1、3.4 3.4 缸內直噴發動機工作原理與檢修缸內直噴發動機工作原理與檢修 教學內容：教學內容：l1 1、GDIGDI發動機發動機l2 2、FSIFSI發動機發動機l3 3、TFSITFSI發動機發動機l4 4、TSITSI發動機發動機汽油噴射的三種技術汽油噴射的三種技術l （1）化油器式汽油機l （2）進氣管噴射電控汽油機l （3）缸內直噴電控汽油機兩種燃油噴射方式汽油機兩種燃油噴射方式汽油機 缸內燃油噴射發動機的優點：缸內燃油噴射發動機的優點：l （1）脈沖增壓可以實現。l （2）可采用更大的氣門疊開角。l （3）進氣管內無燃料沉積。l （4）進氣管造型不受制約。l （5）可以提高壓縮比。l

2、 （6）可以實現混合氣分層燃燒。l （7）可直接冷卻燃燒室部件。搞清幾個概念：搞清幾個概念：l（1 1）GDIGDI（Gasoline Direct Injection ）l 汽油直接噴射汽油直接噴射缸內直噴發動機 l（2 2）FSIFSI（Fuel Stratified Injection ）l 燃油分層噴射燃油分層噴射缸內直噴發動機 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直噴發動機 l（4 4）TSITSI（Twincharger（Fuel）Stratified Injec

3、tion ）l 帶機械增壓器和渦輪增壓器的燃油分層噴射帶機械增壓器和渦輪增壓器的燃油分層噴射缸內直噴發動機3.4.1 GDI3.4.1 GDI發動機發動機 1 1、GDIGDI發動機燃油供給系統基本組成發動機燃油供給系統基本組成l 系統主要由低壓輸油泵、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 廣泛應用內開式旋流噴油器，只有一個噴孔，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，第一步在進氣沖程中噴射汽油以降低氣體溫度，適應高壓縮比；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。 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 在中小負荷時，燃油在壓縮行程后期噴入，實現混合氣分層稀燃并采用質調節以避免節流閥的節流損失，從而使GDI汽油機達到與柴油機相當的經濟性。l 在大負荷和全負荷時，燃油在進氣行程中噴入氣缸，實現均質預混合燃燒，以保持汽油機升功率高的特點。 （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氣行程中先噴入所需燃料的1/4，形成極稀的均質混合氣，其余燃料在壓縮行程后期再次噴入，形成分層混合氣。l 應用該技術可實現發動機從中小負荷到大負荷的平穩過渡，降低氣缸內的氣體溫度，抑制爆燃的產生。 3 3、燃燒系統、燃燒系統l GDI發動機燃燒系統按噴

5、油器和火花塞的相對位置和混合氣的組織形式可以有3種類型：l（1 1）噴束引導法）噴束引導法燃油噴嘴靠近火花塞布置，火花塞位于燃油噴束的邊緣，這種方式的優點是保證當整個燃燒室內為稀薄混合氣時，火花塞周圍仍能形成可供點火的混合氣濃度。l Ford、Honda等公司生產的某些機型。l（2 2）壁面引導法）壁面引導法燃油噴嘴遠離火花塞布置，利用特殊形狀的活塞表面配合氣流運動，將燃油蒸氣導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等公司開發的機型。l（3 3）氣流引導法）氣流引導法同樣是燃油噴嘴遠離火花塞，利用缸內有組織的氣流運動來達到上述目的。l

6、FEV、AVL等公司開發的機型。5 5、GDIGDI發動機的優點發動機的優點 與傳統式汽油機比較：與傳統式汽油機比較：l（1） 燃油經濟性更好。l（2） 最高動力相似。l（3） 扭力更好，特別在低轉速時。l（4） 有害的氣體更少。 6、GDIGDI發動機存在的問題發動機存在的問題l （1）中小負荷下未燃碳氫（UBHC）的排放較多 。l （2）空燃比不在當量比附近，目前成熟的三元催化技術不能得到有效利用，因而NOx排放較高。GDI發動機較高的壓縮比和較快的反應放熱率也會引起NOx升高。l 采用了采用了EGREGR技術解決這個問題。技術解決這個問題。 l （3）在低負荷、過渡工況和冷起動的情況下，

7、GDI發動機的微粒排放比進氣道噴射發動機有明顯增加。l （4）在理論要求的范圍內控制分層混合氣的組織和燃燒較為困難。l （5）工況變化時（實現“早噴”和“遲噴”之間的平滑過渡）所要求的噴射策略較為復雜，發動機負荷的“無級”變化較難。l （6）氣缸內的燃燒沉積物較多，使用高能點火，影響火花塞壽命。l （7）噴嘴本身無自潔作用，容易結構污染。l （8）高壓供油系統零部件的磨損較快、成本較高等。l （9）結構比較復雜，可靠性、耐久性有待進一步檢驗。l （10）維護保養不便。三菱三菱GDIGDI發動機發動機 燃油噴射狀態燃油噴射狀態進氣過程噴射進氣過程噴射 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發動機發動機 1 1、FSIFSI發動機的分層燃燒技術發動機的分層燃燒技術l把燃油直接噴射到汽缸中去，以獲得更好的點火和燃燒條件。通過對燃燒室內部形狀的設計，讓混合氣能產生較強的渦流使空氣和汽油充分混合。然后使火花塞周圍區域能有較濃的混合氣，其他周邊區域有較稀的混合氣，保證在順利點火的情況下盡可能的實現稀薄燃燒。而這種在不同區域擁有不同混合氣濃度的燃燒技術叫做汽油機分層燃燒技術。 大眾大眾FSIFSI發動機分層燃燒技術示意圖發動機分層燃燒技術示意圖 大眾大眾FSIFSI發動機分層燃燒技術解析發動機分層燃燒技術解析l由于活塞頂部設計了一個利于成渦流的凹坑，汽油噴

9、射入活塞坑以后，可以向上運動到火花塞附近，在火花塞附近形成一個較濃的區域，有利于點火。當中心區域點燃以后，放出的熱量要大大高于火花塞點火能量，因此就很容易引燃周邊汽油濃度較小的區域實現稀薄燃燒 。大眾大眾FSIFSI發動機兩次燃油噴射示意圖發動機兩次燃油噴射示意圖 大眾大眾FSIFSI發動機兩次燃油噴射工作過程發動機兩次燃油噴射工作過程l 系統在一個運轉周期內使用了兩次燃油噴射。l （1）第一次噴射是在吸氣行程的時候噴入部分汽油，讓汽油跟空氣能有充分的時間混合。l （2）第二次噴射，是在壓縮終了時活塞接近上止點的時候噴入部分汽油，讓火花塞周圍形成較濃的區域，利于點火。l 在整個壓縮過程中，活塞

10、頂部都在形成強烈的渦流，這樣空氣跟汽油就能混合得更均勻，燃燒更充分。2 2、FSIFSI發動機燃油供給系統基本組成發動機燃油供給系統基本組成l系統主要由低壓電動燃油泵、燃油濾清器、高壓電動燃油泵、燃油計量閥、燃油軌、燃油壓力傳感器、噴油器等組成。FSIFSI發動機燃油供給系統示意圖發動機燃油供給系統示意圖 充氣系統充氣系統lFSI發動機采用的是類似柴油機工作方式將高壓汽油直接噴入氣缸爆發燃燒以獲得動力。l相對于傳統的汽油發動機而言，采用這種工作方式后，由于汽油直接噴入每一個氣缸，結合稀薄燃燒技術，使汽油直噴發動機在部分負荷范圍內采用專門的充氣模式來工作成為了現實。FSIFSI發動機的三種工作方

11、式發動機的三種工作方式 l FSI發動機按照發動機負荷工況，可以自動選擇工作模式：l （1）在低負荷時為分層稀薄燃燒。l （2）在中間負荷狀態時，采用均質稀混合氣模式。l （3）在高負荷時則為均質理論空燃比（14.6-14.7）燃燒。l 在三種運行模式中，燃料的噴射時間有所不同，在三種運行模式中，燃料的噴射時間有所不同，真空作用的開關閥進行開啟真空作用的開關閥進行開啟/ /關閉來控制進氣氣流關閉來控制進氣氣流的形態。的形態。均質混合氣模式均質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，過量空氣系數為1.63的稀混合氣。l 空氣經過接近全開的節氣門引入燃燒室

12、。此時，進氣歧管閥將下部進氣道完全關閉，這樣吸入的空氣在上部進氣道流動的速度就加快了，于是空氣會呈旋渦狀流入氣缸內。活塞上的凹坑會增強這種渦旋流動效果，與此同時，節氣門會進一步打開，以便盡量減小節流損失。在壓縮行程上止點前約60時，高壓燃油以10-15MPa的壓力噴入到火花塞附近，混合氣形成只發生在40-50曲軸轉角之間。 分層充氣模式工作過程分層充氣模式工作過程 （2 2）均質稀混合氣模式）均質稀混合氣模式l 在均質稀混合氣模式下，過量空氣系數為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，節氣門開度大，進氣歧管關閉。燃油在進氣沖程（點火上止點前300左右時）噴射，產生加

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

14、壓系統和高壓燃油系統兩部分構成。l 在低壓系統中，電動燃油泵把0.3-0.6MPa的燃油經濾清器供應給高壓泵，從高壓燃油泵來的回油直接進入燃油箱。低壓系統中，發動機正常工作時的工作壓力為0.3MPa左右，起動時達到0.6MPa左右的壓力。FSI發動機一般是以單柱塞高壓泵將從低壓系統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高壓噴油器。共軌管設計的足夠大，以至于可以補償在噴油時產生的輕微的壓力波動。l 為了能在較短的時間內噴出大量的燃油，FSI發動機使用高達90V的直流電壓來控制高壓噴油器。 l采用FSI技術，可實現空燃比等于30的稀混合氣模式，其節油效果最高可達20%。l因為在富氧環境中會產生大量的NOX，所以稀薄燃燒技術的一個障礙是NOX的凈化，為了解決此問題，FSI 發動機配置了NOX存儲式催化凈化反應器。3 3、FSIFSI發動機的優點發動機的優