缸內(nèi)直噴技術(shù)燃油由噴嘴直接噴入缸內(nèi)的技術(shù)01工作原理關(guān)鍵部件技術(shù)優(yōu)勢(shì)問題及難點(diǎn)目錄030204基本信息缸內(nèi)直噴又稱FSI(FuelStratifiedInjection)，即燃料分層噴射技術(shù)，將燃油由噴嘴直接噴入缸內(nèi)。該技術(shù)可以進(jìn)一步提高汽油機(jī)熱效率與降低汽油機(jī)排放。這套由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)衍生而來的科技已經(jīng)大量使用工作原理工作原理FSI技術(shù)采用了兩種不同的燃燒模式,即均質(zhì)然燒模式和分層燃燒模式。均質(zhì)燃燒模式是指在進(jìn)氣行程后期向燃燒室內(nèi)噴入燃油，在進(jìn)氣行程與壓縮行程中完成與空氣的充分混合，并在點(diǎn)火時(shí)刻使缸內(nèi)形成較為均勻的混合氣，確保穩(wěn)定點(diǎn)火。分層燃燒模式是指在壓縮行程噴入燃油，隨著壓縮行程的進(jìn)行，燃油與空氣混合，直至點(diǎn)火時(shí)刻，從火花塞處至缸壁，燃油濃度由濃到稀，保證有效點(diǎn)火，火焰?zhèn)鞑ヒ舱?，從而提高燃油?jīng)濟(jì)性。直噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃油和空氣混合主要有三種方式,即噴射引導(dǎo)、壁面引導(dǎo)和氣流引導(dǎo),具體見圖中a、b、c所示。發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器設(shè)計(jì)在缸蓋頂部,火花塞設(shè)計(jì)在發(fā)動(dòng)機(jī)的側(cè)面,此種方式稱為噴射式引導(dǎo),在火花塞周圍易形成較濃的混合氣,這種布置方式比較適合于分層稀薄燃燒,具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。壁面引導(dǎo)方式是噴油器側(cè)置,火花塞頂置,通過活塞頂部的特殊形狀引導(dǎo)油束運(yùn)動(dòng)并與空氣混合,此種方式可以在火花塞周圍形成較大面積的可燃區(qū)域。氣流引導(dǎo)方式同樣采用噴油器側(cè)置、火花塞頂置的形式,利用進(jìn)氣時(shí)形成的滾流強(qiáng)化油氣混合。壁面引導(dǎo)方式和氣流引導(dǎo)方式結(jié)構(gòu)形式相似,多用于均質(zhì)燃燒模式,可以由傳統(tǒng)的PFI發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化而來,可以實(shí)現(xiàn)與PFI發(fā)動(dòng)機(jī)共用燃燒室及缸蓋毛坯,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的平臺(tái)化和模塊化。

圖示技術(shù)優(yōu)勢(shì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)與進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)相比有如下優(yōu)勢(shì)：1、大負(fù)荷或全負(fù)荷工況時(shí),缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣行程中將燃油噴入燃燒室,由于油束的移動(dòng)速度小于活塞的下行速度,使得油束周圍的壓力較低,燃油迅速擴(kuò)散蒸發(fā),進(jìn)而形成均質(zhì)燃燒混合氣。另外,燃油蒸發(fā)吸收熱量使缸內(nèi)溫度降低,增強(qiáng)了抗爆震性能。因此缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)可以用較高的壓縮比,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，一般可提高至11~14。另外由于缸內(nèi)溫度降低,提高了充量系數(shù),可發(fā)出較大的功率。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),在壓縮沖程時(shí)刻進(jìn)行燃油噴射,利用缸內(nèi)滾流的運(yùn)動(dòng)促進(jìn)油氣混合,最后在火花塞電極附近形成適宜點(diǎn)火的油氣,并且油氣濃度在整個(gè)燃燒室內(nèi)呈現(xiàn)梯度分布,可實(shí)現(xiàn)較大的空燃比,從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí),分層燃燒模式使燃燒發(fā)生在燃燒室的中心區(qū)域,燃燒被周邊的空氣隔絕,降低了熱量損失,進(jìn)一步降低了燃油消耗率。2、缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在中、小負(fù)荷工況時(shí)采用分層燃燒模式,燃油濃度梯度呈現(xiàn)梯度分布,即在缸壁附近分布的大部分是空氣,有效地防止了熱量傳遞給缸體水套,提高了燃燒的熱效率。3、進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)過程中,缸內(nèi)溫度低,油氣蒸發(fā)不完全,致使實(shí)際噴油量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了按理論空燃比計(jì)算得到的噴油量,而且在冷起動(dòng)時(shí)易出現(xiàn)失火或不完全燃燒現(xiàn)象,使HC排放增加。相反,缸內(nèi)直噴技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)可以精確的控制每個(gè)循環(huán)的空氣與燃油比例,結(jié)合分層燃燒直接起動(dòng)技術(shù),可以降低冷起動(dòng)時(shí)的HC排放,瞬態(tài)響應(yīng)好。關(guān)鍵部件氣缸蓋進(jìn)氣管高壓油泵噴油器活塞12345關(guān)鍵部件氣缸蓋氣缸蓋是GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件,尤其是缸蓋中燃燒室部分及氣道結(jié)構(gòu)對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)、混合氣形成、火焰?zhèn)鞑サ绕鹬陵P(guān)重要的作用。進(jìn)氣管對(duì)于采用分層燃燒模式的GDI發(fā)動(dòng)機(jī),為了增加進(jìn)氣充量及增強(qiáng)進(jìn)氣滾流,不但對(duì)進(jìn)氣管的管徑、管長、諧振腔的容積有特殊的要求,而且往往增加可變滾流和可變管長等結(jié)構(gòu)。這樣不但進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜,制造成本較高,而且性能開發(fā)和匹配標(biāo)定的難度也較大。而對(duì)于同時(shí)采用渦輪增壓的缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)來說,由于進(jìn)氣增壓的作用,在發(fā)動(dòng)機(jī)大部分工況下進(jìn)氣管內(nèi)均為正壓,一般可達(dá)0.2MPa左右,對(duì)進(jìn)氣管的強(qiáng)度要求高,同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)本體或整車需要另外增設(shè)真空泵滿足系統(tǒng)對(duì)真空度的需求。高壓油泵GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油壓力一般在10-15MPa左右,以保證燃油霧化質(zhì)量及合適的貫穿距離。高壓油泵一般由安裝在進(jìn)氣凸輪軸上的4山凸輪驅(qū)動(dòng),升程在2.5-4mm之間,升程對(duì)高壓油泵的選擇十分重要,直接影響著冷起動(dòng)時(shí)直噴系統(tǒng)的建壓時(shí)間,升程需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能需求、滾輪挺柱壽命、驅(qū)動(dòng)凸輪型線及制造工藝等因素綜合設(shè)計(jì),一般3.5mm左右的升程即可滿足使用需求。噴油器噴油器是直噴系統(tǒng)的核心部件,噴油器在燃燒室內(nèi)的布置方式、噴嘴結(jié)構(gòu)形式、油束的噴霧形狀都直接影響燃油的霧化、油氣混合及燃燒過程,最后影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。另外噴油器噴嘴置于燃燒室內(nèi),受燃油品質(zhì)量影響較大。如果燃油的油品質(zhì)不好,燃燒不充分,極易生成積碳并堵塞噴嘴,影響噴霧質(zhì)量及噴油器自身的壽命?；钊變?nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞頂面形狀對(duì)燃燒室內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)及混合氣的形成有很大的影響,因此缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)都將活塞作為關(guān)鍵部件進(jìn)行重點(diǎn)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。無論是壁面引導(dǎo)、氣流引導(dǎo)還是噴射引導(dǎo),都需要特殊的活塞頂面凹坑相適應(yīng),從而達(dá)到較為理想的油氣混合效果,形成油氣濃度的均質(zhì)分布或梯度分布,保證燃燒的順利進(jìn)行。問題及難點(diǎn)燃燒系統(tǒng)燃油系統(tǒng)排放及后處理系統(tǒng)電控系統(tǒng)及標(biāo)定增壓系統(tǒng)不規(guī)則燃燒現(xiàn)象010302040506問題及難點(diǎn)燃燒系統(tǒng)燃燒系統(tǒng)的開發(fā)是GDI發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的核心部分,如何提高容積效率,增強(qiáng)系統(tǒng)的抗暴性,并能夠?qū)崿F(xiàn)高效的、快速的燃燒,同時(shí)兼顧在分層燃燒模式和均質(zhì)燃燒模式下的燃燒穩(wěn)定性,對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室形狀、噴霧形態(tài)及氣流組織等方面提出了更高的要求。燃油系統(tǒng)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射壓力在10-15MPa左右,最大可達(dá)20MPa,遠(yuǎn)高于PFI發(fā)動(dòng)機(jī)0.3-0.4MPa的燃油噴射壓力,對(duì)高壓油軌的材料和可靠性要求較高。另外噴油器直接深入燃燒室內(nèi),工作溫度在500-1100℃,而噴嘴的孔隙為微米級(jí),汽油中硫燃燒形成的硫酸鹽類化合物及芳香烴燃燒不完全形成的黑色碳煙易堵塞噴嘴,影響霧化效果,加大噴油噪聲。同時(shí)燃油系統(tǒng)壓力高,各部件的磨損增加,導(dǎo)致潤滑效果下降。排放及后處理系統(tǒng)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)采用分層燃燒模式時(shí),由于在壓縮行程后期噴入燃油,燃油和空氣沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行混合,使得燃油蒸發(fā)慢,同時(shí)形成的可燃混合氣在燃燒室內(nèi)分布很不均勻,存在部分區(qū)域的油氣濃度偏大,進(jìn)而在這些區(qū)域產(chǎn)生的NOx增加。另外,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分運(yùn)行工況都處于部分負(fù)荷,燃燒經(jīng)常在過量空氣系數(shù)較大的條件下進(jìn)行,導(dǎo)致排氣中含氧量較多且排氣溫度較低,在中、小負(fù)荷時(shí)HC、顆粒排放物增加,三元催化器達(dá)不到最佳的轉(zhuǎn)化溫度,對(duì)氮氧化物的轉(zhuǎn)化效率低,難以滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)。電控系統(tǒng)及標(biāo)定GDI發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)電控系統(tǒng)要求高,為了達(dá)到均質(zhì)燃燒或分層稀薄燃燒所要求的噴霧質(zhì)量、靈活的噴油定時(shí)和點(diǎn)火正時(shí),實(shí)現(xiàn)不同燃燒模式下轉(zhuǎn)矩的平順過度,需采用精度高、響應(yīng)快的柔性控制策略,開發(fā)和標(biāo)定難度大,標(biāo)定周期長,一般需要8-10個(gè)月。增壓系統(tǒng)對(duì)于匹配有渦輪增壓器的GDI發(fā)動(dòng)機(jī),進(jìn)氣經(jīng)廢氣渦輪強(qiáng)制性增壓后,壓縮過程和燃燒時(shí),燃燒室的溫度和壓力都會(huì)大幅增加,爆燃傾向增大,而降低壓縮比又會(huì)造成燃燒不充分,性能指標(biāo)下降;另外由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高,空氣流量變化較大,易造成渦輪增