缸内直喷发动机工作原理与检修

大众FSI发动机分层燃烧技术示意图
大众FSI发动机分层燃烧技术解析
由于活塞顶部设计了一个利于成涡流的凹 坑，汽油喷射入活塞坑以后，可以向上运 动到火花塞附近，在火花塞附近形成一个 较浓的区域，有利于点火。当中心区域点 燃以后，放出的热量要大大高于火花塞点 火能量，因此就很容易引燃周边汽油浓度 较小的区域实现稀薄燃烧 。
均质混合气模式工作过程
FSI发动机的燃油系统由低压系统和高压燃油系统 两部分构成。 在低压系统中，电动燃油泵把0.3-0.6MPa的燃油 经滤清器供应给高压泵，从高压燃油泵来的回油 直接进入燃油箱。低压系统中，发动机正常工作 时的工作压力为0.3MPa左右，起动时达到0.6MPa 左右的压力。FSI发动机一般是以单柱塞高压泵将 从低压系统中过来的低压燃油加压到10~15MPa， 然后送入共轨管，由共轨管再把燃油分配到各个 高压喷油器。共轨管设计的足够大，以至于可以 补偿在喷油时产生的轻微的压力波动。 为了能在较短的时间内喷出大量的燃油，FSI发动 机使用高达90V的直流电压来控制高压喷油器。
搞清几个概念：
（1）GDI（Gasoline （2）FSI（Fuel
Direct Injection ） 汽油直接喷射缸内直喷发动机 Stratified Injection ） 燃油分层喷射缸内直喷发动机
（3）TFSI（Turbo
Fuel Stratified Injection ） 带涡轮增压器的燃油分层喷射缸内直喷发动机
2、FSI发动机燃油供给系统基本组成
系统主要由低压电动燃油泵、燃油滤清器、 高压电动燃油泵、燃油计量阀、燃油轨、 燃油压力传感器、喷油器等组成。
FSI发动机燃油供给系统示意图
充气系统
FSI发动机采用的是类似柴油机工作方式将 高压汽油直接喷入气缸爆发燃烧以获得动 力。 相对于传统的汽油发动机而言，采用这种 工作方式后，由于汽油直接喷入每一个气 缸，结合稀薄燃烧技术，使汽油直喷发动 机在部分负荷范围内采用专门的充气模式 来工作成为了现实。
（2）多阶段喷射模式
多阶段喷射模式是指在进气行程中先喷入所需燃 料的1/4，形成极稀的均质混合气，其余燃料在压 缩行程后期再次喷入，形成分层混合气。 应用该技术可实现发动机从中小负荷到大负荷的 平稳过渡，降低气缸内的气体温度，抑制爆燃的 产生。
3、燃烧系统
GDI发动机燃烧系统按喷油器和火花塞的相对位置和混合 气的组织形式可以有3种类型：
（1）喷束引导法——燃油喷嘴靠近火花塞布置，火
花塞位于燃油喷束的边缘，这种方式的优点是保证当整个 燃烧室内为稀薄混合气时，火花塞周围仍能形成可供点火 的混合气浓度。 Ford、Honda等公司生产的某些机型。
（2）壁面引导法——燃油喷嘴远离火花塞布置，利
用特殊形状的活塞表面配合气流运动，将燃油蒸气导向火 花塞并在火花塞间隙形成合适浓度的混合气， MITSUBISHI、TOYOTA、NISSAN等公司开发的机型。
在三种运行模式中，燃料的喷射时间有所不同， 真空作用的开关阀进行开启/关闭来控制进气气流 的形态。
（1）分层充气模式
在分层充气模式下，过量空气系数为1.6~3的稀混 合气。 空气经过接近全开的节气门引入燃烧室。此时， 进气歧管阀将下部进气道完全关闭，这样吸入的 空气在上部进气道流动的速度就加快了，于是空 气会呈旋涡状流入气缸内。活塞上的凹坑会增强 这种涡旋流动效果，与此同时，节气门会进一步 打开，以便尽量减小节流损失。在压缩行程上止 点前约60°时，高压燃油以10-15MPa的压力喷入 到火花塞附近，混合气形成只发生在40°-50°曲 轴转角之间。
4、FSI发动机需要解决的问题
（1）NOX排放的控制。 （2）汽油中硫的处理。
FSI是目前大众主推的发动机技术
大众轿车FSI发动机
C6A6 Audi A6 L2.0T-直4-FSI发动机实物图
6、GDI发动机存在的问题
（1）中小负荷下未燃碳氢（UBHC）的排放较多 。 （2）空燃比不在当量比附近，目前成熟的三元催化技术 不能得到有效利用，因而NOx排放较高。GDI发动机较高的 压缩比和较快的反应放热率也会引起NOx升高。 采用了EGR技术解决这个问题。 （3）在低负荷、过渡工况和冷起动的情况下，GDI发动机 的微粒排放比进气道喷射发动机有明显增加。 （4）在理论要求的范围内控制分层混合气的组织和燃烧 较为困难。 （5）工况变化时（实现“早喷”和“迟喷”之间的平滑 过渡）所要求的喷射策略较为复杂，发动机负荷的“无级” 变化较难。 （6）气缸内的燃烧沉积物较多，使用高能点火，影响火 花塞寿命。 （7）喷嘴本身无自洁作用，容易结构污染。 （8）高压供油系统零部件的磨损较快、成本较高等。 （9）结构比较复杂，可靠性、耐久性有待进一步检验。 （10）维护保养不便。
（3）气流引导法——同样是燃油喷嘴远离火花塞，
利用缸内有组织的气流运动来达到上述目的。 FEV、AVL等公司开发的机型。
5、GDI发动机的优点
与传统式汽油机比较：
（1） （2 ） （3 ） （4） 燃油经济性更好。 最高动力相似。 扭力更好，特别在低转速时。 有害的气体更少。
3.4 缸内直喷发动机工作原理与检修
教学内容： 1、GDI发动机 2、FSI发动机 3、TFSI发动机 4、TSI发动机
汽油喷射的三种技术
（1）化油器式汽油机 （2）进气管喷射电控汽油机 （3）缸内直喷电控汽油机
两种燃油喷射方式汽油机
缸内燃油喷射发动机的优点：
（1）脉冲增压可以实现。 （2）可采用更大的气门叠开角。 （3）进气管内无燃料沉积。 （4）进气管造型不受制约。 （5）可以提高压缩比。 （6）可以实现混合气分层燃烧。 （7）可直接冷却燃烧室部件。
采用FSI技术，可实现空燃比等于30的稀混 合气模式，其节油效果最高可达20%。 因为在富氧环境中会产生大量的NOX，所以 稀薄燃烧技术的一个障碍是NOX的净化，为 了解决此问题，FSI 发动机配置了NOX存储 式催化净化反应器。
3、FSI发动机的优点
（1）燃油消耗率低。 （2）热效率高。 （3）废气再循环率高。 （4）压缩比高。 （5）优化超速切断效果。
Hale Waihona Puke Baidu
（4）TSI（Twincharger（Fuel）Stratified
Injection ） 带机械增压器和涡轮增压器的燃油分层喷射缸内直喷发动机
3.4.1 GDI发动机
1、GDI发动机燃油供给系统基本组成
系统主要由低压输油泵、燃油压力传感器、喷油 压力控制阀、高压油泵、蓄压燃油轨、喷油器等 组成。 广泛应用内开式旋流喷油器，只有一个喷孔，工 作油压为5.0-10MPa。
2、喷射模式
GDI分两步喷射的过程，第一步在进气冲程中喷 射汽油以降低气体温度，适应高压缩比；第二步 在压缩冲程后期喷射汽油，形成上面阐述过的层 状混合气形态。
单阶段喷射模式 多阶段喷射模式
（1）单阶段喷射模式
在中小负荷时，燃油在压缩行程后期喷入，实现 混合气分层稀燃并采用质调节以避免节流阀的节 流损失，从而使GDI汽油机达到与柴油机相当的经 济性。 在大负荷和全负荷时，燃油在进气行程中喷入气 缸，实现均质预混合燃烧，以保持汽油机升功率 高的特点。
均质稀混合气模式工作过程
（3）均质混合气模式
在均质混合气模式下，过量空气系数为1左右的理 论混合气。 节气门开度按照油门踏板的位置来控制，在发动 机负荷较大且转速较高时，进气阀就会完全打开， 于是吸入的空气就经过上、下进气道进入气缸。 燃油在进气冲程中喷射，燃油和空气就有更充足 的时间来混合，并且可以利用空气的流动旋转的 涡流来击碎燃油颗粒，使之混合更加充分，均质 混合气易于燃烧，可不必借助涡流作用。
三菱GDI发动机
燃油喷射状态
进气过程喷射
压缩过程喷射
涡流形成
3.4.2 FSI发动机
1、FSI发动机的分层燃烧技术
把燃油直接喷射到汽缸中去，以获得更好 的点火和燃烧条件。通过对燃烧室内部形 状的设计，让混合气能产生较强的涡流使 空气和汽油充分混合。然后使火花塞周围 区域能有较浓的混合气，其他周边区域有 较稀的混合气，保证在顺利点火的情况下 尽可能的实现稀薄燃烧。而这种在不同区 域拥有不同混合气浓度的燃烧技术叫做汽 油机分层燃烧技术。
分层充气模式工作过程
（2）均质稀混合气模式
在均质稀混合气模式下，过量空气系数为1.55左 右的稀混合气。 在这种工作模式下，和分层充气模式一样，节气 门开度大，进气歧管关闭。燃油在进气冲程（点 火上止点前300°左右时）喷射，产生加速稀薄混 合气燃烧的纵涡流，形成混合气的时间也就比较 长，有利于形成均匀的稀混合气。
FSI发动机的三种工作方式
分层充气模式 均质稀混合气模式 均质混合气模式
FSI发动机按照发动机负荷工况，可以自动选择工 作模式：
（1）在低负荷时为分层稀薄燃烧。 （2）在中间负荷状态时，采用均质稀混合气模式。 （3）在高负荷时则为均质理论空燃比（14.6-14.7）燃烧。
大众FSI发动机两次燃油喷射示意图
大众FSI发动机两次燃油喷射工作过程
系统在一个运转周期内使用了两次燃油喷射。 （1）第一次喷射是在吸气行程的时候喷入部分汽 油，让汽油跟空气能有充分的时间混合。 （2）第二次喷射，是在压缩终了时活塞接近上止 点的时候喷入部分汽油，让火花塞周围形成较浓 的区域，利于点火。 在整个压缩过程中，活塞顶部都在形成强烈的涡 流，这样空气跟汽油就能混合得更均匀，燃烧更 充分。