汽油直喷发动机机构及控制原理

丰田雷克萨斯LS460 4．6L V8发动机采用直 接燃油喷射和进气口燃油喷射两个系统。 进气口燃油喷射在汽车冷起动和节气门开启 角度较小时调节混合气浓度，并消除由于使 用多级气流通道和怠速碟阀引起的限制，实 际上就是在进气口位置通过单独的空滤器进 行气流分流，即采用了两个空滤器。

奔驰的CGI系统 CGI ( Stratified- Charged Gasoline Injection) 系统是指多阶段燃油喷射系统。它突破现行 燃油喷射技术在发动机转速上的限制, 成功地 拉高发动机转速的区域, 在时速超过120公里 时, 仍可精密控制油气混合比, 以进行最具省 油效益的稀薄燃烧, 让燃油效率更为精进。

GDI—(Gasoline Direct Injection) 缸内汽油直喷发动机的概念最早由日本三菱 汽车公司提出 被越来越多的厂商采用。

系统主要可以分 为 1）发动机控制模块 （ECM）、 2）高压油轨、 3）高压油泵 4）喷油嘴

ECM主要采集发动 机数据，按照预定程 序控制喷油时机和喷 油量，从而实现最高燃烧效率； 高压油泵则主要负责燃油的加压，高压油轨 主要起均衡各喷油嘴喷射压力的作用 而最终的喷油任务则由喷油嘴来执行。 此外，还有多个传感器提供燃油压力等信息， 确保整个系统的高效率。

根据原厂测试,CG I发动机在高速公路上以 定速巡航时, 油耗比现行运用缸内直喷技术 的V6 引擎, 每百公里节省约1. 5升的燃油, 省油效益达到15% 。为达到缸内直喷的燃 油效果, 高压泵产生的油压高达200bar, 这 时发动机处于高压与高温状态, 发动机启动 10秒后即达到700° 的高温。

1)按汽油喷射的部位分： （1）多点式 （2）单点式

2)按喷射的时间分： ①连续喷射方式——只要系统油压高于喷射压力，喷 嘴即可连续喷油。 ②定时喷油方式——由微机根据发动机的各种工况决 定喷油时间的断续性。 3)按控制基本油量的方法分：①压力感应式——由进气 管内的真空度来控制基本喷油量。②流量感应式—— 由流经进气管的空气量来决定基本喷油量。每次喷油 的时间一般为2一l 2ms(多点式)和3—4ms(单点式）

高压喷油嘴结构示意图：①高分子密封圈；② 喷嘴针阀；③衔铁；④电磁线圈；⑤细滤器 Gdi大都采用直进气道

缸内直喷汽油机稀薄燃烧技术分为均质稀燃 和分层稀燃两种燃烧阶段（模式）。 中小负荷时。在压缩行程后期开始喷油，通 过与燃烧系统的合理配合。在火花塞附近形 成较浓的可燃混合气。在远离火花塞的区域 ，形成稀薄分层混合气；大负荷及全负荷时 ，在早期进气行程中将燃油喷入气缸。使燃 油有足够时间与空气混合，形成完全的均质 化计量比进行燃烧。

气流引导：使喷油器远离火花塞。完全应用 气缸内的气流运动使油束靠近火花塞。在火 花塞周围形成浓混合气。 该引导模式主要依靠进气流中的滚流和涡流 形成混合气。

缸内汽油直喷发动机一般简称FSI发动机， FSI(Fuel Stratified Injection)字面意思为燃油 分层喷射，使汽油直喷式发动机的一项创新 技术。将燃油直接喷入气缸的FSI发动机相比 燃油喷射到进气管的发动机， 优点：动力性显著提高 降低燃油消耗15％左右。

喷油器各项特性参数影响：汽油汽化，贯穿 距离，油滴粒度等。进而影响燃烧系统的稳 定性。喷油器的特性参数包括喷油器型式、 喷油压力、喷油正时和喷油入射角等。 目前，用于GDI发动机的喷油器种类很多，包 括旋流喷油器，多空喷油器，多级喷油器等 等。

缸内直喷模式所需的喷油压力在5—13MPa之 间， 一般当喷油压力越高，油束速度越大，贯穿 距离越大，扰动越大，雾化质量越好。 贯穿距离变大时。燃油碰撞活塞的概率就会 增加。如果油束本身的动量小于油束反弹所 需动量，就会产生壁面油膜不利于燃烧。

TSI发动机和FSI发动机都属于缸内汽油直喷发 动机，其工作原理相同，只是在结构上TSI发 动机增加了一个涡轮增压器，如图1-15所示。 由于采用了增压技术，因此说TSI发动机比FSI 发动机更先进，属于大功率、低转速、大转 矩发动机。同时，该类发动机也需要更完善 的冷却系统和更精密的进气控制，对制造工 艺要求很高。


也有采用分段喷油技术分层混合气，即在进 气早期开始喷油，使燃油在气缸中均匀分布 ，在进气后期再次喷油，最终在火花塞附近 形成较浓的可燃混合气，这种将一个循环中 的喷油量分两次喷人气缸可以很好的实现混 合气的分层。

缸内直喷技术燃烧系统可依据不同的混合气 形成过程，分为三种不同的模式：
油束引导：将喷油器和火花塞安置在很近的 距离内，喷油器喷出油束后自然形成分层明 显的混合气。 无论是均质燃烧还是分层燃烧，混合气的形 成与进气过程和活塞表面设计的关联不大。 由于火花塞位于喷油束边缘，在整个燃烧室 内充满稀薄混合气后，在火花塞周围仍可形 成可供点燃的浓混合气，保证了混合气的点 燃稳定性。
目前应用于的主要车型有: 奔驰CLS350CG I、奔驰C200CGI、C350 CGI Blue Efficiency、 奔驰CLKDTM、E350CG I等。





奔驰不再利用进气流作为混合气分层填充的动力，而是通过喷嘴来实现这一效果。CGI上 使用的高压压电喷嘴，是整个系统的精髓，压电阀喷嘴末端的喷孔，是一个几微米宽锥状 环形喷孔，这种结构可以塑造一个稳定的、非常理想的从浓到稀的喷雾效果。在喷射时， 还可以吸收周边紊乱的空气颗粒，进入燃油喷射的层与层之间，形成一个理想的点火前状 态。 这个喷雾效果，是建立在一个高压供给系统上的，CGI发动机还包括高压泵以及后面的燃 油导轨，以及其中的油压调节阀，它们为系统提供稳定的燃油。在燃油导轨中，峰值油压 可以达到200kg，大约是普通电喷汽油发动机的70倍，也比一些其他直喷发动机高得多， 这样做的目的就是为了分层喷射时，有理想的喷雾效果，在高转速下有足够量的汽油供给。 而且由于在喷射瞬间，导轨内的压力不可避免会出现瞬间下降，高压也会让这种瞬间压力 变化减小，喷射也就更加精确无误。 由于多次喷射控制只可能出现在低负荷区域，高负荷或者高转速下，发动机又进入单一喷 射状态，奔驰新的直喷技术可以让这种分层模式在车速超过120km/h后，还可以精确运作， 超过此后，发动机会尽量把空燃比控制在14.7：1，最佳的空燃比附近，这和奥迪的控制模 式类似。 在CGI上，奔驰还有另一个创新，那就压电直喷技术，低转速时使用分段多次喷射燃烧， 高转速下就不再使用，主要原因是目前的喷嘴都是螺线圈电磁控制式，在高转速状态下， 喷油时间要求极短，喷嘴响应速度并不适合太高转速。因此，奔驰开发了压电触发的喷嘴， 也就是利用活塞在压缩冲程的压力，通过压力变形下的微弱电信号，经过放大电路放大后 控制阀门开闭。压电喷射器百万分之一秒的时间反应，为喷嘴提供基本的多点分层喷射成 为可能，在每次压缩短时间内，再分为多次喷射，特别是高转速下，也同样有分段喷射， 从而得到更理想的稀薄燃烧，这对提高发动机燃烧效率是至关重要的。

电子控制系统 它由电控汽油喷射系统由传感器、ECU和执 行器三大部分组成。 传感器是感知信息的部件，功能是向ECU提 供汽车的运行状况和发动机工况。ECU接收 来自传感器的信息，经信息处理后发出相应 地控制指令给执行器。 执行器即执行元件，其功用是执行ECU的专 项指令，从而完成控制目的。

目前采用缸内汽油直喷的车型及发动机主要有： A6L 3．2FSI和4．2FSI发动机，奥迪A5 3．2FSI和 奥迪S5 V8 FSI发动机， CLS 350 CGI发动机 CTS 3．6L V6 FSI发动机， Variant 1．6FSI和2．0FSI发动机 迈腾， 卡宴， 明锐1．8T FSI发动机， MKR概念车， Freetrack Prototype 2．0T FSI发动机， 207GTi 1．6涡轮增压FSI发动机等

喷油器喷出的油束太靠近火花塞电极，可能 会Hale Waihona Puke Baidu现火花塞润湿现象，对火花塞的使用寿 命有很大的负面影响。 由于它不借助进气流实现分层，因此，在火 花塞附近形成的浓混合气区域小，使得发动 机在高速时，会出现混合气无法点燃或富氧 区火焰无法传播的问题。

壁面引导是将喷油器安置在离火花塞较远的 位置，利用活塞表面的特殊形状配合进气流 运动，将燃油导向火花塞。并在火花塞周围 形成一定适合浓度的混合气。 该导向方式对喷嘴的设计要求不高。 比较容易进行混合过程的控制，成本低廉， 因此成为当前的主流模式。 在该导向模式中．一旦在壁面形成燃油附着 ，会使未燃HC的排放极度恶化。


特点是在进气道中已经产生可变涡流，使进气流 形成最佳的涡流形态，然后进入燃烧室内，以分 层填充的方式推动，令浓混合气体集中在燃烧室 中央的火花塞周围。同时，FSI发动机可以根据不 同的发动机负荷，选择不同的供油模式。在低负 荷时，由于发动机转速不高，对于马力要求也不 高，电脑控制多次喷油，实现分层稀薄燃烧；而 在高负荷时，只在进气冲程中喷油，而不必借助 于涡流，始终实现理论空燃比14.7：1燃烧。在 高压缩比12.0：1的情况下，这种控制方式还是 要比传统发动机更加省油。