 欧4排放标准(将在本文后续中的国内外典 型机型章节中予以专门介绍)。大众公司 在我国大连生产的直喷式汽油机，也就 是因我国市场目前暂时无法供应低硫汽 油以及缺乏维修经验的实际情况而将原 来的分层混合汽燃烧过程改为均质混合 汽燃烧过程。2006年，BMW公司开发的 335i-3.0L轿车上搭载的直喷式汽油机也 采用均质混合汽运行，从而在喷油量跨 度较大的涡轮增压机型上能够采用每循
第二篇 基本原理和结构特点
1.缸内直喷式汽油机的工作原理 1.1.混合汽的形成与调节方面的基本要求及 特点
人们在发展现代汽油机缸内直喷技 术时，力图综合传统汽油机和柴油机两方 面的优点。众所周知，柴油机按狄塞尔 (Diesel)循环工作，即采用压燃和混合汽 质调节方式工作，其燃油经济性明显优于 汽油机。而汽油机则采用奥托(Otto)循环 工作，混合汽进行量调节，过量空气系数 (实际空气量/燃油按化学计量比燃烧所需 空气量=空燃比/14.7)小，实现均质预混 合燃烧，其动力性能指标，即升功率要高 于柴油机。而在柴油机中进行的是非均质 混合汽扩散燃烧，尽管总体上过量空气系 数λ＞1，但混合汽中仍存在局部缺氧的
教授级高级工程 师，曾任中国第一汽车 集团公司无锡研究所发 动机研究室主任、湖南 奔腾动力科技有限公司 轿车柴油机项目部总工 程师、无锡柴油机厂高 级技术顾问和多所高校 客座教授。他有着四十 余年车用发动机研发经 验，曾先后主持过多种 机型的开发工作和国家 “八五”重点科技攻关 项目——“汽车发动机 电子控制技术”，荣获 国家重大科技成果奖、 国家科技进步二等奖和 汽车工业科技进步二等 奖，并出版《汽车发动 机电控汽油喷射技术》 和《现代汽车电子控制 技术和装置》等专著。
30
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80
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HC 总质量 [mg]
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时间 [s]
图9 直喷式汽油机采用双次喷射提高废气系统温度和降低排放
油束引导
壁面引导
空气引导
行驶速度 [km/h]
精确定位 喷射油束必须靠近火花塞 对火花塞要求高
发展趋向于 壁面/空气引导 燃烧过程
混合气由充量运动 向火花塞输送 标准型火花塞
此外，应当指出，分层混合汽运 行并不是减少换气过程泵气损失的唯一 途径，可变气门正时也可以减少这种损 失。如果均质混合汽燃烧的直喷式汽油机 与可变气门正时装置(VVT)结合起来，其 燃油耗可与分层混合汽燃烧系统相当。 1.2.燃烧系统的基本要求和特点
如何有效而稳定可靠地实现部分负 荷时缸内混合汽的分层与稀薄燃烧是缸内 直喷式汽油机成功的关键技术。
由于这种现代缸内直喷式汽油机必 须在部分负荷时形成分层混合汽，而在高 负荷和全负荷时形成均质混合汽，并在这 两种运行方式之间进行瞬态转换，而且必 须做到响应快、转换平顺，且使司机无明 显的感觉，因此对喷油系统、混合汽形成 与燃烧过程的稳定性以及发动机电子控制 系统提出了很高的要求，而且还必须专门 配用吸附式降NOx催化器以及低硫汽油。 为此，现代缸内直喷式汽油机基于性价比