缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)工作

1、缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)（GDI ）工作原理1缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)（Gasoline Direct Injection） 簡稱：GDI系統(tǒng)；又因為燃油是分層燃燒（Fuel Stratified Injection） 故又稱：FSI系統(tǒng)。 傳統(tǒng)式的電噴汽油機(jī)，是將汽油噴射在進(jìn)氣門外側(cè)的進(jìn)氣歧管中，在進(jìn)氣過程和壓縮過程中，利用時間和空間的均質(zhì)混合方式，完成可燃混合氣的形成，再點火燃燒作工。2這樣，燃油在氣缸內(nèi)滯留時間過長（接近360曲軸轉(zhuǎn)角），燃油的粘結(jié)損耗較大，加速響應(yīng)性低，極易產(chǎn)生“爆燃”，氣缸磨損加大。能否和柴油機(jī)一樣，在壓縮終了，往缸內(nèi)直接噴射燃油，迅速混合點火燃燒，這只是人們多少年來的一個夢想。3一

2、、電控汽油噴射系統(tǒng)的重大變革：1、三菱汽車公司和豐田汽車公司，在上個世紀(jì)的九十年代，即研發(fā)出“高靈敏度、高壓縮比、超稀薄混合氣”的缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)。壓縮比可達(dá)1213：1，實現(xiàn)了“低油耗、低污染、高功率”的夢想。42、它拋棄了傳統(tǒng)的利用空間和時間的均質(zhì)混合方式，采用缸內(nèi)強(qiáng)渦流運(yùn)動混合方式，在壓縮沖程的后期，和柴油機(jī)一樣，直接向缸內(nèi)噴射燃油，實現(xiàn)“質(zhì)的調(diào)節(jié)”，它對燃油的質(zhì)量要求不高，擺脫了汽油質(zhì)量對壓縮比提高的制約。相繼點火后，實現(xiàn)分層燃燒，利用A/F=3040：1的超稀薄混合氣穩(wěn)定燃燒，極大的改善了汽油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、凈化性。53、我國上海大眾和一汽大眾己引進(jìn)生產(chǎn)了“斯克達(dá)-明銳”（SKO

3、DA-Octavia-1.8T-FSI）和“邁騰”（Magotan-1.8T-FSI）缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)乘用車，己經(jīng)投入市場。隨著汽車保有量和排放污染物的驟增，以及社會環(huán)保法規(guī)要求的提升，缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)將成為今后“時代的寵兒”。6二、缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)的主要結(jié)構(gòu)： 缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)，是在傳統(tǒng)的電控噴射系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)研發(fā)的。在其他結(jié)構(gòu)方面無過多的變化，只是在可燃混合氣的形成方法上，和燃燒過程方面發(fā)生了概念性的變革。僅就GDI系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)介紹：71、直立式進(jìn)氣管產(chǎn)生下降大進(jìn)氣流，直接流入氣缸，流速快，可達(dá)4050m/s，充氣效果好。與傳統(tǒng)的橫向進(jìn)氣管相比，它的進(jìn)氣渦流方向是相反旋轉(zhuǎn)，噴油后能在

4、火花塞處形成濃油霧區(qū)，極易點火燃燒，起動性能好，能實現(xiàn)分層燃燒。82、頂面彎曲活塞引導(dǎo)空氣產(chǎn)生進(jìn)氣渦流和擠壓高速旋轉(zhuǎn)渦流，以便形成理想地分層燃燒的可燃混合氣。旋轉(zhuǎn)渦流為“正向渦流”，與傳統(tǒng)的“逆向渦流”方向相反，有利于混合氣按濃稀方式層狀分布，進(jìn)行分層燃燒。93、采用兩級串聯(lián)式供油泵低壓供油泵為電動渦輪式，油壓為0.35Mpa；高壓供油泵為往復(fù)柱塞式，由凸輪軸驅(qū)動，使燃油軌道的油壓不斷堆積，產(chǎn)生55.5Mpa的噴射油壓，經(jīng)噴油器高速噴入氣缸，提高了霧化質(zhì)量，形成旋轉(zhuǎn)的燃?xì)鉁u流。10三角形凸輪驅(qū)動油泵柱塞吸油和壓油，能快速平穩(wěn)的建立起油壓，當(dāng)軌道壓力達(dá)規(guī)定值（5Mpa）后，壓力傳感器信號通過EC

5、U使仃供電磁閥斷電OFF，彈簧將進(jìn)油閥頂開，高壓供油泵即短暫仃止供油。114、軌道壓力傳感器是壓敏電阻制成的橋式電路傳感器，原理與傳統(tǒng)的進(jìn)氣管壓力傳感器Map類同。為ECU提供軌道內(nèi)燃油壓力的高低，當(dāng)壓力達(dá)5Mpa時，ECU指令仃供電磁閥斷電OFF，其彈簧推開高壓油泵的進(jìn)油閥，使高壓油泵仃止吸油而仃供。此時，低壓油泵也同步仃止供油，維持規(guī)定的油壓。125、高壓旋流式噴油器由ECU直接用脈沖電流的寬度，控制噴油量的多少，利用特殊的噴孔形狀，向氣缸內(nèi)噴出旋轉(zhuǎn)的霧狀燃油，與擠壓渦流快速的混合，以便點火燃燒。它沒有進(jìn)氣管沉積油膜的缺點，又因噴油壓力較高，噴油器的自潔功能高，不易產(chǎn)生臟堵故障。136、特

6、別指出：噴油器是屬于瞬時高電壓和大電流“峰值保持型”驅(qū)動方式（用100110V和1720A打開；又用限流電阻以35A的電流，保持開啟狀態(tài)），又稱，強(qiáng)勁、高頻、量化控制方式。14噴油器可小型化，又縮短了“無效噴射時間”，開啟速度快，響應(yīng)性好，計量準(zhǔn)確。所謂“無效噴射時間”是因為電磁線圈有一定的阻抗，故開啟時間較Tr管導(dǎo)通時間遲后，該時間無燃油噴出，故針閥升起和座落與噴油脈沖寬度并不吻合，故而需要改善。 15為此，噴油器的檢測方式，應(yīng)使用專門的儀器（MVT-2診斷儀），以防觸電和逆變電源過載。16三、缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)的工作原理：1、氣缸內(nèi)渦流的運(yùn)動在進(jìn)氣過程中，通過“直立式進(jìn)氣管”，在氣缸吸力的作

7、用下，產(chǎn)生強(qiáng)大的下降氣流，使充氣效率得到提高。又在“頂面彎曲活塞”的作用下，形成比傳統(tǒng)汽油機(jī)更強(qiáng)大的“滾動渦流”。這個滾動渦流，將壓縮后期噴射出的旋轉(zhuǎn)油霧，帶到燃燒室中央的火花塞附近，及時點火燃燒，這是一種革新手段。172、高壓旋轉(zhuǎn)油霧的產(chǎn)生高壓旋轉(zhuǎn)式噴油器，在壓縮沖程的后期（此時，缸內(nèi)壓力為0.61.5Mpa），以5Mpa的高壓噴射出旋轉(zhuǎn)的油霧，卷入“滾動渦流”中，迅速吸熱汽化，以層狀混合狀態(tài)，被卷到火花塞附近。此時，火花塞附近為“高濃度”混合氣，極易點燃。缸內(nèi)的燃?xì)獬省跋“鼭狻睜顟B(tài)（O2分子包圍HC分子） ，它與氣缸壁間形成了絕熱層，提高了熱效率，使功率提高，油耗降低。183、高速燃燒渦流

8、的產(chǎn)生“稀包濃”的強(qiáng)燃燒渦流，因未燃物和己燃物溫度、密度和離心力的差異，在旋轉(zhuǎn)中逐層的換位和剝離（未燃物溫度低、密度大、離心力大，向外移動；己燃物溫度高、密度小、離心力小，向內(nèi)移動），并從內(nèi)向外穩(wěn)定地、徹底的分層燃燒。19“稀包濃”狀態(tài)的燃?xì)鉁u流，與氣缸壁間產(chǎn)生絕熱層，從而提高了熱效率。因高壓縮比和高速強(qiáng)渦流及渦流分層高效率燃燒的結(jié)果，即：進(jìn)氣渦流、壓縮渦流、燃燒渦流的綜合效果，與傳統(tǒng)的電噴汽油機(jī)相比，輸出的功率Pe和輸出扭矩Me提高了10%。20超稀薄的混合氣，空燃比A/F可達(dá)3040：1，與傳統(tǒng)的汽油機(jī)相比，因燃燒過程和燃燒溫度控制的合理，節(jié)油率可達(dá)40%，可使排氣中的CO、HC、NOx等

9、有害物質(zhì)大幅度降低。 21 4、起動性能的提高：因燃油為直接噴入氣缸，無燃油的粘結(jié)損耗，又因火花塞處為高濃度混合氣，與傳統(tǒng)的均質(zhì)混合方式相比，起動性能得到提高，發(fā)動機(jī)在12個循環(huán)，即可起爆運(yùn)轉(zhuǎn)。而傳統(tǒng)的均質(zhì)混合發(fā)動機(jī)，需要十幾個循環(huán)，才能起爆運(yùn)轉(zhuǎn)。225、中小負(fù)荷工況時的噴油特點：乘用車在市內(nèi)行駛占有的時間為75%85%，多在中、小負(fù)荷工況下工作，應(yīng)在壓縮行程后期噴油，以經(jīng)濟(jì)超稀薄混合氣成分為主，為分層燃燒方式。236、大負(fù)荷工況時的噴油特點：為了獲得大負(fù)荷時的功率值（包括其他工況），應(yīng)加濃可燃混合氣，以動力性為主，采用“兩次噴油方式”。第一次是在進(jìn)氣行程，噴入適量燃油，形成均質(zhì)燃燒混合氣，此

10、為“補(bǔ)救功能”；此時，還可利用燃油的汽化熱，來降低進(jìn)氣溫度，提高充氣效率。第二次是在壓縮行程的后期噴油，形成濃稀不均的層狀混合氣，再點火燃燒。24因此，在大負(fù)荷工況時，一個工作循環(huán)中，噴油器發(fā)生兩次脈沖信號，脈沖寬度各不相同。“兩次噴射”的功能，也可在起動工況、急加速工況出現(xiàn)，以調(diào)節(jié)空燃比A/F的大小，改善使用性能。257、高壓縮比的實現(xiàn)汽油機(jī)高功率的輸出：一是，加大進(jìn)氣量；二是，提高壓縮比；三是，控制燃燒過程。傳統(tǒng)式的電控噴射系統(tǒng)，因燃油質(zhì)量的制約，壓縮比已難突破10：1的大關(guān)，還需要使用辛烷值97#的汽油。而直噴式汽油機(jī)卻能突破這個界限值，使壓縮比提高到1213：1。且對汽油的辛烷值無過高

11、要求。究其原因如下：（1）因吸入的空氣量大幅度增加，進(jìn)氣冷卻效果較好。因而，使對“爆燃”的抑制作用也加大。 （2）直接噴入氣缸內(nèi)的超稀薄混合氣燃料的汽化熱，可降低氣體溫度和增大空氣密度的目的，因而不易產(chǎn)生“爆燃”26（3）再因“缸內(nèi)直噴”本來就具有不易產(chǎn)生“爆燃”的特性。因在壓縮沖程后期噴油，燃油在燃燒室內(nèi)滯留時間極短，使大幅度的提高壓縮比成為可能，1213：1的高壓縮比成為現(xiàn)實。 注爆燃的產(chǎn)生，是燃油滯留在氣缸內(nèi)的時間較長，己燃部分對未燃部分的擠壓和輻射造成的，即未燃部分產(chǎn)生大量的極不穩(wěn)的“過氧化物”，不等火焰?zhèn)鞯?，自行不正常的急速燃燒。可見，直噴式的汽油機(jī)只能對點火早晚敏感，不存在“過氧化

12、物”這個問題。278、因為采用超稀薄混合氣分層燃燒，使有害的NOx生成量加大，故來采用“存儲式兩級三元催化器”凈化方式，使尾氣在催化器中有較長的滯留時間（2s），從而使尾氣中的Co、Hc、NOx成分轉(zhuǎn)化還原為CO2、H20、N2無害氣體，并加裝溫度傳感器監(jiān)控。 28再者，在中小負(fù)荷工況，使EGR系統(tǒng)投入工作，并采用較大的EGR率（傳統(tǒng)式電噴系統(tǒng)為5%15%，而GDI系統(tǒng)為20%），并采用專門的雙級存儲式的三元催化器TWC，進(jìn)行廢氣凈化處理。29廢氣量的控制：雙計量系統(tǒng)的EGR裝置的空氣流量計AFS和進(jìn)氣管壓力傳感器MAP，能精密的測出新鮮空氣的質(zhì)量值和壓力值，廢氣進(jìn)入進(jìn)氣管后，管內(nèi)壓力即升高，

13、比較后即得出廢氣量值。309、如果增裝廢氣渦輪增壓系統(tǒng)（如：奧迪A6L-2.0T-FSI乘用車），充氣效率將進(jìn)一步提高，空氣密度加大，氧含量提高，燃燒條件進(jìn)一步改善，動力性、經(jīng)濟(jì)性和凈化性將明顯提高。31大眾1.4LTFSI雙增壓系統(tǒng)：32四、典型車系供油系統(tǒng)介紹：奧迪-2.0-T-FSI乘用車，為廢氣渦輪增壓式缸內(nèi)噴射汽油機(jī)，其供油系統(tǒng)特點是：1、燃油壓力傳感器是壓敏電阻橋式電路，將軌道油壓的高低以電壓信號輸入ECU中，以便ECU使仃供電磁閥動作，使高壓油泵及時仃止供油。332、仃供電磁閥ECU發(fā)令使其推桿動作，高壓油泵的進(jìn)油片閥即常開，仃止供油。3、過壓閥為柱塞式溢流閥，當(dāng)軌道油壓高于規(guī)定值時，即泄油降壓，維持軌道油壓，起保護(hù)作用。344、高電壓噴油器采用65V高電壓控制噴油，為強(qiáng)勁高頻量化控制方式，頻率響應(yīng)性高。理論證明：電壓值提高，電流值可大幅度減小，熱負(fù)菏降低，噴油器可