汽车新技术之汽油机缸内直喷

1.缸内直喷技术概述
• 缸内直喷又称FSI(Fuel Stratified Injection)，即燃料 分层喷射技术，代表着传统汽油引擎的一个发展 方向。传统的汽油发动机是通过电脑采集凸轮位 置以及发动机各相关工况从而控制喷油嘴将汽油 喷入进气歧管。但由于喷油嘴离燃烧室有一定的 距离，汽油同空气的混合情况受进气气流和气门 开关的影响较大，并且微小的油颗粒会吸附在管 道壁上，所以希望喷油嘴能够直接将燃油喷入汽 缸。在近来各汽车厂商采用的发动机科技中，最 炙手可热的技术非缸内直喷莫属。
• 这种发动机，部分负荷情况下采用分层燃 烧，在火花塞附近形成极易点燃的较浓混 合气，而在其他区域，则追求无油区，即 形成空燃比趋向无穷大区域。主要有壁面 阻挡型和软喷射型等燃烧系统。
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3·1.分层燃烧缸内直喷
• 丰田D一4发动机采用壁面阻挡型稀薄燃烧 系统(图1)。当活塞运动到一定位置时，喷 油器喷出的油束到达与活塞顶部凹坑基本 垂直的壁面上，与壁面碰撞并飞溅。进气 气流经过电控涡流阀(E—SCV)，形成斜向 进气涡流。空气涡流运动使已蒸发的汽油 蒸气和飞溅的油滴沿壁面横向运动，促进 缸内混合气的形成。
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2.缸内直喷技术的工作原理
• 缸内直喷就是将燃油喷嘴安装 于气缸内，直接将燃油喷入气 缸内与进气混合。喷射压力也 进一步提高，使燃油雾化更加 细致，真正实现了精准地按比 例控制喷油并与进气混合，并 且消除了缸外喷射的缺点。同 时，喷嘴位置、喷雾形状、进 气气流控制，以及活塞顶形状 等特别的设计，使油气能够在 整个气缸内充分、均匀的混合， 从而使燃油充分燃烧，能量转 化效率更高。
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4.4.缸内空气运动的组织
• 气缸内的空气运动对喷雾和燃烧的影响很大。GDI发动机缸内空气的 运动有涡流、滚流和挤流。
• 涡流的旋转轴线平行于气缸中心线，滚流的旋转轴线垂直于气缸中心 线，挤流形成于压缩冲程活塞接近上止点时与缸盖间隙处的径向气体 运动，它有助于加强压缩终点时的湍流强度。
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3·1.分层燃烧缸内直喷
• 三菱4G稀燃系统(图2)与丰田D一4系统相近。 进气采用立式进气道，能够产生强大的进 气气流，直接流入气缸，流速可达40m/s一 50 m/s，充气效果好，以保证高度的纵向 涡流及充气系统。活塞顶部的凹坑浅，且 壁面有一定的斜度。在部分负荷输出时， 油束与壁面碰撞后飞溅的油滴，随含有汽 油蒸气和细小油滴的气流斜向上运动(图2中 倒滚流)，被位于缸盖中部的火花塞点燃。
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4.4.缸内空气运动的组织
• 近年来，日本三菱汽车公司对滚流在GDI发动机中的应用 做了大量的试验研究，结果显示，在压缩行程的后期，滚 流能够有效地增加靠近缸壁处的气体流动速度，从而可以 促进粘附在缸壁上的油滴快速蒸发，也可利用滚流程活塞 顶部的凹坑相配合将分层混合气导向火花塞，控制油束碰 撞和火焰传播，从排气侧到进气侧的挤流还能提高燃烧速 度。
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3·1.分层燃烧缸内直喷
图1.丰田D—4稀薄燃烧系统
• 喷油器为高压旋流式 (8MPa～13MPa)，雾化性 能好，雾滴高度微粒化， 雾滴直径小于5μm。喷射 方式控制灵活，对不同转 速与负荷采用不同的喷油 控制方式，并带有电控废 气再循环系统和氧传感器、 三元催化器闭环控制系统 等。试验结果表明，其轿 车工况试验油耗为17.4Km ／L，而相应的装有PFI发 动机的汽车油耗为13Km ／L，节油达34％左右。
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4.2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。火花塞点火时，首先在浓混 合气处形成较强的火焰，然后向稀混合气 空间迅速传播。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。
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3.缸内直喷技术特点
• 缸内直喷汽油机是以传统电控喷射系统为 基础，进行结构和控制技术的优化，使得 混合气的形成与燃烧过程得到改善。
• 按照燃料在燃烧室里面的均匀程度又可分 为分层燃烧缸内直喷汽油机和匀质混合燃 烧缸内直喷汽油机
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3·1.分层燃烧缸内直喷
4.3.燃烧系统
•
“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公司开发的方案
采取这样的燃烧系统。
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4.3.燃烧系统
• 上述几种燃烧系统方案的划分是十分粗略的， 实际情况是上述几种方案交叉存在，各种因素并 存并相互影响。根据AVL的Ricardo公司的研究 火花塞布置在靠近中心的位置可以减少火焰传播 距离，在怠速和部分负荷时对分层便于控制，但 发动机对喷油器和火花塞之间的位置误差、喷雾 变形敏感，火花塞容易被燃油沾湿而形成污垢导 致点火困难。另外，火花塞和喷油器都布置在中 间有时会影响进气门的尺寸。远距离布置的方式 可避免沾湿火花塞，但燃油碰壁较多，并且需要 精确设计特殊形状的燃烧室，对缸内混合气运动 的组织要求更高一些。
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1.缸内直喷技术概述
• 这套由柴油发动机衍生而来的科技目前已 经大量使用在包含大众（含奥迪）、宝马、 梅赛德斯-奔驰、通用以及丰田车系上。
• 各厂商缸内直喷技术英文缩写：大众：TSI、 奥迪：TFSI、梅赛德斯-奔驰：CGI、宝马： GDI、通用：SIDI、福特：GDI、比亚迪： TI。
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5.缸内直喷技术的实际应用
• 大众TSI：国外大众的1.4T发动机上以及进口尚酷 1.4T上TSI代表的是Twincharger Fuel Stratified Injection这几个单词首字母的缩写，通过字母表 面意思可以理解为双增压+分层燃烧+喷射的意思。
• 而大众1.8/2.0TSI中的“TSI”则代表着Turbo Fuel Stratified Injection,通过字母表面意思可以理 解为涡轮增压+分层燃烧+缸内直喷的意思
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3·1.分层燃烧缸内直喷
图2. 三菱4G稀薄燃烧系统 汽车新技术之汽油机缸内直喷
3·1.分层燃烧缸内直喷
• 软喷射型缸内直喷汽 油机主要依靠适当的 喷雾特性来形成分层 混合气。由于喷雾具 有贯穿度较低、喷雾 锥角较大、雾滴平均 直径较小等喷雾特性， 故称为软喷射(如图3 所示)。
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4.3.燃烧系统
•
燃烧系统的设计是GDI发动机的关键技术。
要成功实现中小负荷时的分层稀燃和大负荷时的
均质预混，就需要进行燃油喷束、气流运动和燃
烧室形状的优化合理配合。已经开发的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“喷束引导法”(spray-
5.缸内直喷技术的实际应用
• SIDI：SIDI是Spark Ignition Direct Injection 的缩写，直译为火花点燃直接喷射技术。
• 装配车型：别克君威、君越，凯迪拉克赛 威等
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6.缸内直喷发动机目前存在的问题
GDI发动机拥有很多优良的性能，如： 油耗低、污染小、动力性能好等等。但是 GDI技术同样存在着许多技术瓶颈制约了它 的进一步发展和应用，亟待改进。
• 该系统由低压输油泵、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。
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4·1.燃油供给和喷射系统
图 5 直喷式汽油机供油系统油路
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4·1.燃油供给和喷射系统
• 燃油喷射系统中，喷油器的结 构形式对喷雾质量的影响很大。 由于汽油机的喷射压力远低于 柴油机，如采用多孔喷油器， 其喷嘴容易在工作中积碳堵塞， 雾化分层不好，燃烧时火焰传 播不稳定，因此GDI发动机上一 般不采用多孔喷油器。目前在 GDI发动机上得到广泛应用的是 内开式旋流喷油器，只有一个 喷孔，工作油压为5.0—10MPa， 其内部设有燃油旋流腔，它可 以通过涡流比的选择而实现较 好的喷雾形态和合适的贯穿度 的配合，且喷束方向便于调整， 方便了在气缸内的布置。图6为 旋流式喷嘴结构简图。
图6.旋流式喷嘴结构简图
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4.2喷射模式
• GDI发动机燃油喷射模式可以分为单阶段喷 射模式和多阶段喷射模式。
• 单阶段喷射模式是指在中小负荷时，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 程中喷人气缸，实现均质预燃和燃烧，以 保持汽油机升功率高的特点。
图 3 软喷射型缸内喷油汽油机
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3·2.匀质混合燃烧缸内直喷
• 福特汽车公司PROCO
(Progrannned Combustion
Injection)稀薄燃烧系统是程序化 燃烧过程的缩写，采用匀质混 合缸内直喷汽油机(如图4所示)。 进气道为螺旋式气道，汽油直 接喷射到燃烧室内，利用涡流 和滚流进行油气混合。喷油器 位于中央，两侧各有一个火花 塞。由于汽油在缸内雾化需要 吸收能量，混合气温度下降。 因而可以采用高压缩比(ε=15)的 发动机，并可在空燃比A/F=25 的条件下工作。
• 装配车型：速腾、明锐、新宝来等
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5.缸内直喷技术的实际应用
• 大众/奥迪的TFSI： TFSI就是带涡轮增压 （T)的FSI发动机。
• FSI发动机的主要优势有：动态响应好、功 率和扭矩可以同时提升、燃油消耗降低
• 装配车型：奥迪A3、A6L、A8L等
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• 目前大部分GDI发动机应用涡流作为缸内空气运动的主要形式，其特 点是持续时间长，在缸内的径向发散少，对保持混合气的相对集中和 分层有利，可以充分利用它来维持压缩冲程中的混合气分层。由于涡 流的旋转动量与发动机的转速成正比，而油束的动量是独立的，不受 发动机转速的影响，因此，利用涡流来促进油气混合有一个操作范围 限制。此外，涡流比过高还会由于离心力的作用使油滴甩向缸壁，造 成湿壁现象的增加。
图4.福特PROCO稀薄燃烧系统
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4.缸内直喷技术现状
• 燃油供给和喷射系统 • 喷射模式 • 燃烧系统 • 缸内空气运动的组织
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4·1.燃油供给和喷射系统
• 现代的GDI发动机燃油供给系统设计，为了 达到分层稀薄混合气所要求的喷雾质量和 灵活的喷油定时，均采用了精度高、响应 快的柔性电控手段。高压共轨喷射系统加 电磁驱动喷油器被认为是满足缸内灵活喷 射要求的喷射系统之一。
火的混合气浓度。Ford、Honda公司生产
的某些机型采用这种燃烧系统。
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4.3.燃烧系统
•
“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，如三菱、
丰田、Nissan等公司开发的机型。
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汽油机缸内直喷技术
1.缸内直喷技术概述 2.缸内直喷技术的工作原理 3.缸内直喷技术特点 4.缸内直喷技术现状 5.缸内直喷技术的实际应用 6.缸内直喷发动机目前存在的问题 7.缸内直喷技术推广应用的主要问题 8.缸内直喷技术今后的研究开发方向
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guided system)、“壁面引导法”(wall-guided
system)、“气流引导法”(flow-guided system)3
种类型。
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4.3.燃烧系统
•
“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
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6.缸内直喷发动机目前存在的问题
• 排放问题： GDI汽油机的开发成功，极大地提高了汽油机的燃油经 济性。但其排放总体上要高于工作在理论空燃比下，附加三元催化等 尾气处理装置的进气道喷射汽油机。