缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理及檢修

1、3.4 3.4 缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理與檢修缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理與檢修 教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容：l1 1、GDIGDI發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)l2 2、FSIFSI發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)l3 3、TFSITFSI發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)l4 4、TSITSI發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)汽油噴射的三種技術(shù)汽油噴射的三種技術(shù)l （1）化油器式汽油機(jī)l （2）進(jìn)氣管噴射電控汽油機(jī)l （3）缸內(nèi)直噴電控汽油機(jī)兩種燃油噴射方式汽油機(jī)兩種燃油噴射方式汽油機(jī) 缸內(nèi)燃油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：缸內(nèi)燃油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：l （1）脈沖增壓可以實(shí)現(xiàn)。l （2）可采用更大的氣門疊開角。l （3）進(jìn)氣管內(nèi)無燃料沉積。l （4）進(jìn)氣管造型不受制約。l （5）可以提高壓縮比。l

2、 （6）可以實(shí)現(xiàn)混合氣分層燃燒。l （7）可直接冷卻燃燒室部件。搞清幾個(gè)概念：搞清幾個(gè)概念：l（1 1）GDIGDI（Gasoline Direct Injection ）l 汽油直接噴射汽油直接噴射缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī) l（2 2）FSIFSI（Fuel Stratified Injection ）l 燃油分層噴射燃油分層噴射缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī) l（3 3）TFSITFSI（Turbo Fuel Stratified Injection ）l 帶渦輪增壓器的燃油分層噴射帶渦輪增壓器的燃油分層噴射缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī) l（4 4）TSITSI（Twincharger（Fuel）Stratified Injec

3、tion ）l 帶機(jī)械增壓器和渦輪增壓器的燃油分層噴射帶機(jī)械增壓器和渦輪增壓器的燃油分層噴射缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)3.4.1 GDI3.4.1 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 1 1、GDIGDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)基本組成發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)基本組成l 系統(tǒng)主要由低壓輸油泵、燃油壓力傳感器、噴油壓力控制閥、高壓油泵、蓄壓燃油軌、噴油器等組成。l 廣泛應(yīng)用內(nèi)開式旋流噴油器，只有一個(gè)噴孔，工作油壓為5.0-10MPa。 2 2、噴射模式、噴射模式l GDI分兩步噴射的過程，第一步在進(jìn)氣沖程中噴射汽油以降低氣體溫度，適應(yīng)高壓縮比；第二步在壓縮沖程后期噴射汽油，形成上面闡述過的層狀混合氣形態(tài)。 多階段噴射模式單階段噴射模式

4、（1 1）單階段噴射模式）單階段噴射模式 l 在中小負(fù)荷時(shí)，燃油在壓縮行程后期噴入，實(shí)現(xiàn)混合氣分層稀燃并采用質(zhì)調(diào)節(jié)以避免節(jié)流閥的節(jié)流損失，從而使GDI汽油機(jī)達(dá)到與柴油機(jī)相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)性。l 在大負(fù)荷和全負(fù)荷時(shí)，燃油在進(jìn)氣行程中噴入氣缸，實(shí)現(xiàn)均質(zhì)預(yù)混合燃燒，以保持汽油機(jī)升功率高的特點(diǎn)。 （2 2）多階段噴射模式）多階段噴射模式l 多階段噴射模式是指在進(jìn)氣行程中先噴入所需燃料的1/4，形成極稀的均質(zhì)混合氣，其余燃料在壓縮行程后期再次噴入，形成分層混合氣。l 應(yīng)用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)從中小負(fù)荷到大負(fù)荷的平穩(wěn)過渡，降低氣缸內(nèi)的氣體溫度，抑制爆燃的產(chǎn)生。 3 3、燃燒系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)l GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)按噴

5、油器和火花塞的相對(duì)位置和混合氣的組織形式可以有3種類型：l（1 1）噴束引導(dǎo)法）噴束引導(dǎo)法燃油噴嘴靠近火花塞布置，火花塞位于燃油噴束的邊緣，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是保證當(dāng)整個(gè)燃燒室內(nèi)為稀薄混合氣時(shí)，火花塞周圍仍能形成可供點(diǎn)火的混合氣濃度。l Ford、Honda等公司生產(chǎn)的某些機(jī)型。l（2 2）壁面引導(dǎo)法）壁面引導(dǎo)法燃油噴嘴遠(yuǎn)離火花塞布置，利用特殊形狀的活塞表面配合氣流運(yùn)動(dòng)，將燃油蒸氣導(dǎo)向火花塞并在火花塞間隙形成合適濃度的混合氣，l MITSUBISHI、TOYOTA、NISSAN等公司開發(fā)的機(jī)型。l（3 3）氣流引導(dǎo)法）氣流引導(dǎo)法同樣是燃油噴嘴遠(yuǎn)離火花塞，利用缸內(nèi)有組織的氣流運(yùn)動(dòng)來達(dá)到上述目的。l

6、FEV、AVL等公司開發(fā)的機(jī)型。5 5、GDIGDI發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 與傳統(tǒng)式汽油機(jī)比較：與傳統(tǒng)式汽油機(jī)比較：l（1） 燃油經(jīng)濟(jì)性更好。l（2） 最高動(dòng)力相似。l（3） 扭力更好，特別在低轉(zhuǎn)速時(shí)。l（4） 有害的氣體更少。 6、GDIGDI發(fā)動(dòng)機(jī)存在的問題發(fā)動(dòng)機(jī)存在的問題l （1）中小負(fù)荷下未燃碳?xì)洌║BHC）的排放較多 。l （2）空燃比不在當(dāng)量比附近，目前成熟的三元催化技術(shù)不能得到有效利用，因而NOx排放較高。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)較高的壓縮比和較快的反應(yīng)放熱率也會(huì)引起NOx升高。l 采用了采用了EGREGR技術(shù)解決這個(gè)問題。技術(shù)解決這個(gè)問題。 l （3）在低負(fù)荷、過渡工況和冷起動(dòng)的情況下，

7、GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的微粒排放比進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)有明顯增加。l （4）在理論要求的范圍內(nèi)控制分層混合氣的組織和燃燒較為困難。l （5）工況變化時(shí)（實(shí)現(xiàn)“早噴”和“遲噴”之間的平滑過渡）所要求的噴射策略較為復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的“無級(jí)”變化較難。l （6）氣缸內(nèi)的燃燒沉積物較多，使用高能點(diǎn)火，影響火花塞壽命。l （7）噴嘴本身無自潔作用，容易結(jié)構(gòu)污染。l （8）高壓供油系統(tǒng)零部件的磨損較快、成本較高等。l （9）結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可靠性、耐久性有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。l （10）維護(hù)保養(yǎng)不便。三菱三菱GDIGDI發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 燃油噴射狀態(tài)燃油噴射狀態(tài)進(jìn)氣過程噴射進(jìn)氣過程噴射 壓縮過程噴射壓縮過程噴射渦流形成渦流形成 3

8、.4.2 FSI3.4.2 FSI發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 1 1、FSIFSI發(fā)動(dòng)機(jī)的分層燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的分層燃燒技術(shù)l把燃油直接噴射到汽缸中去，以獲得更好的點(diǎn)火和燃燒條件。通過對(duì)燃燒室內(nèi)部形狀的設(shè)計(jì)，讓混合氣能產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流使空氣和汽油充分混合。然后使火花塞周圍區(qū)域能有較濃的混合氣，其他周邊區(qū)域有較稀的混合氣，保證在順利點(diǎn)火的情況下盡可能的實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒。而這種在不同區(qū)域擁有不同混合氣濃度的燃燒技術(shù)叫做汽油機(jī)分層燃燒技術(shù)。 大眾大眾FSIFSI發(fā)動(dòng)機(jī)分層燃燒技術(shù)示意圖發(fā)動(dòng)機(jī)分層燃燒技術(shù)示意圖 大眾大眾FSIFSI發(fā)動(dòng)機(jī)分層燃燒技術(shù)解析發(fā)動(dòng)機(jī)分層燃燒技術(shù)解析l由于活塞頂部設(shè)計(jì)了一個(gè)利于成渦流的凹坑，汽油噴

9、射入活塞坑以后，可以向上運(yùn)動(dòng)到火花塞附近，在火花塞附近形成一個(gè)較濃的區(qū)域，有利于點(diǎn)火。當(dāng)中心區(qū)域點(diǎn)燃以后，放出的熱量要大大高于火花塞點(diǎn)火能量，因此就很容易引燃周邊汽油濃度較小的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)稀薄燃燒 。大眾大眾FSIFSI發(fā)動(dòng)機(jī)兩次燃油噴射示意圖發(fā)動(dòng)機(jī)兩次燃油噴射示意圖 大眾大眾FSIFSI發(fā)動(dòng)機(jī)兩次燃油噴射工作過程發(fā)動(dòng)機(jī)兩次燃油噴射工作過程l 系統(tǒng)在一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)使用了兩次燃油噴射。l （1）第一次噴射是在吸氣行程的時(shí)候噴入部分汽油，讓汽油跟空氣能有充分的時(shí)間混合。l （2）第二次噴射，是在壓縮終了時(shí)活塞接近上止點(diǎn)的時(shí)候噴入部分汽油，讓火花塞周圍形成較濃的區(qū)域，利于點(diǎn)火。l 在整個(gè)壓縮過程中，活塞

10、頂部都在形成強(qiáng)烈的渦流，這樣空氣跟汽油就能混合得更均勻，燃燒更充分。2 2、FSIFSI發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)基本組成發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)基本組成l系統(tǒng)主要由低壓電動(dòng)燃油泵、燃油濾清器、高壓電動(dòng)燃油泵、燃油計(jì)量閥、燃油軌、燃油壓力傳感器、噴油器等組成。FSIFSI發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)示意圖發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)示意圖 充氣系統(tǒng)充氣系統(tǒng)lFSI發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是類似柴油機(jī)工作方式將高壓汽油直接噴入氣缸爆發(fā)燃燒以獲得動(dòng)力。l相對(duì)于傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，采用這種工作方式后，由于汽油直接噴入每一個(gè)氣缸，結(jié)合稀薄燃燒技術(shù)，使汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷范圍內(nèi)采用專門的充氣模式來工作成為了現(xiàn)實(shí)。FSIFSI發(fā)動(dòng)機(jī)的三種工作方

11、式發(fā)動(dòng)機(jī)的三種工作方式 l FSI發(fā)動(dòng)機(jī)按照發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷工況，可以自動(dòng)選擇工作模式：l （1）在低負(fù)荷時(shí)為分層稀薄燃燒。l （2）在中間負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，采用均質(zhì)稀混合氣模式。l （3）在高負(fù)荷時(shí)則為均質(zhì)理論空燃比（14.6-14.7）燃燒。l 在三種運(yùn)行模式中，燃料的噴射時(shí)間有所不同，在三種運(yùn)行模式中，燃料的噴射時(shí)間有所不同，真空作用的開關(guān)閥進(jìn)行開啟真空作用的開關(guān)閥進(jìn)行開啟/ /關(guān)閉來控制進(jìn)氣氣流關(guān)閉來控制進(jìn)氣氣流的形態(tài)。的形態(tài)。均質(zhì)混合氣模式均質(zhì)稀混合氣模式分層充氣模式（1 1）分層充氣模式）分層充氣模式l 在分層充氣模式下，過量空氣系數(shù)為1.63的稀混合氣。l 空氣經(jīng)過接近全開的節(jié)氣門引入燃燒室

12、。此時(shí)，進(jìn)氣歧管閥將下部進(jìn)氣道完全關(guān)閉，這樣吸入的空氣在上部進(jìn)氣道流動(dòng)的速度就加快了，于是空氣會(huì)呈旋渦狀流入氣缸內(nèi)。活塞上的凹坑會(huì)增強(qiáng)這種渦旋流動(dòng)效果，與此同時(shí)，節(jié)氣門會(huì)進(jìn)一步打開，以便盡量減小節(jié)流損失。在壓縮行程上止點(diǎn)前約60時(shí)，高壓燃油以10-15MPa的壓力噴入到火花塞附近，混合氣形成只發(fā)生在40-50曲軸轉(zhuǎn)角之間。 分層充氣模式工作過程分層充氣模式工作過程 （2 2）均質(zhì)稀混合氣模式）均質(zhì)稀混合氣模式l 在均質(zhì)稀混合氣模式下，過量空氣系數(shù)為1.55左右的稀混合氣。l 在這種工作模式下，和分層充氣模式一樣，節(jié)氣門開度大，進(jìn)氣歧管關(guān)閉。燃油在進(jìn)氣沖程（點(diǎn)火上止點(diǎn)前300左右時(shí)）噴射，產(chǎn)生加

13、速稀薄混合氣燃燒的縱渦流，形成混合氣的時(shí)間也就比較長，有利于形成均勻的稀混合氣。均質(zhì)稀混合氣模式工作過程均質(zhì)稀混合氣模式工作過程 （3 3）均質(zhì)混合氣模式）均質(zhì)混合氣模式 l 在均質(zhì)混合氣模式下，過量空氣系數(shù)為1左右的理論混合氣。l 節(jié)氣門開度按照油門踏板的位置來控制，在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較大且轉(zhuǎn)速較高時(shí)，進(jìn)氣閥就會(huì)完全打開，于是吸入的空氣就經(jīng)過上、下進(jìn)氣道進(jìn)入氣缸。燃油在進(jìn)氣沖程中噴射，燃油和空氣就有更充足的時(shí)間來混合，并且可以利用空氣的流動(dòng)旋轉(zhuǎn)的渦流來擊碎燃油顆粒，使之混合更加充分，均質(zhì)混合氣易于燃燒，可不必借助渦流作用。均質(zhì)混合氣模式工作過程均質(zhì)混合氣模式工作過程 l FSI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油系統(tǒng)由低

14、壓系統(tǒng)和高壓燃油系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。l 在低壓系統(tǒng)中，電動(dòng)燃油泵把0.3-0.6MPa的燃油經(jīng)濾清器供應(yīng)給高壓泵，從高壓燃油泵來的回油直接進(jìn)入燃油箱。低壓系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的工作壓力為0.3MPa左右，起動(dòng)時(shí)達(dá)到0.6MPa左右的壓力。FSI發(fā)動(dòng)機(jī)一般是以單柱塞高壓泵將從低壓系統(tǒng)中過來的低壓燃油加壓到1015MPa，然后送入共軌管，由共軌管再把燃油分配到各個(gè)高壓噴油器。共軌管設(shè)計(jì)的足夠大，以至于可以補(bǔ)償在噴油時(shí)產(chǎn)生的輕微的壓力波動(dòng)。l 為了能在較短的時(shí)間內(nèi)噴出大量的燃油，F(xiàn)SI發(fā)動(dòng)機(jī)使用高達(dá)90V的直流電壓來控制高壓噴油器。 l采用FSI技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)空燃比等于30的稀混合氣模式，其節(jié)油效果最高可達(dá)20%。l因?yàn)樵诟谎醐h(huán)境中會(huì)產(chǎn)生大量的NOX，所以稀薄燃燒技術(shù)的一個(gè)障礙是NOX的凈化，為了解決此問題，F(xiàn)SI 發(fā)動(dòng)機(jī)配置了NOX存儲(chǔ)式催化凈化反應(yīng)器。3 3、FSIFSI發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)