第4課缸內(nèi)直噴技術

車輛電子控制技術講授內(nèi)容：第四章發(fā)動機輔助控制（第4課）《車輛電子控制技術》課件06二月2023206二月2023本章內(nèi)容安排第四章發(fā)動機輔助控制第1課發(fā)動機怠速控制第2課發(fā)動機排放控制第3課發(fā)動機進氣控制第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術本章主要內(nèi)容：分析怠速（ISC），污染控制，廢氣再循環(huán)（ExhaustGasRecirculation，EGR），活性碳罐蒸發(fā)，進氣增壓，稀薄燃燒、GDI、ACIS和故障自診斷等控制系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)與過程分析，以及安全保險功能和后備系統(tǒng)等功能子系統(tǒng)的基本和控制方法。306二月2023一、GDI發(fā)動機的發(fā)展與形成二、GDI發(fā)動機的工作原理三、GDI發(fā)動機的工作模式四、GDI發(fā)動機的電子控制系統(tǒng)本節(jié)課的主要內(nèi)容第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制406二月20231.何謂GDI發(fā)動機？是指將噴油嘴設置氣缸蓋上，直接將高壓燃油噴入氣缸內(nèi)與進氣混合燃燒的技術。GDI——缸內(nèi)直噴發(fā)動機（GasolineDirectInjection）FSI——燃油分層噴射發(fā)動機（FuelStratifiedInjection）HCCI——均質(zhì)混合氣壓燃（HomogeneousChargeCompressionIgnition）HPI——高壓直噴式汽油機（HighPressureInjection）SIDI——雙模缸內(nèi)直噴發(fā)動機一、GDI發(fā)動機的發(fā)展與形成第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制506二月20232.何謂稀薄燃燒？為保證各缸不失火，混合氣不能太稀，其空燃比的稀限為17：1將空燃比大于17的燃燒視為稀薄燃燒。經(jīng)濟空燃比=16：1一、GDI發(fā)動機的發(fā)展與形成第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制606二月20233.稀薄燃燒的優(yōu)點熱效率隨空燃比增加而增加，與一般當量空燃比的發(fā)動機相比，熱效率能提高8%以上。特別是由于稀薄燃燒時的燃燒溫度較低、完全燃燒程度高、泵流損失小且不易產(chǎn)生爆震，從而還可進一步提高發(fā)動機的熱效率；由于稀薄燃燒使燃燒過程保持足夠的氧氣，因此可有效降低排放中CO和HC，同時由于燃燒溫度的降低，可以有效抑制NOx產(chǎn)生所需的高溫條件；有利于改善發(fā)動機部分負荷特性。在稀燃發(fā)動機上，當負荷變化時，由于可采用變質(zhì)調(diào)節(jié)，則可有效的降低泵吸損失，從而有利于改進部分負荷時的熱效率。一、GDI發(fā)動機的發(fā)展與形成第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制706二月20234.實現(xiàn)稀燃的關鍵技術：提高壓縮比:采用緊湊型燃燒室，通過進氣口位置改進使缸內(nèi)形成較強的空氣運動旋流，提高氣流速度；將火花塞置于燃燒室中央，縮短點火距離；提高壓縮比至13:1左右，促使燃燒速度加快。分層燃燒:采用由濃至稀的分層燃燒方式。通過缸內(nèi)空氣的運動在火花塞周圍形成易于點火的濃混合氣，混合比達到12：1左右，外層逐漸稀薄。濃混合氣點燃后，燃燒迅速波及外層，以此實現(xiàn)分層燃燒。高能點火：高能點火和寬間隙的火花塞有利于火核的形成，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短，燃燒速度增快，稀燃極限大。稀燃發(fā)動機可采用雙火花塞或者多極火花塞裝置來達到上述目的。一、GDI發(fā)動機的發(fā)展與形成第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制806二月20235.

缸內(nèi)直噴發(fā)動機的優(yōu)點（1）節(jié)省燃油：油耗水平可下降3%以上，增加功率2％～3％。（2）減少廢氣排放（3）提升動力性能：同排量下，最大功率可提高15%。（4）減少發(fā)動機震動（5）噴油的準確度提升（6）發(fā)動機更耐用（7）各缸工作不均勻性改善（8）良好的瞬態(tài)響應（9）系統(tǒng)優(yōu)化潛力大一、GDI發(fā)動機的發(fā)展與形成第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制906二月20231.氣缸內(nèi)渦流的運動在進氣過程中，通過直立式進氣管，在氣缸吸力的作用下，產(chǎn)生強大的下降氣流，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)汽油機更強大的滾動渦流。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，然后及時點火燃燒。二、GDI發(fā)動機的工作原理第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制1006二月20232.高壓旋轉(zhuǎn)油霧的產(chǎn)生高壓旋流噴油器，在壓縮行程的后期（此時氣缸內(nèi)壓力為0.6MPa～1.5MPa），以5MPa～5.5MPa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，氣缸內(nèi)的燃氣呈“稀包濃”狀態(tài)（O2分子包圍HC分子），形成了一個絕熱層，提高了熱效率，使功率提高，油耗降低。二、GDI發(fā)動機的工作原理第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制1106二月20233.高速強燃燒渦流的產(chǎn)生“稀包濃”的強燃燒渦流，因未燃物和已燃物溫度、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、密度大和離心力大，向外移動；已燃物溫度高、密度小和離心力小，向內(nèi)移動），并從內(nèi)向外穩(wěn)定地、徹底地分層燃燒。“稀包濃”狀態(tài)的燃氣渦流，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渦流及渦流分層高效率燃燒的結(jié)果，即進氣渦流、壓縮渦流、燃燒渦流的綜合效果。二、GDI發(fā)動機的工作原理第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制1206二月20234.中、小負荷工況時的噴油特點。轎車在市內(nèi)行駛占有的時間為75％~85％，多在中、小負荷工況下工作，應在壓縮行程后期噴油，以經(jīng)濟超稀薄混合氣成分為主，為分層燃燒的混合氣。二、GDI發(fā)動機的工作原理第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制豐田D-4發(fā)動機混合氣控制策略1306二月20235.大負荷工況時的噴油特點加濃可燃混合氣，采用兩次噴油方式。第1次是在進氣行程，噴入適量燃油，形成均質(zhì)燃燒混合氣，此為補救功能。此時，還可利用燃油的汽化熱，來降低進氣溫度，提高充氣效率。第2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?？捎迷谄饎庸r、急加速工況二、GDI發(fā)動機的工作原理第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制兩次噴油方式空燃比變化特性1406二月2023二、GDI發(fā)動機的工作原理第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制豐田D-4發(fā)動機混合氣控制策略大眾FSI發(fā)動機的控制策略1506二月20233模式：分層充氣、均質(zhì)稀混合氣、均質(zhì)混合氣1.分層充氣模式①進氣過程在分層充氣模式時，節(jié)氣門打開，以減少節(jié)流損失。進氣歧管翻轉(zhuǎn)閥工作，封住各進氣歧管的下進氣道，使空氣運動加速。此時氣缸處于進氣沖程，吸入的空氣呈旋轉(zhuǎn)狀進入氣缸內(nèi)。三、GDI發(fā)動機的工作模式第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制1606二月2023②噴油過程當活塞處于壓縮沖程，約上止點前60°CA（曲軸轉(zhuǎn)角）時，噴油器開始噴油，于約上止前45°CA結(jié)束噴油，噴油器噴射的燃油被噴射到活塞的凹坑內(nèi)。噴油時刻的早晚對混合氣的形成有很大的影響。三、GDI發(fā)動機的工作模式第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制

1706二月2023③混合氣形成發(fā)生在壓縮上止點40°-50°CA之間。如果曲軸轉(zhuǎn)角小于這個范圍，反之，如果曲軸轉(zhuǎn)角大于這個范圍，則混合氣就變成均質(zhì)混合氣了。此時的過量空氣系數(shù)約為λ=1.6-3。三、GDI發(fā)動機的工作模式第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制

1806二月2023④點燃作功過程當混合氣形成分層時，即使火花塞處混合氣較濃，遠離火花塞處混合氣較稀，火花塞點火，使混合好的氣霧點燃作功?；旌虾玫臍忪F周圍的氣體起到隔離作用，是缸壁熱損耗小，發(fā)動機熱效率提高。三、GDI發(fā)動機的工作模式第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制

1906二月20232.均質(zhì)稀混合氣模式進氣過程：均質(zhì)稀混合氣模式的進氣過程于分層充氣模式相似，此時，節(jié)氣門大開，進氣歧管翻轉(zhuǎn)關閉各進氣歧管的下進氣道，使空氣加速運動，并呈旋轉(zhuǎn)狀進入氣缸。噴油過程：均質(zhì)稀混合氣模式的噴油始點是在進氣行程進行，即在點火上止點前300°CA時噴入汽油，且控制過量空氣系數(shù)為λ=1.55左右。三、GDI發(fā)動機的工作模式第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制

2006二月20232.均質(zhì)稀混合氣模式

③混合氣形成：均質(zhì)稀混合氣模式的混合氣形成有足夠的時間，混合均勻，形成較稀的均質(zhì)混合氣。

④點燃作功過程：對于均質(zhì)稀混合氣模式，點火時刻有較大的范圍優(yōu)化控制，可自由選擇。燃燒發(fā)生在整個燃燒室內(nèi)。三、GDI發(fā)動機的工作模式第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制2106二月20233.均質(zhì)混合氣模式①進氣過程：在均質(zhì)混合氣模式，節(jié)氣門的開度是按油門踏板位置傳感器的信號來控制的。進氣歧管翻轉(zhuǎn)閥是根據(jù)發(fā)動機的負載和轉(zhuǎn)速來控制的，可打開、關閉，部分關閉進氣歧管的下進氣道。②噴油過程：均質(zhì)混合氣模式的噴油時刻與均質(zhì)稀混合氣模式相同，即在點火上止點前300°CA時噴入燃油，但此模式的過量空氣系數(shù)為λ=1。三、GDI發(fā)動機的工作模式第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制2206二月20233.均質(zhì)混合氣模式③混合氣形成：均質(zhì)混合氣模式的混合氣形成時間也較長，使混合氣能充分混合，形成均質(zhì)混合氣。④點燃作功過程：對于均質(zhì)混合氣模式，點火時刻也有較大的范圍，根據(jù)發(fā)動機的負荷、轉(zhuǎn)速、以及其他傳感器信號來進行精確控制三、GDI發(fā)動機的工作模式第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制2306二月2023四、GDI發(fā)動機的電子控制系統(tǒng)第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制2406二月2023GDI發(fā)動機的主要傳感器有：（1）空氣流量計（2）進氣溫度傳感器（3）進氣歧管壓力溫度傳感器（4）節(jié)氣門位置傳感器（5）發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器（6）霍爾傳感器（上止點位置傳感器）（7）加速踏板位置傳感器（8）低壓燃油傳感器（9）高壓燃油傳感器（10）爆震傳感器四、GDI發(fā)動機的電子控制系統(tǒng)第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制（11）冷卻液溫度傳感器（12）進氣歧管翻板電位計（13）散熱器出口處的冷卻液溫度傳感器（14）EGR閥位置傳感器（15）連續(xù)變化式氧傳感器（16）躍變式氧傳感器（17）廢氣溫度傳感器（18）NOX傳感器（19）海拔高度傳感器2506二月2023GDI發(fā)動機的主要執(zhí)行器有：（1）高壓噴油器（2）點火線圈（3）進氣歧管翻板電磁閥（4）活性炭缸電磁閥（5）增壓壓力限制電磁閥（6）渦輪增壓器空氣再循環(huán)電磁閥（7）節(jié)氣門控制單元與節(jié)氣門電機（8）燃油壓力調(diào)節(jié)器（9）電動燃油泵（10）凸輪軸正時電磁閥（11）主繼電器四、GDI發(fā)動機的電子控制系統(tǒng)第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制2606二月2023四、GDI發(fā)動機的電子控制系統(tǒng)第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制2706二月2023四、GDI發(fā)動機的電子控制系統(tǒng)第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制燃油壓力傳感器寬帶氧傳感器NOX傳感器2806二月2023四、GDI發(fā)動機的電子控制系統(tǒng)第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制NOX傳感器功能：NOX傳感器安裝在NOX存儲式催化轉(zhuǎn)化器的后部，以監(jiān)測其NOX的存儲量。NOX傳感器采用電池電動勢原理進行檢測NOX的濃度。在第一個泵單元，氧成分被調(diào)成恒定（14.7kg空氣：1kg燃油），λ值通過泵電流來量取的。廢氣流經(jīng)擴散網(wǎng)到達O2測量單元，該單元通過還原電極將氮氧化物分解成氧氣和氮氣。通過氧-泵電流就可確定NOX的濃度。2906二月2023四、GDI發(fā)動機的電子控制系統(tǒng)第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制NOX傳感器（1）存儲過程當發(fā)動機在λ＞１稀薄燃燒工作時，廢氣中的NOX被NOX存儲催化轉(zhuǎn)化器表面上白色涂層發(fā)生氧化反應，生產(chǎn)NO2。NO2再與氧化鋇（BaO）發(fā)生化學反應，生成硝酸鹽（Ba(NO3)2），并存儲在催化轉(zhuǎn)化器中。存儲過程一般花60~90s。3006二月2023四、GDI發(fā)動機的電子控制系統(tǒng)第4課汽油機缸內(nèi)直噴技術第四章發(fā)動機輔助控制NOX傳感器（2）還原過程①NOX的還原當存儲式催化轉(zhuǎn)化器中的NOX負載量已達到極限時，發(fā)動機控制系統(tǒng)使發(fā)動機短時間處均質(zhì)且λ<1模式工作?；旌蠚庾儩猓欧诺膹U氣溫度升高，存儲式催化轉(zhuǎn)化器的溫度也就升高，此時所形成的硝酸鹽變得不穩(wěn)定，利用廢氣中的CO與Ba（NO3）2發(fā)生還原反應，使硝酸鹽分解，生成BaO（氧化鋇），并釋放出CO2和NOX。再還原催化轉(zhuǎn)化器中的白金和銠，將NOX轉(zhuǎn)化成N2，CO轉(zhuǎn)化為CO2。還原過程一般為2s。當NOX傳感器監(jiān)測到NOX的負載量已達到微小量時，發(fā)動機又進行λ>1稀薄燃燒模式。3106二月2023四、GDI發(fā)動機的電子控制系統(tǒng)第4