項(xiàng)目九直噴發(fā)動(dòng)機(jī)和直噴稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)

1、項(xiàng)目 9 直噴發(fā)動(dòng)機(jī)和直噴稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)知識(shí)目標(biāo)1了解缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的組成、優(yōu)點(diǎn)。2掌握均質(zhì)燃燒和非均質(zhì)燃燒的區(qū)別。3了解直噴發(fā)動(dòng)機(jī)和直噴稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。技能目標(biāo)1掌握常用檢測(cè)儀器和檢測(cè)設(shè)備的使用方法。2能夠按照常規(guī)的檢測(cè)方法和檢測(cè)步驟進(jìn)行正確操作。 【項(xiàng)目描述】汽車發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)，采用該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)具有高節(jié)能、高效率、低排放的優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)在車用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)十分重要的發(fā)展方向。本項(xiàng)目首先介紹了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)的簡(jiǎn)單概念及其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在與普通的進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)比較的基礎(chǔ)上，研究了運(yùn)用了直噴稀燃技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單工作原理，重點(diǎn)闡述了直噴稀燃技術(shù)在奧迪A8為代表FSI車型的應(yīng)用情況，指出

2、了空氣供給系統(tǒng)和燃油供給系統(tǒng)，排放系統(tǒng)方面的主要變化，以及對(duì)這些部分的控制，并分析了該發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)尾氣的特殊凈化技術(shù)，簡(jiǎn)單的介紹了國(guó)內(nèi)外該技術(shù)的應(yīng)用情況，直噴稀燃技術(shù)有很大的發(fā)展?jié)摿?，將得到更大發(fā)展并將取代現(xiàn)有的進(jìn)氣道式噴射技術(shù)。 任務(wù)1 直噴稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)理論 【情境導(dǎo)入】一輛2011年產(chǎn)途觀2.0TSI，行駛里程500km。用戶反映該車發(fā)動(dòng)機(jī)故障警告燈亮。檢查分析：維修人員用故障診斷儀讀取發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的故障碼，故障碼顯示“氣缸列1進(jìn)氣翻板不能關(guān)閉，偶發(fā)”。故障碼可刪除。刪除故障碼后試車，不久同樣的故障碼再次出現(xiàn)，但故障燈暫時(shí)未點(diǎn)亮。更換氣缸列1進(jìn)氣翻板的真空單元，故障排除。缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和

3、原理是什么？有什么性能呢？【理論引導(dǎo)】缸內(nèi)燃油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)分為直噴均質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)和直噴稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)兩種。為了解它得先了解均質(zhì)和非均質(zhì)概念。均質(zhì):只在進(jìn)氣行程噴油，這樣油和氣在活塞的運(yùn)動(dòng)幫助下到壓縮行程末了時(shí)，氣缸內(nèi)的油氣濃度各處都相等，怠速用濃混合氣，部分負(fù)荷空燃比為14. 7的混合氣，全負(fù)荷用濃混合氣。這樣的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)為均質(zhì)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。直噴均質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)缸外噴射而言，高壓霧化會(huì)更好。現(xiàn)在的所謂直噴發(fā)動(dòng)機(jī)大多停留在這個(gè)階段。非均質(zhì):先在進(jìn)氣行程少噴油，這樣油和氣在活塞的運(yùn)動(dòng)幫助下到壓縮行程末了時(shí)，氣缸內(nèi)的油氣濃度各處都相等，且極稀，在火花塞點(diǎn)火之前，向氣缸內(nèi)再噴油，這時(shí)此部分油沒有時(shí)間和周圍混合氣充分

4、混合，即氣缸內(nèi)的油氣濃度不都相等。火花塞附近較濃，其他部分較稀，整個(gè)氣缸內(nèi)的混合氣總體濃度還是很稀。這樣的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)為非均質(zhì)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)或直噴稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)，仍有待研究。不過國(guó)外日本三菱公司已在1996年開始生產(chǎn)直噴稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)口國(guó)內(nèi)的有三菱太空的4G93發(fā)動(dòng)機(jī)，但也有諸多問題存在。1.稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展 21世紀(jì)70年代初歐美國(guó)家的排放規(guī)定以及石油危機(jī)引起的降低油耗的需求，人們探索了由稀混合氣運(yùn)行，用氧化催化劑凈化排氣的方法，采用了一種帶副燃燒室的發(fā)動(dòng)機(jī)。這種由豐田及本田公司發(fā)明的燃燒方式由于從副燃燒室噴出火焰會(huì)造成熱能損失，稀混合氣發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)對(duì)油耗的效果不明顯。 隨著進(jìn)氣口的改進(jìn)，氣缸內(nèi)旋渦

5、生成技術(shù)的進(jìn)步，由通用、福特、豐田、本田、日產(chǎn)等汽車公司先后搞成的開口式燃燒室可以形成比帶副燃燒室還好的稀薄混合氣燃燒，并且隨著進(jìn)氣口燃料噴射技術(shù)的發(fā)展和稀混合氣傳感器技術(shù)的開發(fā)，精密控制空燃比已成為可能。 80年代中期，豐田正式使稀混合氣發(fā)動(dòng)機(jī)（TLCS）產(chǎn)品化，三菱、本田也相繼將其產(chǎn)品實(shí)行產(chǎn)品化。 進(jìn)入90年代，三菱汽車公司研制出來的缸內(nèi)直噴技術(shù)使稀燃技術(shù)又進(jìn)了一步。 目前，各大公司都擁有自己的稀燃技術(shù)，其共同點(diǎn)都是利用缸內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)，使聚集在火花塞附近的混合氣最濃，先被點(diǎn)燃后迅速向外層推進(jìn)燃燒，并有較高的壓縮比。一、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)1汽車發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)的概念 FSI是Fuel S

6、tratified Injection的縮寫。意指燃油分層噴射，是直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的一項(xiàng)創(chuàng)新的革命性技術(shù)。FSI技術(shù)是指改變傳統(tǒng)的汽油機(jī)通過從進(jìn)氣管中將燃 油與空氣混合的燃油供給系統(tǒng)的供油方式，而采用像柴油機(jī)一樣的，通過噴油器直接將汽油往氣缸內(nèi)噴射的供油方式。分層燃燒的真正目的是可以實(shí)現(xiàn)較稀混合氣的點(diǎn)燃，而設(shè)計(jì)缸內(nèi)直噴的主要目的則是為了實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，缸內(nèi)直噴技術(shù)伴隨著稀燃技術(shù)是相輔相成、密不可分的。而發(fā)動(dòng)機(jī)的稀薄燃燒技術(shù)就是為了讓氣缸內(nèi)的混合氣更加充分的燃燒，使盡可能多的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，提高熱效率，達(dá)到減低油耗和排放的目的。 2. 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)的關(guān)鍵 為了實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，技術(shù)上必

7、須做到：（1）高能點(diǎn)火，高能點(diǎn)火有利于火核形成，燃燒速度增快，稀燃極限大，稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)采用特殊的火花塞設(shè)計(jì)以達(dá)到上述目的。（2）最優(yōu)點(diǎn)火提前角控制，易于實(shí)現(xiàn)分層燃燒。（3）噴射的最佳時(shí)刻與時(shí)間的控制，使得本來不易點(diǎn)燃的稀薄混合氣在氣缸以點(diǎn)帶面點(diǎn)火方式迅速波及開來（4）提高了壓縮比， 需采用緊湊型燃燒室設(shè)計(jì)，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短。（5）組織空氣運(yùn)動(dòng)，通過進(jìn)氣口位置改進(jìn)使缸內(nèi)形成較強(qiáng)的空氣運(yùn)動(dòng)旋流，提高氣流速度，實(shí)現(xiàn)分層。 3汽車發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)的工作原理 采用直噴稀燃技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)是利用一個(gè)高壓泵，使汽油通過一個(gè)分流軌道（共軌）到達(dá)電磁控制的噴油器。在進(jìn)氣道中產(chǎn)生可變渦流，使得進(jìn)氣流以最佳的渦流形態(tài)進(jìn)

8、入燃燒室內(nèi)，以分層填充的方式推動(dòng)，使較濃的氣體聚集于火花塞的周圍，正常情況下，如此稀薄的氣體時(shí)不可能被點(diǎn)燃的，故采用以中間點(diǎn)火帶動(dòng)周圍點(diǎn)火的使整個(gè)氣缸燃燒的方式，濃混合氣點(diǎn)燃后，燃燒迅速波及外層,4汽車發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)特點(diǎn) (1) 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 采用燃油直噴稀燃技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在火花塞點(diǎn)火之前把汽油以較高的壓力直接噴射到燃燒室，同時(shí)在ECU的精確控制下，使混合氣體能夠?qū)崿F(xiàn)分層燃燒。這種技術(shù)可以讓靠近火花塞周圍的混合氣相對(duì)較濃，遠(yuǎn)離火花塞周圍的混合氣相對(duì)較稀，從而更有效的實(shí)現(xiàn)“稀薄”點(diǎn)火和分層燃燒。并且由于不用加熱進(jìn)氣就可以使汽油得到充分揮發(fā)而提高了進(jìn)氣充量,減小了進(jìn)氣

9、氣阻。采用缸內(nèi)直噴技術(shù)的汽油機(jī)的過量空氣系數(shù)可以調(diào)節(jié)稀薄的狀態(tài)，從而能夠?qū)?nèi)燃機(jī)的熱效率提高20。而不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能造成負(fù)面的影響。采用直噴技術(shù)后，燃油以細(xì)微滴狀的薄霧方式進(jìn)入汽缸，而不是以蒸汽的方式。這也就意味著當(dāng)燃油霧滴吸收熱量變?yōu)榭扇颊羝麜r(shí)，實(shí)際上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸起到了冷卻的作用，另外比原有的進(jìn)氣道式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)獲得了更多的進(jìn)氣量，使缸內(nèi)氣體燃燒的更為徹底，減少了大量由于燃燒不充分形成的有害氣體，從而保護(hù)了環(huán)境。(2)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)的缺點(diǎn) FSI同時(shí)也要面臨PFI（Port Fuel Injection 的縮寫，意指進(jìn)氣口燃油噴射）所沒有的困難。如在要求的工作范圍內(nèi)如何對(duì)分層燃燒進(jìn)行

10、有效的控制；確定怎樣的噴油控制策略來保證較好的負(fù)荷切換，以適應(yīng)于FSI發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器設(shè)計(jì)，解決小負(fù)荷時(shí)HC排放過高，大負(fù)荷時(shí)NOx排放過高并有碳煙形成，及由于汽油自潤(rùn)滑性差導(dǎo)致的燃油噴射系統(tǒng)和缸壁磨損等，這些是FSI開發(fā)中常遇到的困難。此外，原有的三效催化轉(zhuǎn)化器不適用于FSI，需要開發(fā)專用的稀燃NOx催化轉(zhuǎn)化器。二、直噴稀燃的兩種方法 直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法是在火花塞附近提供濃混合氣以保證可靠的點(diǎn)火，而以后的大部分反應(yīng)過程都在稀混合氣中進(jìn)行。盡管混合氣很稀，在以前均質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)理論中很容易造成燃燒中斷，但在非均質(zhì)的濃混合氣已形成的火球會(huì)推動(dòng)燃燒在稀混合氣中進(jìn)行。一種很有效但較復(fù)雜的方法是把燃燒室分

11、成主室和副室兩個(gè)區(qū)域，向裝有火花塞的副室一直噴入濃混合氣，主室噴入稀混合氣和濃混合氣交替的混合氣。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是副室的濃混合氣能確?？煽康狞c(diǎn)火。主室的稀混合氣在整個(gè)燃燒室中占了主要地位，但仍然由于在整個(gè)燃燒過程中為使NOx的催化器的再生得以實(shí)現(xiàn)，主室的混合氣濃度是變化的，要么很濃，要么特別稀，因此這種方法能顯著地減少NOx排放。但是，這樣的兩燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的一體燃燒室相比，其燃燒室表面積較大，因此未燃碳?xì)浠衔锱欧泡^高。另一種方法是直接把汽油噴進(jìn)燃燒室，在火花塞附近形成一個(gè)濃混合氣區(qū)，周圍較遠(yuǎn)的地區(qū)形成稀混合氣區(qū)，造成混合氣分層，從總體看在燃燒室中的混合氣是稀的。這種直接噴射也有一些明顯

12、的缺點(diǎn)，如輸出功率低、設(shè)計(jì)復(fù)雜等。現(xiàn)在使氣流以一種精確計(jì)算的“渦流模式”進(jìn)入燃燒室也有可能達(dá)到一定程度的進(jìn)氣分層，這種“分層效應(yīng)”目前還不是很清楚，而且難于控制，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)扭矩變化非常大。對(duì)于汽油機(jī)來說，缸內(nèi)直接噴射形成的高壓霧化混合氣相對(duì)于傳統(tǒng)的缸外噴射發(fā)動(dòng)機(jī)可減少大約20%燃油消耗，對(duì)減少二氧化碳的排放也會(huì)有很大作用。為了發(fā)揮缸內(nèi)直噴的優(yōu)異性能，有必要精確確定部分負(fù)荷時(shí)的分層充量形成過程和全負(fù)荷(WOT)時(shí)均勻混合氣的形成過程，以及它們之間的轉(zhuǎn)換。到目前為止，執(zhí)行上述直噴稀燃噴射方式的裝置中仍存在有問題，未來可以通過下述方法解決:1.分層稀燃運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率的控制可以靠現(xiàn)代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)

13、管理技術(shù)來解決現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)可做到:精確計(jì)量所需的噴油量;形成所需的噴油壓力;確定正確的噴油時(shí)刻;精確地、直接地將汽油噴入到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)還必須協(xié)調(diào)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提出的轉(zhuǎn)矩要求，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)做必要的控制。發(fā)動(dòng)機(jī)指示轉(zhuǎn)矩是重要的系統(tǒng)參數(shù)。轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)可以細(xì)分為三個(gè)部分:轉(zhuǎn)矩需求、轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)和轉(zhuǎn)矩執(zhí)行。（1） 轉(zhuǎn)矩需求 最重要的轉(zhuǎn)矩需求是由駕駛者踩加速踏板輸入的。發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)根據(jù)加速踏板的位置，來識(shí)別駕駛者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的希望。 此外，轉(zhuǎn)矩需求還可能來自變速器換擋控制器位置確定的模式、牽引控制系統(tǒng)(TCS或ASR)和電子車輛穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP )、巡航控制、發(fā)動(dòng)機(jī)的反拖控制、發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

14、控制、車輛行駛速度限制、啟動(dòng)控制、怠速控制、催化器預(yù)熱控制和發(fā)動(dòng)機(jī)零部件保護(hù)控制共11項(xiàng)。（2） 轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)是在轉(zhuǎn)矩需求確定后，判斷是否對(duì)其進(jìn)行“發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)損失扭矩修正”?！鞍l(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)損失扭矩”是指如打空調(diào)、打方向盤、打大燈、掛擋等，轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)是發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)確定轉(zhuǎn)矩需求的最后一關(guān)。經(jīng)過轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)后輸出發(fā)動(dòng)機(jī)控制扭矩。（3）扭矩執(zhí)行 發(fā)動(dòng)機(jī)控制扭矩的三種方法: 電腦通過電子節(jié)氣門控制進(jìn)氣量，從而確定噴油量，最終確定混合氣量。電腦通過控制噴油器的噴油時(shí)間，控制噴油量。這個(gè)過程需要一個(gè)必須是寬帶型的氧傳感器反饋空燃比。 電腦通過改變點(diǎn)火提前角來控制扭矩。2. 稀燃期間NOx的處理可以靠先進(jìn)催化轉(zhuǎn)

15、換工程技術(shù)來解決 現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)是按滿足歐標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，更為嚴(yán)格的歐標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)實(shí)施。目前，直噴稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的關(guān)鍵，在于對(duì)NOx處理的催化轉(zhuǎn)化工程技術(shù)的開發(fā)。分層充氣時(shí)，會(huì)生成大量的NOx ，借助提高廢氣再循環(huán)率可達(dá)到減少?gòu)U氣中的NOx約70%的含量。對(duì)余下的30% NOx不作處理是不能滿足廢氣控制法規(guī)的。三元催化轉(zhuǎn)化器(TWC)不能減少稀薄的廢氣中的NOx ，只能用新型的針對(duì)NOx的一元催化轉(zhuǎn)換器。減少?gòu)U氣中NOx含量的方法是采用NOx吸藏型催化轉(zhuǎn)化器。利用稀薄廢氣中的氧氣，它能將氮氧化物以硝酸鹽的形式儲(chǔ)存在催化轉(zhuǎn)化器的表面，當(dāng)轉(zhuǎn)化能力耗盡時(shí)，催化轉(zhuǎn)化器前部的寬帶型氧傳感器和后部的

16、窄帶型氧傳感器會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換能力是否達(dá)到極限作出判斷，電腦暫時(shí)地切換到加濃的均勻充量工況，硝酸鹽與加濃時(shí)生成的CO結(jié)合還原成氮?dú)猓瑥亩瓿纱呋D(zhuǎn)換器的再生。這種濃稀混合氣的切換是在不導(dǎo)致汽車動(dòng)力突變的情況下進(jìn)行的?，F(xiàn)階段，部分地區(qū)的汽油中的硫含量超標(biāo)嚴(yán)重，導(dǎo)致這種催化器失效。所以在使用這種催化轉(zhuǎn)化器之前，應(yīng)先減少汽油中的硫含量。我們說上述兩個(gè)問題可以解決，但事實(shí)上“直噴稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)”還未批量生產(chǎn)，不過“直噴發(fā)動(dòng)機(jī)”已經(jīng)在我國(guó)生產(chǎn)。“直噴發(fā)動(dòng)機(jī)”控制元件與“直噴稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)”幾乎相同，但電腦內(nèi)管理系統(tǒng)和缸外噴射的管理系統(tǒng)相差不多，催化器仍然是三元催化器。三、設(shè)計(jì)和構(gòu)造 高壓噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)成可在任意時(shí)

17、間由電磁控制的高壓噴油器直接噴入缸內(nèi)。在缸外噴射中油壓是由壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，但在缸內(nèi)噴射中壓力是由電腦控制的壓力控制閥控制。與缸外噴射相比，缸內(nèi)噴射ECU為了觸發(fā)壓力控制閥而增加了額外的執(zhí)行器，即壓力控制電磁閥。為了保證壓力控制閥調(diào)節(jié)正確，在高壓油導(dǎo)軌上又加了高壓傳感器，所以相對(duì)缸外噴射又多了壓力傳感器。事實(shí)上在缸內(nèi)噴射系統(tǒng)中，不僅加高壓傳感器，在低壓管路，也要加低壓傳感器。吸入的空氣量可由電子控制節(jié)氣門(ETC = electronic throttle control)自由調(diào)整。熱線式空氣質(zhì)量流量計(jì)用來精確測(cè)量進(jìn)氣量。混合氣空燃比的正確性是由通用LSU和LSF(寬帶型氧傳感器和后部的窄帶型氧

18、傳感器)型氧傳感器監(jiān)測(cè)。這兩個(gè)傳感器分別安裝在催化轉(zhuǎn)化器前部和后部的廢氣流中。這些裝置不僅適用于 =1運(yùn)行時(shí)的閉環(huán)控制，也適用于稀燃運(yùn)行的控制和催化觸媒再生。廢氣再循環(huán)率的精確調(diào)整是很重要的，特別是在過渡工況時(shí)，因此必須安裝壓力傳感器，以測(cè)量進(jìn)氣管壓力。四、運(yùn)行方式 1.燃油供給和燃油噴射（1）低壓油路低壓油路位于系統(tǒng)油箱的一側(cè)。它由電子燃油泵及與之并聯(lián)的壓力調(diào)節(jié)器組成，并產(chǎn)生0. 35 MPa的壓力。通過該油路將燃油供給發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高壓泵。（2）高壓油路 高壓泵該泵有如下功能:將油壓從0. 35 MPa升高到12 MPa;使油軌的壓力波動(dòng)最小;防止燃油和發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑油混合在一起。蓄壓器/油軌

19、 蓄壓器/油軌必須有足夠的彈性來對(duì)付噴油形成的周期壓力脈動(dòng)及高壓泵泵油壓力脈動(dòng)所同步產(chǎn)生的壓力波沖擊。另外它必須有足夠的剛度，以便油軌壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油要求能快速做出反應(yīng)，所以油軌的彈性是根據(jù)燃油的壓縮性能和油軌容積來選定的。油軌壓力由壓力傳感器測(cè)定。壓力傳感器 壓力傳感器識(shí)別油軌的壓力。 壓力控制閥壓力控制閥的任務(wù)是在發(fā)動(dòng)機(jī)全部工況范圍內(nèi)，根據(jù)其脈譜圖來調(diào)整主壓力。主壓力不受噴油量和油泵輸送量的影響。壓力控制閥下游的過量燃油是由負(fù)荷狀態(tài)決定的。它不返回油箱，而是回到高壓泵進(jìn)口。這樣可避免油箱中的燃油被加熱和油箱的活性炭罐清潔系統(tǒng)過載。噴油器它與噴射方式有關(guān)，并且必須能滿足安裝環(huán)境、極短的噴射

20、持續(xù)期和高度線性等嚴(yán)格要求。噴油起始點(diǎn)和噴油量均由噴射閥觸發(fā)信號(hào)確定。（3）混合氣的形成和點(diǎn)火 要充分發(fā)揮汽油直噴的優(yōu)越性，需要極其復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)。以下是兩種基本工作狀況之間的不同之處。低負(fù)荷范圍在低負(fù)荷范圍，為了使油耗最低，發(fā)動(dòng)機(jī)是在氣缸進(jìn)氣高度分層和高稀薄混合氣的條件下運(yùn)行。在火花塞點(diǎn)火前，通過延遲燃油噴射，燃燒室分成兩個(gè)區(qū)。第一區(qū)是火花塞周圍的高易燃性混合氣團(tuán);第二區(qū)是包裹高易燃性混合氣團(tuán)的新鮮空氣和殘余廢氣隔離層。燃燒室壁的空氣隔離層使傳熱損失減少，提高了熱效率。高負(fù)荷范圍隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，分層進(jìn)氣的噴油量會(huì)增加，造成火花塞附近局部混合氣變濃，這將導(dǎo)致廢氣的數(shù)值惡化，特別是廢

21、氣的煙度。因此在大負(fù)荷范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)以氣缸內(nèi)均勻混合氣狀態(tài)工作，不再加濃?；旧涎赜眠M(jìn)氣管噴射控制方法實(shí)現(xiàn)?？杖急葏f(xié)調(diào)控制使空燃比在14. 7和稀燃工況之間。為了提高燃油和空氣的混合效果，燃油在進(jìn)氣過程中就已被噴入。與現(xiàn)在普遍使用的進(jìn)氣管噴射類似，吸入的空氣量也是根據(jù)駕駛者的轉(zhuǎn)矩要求由節(jié)氣門來進(jìn)行調(diào)整。噴油量則根據(jù)空氣質(zhì)量流量計(jì)得到，并由氧傳感器的閉環(huán)控制來進(jìn)行修正。 這樣燃油噴射系統(tǒng)必須能自由選擇噴油時(shí)刻。低負(fù)荷范圍噴油時(shí)刻和高負(fù)荷范圍噴油時(shí)刻相差很大。本來是進(jìn)氣程噴油，但低負(fù)荷范圍進(jìn)氣程噴油到壓縮行程就不能保持分層燃燒，所以噴油要推遲至壓縮行程，接近點(diǎn)火，甚至點(diǎn)火同時(shí)在噴油，噴油時(shí)間可延續(xù)至

22、活塞做功下行。高負(fù)荷范圍噴油時(shí)刻仍在進(jìn)氣行程。負(fù)荷范圍變換為了滿足負(fù)荷與噴射時(shí)刻一致，噴射時(shí)刻在壓縮行程的遲滯點(diǎn)和進(jìn)氣行程的提前點(diǎn)之間變化，跨越很大。 為了控制低負(fù)荷范圍和高負(fù)荷范圍內(nèi)的進(jìn)氣量，進(jìn)氣空氣質(zhì)量的調(diào)整必須獨(dú)立于加速踏板位移的變化，這樣節(jié)氣門必須是電子節(jié)氣門。在均勻充量和分層充量之間的變化過程中，受控制的噴油量、進(jìn)氣量和點(diǎn)火提前角是決定因素，也是可控因素，以便使發(fā)動(dòng)機(jī)輸入到變速器的轉(zhuǎn)矩保持恒定?！稗D(zhuǎn)矩控制”意味著電子節(jié)氣門的控制功能比缸外噴射電子節(jié)氣門的控制功能復(fù)雜。 當(dāng)進(jìn)氣管壓力(負(fù)荷)下降時(shí)，空燃比值也隨著改變。在變換期間，兩個(gè)空燃比極值非常關(guān)鍵: 在分層充量時(shí)，為避免煙度增大，

23、較低的空燃比限值約為22，過量空氣系數(shù)約為1. 5。在分層進(jìn)氣燃燒時(shí)，空燃比限值為22，表面混合氣很稀，但火花塞附近很濃。在均勻充量時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃能力的限制，較高的空燃比限值約為19，過量空氣系數(shù)約為1. 3。表面混合氣變濃，但火花塞附近和氣缸內(nèi)混合氣濃度相同，相對(duì)分層充量時(shí)火花塞附近的混合氣是稀混合氣。 由于稀薄燃燒會(huì)在兩個(gè)不相鄰的空燃比22和19之間切換，轉(zhuǎn)換是階躍的，因此，在轉(zhuǎn)換時(shí)刻，有必要通過猛增噴油量，跳過被禁止的空燃比范圍(19<空燃比<22)。因此分層充量在向均勻充量的過渡時(shí)，為防止轉(zhuǎn)矩突變，要通過暫時(shí)地延遲點(diǎn)火角來減小轉(zhuǎn)矩。從均勻充量到分層充量的轉(zhuǎn)換順序是按相反

24、順序發(fā)生的，即從小功率向大功率過渡時(shí)是分層充量向均勻充量的過渡?！救蝿?wù)實(shí)施】 分組組織學(xué)生參觀各種缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)。任務(wù)2 國(guó)內(nèi)投入批量生產(chǎn)的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)【情境導(dǎo)入】目前缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的主要應(yīng)用有：大眾和奧迪的FSI 發(fā)動(dòng)機(jī)- Fuel Stratified Injection通用的SIDI發(fā)動(dòng)機(jī)- Spark Ignition Direct Injection 奔馳的CGI - Stratified- Charged Gasoline Injection 三菱的GDI發(fā)動(dòng)機(jī) - Gasoline Direct Injection 寶馬的HPI發(fā)動(dòng)機(jī) - High Precisi

25、on Injection這些缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)你見過沒有？它的組成和原理是什么？【理論引導(dǎo)】一、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)發(fā)展 為了提高汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，汽車工業(yè)在20世紀(jì)50年代開始嘗試制作缸內(nèi)直噴點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)即直噴汽油機(jī)，但是由于受到技術(shù)，成本和穩(wěn)定性的制約，再加上20世紀(jì)70年代末出現(xiàn)的進(jìn)氣道噴射電控汽油發(fā)電機(jī)技術(shù)的日益成熟，導(dǎo)致直噴汽油機(jī)一直沒有被廣泛應(yīng)用。 20世紀(jì)90年代，汽油噴射系統(tǒng)的新技術(shù)共軌高壓噴油以及與其匹配的噴油器的應(yīng)用，使得直噴汽油機(jī)重新得到重視和開發(fā)21世紀(jì)初，隨著節(jié)能環(huán)保的法規(guī)日益嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)朝著減小排量、輕量化，擁有優(yōu)秀的燃油積極性的方向發(fā)展，于此同時(shí)可變氣門正時(shí)，廢氣

26、渦輪增壓的技術(shù)的成熟，結(jié)合缸內(nèi)直噴技術(shù)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)逐步成為經(jīng)濟(jì)環(huán)保而又不失駕駛樂趣，最具有發(fā)展前途的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。 如今汽油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段。生活中我們會(huì)在汽車的尾部后備箱上看見FSI、GDI以及CGI的標(biāo)志，這就表明它是一款裝配了直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車 二、缸內(nèi)直接噴射燃油供給系統(tǒng)的組成及作用缸內(nèi)噴射燃油供給系統(tǒng)燃油供給系統(tǒng)分為兩個(gè)系統(tǒng)：低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)。下面是2005年C6A6 Audi A6 L 3.2 L-V6-FSI-發(fā)動(dòng)機(jī)及C6A6 Audi A6 L 2.0T -直4-FSI-發(fā)動(dòng)機(jī)的組成。為了滿足排放，此種直接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)只是均質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)，不是真正的直噴稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)，直

27、噴稀燃被大眾取消的變成均質(zhì)混合氣的原因，主要是排放不能滿足要求。但這可能是未來發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向，必竟它是可實(shí)際應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)。圖9-2-1 C6A6 Audi A6 L 3.2 L-V6-FSI-發(fā)動(dòng)機(jī)，圖9-2-3 C6A6 Audi A6 L 3.2 L-V6-FSI-發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物圖圖9-2-1 C6A6 Audi A6 L 3.2 L-V6-FSI-發(fā)動(dòng)機(jī)圖9-2-2 C6A6 Audi A6 L 3.2 L-V6-FSI-發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物圖圖9-2-3 C6A6 Audi A6 L 2.0 T-直4-FSI-發(fā)動(dòng)機(jī)三、低壓系統(tǒng)元件作用低壓系統(tǒng)是一種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元輸出的PWM信號(hào)控

28、制功率電氣裝置，功率電氣裝置也通過輸出PWM（pulse width modulation 脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)來調(diào)節(jié)電動(dòng)燃油泵的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)沒有燃油回油管。低壓傳感器N410用來監(jiān)控不同壓力的保持狀況。在下述工況時(shí)，預(yù)供油壓力必須保持在2bar。1在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)(電動(dòng)燃油泵繼續(xù)運(yùn)行)2發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前（電動(dòng)燃油泵預(yù)運(yùn)行）3當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)接通或司機(jī)車門接觸開關(guān)接通4在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中以及發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后的5秒之內(nèi)5在熱起動(dòng)以及熱機(jī)運(yùn)行時(shí)，時(shí)間取決于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度（時(shí)間小于5秒），以防止產(chǎn)生氣泡。如果更換了燃油泵控制單元或發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，必須通過VAS5051故障導(dǎo)航進(jìn)行匹配（低壓傳感器G410、卸荷閥、4-6缸

29、導(dǎo)軌上高壓壓力傳感器G247）。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)1電動(dòng)燃油泵消耗的功率很低，因此可節(jié)省能量2只是需要燃油量時(shí)才有壓縮，燃油吸收的熱量非常少。3提高了電動(dòng)燃油泵的使用壽命4在怠速時(shí)，降低了噪音5可以通過高低壓傳感器對(duì)低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)的阻尼器進(jìn)行自診斷。四、高壓系統(tǒng)高壓系統(tǒng)由下述部件組成：高壓燃油分配板，該板集成在進(jìn)氣歧管法蘭上，帶有壓力傳感器和壓力限制閥、高壓燃油噴油泵、高壓燃油管、高壓噴油器、單活塞高壓泵。單活塞高壓泵生產(chǎn)廠家是日立（Hitachi）公司。該泵位于右側(cè)缸體的進(jìn)氣凸輪軸端部，由一個(gè)三角形凸輪驅(qū)動(dòng)。該泵可產(chǎn)生30-120bar的燃油壓力，油量控制閥N290根據(jù)規(guī)定值的大小來調(diào)節(jié)這個(gè)壓

30、力。燃油高壓壓力傳感器G247（燃油導(dǎo)軌上）可監(jiān)控該壓力的大小。該泵內(nèi)集成有燃油低壓傳感器G410。該高壓泵只將發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元內(nèi)存儲(chǔ)的特性曲線所規(guī)定的燃油量送入高壓油軌。與連續(xù)供油的高壓泵相比，本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是減少了消耗在泵油時(shí)的燃油量。該泵沒有泄油管，本系統(tǒng)是一個(gè)根據(jù)需要由油量控制閥N290來進(jìn)行調(diào)節(jié)的高壓泵。它在其內(nèi)部就將受控的燃油耗的驅(qū)動(dòng)功率降低了，只是輸送實(shí)際需要的燃油量。1單活塞高壓泵和油量控制閥N290的作原理（1）吸氣沖程圖9-2-4，電腦控制油量控制閥N290斷電，油量控制閥N290油量控制閥將低壓閥保持在打開位置。凸輪的形狀和活塞彈簧力使得泵活塞向下運(yùn)動(dòng)。泵內(nèi)的空間加大，燃油流

31、入。圖9-2-4 吸氣沖程（2）做功沖程圖9-2-5，三角形凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)刻服彈簧力使得泵柱塞向上運(yùn)動(dòng)，這時(shí)為防止低壓進(jìn)油閥關(guān)閉，電腦控制油量控制閥N290保持?jǐn)嚯姶蜷_狀態(tài)，這時(shí)還無法建立起壓力。圖9-2-5 作功沖程（3）壓縮沖程圖9-2-6，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元向油量控制閥N290通電，油量控制閥N290頂針被吸引向右移動(dòng)。泵內(nèi)的壓力油將低壓進(jìn)油閥壓入其座內(nèi)。如果泵內(nèi)壓力超過油軌內(nèi)的壓力，高壓?jiǎn)蜗蜷y就會(huì)被推開，燃油就會(huì)進(jìn)入油軌。圖9-2-6 壓縮沖程（4）高壓噴油器高壓噴油器與高壓泵一樣，也是由日立公司生產(chǎn)的。噴油器的任務(wù)就是在精確的時(shí)刻將精確的燃油量噴入燃燒室。噴油器的電控由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元來完成，工

32、作電壓約為65V。噴射出的燃油量由閥開啟時(shí)間和燃油壓力來決定。噴油器與燃燒室之間由一個(gè)聚四氟乙烯密封圈來密封，每次拆卸后必須用專用工具更換該密封圈。圖9-2-7為高壓噴油器結(jié)構(gòu)，高壓噴油器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特別是銜鐵內(nèi)的結(jié)構(gòu)沒有必要了解，知道通電開啟噴油即可。圖9-2-7 高壓噴油器結(jié)構(gòu)五、大眾和奧迪的FSI 發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理FSI是Fuel Stratified Injection的縮寫，中文意思是燃料分層噴射技術(shù)，1FSI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒控制模式FSI代表著今后引擎的一個(gè)發(fā)展方向。燃油分層噴射技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃技術(shù)的一種。（1） 分層燃燒模式進(jìn)氣過程中的關(guān)鍵是進(jìn)氣歧管中安置一翻板,封住下進(jìn)氣歧管，讓進(jìn)氣

33、加速通過，與活塞頂配合，形成進(jìn)氣渦旋。如圖9-2-8所示。圖9-2-8分層燃燒模式結(jié)構(gòu)圖發(fā)動(dòng)機(jī)低速或中速運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)節(jié)氣門為半開狀態(tài)，空氣由進(jìn)氣管進(jìn)入汽缸撞在活塞頂部，由于活塞頂部制作成特殊的形狀從而在火花塞附近形成期望中的渦流。當(dāng)壓縮過程接近尾聲時(shí)，少量的燃油由噴射器噴出，形成可燃?xì)怏w。這種分層注油方式可充分提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速較低、負(fù)荷較小時(shí)除了火花塞周圍需要形成濃度較高的油氣混合物外，燃燒室的其它地方只需空氣含量較高的混合氣即可。噴油時(shí)刻開始于壓縮行程上止點(diǎn)前約60度，結(jié)束于壓縮行程上止點(diǎn)前約45 度。這種燃燒模式的優(yōu)點(diǎn)四燃油噴射角度小，燃油霧氣不與活塞頂部接觸，混合氣體集中在位

34、于燃燒室中央的火花塞周圍。采用由濃至稀的分層燃燒方式。通過缸內(nèi)空氣的運(yùn)動(dòng)在火花塞周圍形成易于點(diǎn)火的濃混合氣，混合比達(dá)到12：1左右，外層逐漸稀薄。濃混合氣點(diǎn)燃后，燃燒迅速波及外層。被點(diǎn)燃的混合氣與氣缸壁之間形成一層隔離用的空氣層，起降溫的作用。FSI直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比高，在這種情況下對(duì)油的標(biāo)號(hào)和油質(zhì)要求就很嚴(yán)格。就目前中國(guó)的情況來說，必須使用高清潔度汽油。例如：奧迪Q7(進(jìn)口)2010款 4.2 FSI 手自一體豪華型。 發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比為13、燃油標(biāo)號(hào)為97#，環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)為歐IV。 （2）均質(zhì)燃燒模式發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較大且轉(zhuǎn)速較高時(shí)，進(jìn)氣歧管翻板就會(huì)打開，吸入的空氣經(jīng)上下氣道進(jìn)入氣缸。燃油噴射發(fā)生在進(jìn)氣

35、行程中，缸內(nèi)形成均質(zhì)混合氣，空燃比為14.7:1。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，節(jié)氣門完全開啟，大量空氣高速進(jìn)入汽缸形成較強(qiáng)渦流并與汽油均勻混合。從而促進(jìn)燃油充分燃燒，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。電腦不斷的根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況改變注油模式，始終保持最適宜的供油方式。燃油的充分利用不僅提高了燃油的利用效率和發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出而且改善了排放。均質(zhì)燃燒模式分兩種狀態(tài)： 進(jìn)氣歧管翻板打開時(shí)的均勻燃燒在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于3750 轉(zhuǎn)/分或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷高于40% 時(shí)，進(jìn)氣歧管翻板是打開的，這樣就可保證發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷時(shí)獲得更多的進(jìn)氣量，讓更多的空氣參與燃燒。 燃油噴射發(fā)生在進(jìn)氣沖程中。 進(jìn)氣歧管翻板關(guān)閉時(shí)的均勻燃燒在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

36、低于3750 轉(zhuǎn)/分或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷低于40% 時(shí)，進(jìn)氣歧管翻板是關(guān)閉的。下部進(jìn)氣道被封閉，于是被吸入的空氣就會(huì)通過上部進(jìn)氣道加速后呈紊流狀流入燃燒室，利于混合氣的形成與霧化。燃油噴射發(fā)生在進(jìn)氣沖程中。FSI理論上，F(xiàn)SI發(fā)動(dòng)機(jī)有兩種燃燒模式：分層燃燒和均質(zhì)燃燒。從FSI所代表的Fuel Stratified Injection含義上看，分層燃燒應(yīng)該是FSI發(fā)動(dòng)機(jī)的精髓與特點(diǎn)，不過也可以理解為它的研發(fā)起點(diǎn)和基礎(chǔ)。 FSI燃燒控制模式有些方面還停留在理論優(yōu)勢(shì)方面。現(xiàn)在奧迪在全球發(fā)布的FSI發(fā)動(dòng)機(jī)還都采用均質(zhì)燃燒模式，這不是說分層燃燒不可實(shí)現(xiàn)，而只是說分層燃燒實(shí)施的時(shí)機(jī)還不成熟。問題：沒有了分層燃燒會(huì)

37、不會(huì)讓FSI發(fā)動(dòng)機(jī)的原有優(yōu)勢(shì)蕩然無存？答案是否定的。即使沒有應(yīng)用分層燃燒，F(xiàn)SI發(fā)動(dòng)機(jī)還有能提升壓縮比，降低燃燒殘油量的特點(diǎn)。FSI發(fā)動(dòng)機(jī)采用缸內(nèi)直噴，汽油在缸內(nèi)蒸發(fā)產(chǎn)生內(nèi)部冷卻效果，這樣就降低了爆震的可能性，可適當(dāng)提升壓縮比。而進(jìn)氣渦旋與氣門正時(shí)的配合能使沒燃燒的殘油得到良好的再利用。這樣，F(xiàn)SI發(fā)動(dòng)機(jī)仍能在提高動(dòng)力，降低油耗方面仍有較大的作為。 FSI發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的效果可以從奧迪公司公布的發(fā)動(dòng)機(jī)指標(biāo)看出來。 以3.2升FSI和4.2升FSI為例，對(duì)比的機(jī)型分別是以前的3.0升和4.2升汽油機(jī)。功率上，3.2升FSI發(fā)動(dòng)機(jī)是257馬力，比原機(jī)型的218馬力提升39馬力，4.2升FSI發(fā)動(dòng)機(jī)的3

38、50馬力比原機(jī)型的335馬力提升15馬力；在最大扭矩上，是3.2升FSI的330牛米對(duì)原機(jī)型的290牛米，4.2升FSI的440對(duì)原機(jī)型的420牛米。在日常駕駛條件下，直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的節(jié)油性能將更加顯著，因?yàn)轳{駛員可不斷地來回更換采用分層注油和均勻注油兩種模式。直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)分層注油原理是因?yàn)樗煽刂迫紵覂?nèi)的注油過程，并在完成觸發(fā)之前直接注入燃料。這樣就可大幅度減少燃燒所需的燃料這是實(shí)現(xiàn)FSI發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)效益最重要的先決條件?！救蝿?wù)實(shí)施】分組組織學(xué)生參觀奧迪缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)以及組成。任務(wù)3 投入批量生產(chǎn)的直噴稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)【情境導(dǎo)入】Honda本田的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)2.

39、0L i-VTEC I發(fā)動(dòng)機(jī)是Honda第一款實(shí)現(xiàn)了65：1超稀薄燃燒的直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，OHC i-VTEC融合了Honda獨(dú)創(chuàng)的直噴技術(shù)新一代環(huán)保、運(yùn)動(dòng)型發(fā)動(dòng)機(jī) ；直噴發(fā)動(dòng)機(jī)使稀薄燃燒成為可能，為降低油耗做出了貢獻(xiàn)。 這么稀的混合氣是怎么燃燒的呢？【理論引導(dǎo)】一、分層充氣和稀燃為了進(jìn)一步提高火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和改善排放，人們長(zhǎng)期致力于對(duì)稀燃的研究，常規(guī)汽油機(jī)混合氣的空燃比在1020之間，化學(xué)計(jì)量空燃比為14.614.7，高壓縮比均勻混合氣的稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比可達(dá)25，用分層充氣其綜合空燃比最高可達(dá)50，在用均勻充氣壓縮點(diǎn)火燃燒方式中，空燃比甚至可達(dá)275，仍能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。1994年三菱公

40、司宣布汽油機(jī)缸內(nèi)直噴(GDI，Gasoline Direct Injection)技術(shù)開發(fā)成功，并于1996年批量生產(chǎn)上市銷售，這一成果實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了內(nèi)燃機(jī)工作者半個(gè)世紀(jì)的追求。因?yàn)樽钤缭谒臎_程汽油機(jī)上進(jìn)行直噴試驗(yàn)的是1946年進(jìn)行的，期間經(jīng)歷了48年長(zhǎng)期研究，但總因不容易在寬廣的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)噴油定時(shí)，點(diǎn)火定時(shí)和氣流運(yùn)動(dòng)之間的最佳配合和控制而宣告失敗。但從80年代以來由于電控噴油系統(tǒng)，各種用于測(cè)量缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)和燃燒過程的激光技術(shù)，以及可控氣缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)和滾流技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致GDI技術(shù)的重大突破。三菱 GDI技術(shù)GDI全稱是Gasoline Direct Injection，汽油直接噴

41、射的意思。三菱很早就開發(fā)了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)，是日系品牌中缸內(nèi)直噴技術(shù)的倡導(dǎo)者。三菱的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)通過稀薄燃燒技術(shù)，讓燃料消耗減少20%-35%，讓二氧化碳排放減少20%，而輸出功率則比普通的同排量發(fā)動(dòng)機(jī)10%。 二、汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)工作原理1. 稀燃式發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃式發(fā)動(dòng)機(jī)就是讓汽油在很稀的混合狀態(tài)下燃燒，空燃比可達(dá)25:1甚至可達(dá)40:1直噴技術(shù)能使汽油機(jī)像柴油機(jī)那樣具備較高的燃燒效率，使燃油燃燒更充分，從而達(dá)到盡可能節(jié)省燃油的目的。汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽油在氣缸內(nèi)分層燃燒的一種特有技術(shù)，而汽油分層燃燒又是實(shí)現(xiàn)汽油稀薄燃燒的手段。 稀薄燃燒是提高汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的重要手段。缸內(nèi)直噴汽油機(jī)稀薄燃燒

42、技術(shù)可以分為均質(zhì)稀燃和分層燃燒兩種燃燒模式。在火花塞間隙周圍局部形成具有良好著火條件的較濃混合氣（1213.4），在燃燒室大部分區(qū)域是較稀混合氣，兩者之間為了有利于火焰?zhèn)鞑?，混合氣濃度從火花塞開始由濃到稀逐步過渡，這就是所謂的分層燃燒。三菱缸內(nèi)噴注汽油機(jī)（GDI） 混合比達(dá)到40:1 ，采用立式吸氣口方式，從氣缸蓋的上方吸氣的獨(dú)特方式產(chǎn)生強(qiáng)大的下沉氣流。這種下沉氣流在彎曲頂面活塞附近得到加強(qiáng)并在氣缸內(nèi)形成縱向渦旋轉(zhuǎn)流。在高壓旋轉(zhuǎn)噴注器的作用下，壓縮過程后期被直接噴注進(jìn)氣缸內(nèi)的燃料形成濃密的噴霧，噴霧在彎曲頂面活塞的頂面空間中不是擴(kuò)散而是氣化。 這種混和氣被縱向渦旋轉(zhuǎn)流帶到火花塞附近，在火花塞四

43、周形成較濃的層狀混和狀態(tài)。這種混合狀態(tài)雖從燃燒室整體來看十分稀薄，但由于呈現(xiàn)從濃厚到稀薄的層狀分布，因此能保證點(diǎn)火并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。Honda本田的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)2.0L i-VTEC I發(fā)動(dòng)機(jī)是Honda第一款實(shí)現(xiàn)了65：1超稀薄燃燒的直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī) ；OHC i-VTEC融合了Honda獨(dú)創(chuàng)的直噴技術(shù)新一代環(huán)保、運(yùn)動(dòng)型發(fā)動(dòng)機(jī) ；直噴發(fā)動(dòng)機(jī)使稀薄燃燒成為可能，為降低油耗做出了貢獻(xiàn)。 2. 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)稀燃的關(guān)鍵技術(shù) 提高壓縮比 采用緊湊型燃燒室，通過進(jìn)氣口位置改進(jìn)使缸內(nèi)形成較強(qiáng)的空氣運(yùn)動(dòng)旋流，提高氣流速度；將火花塞置于燃燒室中央，縮短點(diǎn)火距離；提高壓縮比至13：1左右，促使燃燒

44、速度加快分層燃燒 如果稀燃技術(shù)的混合比達(dá)到25：1以上，按照常規(guī)是無法點(diǎn)燃的，因此必須采用由濃至稀的分層燃燒方式。通過缸內(nèi)空氣的運(yùn)動(dòng)在火花塞周圍形成易于點(diǎn)火的濃混合氣，混合比達(dá)到12：1左右，外層逐漸稀薄。濃混合氣在缸內(nèi)上部聚集在火花塞四周被點(diǎn)燃，燃燒迅速波及外層實(shí)現(xiàn)分層燃燒。高能點(diǎn)火 高能點(diǎn)火和寬間隙火花塞有利于火核形成，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短，燃燒速度增快，稀燃極限大。有些稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙火花塞或者多極火花塞裝置來達(dá)到上述目的。以上三點(diǎn)只是對(duì)整體汽油發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃技術(shù)而言，具體到某種機(jī)型會(huì)有所偏重。因?yàn)楦鞣N汽油發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃方式的技術(shù)措施不完全一樣，甚至同一部發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的工況下稀燃方式也會(huì)不完全一樣。

45、 有些著重缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)及燃油分布的配合，重點(diǎn)在分層燃燒。有些著重加大點(diǎn)火能量、增快火焰?zhèn)鞑ニ俣群涂s短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，重點(diǎn)在高能點(diǎn)火。無論是從節(jié)能和減排的角度，還是從提高汽油機(jī)動(dòng)力性能的角度來看，現(xiàn)代缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)在進(jìn)氣道噴射技術(shù)的基礎(chǔ)上，又將汽油機(jī)技術(shù)向前推進(jìn)了一大步，從而成為世界汽油機(jī)發(fā)展歷史上又一個(gè)重要的里程碑。3三菱GDI燃燒系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：(1)應(yīng)用垂直進(jìn)氣道在氣缸中產(chǎn)生逆向滾流(指與常規(guī)氣道產(chǎn)生的滾流旋轉(zhuǎn)時(shí)方向相反。(2)應(yīng)用球形緊湊的活塞頂凹坑，幫助滾流生成和保持充氣分層，控制油束特性和已氣化的混合氣運(yùn)動(dòng)。(3)應(yīng)用一個(gè)壓力較低(噴射壓力5MPa)的電磁噴油器，但它有合適的霧化、貫

46、穿度，一般采用旋流式噴油器。在部分負(fù)荷時(shí)使用遲噴射，即在壓縮沖程后期噴射，生成分層進(jìn)氣，空燃比約為3040，分層燃燒在濃區(qū)必然產(chǎn)生碳煙，但足夠的空氣可使它燒盡。在高負(fù)荷時(shí)使用早噴射，即在進(jìn)氣沖程的早期噴射，因此生成均勻混合氣，在全負(fù)荷時(shí)，可應(yīng)用化學(xué)計(jì)量空燃比甚至稍濃的均質(zhì)混合氣以抑制碳煙的生成。在早噴和遲噴之間要實(shí)現(xiàn)平滑和快速的過渡，一般遲噴的應(yīng)用范圍可擴(kuò)大到50負(fù)荷。試驗(yàn)表明GDI汽油機(jī)比常規(guī)進(jìn)氣口噴射汽油機(jī)最大扭矩可提高68，燃油消耗率可降低20，排放可達(dá)歐標(biāo)準(zhǔn)。 4GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是： (1)如上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性獲得突破性的改進(jìn)； (2)瞬態(tài)工況改善，可降低對(duì)加速加濃的要求； (3

47、)能快速起動(dòng)(一般12個(gè)循環(huán)即可起動(dòng))，對(duì)起動(dòng)加濃的要求降低； (4)某些排放指標(biāo)，C02排放降低和僅冷起動(dòng)HC相對(duì)排放變低； 人們預(yù)期，GDI汽油機(jī)將成為今后轎車用發(fā)動(dòng)機(jī)的主力機(jī)種,但是仍存在以下問題有待解決： (1)在排氣中的HC的含量高，這主要是因?yàn)樵谄蜋C(jī)大約2的燃料進(jìn)入活塞環(huán)頂岸和氣缸壁之間的間隙，火焰很難進(jìn)入。 (2)噴油器放在氣缸內(nèi)，由于噴油壓力低，噴嘴本身無自潔作用，容易結(jié)垢污染。 (3)由于燃料和火花塞碰撞而產(chǎn)生點(diǎn)火污染，要求使用高能點(diǎn)火，從而影響火花塞壽命。 (4)實(shí)現(xiàn)早噴和遲噴之間的平滑過渡，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的“無級(jí)”變化較難。 (5)在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)中分層燃燒時(shí)，氣缸中的混合氣

48、濃度和溫度分布不均勻，N0x在高溫稀區(qū)生成，碳煙在高溫濃區(qū)生成不好控制。 (6)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可靠性、耐久性有待進(jìn)一步考驗(yàn)。例如“兩級(jí)混合”、兩級(jí)燃燒以及稀NOx后處理系統(tǒng)等。三菱太空GDI機(jī)4G93在1996年投產(chǎn)后即進(jìn)入日本國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，1997年進(jìn)入歐洲市場(chǎng)，但由于達(dá)不到美國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)而沒有進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng)，主要是因?yàn)楦哓?fù)荷時(shí)NOx排放高，在啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行HC和CO排放也高。但不久，三菱兩次噴油形成混合氣，第一次在進(jìn)氣沖程開始時(shí)第1次噴油，由于有混合時(shí)間，且有活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在缸內(nèi)生成很稀的均質(zhì)混合氣；第二次噴射在壓縮上止點(diǎn)前，在火花塞附近形成濃混合氣，在氣缸滾流和活塞頂形狀的幫助下產(chǎn)生分層混合

49、氣，然后點(diǎn)火燃燒。解決了排放超標(biāo)的問題。這種混合氣生成法的好處是：（1）不易爆震:原因是第一次噴射均質(zhì)混合氣很稀不可能產(chǎn)生爆震；第二次噴射燃油在缸內(nèi)停留的時(shí)間短，來不及完成著火前的低溫氧化反應(yīng)，不能形成自燃點(diǎn)。（2）促進(jìn)碳煙燒盡:分層燃燒產(chǎn)生碳煙，但第一次噴射的稀混合氣中產(chǎn)生的過氧化合物將支持燃燒,高溫碳煙將成為穩(wěn)定的點(diǎn)火源，將自己燃盡。NOx的排放仍依靠NOx催化系統(tǒng)（見第二章催化器章節(jié)），要經(jīng)常應(yīng)用短期濃混合氣生成的一氧化碳來還原催化器的的硝酸鹽，使之再生。圖9-3-9 二次噴油示意圖第三次輔助噴油不是形成混合氣，因?yàn)榇藭r(shí)已經(jīng)著火作功。其目的是改善冷啟動(dòng)機(jī)和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的HC和CO的排放，CO的氧化溫度比HC的低，很易氧化。輔助噴射燃燒首先使催化器快速加熱，使CO燃燒，產(chǎn)生較高溫度，再使HC燃燒，但應(yīng)盡量減少第三次輔助噴油燃燒方式的應(yīng)用，以免導(dǎo)致燃油消耗增加。【任務(wù)實(shí)施】分組組織學(xué)生參觀三菱缸內(nèi)直噴稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)以及組成缸內(nèi)直噴技術(shù)知識(shí)拓展：日內(nèi)瓦車展奔馳CLS采用新型直噴發(fā)動(dòng)機(jī)德國(guó)戴姆勒?？巳R斯勒的梅賽德斯。奔馳公司在第76屆日內(nèi)瓦車展（76th International Geneva Motor Show，2006年3月2日12日面向公眾開放）上宣布，4門酷派“CLS系列”配備了采用壓電式燃料噴射閥的新型汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)是現(xiàn)有進(jìn)