现代缸内直喷式汽油机(八)
缸内直喷技术(新技术) ppt课件
TSI
• 在国外大众的1.4T发动机上以及进口发动机，TSI代 表的是Twincharger Fuel Stratified Injection这几个单 词首字母的缩写，可以理解为双增压+分层燃烧+喷 射。
• 国内生产的1.4T发动机则省掉了机械增压和分层燃烧
，仅保留了涡轮增压和缸内直喷。
• 大众1.8/2.0TSI中的“TSI”则代表着Turbo Fuel Stratified Injection,可以理解为涡轮增压+分层燃烧+ 缸内直喷的意思，不过国内则省掉了分层燃烧。
传统多点燃油喷射
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在对能源和环保要求日趋严格的今天，传统多点燃 油喷射技术已不能满足人们要求，于是更为精确的燃油
喷射技术诞生，那就是缸内直喷技术。
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•
汽油机直喷技术是指发动机采取和柴油机相同的
喷射工作方式，直接向气缸内喷射汽油。因此也有人
认为汽油直喷技术就是将柴油机的形式移植到汽油发
• 稀薄燃烧是提高汽油机燃油经济性的重要手段。缸内直喷汽 油机稀薄燃烧技术可以分为均质稀燃和分层燃烧两种燃烧模 式。
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在火花塞间隙周围局部形成具有良好着火 条件的较浓混合气（12~13.4），在燃烧室大 部分区域是较稀混合气，两者之间为了有利于 火焰传播，混合气浓度从火花塞开始由浓到稀 逐步过渡，这就是所谓的分层燃烧。
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2、进气歧管翻板关闭时的均匀燃烧
在发动机转速低于3750 转/分 或发动机负荷低于40% 时， 进气歧管翻板是关闭的。 下部进气道被封闭，于是被吸 入的空气就会通过上部进气道 加速后呈紊流状流入燃烧室， 利于混合气的形成与雾化。
现代燃油直喷燃烧技术将引领车用发动机市场
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
缸内直喷式的汽油机工作原理
缸内直喷式的汽油机工作原理缸内直喷式的汽油机是一种高效的内燃机，它采用了直喷技术，能够更好地控制燃油的喷射和燃烧过程。
这种发动机结构简单，燃油的利用率高，能够在提供足够动力的同时减少尾气排放。
缸内直喷式汽油发动机的工作原理如下：1.压缩行程：在发动机的第一次行程中，活塞从上死点开始向下移动，压缩燃料和空气混合物。
在这里，燃油被喷入燃烧室的底部，然后与空气充分混合。
引入燃油的方式有两种：均质混合和分层注射。
2.点火和燃烧行程：当活塞接近下死点时，点火塞设备会在燃料喷射完成后自动点燃混合气。
点火塞会产生火花，点燃燃料和空气混合物，从而引发爆炸。
爆炸产生的高温和高压推动活塞向下运动，驱使曲轴旋转。
3.排气行程：在活塞运动向上行驶时，废气通过排气门排出。
通过排气管可以将废气导出汽车。
缸内直喷式发动机的特点是可以更好地控制燃油的喷射和燃烧过程，从而提高燃油的利用率和发动机的效率。
这是通过以下几点实现的：1.精确的燃油喷射：缸内直喷式发动机直接将燃油喷射到燃烧室内，而不是喷射到进气歧管。
这种直接喷射的方式可以更精确地控制燃油的喷射量和喷射时间，从而获得更好的燃烧效果。
2.高效的燃烧过程：由于燃油直接喷射到燃烧室内，混合气的温度和密度更高，形成更好的燃烧条件。
这种高温高压的燃烧过程可以提高燃油的利用率，并减少污染物的排放。
3.灵活的喷射方式：缸内直喷式发动机可以根据需要和条件灵活地调整喷射的方式。
根据引擎工作负荷和转速的不同，喷射可以采用均质混合和分层注射两种方式。
均质混合可以获得良好的燃烧效果，而分层注射可以提高低负荷工况下的燃油经济性。
缸内直喷式汽油发动机相比传统的多点喷射发动机具有更高的燃油利用率和更低的尾气排放。
同时，由于直喷系统更加复杂，需要更高的精确度和控制能力，因此缸内直喷式发动机的研发和制造成本也较高。
尽管如此，由于其高效节能和环保的特点，缸内直喷式发动机已经成为了主流的汽车发动机技术。
缸内直喷技术
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。
缸内直喷发动机的工作过程
缸内直喷发动机的工作过程
缸内直喷（Gasoline Direct Injection，简称GDI）发动机是一种现代汽油发动机技术，它将燃油直接喷射到每个气缸的燃烧室内。
下面是缸内直喷发动机的工作过程：
1. 进气冲程：活塞向下运动，气门打开，进气门使得新鲜空气通过进气道进入气缸。
同时，高压燃油泵从燃油箱中提供高压燃油并将其送入喷雾器。
2. 喷油过程：在进气冲程结束时或稍微提前，燃油喷雾器快速喷射精确计量的燃油直接进入气缸的燃烧室。
由于燃油直接喷射，可以更好地控制燃油的分布和喷射的时机，提高燃烧效率。
3. 压缩冲程：进气门关闭，活塞开始向上移动，压缩混合气。
由于燃油是直接喷射进入燃烧室的，相对于传统的多点燃油喷射发动机，GDI发动机具有更高的压缩比，有利于提高功率和燃油经济性。
4. 着火冲程：当活塞接近顶部时，火花塞放电产生火花，点燃燃油和空气混合物。
由于燃油直接喷射到燃烧室，火花塞位于较富燃油的区域，更容易点燃混合物。
5. 排气冲程：活塞向下运动，废气通过排气门进入排气管排出。
通过这个过程，缸内直喷发动机能够更有效地利用燃料，提高燃烧效率和动力输出，并减少废气排放。
此外，由于燃油直接喷射到燃烧室内，缸内直喷发动机还可以实现更精确的燃油控制、改善冷启动性能和降低涡轮增压的喷口积碳问题。
这使得缸内直喷发动机被广泛应用于现代汽车领域。
缸内直喷式的汽油机工作原理
缸内直喷式汽油机工作原理
一、燃油喷射系统
缸内直喷式汽油机的燃油喷射系统与传统的汽油机有所不同。
在缸内直喷式汽油机中，燃油喷射器直接将燃油喷入汽缸内，而不是像传统汽油机那样将燃油喷入进气歧管。
这种设计使得燃油能够在压缩冲程后期与空气混合，为燃烧过程提供了更佳的条件。
二、燃烧过程
缸内直喷式汽油机的燃烧过程更加高效。
由于燃油直接喷入汽缸内，因此能够更好地控制燃油的喷射量和喷射时间，使得燃油能够更好地与空气混合。
这种设计使得缸内直喷式汽油机的燃烧温度更高，从而提高了发动机的功率和扭矩。
三、空气流动
在缸内直喷式汽油机中，空气流动也与传统的汽油机有所不同。
在传统的汽油机中，空气通过进气歧管进入汽缸内，而在缸内直喷式汽油机中，空气通过进气门进入汽缸内。
这种设计使得缸内直喷式汽油机能够在更高的压力下工作，从而提高了发动机的压缩比和效率。
四、控制系统
缸内直喷式汽油机的控制系统也是其工作原理的重要组成部分。
这种控制系统可以精确控制燃油的喷射量和喷射时间，使得发动机能够在各种工况下都能够保持最佳的工作状态。
同时，控制系统还可以根据发动机的工况和驾驶员的需求来调整发动机的功率和扭矩输出，从而提高了驾驶体验和燃油经济性。
总之，缸内直喷式汽油机的工作原理涉及到燃油喷射系统、燃烧过程、空气流动和控制系统等多个方面。
这些方面的协同工作使得缸内直喷式汽油机具有更高的功率和扭矩输出、更佳的燃油经济性和更低的排放等优点。
汽油机缸内直喷GDI
缸内燃油喷射定时和进气运动更易实现混合气分层；
瞬态响应特性改善； 燃油喷射雾化混合气的形成质量改善，进气温度影响
较小，充气效率提高； 可以采用高的压缩比或高的增压比，或同等情况下降 低对燃料辛烷值的要求； 取消节气门，减少泵气损失，发动机的经济性改善 高压缩比时缸内混合气的温度压力提高，改善了点火 和燃烧条件，可降低冷起动时未燃碳氢排放； 便于采用多次喷射、后喷射等冷起动排放控制策略； 通过后燃喷射等提高排气温度及能量，提高增压器的 快速响应性能。
用优化设计的进气道与活塞形 成空气流动，实现混合气在缸 内பைடு நூலகம்层分布，由此可获得在传 统发动机中不可达到的稀空燃 比（如40:1），实现超稀薄混 合气稳定燃烧。
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前两种方式有可能形成壁面油膜，是造成碳氢排放高的主要原 因；后一种方式则与喷雾特性、喷射时刻关系密切，但控制起 来比前两种要难。
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同常规汽油机空燃比为
难以在全部运转范围内实现混合气理想的分层（负荷分
段控制策略）； 喷油器内置气缸内，喷孔容易结垢，影响喷雾特性和喷 油量（研制具有自洁功能的喷嘴）； 低负荷时HC排放高，高负荷时NOx排放高，有碳烟生 成 （采用二次混合、二次燃烧和反应式排气管、废气再 循环EGR等技术）； 部分负荷时，混合气稀于理论空燃比，三效催化器转化 效率下降，需采用选择性催化转化技术（采用稀燃催化 器）； 气缸和燃油系统磨损增加（开发抗磨损能力强、功率消 耗低的供油系统和燃油喷射系统）。
采用NOX催化反应器；
采用两次喷油的控制方法；
辅喷油阶段：在发动机运行进气行
程时，发动机会进行一次喷油，喷 油的数量不大，这部分少量的汽油 会汽化挥发吸收热量的，这样就能 降低汽缸内的温度，气缸内混合气 密度增大。所以这次喷油的后果在 给气缸降温的同时，还可以提高进 气密度，让更多的空气进入到汽缸， 而且能确保汽油跟空气均匀的混 合。 主喷油阶段：第二次喷射是主喷油 过程。当活塞即将达到发动机压缩 行程的上止点时，在火花塞点火之 前，会有一定量的汽油再次被喷出， 这次喷射被成为主喷油。
缸内直接喷射汽油机的新技术
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Ｍｕａｈ ｎ ｔｕｅｏ ｅ ｈ ｏ ｇ Ｓｍｄ ｏ ｉ ｓｓ ｉＩｓ ｔｔ ｆＴ ｃ ｎ ｌ ｙ ｉ ｏ ｌ ｏ Ｔａ ｘｏ
性最有前途的对策。
２ ＧＩ Ｄ 发动 机 的研究开发
如何在各种运行工况下精确地控制燃油的喷雾特 性， 并组织气流运动 ， 在火花塞附近形成可燃 混合气 ， 实现燃油 的合理分布， 以保证在各 种工况下都能正常 点火并稳定燃烧是 Ｇ Ｉ Ｄ 的关键技术 ． 也是其难点所在 。 目 ＧＩ 前 Ｄ 发动机的研究 ， 正是围绕着这个核心问题 ， 分 别从燃油 喷射系统 的开发 、 燃烧 系统的设计 、 混合气形 成的基本理论研究 、 燃烧排放特性研究和控制等几方
Ａ ｓｍａ Ｔ ｉ ｐｐ ｒ ｎ ｏｕｅ 哪 ｐ。 ａｄｕ ０ ｎｏｖｄｐｏｌ ｓ ｆ ａｏ ｎ ｉｃ ｉ ｅｔ ｎｅｇ ｅ ｂｔ ｔ ｈ ａｅ ｔ ｄｃｓｎ Ｉｇ ｓ ｉｒ ｎ ｐｔ ｎｗｕ ｓｌ ｒｂ ｍ ｓｌ ｅ ｒ ｔｎ ｃｏ ｎ ｉ ｓ ｏ ｅ ｅ ｏｇ ｉ ｄｅ ｊ ｉ ｎ
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２Ｏ Ｏ２年（ ３ 卷 ） ２期 第 ｌ 第
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缸 内直接 喷射汽油机 的新技术
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武藏工业大学
首藤登志夫
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摘要
本 文从 燃 油喷射 系统、 燃烧 系统 、 合 气形 成 的基 础 理论研 究 、 烧 和排放 等 几 方 面介 绍 了汽 油 混 燃
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现代缸内直喷式汽油机(八)
(接上期)
2.6电子控制系统
2.6.1基本概况和要求
如前面所述，均质燃烧直喷式汽油机由于运行状况与进气道喷射汽油机相似，因此无论是排气后处理系统还是电控系统都与后者相仿，变得较为简单。
而分层稀燃直喷式汽油机则由于必须在部分负荷工况充量分层和中高负荷工况均质混合汽这两种运行方式之间瞬态转换，并且所应用的NOx 吸附催化转化器的吸附和再生过程又必须在稀和浓混合汽之间周期性地转换，因此对发动机电控系统提出了更高的特殊要求。
为此，下面以Bosch公司专门为缸内分层稀燃直喷式汽油机开发的电控系统为例，简要介绍其控制策略和系统概况。
Bosch公司在ME7型进气道喷射汽油机电控系统的基础上，专门为缸内分层稀燃直喷式汽油机新开发了Motronic MED7型电控系统。
由于ME7型电控系统采用的是基于扭矩控制的先进的控制策略，这就为用于缸内直喷式汽油机提供了有利的前提条件。
为了充分挖掘缸内汽油直接喷射的所有潜力，电控系统必须能最大限度地对所有调节参数进行自
由控制，同时又能对两种基本的运行方式(图60)进行识别和转换，因此对电控系统提出了以下两个要求：
①喷油始点必须能够根据发动机运行工况在压缩冲程期间的较晚喷油始点和在进气冲程期间的较早喷油始点之间调节；
②必须将进气量调节与加速踏板调节功能分开，以便能够在低负荷工况时节气门全开实现发动机无节流运行，而在高负荷工况时又能用节气门来调节进气空气量。
图14(见本刊今年第4期)示出了Motronic MED7电控系统的主要部件。
这种高压喷油系统是一种蓄压式共轨喷射系统，因此燃油能够在任何一个时刻由电控喷油器直接喷入汽缸，同时将进气量调节与加速踏板调节功能分开，分别由电子节气门(EGAS)和加速踏板模块(含“油门”位置传感器)来承担，进气空气质量可由电子节气门(EGAS)自由调节，并应用热膜空气质量流量计来精确测量汽缸吸入的空气质量，而根据行驶负荷所需的发动机输出扭矩的调节(扭矩控制)由加速踏板模块输出相应的信号通知电控单元，并与一个普通的宽带λ传感器来实现混合汽的控制，用于进行λ=1均质运行或分层稀薄运行调节以及催化器再生的精确控制。
此外，在热力循环中特别是高EGR率情况下废气再循环的精确调节是特别重要的，因此采用一个进气管压力传感器来进行废气再循环的测量。
2.6.2扭矩控制方式
进气道喷射汽油机用的ME7型电控系统扭矩控制方式。
经扩展后构成了MED7型电控系统用于缸内直喷式汽油机，而发动机的指示扭矩被用作为系统的重要接口。
这种扭矩控制方式被分成扭矩需求、扭矩协调和扭矩转化三个功能范围，如图61所示。
首先，扭矩的需求是先根据司机的意愿。
通过操纵加速踏板来发出最重要的扭矩需求信息。
其次，扭矩的协调是由MED7型电控单元协调各种不同的扭矩需求，以便随后对发动机实施所必需的调节指令。
这种方式方法具有以下优点：
①由发动机电控系统对扭矩进行总体协调；
②各种功能在其各自的状态上都需要某种大小的扭矩，但各种功能之间无须进行信息交换；
③调节参数平台上的各种功能之间不会相互影响；
④对各种功能都有明确的接口；
⑤这种结构易于扩展，可开发出更多的功能；
⑥由于各个功能组各自的数据之间没有横向连接，因此可简化对发动机的功能匹配。
最后，扭矩的转化就是将扭矩协调的最终结果转化成对进气空气量、喷油和点火角等参数的调节指令，使得发动机能输出所需的扭矩。
2.6.3控制策略
在分层运行时，发动机的指示扭矩几乎与喷油量成正比，而进气空气量和点火角几乎对发动机扭矩没有影响。
在均质运行时，与进气道喷射汽油机一样是通过空燃比对发动机起作用的，并且通过点火角的延迟调节能迅速地降低发动机扭矩，此时尽可能转用ME7型进气道喷射电控系统来控制。
过量空气系数A的协调承担了λ=1的均质运行和分层稀薄运行之间的转换控制。
在均质运行和分层稀薄运行之间转换时，十分重要的是应控制喷油量、进气和点火角使发动机传输给变速器的扭矩保持不变，其中控制节气门的重要功能也直接由ME7型进气道喷射电控系统来承担。
图62示出了在直喷式汽油机上均质运行和分层稀薄运行之间转换的实例。
在原本是分层稀薄运行状态向均质运行转换之前，必须将节气门关闭。
随着进气管压力的降低，过量空气系数λ值也随之减小。
在运行状态转换时须特别注意两个λ极限值：
①在分层稀薄运行时，为避免产生炭烟，其下限值大约为：λ=1.5。
②在均质运行时。
考虑到发动机稀薄运行能力有限，其上限值大约为：λ=1.3。
因此，在运行方式转换时必须避开1.3＜λ＜1.5的禁用
区，这在转换时加大喷油量就可以做到，并通过点火角的短时间延迟调节，抑制了发动机扭矩的增大，因而此时不会出现扭矩的突变，使得整个转换过程非常平顺，司机是感觉不到的。
此外，为了对NOx吸附催化转化器的吸附和再生两种工作状态的转换进行控制，电控单元控制软件中应用了一个描述催化器吸附和再生性能的数学模型。
但是，十分重要的是发动机这样周期性地转换到仅持续短短几秒钟加浓的均质运行，其转换过程不能使发动机扭矩发生突变。
也不能对汽车的行驶性能产生不良的影响。
图63作为实际例子示出了某个NOx吸附催化转化器的吸附和再生的变化过程。
再生所必需的还原剂的数量(即附加的喷油量)是由宽带λ调节来准备提供的。
2.6.4电控单元
图64示出了BOSCh公司Motronic MED7电控系统电控单元的方框图。
与进气道喷射ME7基本型电控单元相比。
其主要区别在于为汽油直接喷射集成了控制高压喷油器的驱动级。
该电控单元采用了西门子公司的80C167微处理器，程序和数据存储在Flash-EPROM中，而外围设备功能和驱动级采用了最新二一十进制(BCD)技术的高集成度转换电路。
控
制高压喷油器的驱动级具有峰值一保持电流驱动波形的调节功能，通过采用驱动级启动电容器进行高电压控制，以使驱动级获得很短的启动时间。
而该启动电容器则用直流，直流变压器充电。
(未完待续)。