缸内直喷电控汽油机技术分析故障诊断与检修.docx

编号 淮安信息职业技术学院毕业论文题 目缸内直喷电控汽油机技术分析、故障诊断与检修学生姓名陆野学 号82107023系 部汽车工程系专 业汽车检测与维修技术班 级821070指导教师汪东明 副教授顾问教师钱锋二一二年十一月摘 要随着石油资源越来越紧缺，人们对汽车的燃油经济性要求越来越高，为此，一种新型的汽油燃烧方式应运而生，即发动机稀薄燃烧技术，而实现稀薄燃烧的理想方式是缸内直喷分层喷注，即汽油缸内直喷。缸内直喷发动机具有节省燃油、减少废气排放、提升动力性能、减少发动机振动、喷射精度的提高、发动机更耐用等优点。本文简单概述了现代汽车缸内直喷发动机的发展及应用，重点介绍了缸内直喷发动机的结构原理，详细分析了大众1.8TSI发动机结构原理，最后结合具体的故障实例分析了宝马、别克、迈腾、蒙迪欧故障诊断方法与检修工艺。关键词：电控汽油机；缸内直喷；TSI；故障诊断；检修目 录目 录摘 要I目 录II第一章 缸内直喷电控汽油机概述11.1汽油直接喷射技术的应用与发展11.2缸内直喷电控发动机优缺点21.2.1缸内直喷发动机的优点21.2.2缸内直喷发动机的缺点4第二章 汽油缸内直喷发动机技术解析62.1缸内直喷发动机技术简介62.2汽油直接喷射（GDI）发动机的结构62.3 汽油缸内直喷发动机工作原理72.4发动机燃油喷射控制模式9第三章 大众1.8TSI发动机163.1概述163.2大众TSI发动机结构特点183.3大众TSI发动机燃油供给系统的结构特点213.4大众TSI发动机电控系统的工作模式223.5大众1.8TSI发动机电控系统的组成22第四章 典型故障案例分析244.1宝马缸内直喷发动机启动困难244.2别克新君威加速不良、怠速抖动274.3蒙迪欧新致胜怠速抖动急速迟缓284.4一汽大众迈腾1.8TSI轿车发动机怠速抖动30第五章 总结与展望325.1总结325.2展望32致 谢34参考文献3535第一章 缸内直喷电控汽油机概述第一章 缸内直喷电控汽油机概述1.1汽油直接喷射技术的应用与发展目前，各国的汽车公司都在大力开发和采用这种技术先进、性能优异的产品。日本三菱汽车公司一直处于领先地位。自1996年8月率先向市场投放第一台GDI发动机以来，三菱公司先后又开发出了多种不同类型的GDI发动机，即2.4L4缸发动机、3.0L 6缸发动机和3.5L 6缸发动机机，它们已分别装配于4种中、大型轿车并投放市场。丰田公司研制出一种G4型2.0L的GDI发动机，并已批量装车使用。随后，又开发出1.6L、1.8L和2.0L的GDI发动机。其D4型GDI发动机可降低油耗30左右，提高功率约10。日本其他厂家也有多种缸内直喷发动机上市，如日产3.0L和2.5L的V6型发动机、富士重工2.5L的卧式对置4缸发动机、马自达2.0L的直列4缸发动机和本田1.0L的直列3缸发动机。美国和欧洲的汽车厂家也都在积极研究缸内直喷技术和开发缸内直喷产品，并使缸内直喷发动机在热效率、功率及排放上有进一步提高。研究表明，缸内直喷发动机可降低燃耗8%-15%。因而，在全球节约能源的浪潮中，各汽车厂家都在积极深入研究GDI发动机技术，纷纷在自己的车上装配GDI发动机。除日本和美国以外，大多数欧洲汽车生产厂家也都开始装用GDI发动机(1.4-2.0L)：奥迪公司的A3装备了新型FSI发动机，宝马公司为其12缸发动机引用了HPI技术，大众公司也有许多车型采用了TSI发动机。纵观世界汽车产品技术的发展态势，缸内直喷发动机正以其优异的性能得到日益广泛的重视和应用。FSI技术的发展TFSI、TSIFSI是给发动机的喷射方式带来了革命，它让一款普通发动机的各种性能都得到了提升，而FSI再往上发展就变得更加容易了。TFSI是在FSI基础上加入了涡轮增压技术；而TSI技术与FSI并没有什么相关性。FSI是给发动机的喷射方式带来了革命，它让一款普通发动机的各种性能都得到了提升，而FSI再往上发展就变得更加容易了。TFSI是在FSI基础上加入了涡轮增压技术；而TSI技术与FSI并没有什么相关性。 TFSI（涡轮增压燃油分层喷射发动机），这个比FSI多出来的T字代表的则是涡轮增压（Turbocharger），而发动机本身也的确是在FSI发动机的基础上增加了一个涡轮增压器。涡轮增压是利用排气的高温高压推动废气涡轮高速转动，在带动进气涡轮压缩进气，提高空气密度，同时电脑控制增大喷油量，配合高密度的进气，因此可以在排量不变的条件下提高发动机工作效率。由于涡轮增压器是靠排气推动的，因此在发动机转速低时涡轮并不工作。但在这个时候涡轮还是转动的，只是排气压力不够，达不到增大进气压力的效果。随着转速的上升（约1500r/min或以上），排气压力逐渐加大涡轮就进入了正常的工作状态，达到增压的目的和效果。但是，当转速接近额定的时候（约r/min或以上），发动机本身的内压超过了排气压力，这时的涡轮同样是不工作的。实际上发动机的一般工作区间正在15005000r/min内，所以涡轮增压以它优越的经济性和动力性得到了众多用户的认可。不过怎么说还是有点缺陷，这两个区间的动力缺失如何解决呢，高转速我们可以换个大点的涡轮，可是低转速的动力空挡也会同时加大。很自然的一款无可挑剔的发动机应运而生，TSI把所有问题解决的更巧妙更能打动人心。TSI（涡轮机械增压燃油分层喷射发动机）的设计非常巧妙，它实际上是把一个涡轮增压器(Turbocharger)和机械增压器(Supercharger)一起装到一台发动机里面。TSI中的T不是指Turbocharger而是Twincharger（双增压）的意思。上文我们讲到涡轮增压发动机在较低和较高转速时都有一个动力的空挡，为了进一步提高发动机的效率，增加一个机械增压装置，并让它在低转速时加大进气压力。而涡轮增压器的尺寸可以再大一些，去弥补高转速时的动力空挡，从而达到一个从低到高转速的全段优异动力表现。另外，涡轮增压器由于废气涡轮的惯性，会有发动机相应的迟滞现象。而机械增压器则是由发动机转轴直接带动，能够随着发动机转速变化而迅速且线性地改变转速。2005年，大众1.4升直喷汽油发动机首先搭载了这套系统，它的最大功率达到了惊人的170马力。（国产1.8T发动机的最大功率也才150马力）。需要注意的是，一汽-大众和上海大众对他们的1.4TFSI和1.8TFSI发动机的称呼，二者都称为1.4TSI和1.8TSI，这个称呼是极不负责的。同时，厂商为了避免大家对TFSI简称TSI产生异议，他们对此解释为：“因为一贯体系中我们一般采用3个字作为发动机特有技术的称呼，所以这次我们把TFSI简称为TSI，其中T代表涡轮增压，SI代表直喷技术”。国产迈腾、速腾等车型最新的TSI发动机实际上跟前面说到的TSI并不是一回事。迈腾1.8TSI和即将搭载在速腾身上的1.4TSI发动机实际上阉割了机械增压和燃油分层技术。当然，这也是国产化之后处于油品和成本问题的考虑。1.2缸内直喷电控发动机优缺点1.2.1缸内直喷发动机的优点由于燃烧被精确的喷射于气缸燃烧室内，因此具有节省燃油、减少废气排放、提升动力性能、减少发动机振动、喷油精准度提升、发动机更耐用等优点。1.节省燃油现代发动机的趋势之一就是节省燃油，二缸内直喷技术可以大大提升燃油与空气雾化程度与混合的效率，带来燃油的节约。采用缸内直喷技术的车型油耗水平可以下降3%以上。速度允许采用较迟的点火时间，进而可进一步推迟喷油时间，有利于油气在高温下的快速蒸发和分层。晚喷方式喷油定时的设计原则是使喷油结束到点火之间的时间间隔尽可能地短，以避免燃油蒸汽的国度扩散，维持分层的稳定性。但时间过短不能较好地雾化蒸发，导致发动机不能可靠的雾化蒸发，导致发动机不能可靠地点火。因此，喷油时间和喷油正时要随着工况改变而进行优化。在某些国度工况进行两段喷射被试验证明是保证平稳过渡的有效方法，如丰田第一代D-4GDI机型，在从中负荷向大负荷的过渡时采用了两段喷射技术，把燃油分两次分别在进气和压缩行程中喷入气缸，第一次喷入的燃油蒸发可以提高发动机的充气系数，第二次蒸发的燃烧可以降低压缩终了的气体温度，抑制了爆震的发生，可增加功率2%-3%。三菱公司开发的4G15缸内直喷发动在冷启动时采用在做功行程后期补充喷油的方法，可以使催化器快速起燃，降低HC和NOX.排放。其主要原因是：（1）部分负荷下采用稀薄分层混合气，比热容比k值增大（有1.3向1.4趋近），使发动机循环热效率提高，从而降低了油耗。（2）缸内燃油蒸发导致压缩终点混合气温度降低，加之是稀混合气，爆燃倾向减小，从而使压缩比提高，也是循环热效率提高，从而降低了油耗。（3）由于中小负荷工况采用稀薄燃烧和均值调节方式，泵气损失大大减少（降低15%左右），使发动机机械效率提高，从而降低油耗。（4）中小负荷时燃烧室周边基本是空气，散热损失减少，使发动机热效率提高，从而降低了油耗。 2.减少废气排放人类对环境的重视也造就了环保发动机的不断诞生。缸内直喷发动机的高压燃油泵能提供高达1000kPa的压力，确保燃料充分燃烧，最大限度的减少废气中的有害杂物。冷启动时的UBHC降低，温室效应气体二氧化碳的减少，稀薄燃烧使发动机排出的NOx降低，并且允许采用更高的废气再循环率来降低NOx排放。3.提升动力性能由于燃料的混合更充分燃烧更彻底，也带来了燃料转化为动力性能的提升，直接推动了发动机动力性能的增加，同排量下，最大功率可提高15%。4.减少发动机振动由于缸内直喷技术允许更高的压缩比，缸内爆震情况大大减少，对降低发动机低速情况下的震动也有明显效果。5.喷油的准确度提升缸内直喷技术的关键就是电子控制系统的精确控制。由于电子控制系统会感知发动机缸内的实际工作情况，并会瞬间完成对喷油量、喷油时间和压力的微调，保证发动机始终处于精确的喷油状态。6.发动机更耐用新技术不但提升效率，减少排放，更对发动机寿命延长起到积极作用。燃油直接喷射于气缸内并迅速转化为能量，大大降低传统发动机燃油依附于进气歧管带来的损害。7.各缸工作不均匀性改善由于燃油直接喷入气缸，可以对各缸的空燃比进行精确并相对独立的控制。8.良好的瞬态响应GDI方式没有PFI方式所形成的壁面油膜，燃油计量精确，加速响应快，减速断油及时，冷启动迅速，冷启动加浓要求低。9.系统优化潜力大GDI发动机在喷油方面有着更大的灵活性。1.2.2缸内直喷发动机的缺点汽油缸内直喷发动机具有柴油机的经济性并保持了汽油机的特点，相对于技术的成熟的PFI发动机具有显著优点，但在排放、燃烧稳定性等方面的问题限制其普遍应用，目前，汽油缸内直喷技术完全替代PFI技术仍然存在一些技术挑战。1.排放控制分层混合气非均质分布，存在较浓的混合气，在这些区域中局部燃烧温度仍然较高，导致N排放量较多，然而总体混合气较稀不能利用三元催化转化器；分层混合气外边界较稀的部分易发生火焰熄灭现象，同时缸内喷油湿壁现象会使活塞顶部和汽缸壁混合气过浓的区域燃烧不好，使得小负荷时HC排放相对较高；分层燃烧工况由于混合气浓度分布不均匀，汽油缸内直喷发动机增加了微粒排放。2.稳定燃烧控制汽油缸内直喷发动机分层充气稀薄燃烧区域的稳定燃烧控制难度较大，部分部分负荷分层燃烧和大负荷均质燃烧模式转变时的控制也非常复杂；为了降低N排放，汽油缸内直喷发动机采用较高的废气再循环率，且喷油嘴沉积物增加，都增加了稳定燃烧控制的难度。3.燃油经济性燃油缸内直喷需要较高的供油压力，提高喷油压力和油泵回流增加了发动机机械损伤，喷嘴油泵驱动额外增加了电能消耗，催化器快速起燃和再生补偿也增加了燃油消耗。4.性能和可靠性相对PFI发动机，汽油缸内直喷发动机喷嘴沉积物和积碳增多，并且由于提高了系统压力，降低燃油的润滑性，增加了供油系统的磨损；由于使用较稀的混合气，缸套的磨损增加，进气门和燃烧室的沉积物也增加。5.控制复杂性汽油缸内直喷发动机从冷启动到全负荷各种工况需要复杂的供油和燃烧控制，并需要复杂的排放控制策略，同时也增加了系统优化的标定参数。汽油缸内直喷发动机要求复杂的供油系统硬件，需要高压油泵和复杂的控制系统，由于三元催化转化器在汽油缸内直喷发动机上不能有效地使用，目前，汽油缸内直喷发动机面临重大问题是NOx排放控制。虽然GDI发动机稀薄燃烧能减低NOx的排放，但是达不到三元催化转化器降低NOx的90%的水平。世界范围内正在开发稀薄燃烧催化器，但目前在整个发动机工作区域的NOx转化效率仍低于三元催化转化器，小负荷时HC排放增加仍待解决。第二章 汽油缸内直喷发动机技术解析第二章 汽油缸内直喷发动机技术解析2.1缸内直喷发动机技术简介现今，大部分汽油发动机的燃料供给方式一直都是采用“缸外混合”的方式，也就是汽油通过喷油嘴喷到进气歧管中，在进气歧管内与新鲜的空气混合而成为“混合气”。在发动机汽缸进气门还没有打开之前，这些混合汽都储存在进气歧管内，直到气门打开后，混合汽才能够因为燃烧室的负压而进入到燃烧室内，然后在活塞压缩行程的末端通过火花塞点燃剧烈燃烧。这种“缸外混合”的缺点是显而易见的，进入燃烧室的混合汽只能够通过气门的开闭来被动控制，对发动机不同工况的适应程度还不理想，响应速度还不够快。而且喷油嘴离燃烧室有一定的距离，汽油与空气的混合情况受进气气流的影响较大，并且微小的油颗粒会吸附在管道壁上，不能充分利用。直接喷射（Gasoline Direct Injection缩写为GDI）则是如同柴油发动机一样将燃油直接喷入汽缸，并以非常精确的方式来控制，避免燃料浪费。缸内喷射发动机采用了立式吸气口、弯曲顶面活塞、高压旋转喷油器等技术手段，产生与传统发动机不同的缸内气流运动状态，使喷射入汽缸的汽油与空气形成一种多层次的旋转涡流。缸内直接喷射（GDI）系统将燃油精确地喷射到汽缸燃烧室内，与进气管喷射（PFI）系统相比，具有节省燃油、减少废气排放、提升动力性能、减少发动机震动、发动机更耐用等优点。2.2汽油直接喷射（GDI）发动机的结构缸内直喷发动机机械结构与普通进气管喷射发动机结构基本相似，如图2-1所示为汽油机缸内直喷发动机。除了在活塞头及进排气岐管形状有所改变之外，其最主要的区别在于燃油系统。缸内直喷发动机燃油系统包括低压系统与高压系统。图2-1 汽油缸内直喷发动机1.低压系统 低压系统由油泵控制单元、油箱、电动油泵、带有压力限制阀的燃油滤清器（开启压力大约为680kPa）、低压燃油压力传感器组成。燃油泵控制单元通过脉宽调制信来控制电动燃油泵，使低压燃油系统的油压达到50-500kPa，在冷启动时使低压燃油系统的压力可650kPa。如果燃油泵控制单元失效发动机将不能运转，电动燃油泵给高压泵供应压力约为600kPa的燃油。2.高压系统高压系统由高压燃油泵、油压调节阀、油轨、压力限制阀、高压燃油压力传感器、高压喷射器（如图2-2所示）组成，燃油压力5-11MPa。高压泵由凸轮轴驱动，经燃油计量阀建立压力，再经燃油分配管输送到高压喷油器上，压力缓冲器会吸收高压系统内的压力波动。高压泵只提供喷射所需油量的燃油，供油时，发动机根据需要油量计算出柱塞泵的供油起始行程，燃油压力控制阀吸合切断进油阀，高压油泵将泵腔内的燃油泵入油轨。图2-2 高压喷射器2.3 汽油缸内直喷发动机工作原理汽油缸内直喷发动机顾名思义是在汽缸内喷注汽油，它将喷油嘴安装在燃烧室上方，将汽油直接喷射在汽缸燃烧室内，空气则通过进气门进入燃烧室与汽油混合形成可燃混合汽被点燃做功，这种形式与直喷式柴油机相似，如图2-3所示。图2-3 缸内直喷原理示意图汽油缸内直喷发动机的立式吸气口代替传统的横向吸气口，通过来自上方的下降气流，形成与以往发动机不同的缸内空气流。利用活塞顶的凸起形状增强这一纵向涡流，当压缩行程将要结束时，在燃烧室顶部的喷油嘴开始喷油，汽油与空气在涡流运动的作用下形成混合汽，这种急速旋转的混合汽是分层次的，越接近火花塞越浓，易于点火做功。但从总体上看，混合比可以达到401（一般汽油发动机的混合比是14.71），也就是人们所说的“稀燃”。 但由于缸内喷射压缩比高达12，与同体积的一般发动机相比功率与扭矩都提高了10。在这里要特别介绍一下活塞顶的形状对缸内气流的作用。活塞在上止点位置时，活塞头顶面与汽缸盖之间的间隙叫做燃烧室，燃烧室的容积是决定发动机性能的重要因素。GDI活塞顶面的凸起部分类似尖屋顶，又称“弯曲顶面活塞”，它缩小了燃烧室的容积，有助于形成强势涡流。缩小燃烧室容积必然提高了压缩比，因此GDI的压缩比达到121，压缩比提高了，缸内温度必然也随之提高，有助于稀燃。压缩比高，输出功率增大，这样也就弥补了稀燃带来的功率损失。发动机缸内直喷的控制技术的基本原理电喷汽油机按喷射位置可分为两种形式：进气道喷射式(PFI)和缸内直喷式（GDI）。其主要差别在于混合气的准备过程不一样。对于进气道喷射的发动机，当进气门关闭时， 将燃油喷在各缸进气阀的背面，进气冲程中油气混合物进入气缸；而缸内直喷发动机则直接把燃油喷入气缸内，通过组织合理的气流运动和控制精确的喷油时间， 在不同的工况实现不同的混合气制备，从而实现更好的燃油经济性和更低的排放。缸内直喷汽油机主要要达到两个目标：一是大幅度改善车用汽油机的燃油经济性，二是控制排放。主要是NOx 和未燃HC 的排放。为此，发动机在不同负荷条件下实行不同的控制策略。当发动机工作在部分负荷时，在压缩行程后期喷入燃油，利用特殊的燃烧室形状和直立进气道，在火花塞间隙周围局部形成具有良好着火条件的较浓混合气（空燃比在12-13.4 左右），而在燃烧室其余远离火花塞的区域则是纯空气或较稀的混合气，在两者之间，为了有利于火焰的传播，混合气浓度从火花塞开始由浓到稀逐步过渡，从而实现混合气分层燃烧，其空燃比一般可达25-50，同时通过采用质调节避免了节流阀的节流损失，达到了与柴油机相当的燃油经济性；在中等负荷时，采用均匀混合稀燃混合气以克服节油与降低NOx 排放之间的矛盾；而在全负荷时，燃油在进气行程中喷入，实现均质预混燃烧。采用此方案后，由于喷入缸内燃油蒸发时的冷却作用， 增加了整机的抗爆性能，可采用较高的压缩比(12-14)，有助于提高循环的理论效率，同时充气冷却作用还提高了发动机的充气效率，提高发动机的动力性，缸内直喷汽油机还具有更为良好的加速响应性和优异的瞬态驱动特性，使汽油机在保持高动力性能指标的同时具有很好的燃油经济性。2.4发动机燃油喷射控制模式1.按工况区分控制模式汽油缸内直喷发动机之所以能节油20%，最主要依靠的是低工况混合气或浓混合气，此时，充气分层并无好处，只会导致黑烟，为了得到均质混合气必须提早喷油。由此可见，讨论汽油缸内直喷发动进电子控制策略时应区分低工况和高工况两个不同的区域，分别采取两种不同的控制模式，见表2-1。一般来说，推迟喷油、充量分层的控制模式只适用于50%以下的负荷， 此时尚有足够的过量空气可供在短时间内燃尽生成的黑烟，超过50%负荷时会排放黑烟，必须切换成提早喷油，均质充量的控制模式。表2-1 汽油缸内直喷发动机按工况区分控制模式表工况主要目标空燃比节气门扭矩调节充量喷油正时喷油压力燃油雾化油束穿透低经济性25-40不节气(全开)变质调节分层压缩冲程的晚期高好浅高动力性14.7 左右节气变量调节均质吸气冲程的早期低差深2.扭矩控制策略ECU 在任何工况下都首先要识别对扭矩的需求。油门踏板的位置反映了驾驶员对扭矩的需求。但是，还会出现其他方面对扭矩的需求，例如发动机本身在起动、怠速时和对催化转化器进行加热时都会要求对扭矩进行补偿。又如对发动机和汽车进行限速保护时会提出减少扭矩的要求。在底盘电子控制中牵引力矩的减少和行驶动力学的控制都涉及发动机扭矩。ECU 综合分析上述这些对扭矩的需求，结合扭矩在传输过程中的损失，确定要将扭矩调整到什么程度。实现扭矩的调整可以有不同的途径，例如可以调整电动节气门的开度，在稀薄燃烧时还可以改变空燃比，也就是在电动节气门全开的情况下改变喷油量。ECU 必须根据当时的工况作出选择。在没有其他情况发生时，ECU 主要根据油门踏板的位置确定应有的扭矩。如果这个扭矩和转速对应于低工况区域，即油门踏板位移量较小时，电动节气门就保持全开，通过改变空燃比调节燃油量进而控制扭矩，这就是变质调节，此时进气量和点火提前角几乎不影响扭矩；如果这个扭矩和转速对应于高工况区域，即油门踏板位移量较大时，那么空燃比就保持稳定在14.7 左右，通过改变电动节气门开度调节进气量，进而改变燃油量，控制扭矩,这就是变量调节，此时点火提前角对扭矩有很大影响。3.喷油正时控制策略如前所述，两种控制模式对应于两种不同的混合气生成方式。两者对油束也有不同的要求。低工况时实行变质调节，采用分层充量；高工况时实行变量调节，采用均质充量。前一种情况下，要求燃油恰好喷在活塞顶部凹坑内，结合活塞的向上运动，由逆向翻滚气流将燃油带往火花塞， 使火花塞附近的浓混合气能保持到点火，要求在很短的时间内完成混合气的生成；后一种情况下，要求阻止油束沾湿活塞和缸套壁面，同时要求有充足的时间形成均质充量。所以，前一种情况要求油束集中，不必穿透很深，但要雾化好；后一种情况要求油束分散，并且穿透深度适中。根据以上分析可见，前一种情况，即低工况、采用分层充量时，应将喷油推迟到压缩冲程后期，这首先是因为此时有可能将燃油喷入活塞顶部凹坑内，其次是因为此时充量已被压缩到0.3-1.0MPa，充量密度较高，油束中油滴所受的阻力增大，油滴的运动很快受到衰减，使得油束比较集中，并且穿透不深，正好满足此时的要求；后一种情况，即高工况、采用均质充量时，应将喷油正时提早到吸气冲程的前期，这首先是因为此时喷油可使燃油不沾湿或少沾湿活塞和缸套壁面， 其次是因为此时缸内的环境压力还接近或小于大气压力，充量密度不高，油束中油滴所受的阻力较小，油滴的运动衰减较慢，所以油束比较分散，穿透距离较长，也正好满足此时的要求。4.喷油压力控制策略喷油压力至少与油束的两个特性参数有关，一个是燃油雾化程度，另一个是油束穿透程度。雾化程度用油滴的Sauter 平均直径SMD 表征。SMD 越小，油滴越细小，雾化程度越高。在油束涡流相同的情况下，提高喷油压力可改善雾化程度。在低工况、采用分层充量的情况下，对燃油的雾化要求很高，因为喷油很迟，燃油应当充分汽化，以便在抵达火花塞之前的短暂时间内促进空气迅速卷入汽化的燃油中。油束穿透深度不是越大越好， 因为过大的穿透深度会导致燃烧室的湿壁现象，增加HC 排放，但穿透深度必须达到一定水平，使得在低工况、分层充量的情况下油束能够撞到活塞凹坑内，而在高工况、均质充量的情况下穿透深度应当更大一些， 以便扩大油束在气缸内的分布范围。油束穿透深度也与喷油压力有关。喷油压力升高时，一方面因为燃油雾化改善，油滴不能喷到很远的地方，油束穿透不深；另一方面因为喷油初速提高，又会增加穿透深度。两者在一定程度上互相抵消。匹配工程师的任务就是根据由负荷确定的喷油量，优化喷油速率和喷油压力。从这里也可看到GDI 在喷油量控制方面与进气口喷射的区别。进气口喷射时用燃油压力调节器保持喷油器孔内外的压力差恒定，确保喷油速率恒定，以便通过脉冲宽度控制每循环喷油量；而在GDI 中喷油速率和喷油压力都是可控的。提高喷油压力，则燃油雾化得好一些，但油束穿透深度小一些，正适合低工况、分层充量的情况下混合气生成的要求；降低喷油压力，则燃油雾化得差一些，但油束穿透深度大一些，正适合于高工况、均质充量情况下的要求。柴油机上采用缸内直喷方法在提高热效率方面取得了良好的效果，但要将该方法应用于汽油机却会遇到很多困难。柴油是自燃着火，初始着火总是发生于混合气中最适宜着火的地方；汽油需点燃着火，火花塞的固定使初始着火位置也随之固定。故在汽油机上要达到类似于柴油机那样的工作方式就必须考虑用附加方法控制混合气的制备。混合气的制备质量是由燃油喷射系统、缸内流场结构以及他们之间的相互作用决定的，下面就从这三个方面加以论述。5.燃油喷射系统GDI通常划分了负荷区，因此要求GDI 燃油喷射系统至少要能提供2-3种不同的操作模式，以适应不同的负荷要求。试验结果表明采用电磁喷射阀的共轨喷射系统能满足这一要求。GDI 比PFI 对喷油器的要求严格。GDI 要求喷油器雾化水平高，能在较窄的脉冲宽度内喷出所要求的燃油，以确保晚喷，实施分层燃烧，这就对喷油器提出了更高的动态响应要求。另外，由于喷油器位于缸内，工作条件恶劣，因此要对嘴端沉积物生成和高温有更强的抵抗能力。此外，喷油器的喷雾特性对GDI 发动机的燃烧过程影响较大，而对PFI 发动机的燃烧过程影响较小。大多数GDI 发动机若要达到可接受的UBHC 排放和IMEP（平均指示有效压力）的循环变动系数，其SMD（索特平均直径）应小于25um。由于SMD 的大小也影响燃油蒸发时间，故有人提出SMD 小于15um 的喷雾才适用于GDI。因此，目前喷油器研究的一个重点是加强雾化效果。判断雾化质量的另一标准是喷雾中油滴尺寸的分布，其中最重要的是大尺寸油滴的分布，这是因为大尺寸油滴的质量占燃油总质量比例大，同时也是最后仍保持液态的那部分燃油对燃烧和排放影响大。GDI 采用的喷油器主要有两种类型。一种是空气辅助喷油器。其喷油原理是先将燃油供入喷油器油室，再充以高压空气从而突破阀座弹力形成喷射。燃油的大部分是在前几次阀座震荡循环过程中喷出，喷雾形状为锥角较大的中空结构。另一种是高压旋流喷油器。该喷油器可将油束的一部分动能转化为水平旋转动能，从而降低贯穿速度避免油束撞壁，同时仍保持原有的雾化水平。目前对高压旋流喷油器的采用和研究最多。如图2-4所示，为已开发的部分高压旋流喷油器。高压旋流喷油器的喷雾锥角主要依赖于喷油压力和缸内背压，其中后者的影响较大，因此它能根据不同负荷区的要求提供所需要的喷雾形状。在早喷时喷雾形状是适宜均质混合的中空扩散型，在晚喷时是适宜分层燃烧的紧凑型。喷油压力主要影响雾化质量和贯穿速度，较适当的喷油压力为5kPa-10kPa；对雾化过程进行优化后的贯穿速度能达到40m/s-50m/s，约2倍于典型缸内流场速度，因此对缸内流场必须仔细优化。图2-4 已开发的部分旋流喷油器（1）Alidesignal高压旋流喷油器（2）Zexal高压旋流喷油器（3）三菱公司开发的高压旋流喷油器（4）丰田公司的高压旋流喷油器6.缸内流场在进气冲程与压缩冲程中的瞬态缸内流场是GDI 的另一关键因素。在GDI 发动机中，流场的三个重要因素是平均流体结构的稳定性(宏观流场结构）、压缩冲程中紊流的发展（微观流场结构）和点火区域的流场平均速度（宏观流场结构），能较长时间地保持平均流体结构的流场将有利于分层，因此能把与平均速度相关联的动能较晚地转化为紊流动能的流场结构是GDI 系统所希望的；在火花塞电极间隙具有高紊流强度和低平均速度的流场对GDI 系统也是有利的。在汽油机中可采用的流场结构有滚流、涡流和挤流三种。涡流比滚流具有更小的粘性耗散，因此生存时间较长，更易保持分层；由于燃烧室的曲面导向作用，滚流容易衰减成大尺度的二次滚流结构，这使得保持稳定的混合气分层变得困难，因而采用滚流为主的GDI发动机要比采用涡流为主的GDI发动机循环变动大。但滚流在上止点附近有助于加强紊流强度，而且在压缩冲程中滚流具有加速旋转的特性，能提高近壁面气流速度，从而促进壁面油膜的蒸发。由于上述流场结构各有其优缺点，在实际的GDI发动机中都被采用或综合利用。如三菱公司采用反滚流结构，丰田公司采用涡流结构，Yamada提出斜涡流，即涡流和滚流的综合结构。流场结构的实现和保持主要通过燃烧室结构的设计来进行，如图2-5所示是已有的燃烧室设计结构图。此外，GDI发动机与传统汽油机的一个区别是燃油喷束将对缸内流场产生影响，喷雾的卷吸作用会影响大尺度的流场结构，还能促进紊流强度的提高，且晚喷与早喷的促进程度不同，通常早喷促进的紊流强度可达晚喷时的2倍。图2-5实现缸内直喷的燃烧室结构图（a）流场结构为涡流、喷油器位于中央的燃烧室（b）流场结构为涡流、喷油器位于侧面的燃烧室（c）流场结构为滚流的燃烧室（d）流场结构为挤流的燃烧室7.混合控制和燃烧控制混合的实质是缸内流场与喷雾的相互作用。当缸内流场特性和喷雾特性被确定后，首先要考虑的因素是喷油器的布置，随之也就要对火花塞位置进行考虑以确保稳定点火。较早的GDI 发动机通常将火花塞与喷油器布置得很近，均位于燃烧室中心或附近。这样布置结构简单，但会使进气门面积受到限制，进而影响充气效率的进一步提高，同时过近的距离易使火花塞被油雾打湿。因此近年来将喷油器安装于气缸侧面的布置方式得到发展，三菱公司和丰田公司均采用了该型式的布置，但需要对混合气向火花塞的转移进行仔细优化。当喷油器和火花塞位置确定后，对混合的控制是通过喷油定时等喷油控制策略来进行的，对燃烧的控制则是在此基础上再通过点火定时来实现的。喷油定时对允许的点火提前角有影响，如喷得越晚，允许的点火提前角越大；对容积效率的影响成山峰形变化，即容积效率的提高率随着喷油定时的提前先增加后减少。喷油定时决定了混合气的均质程度，也就决定了发动机的工作模式是均质模式还是分层燃烧模式。工作模式的切换通过喷油定时的变换来实现。切换时要注意切换前后扭矩应一致，以防扭矩变化带来振动。图2-6是丰田公司的喷油控制策略，图2-7里卡多公司是的喷油控制策略，图2-8是三菱公司的喷油控制策略。其中丰田公司模式切换时采用了二段喷射。首藤登志夫等人在缸径为135mm 的直喷式分层充气发动机上进行了二段喷射的研究。他们在进气冲程中喷射一部分燃油，以便在燃烧室全空间内形成稀薄的预混合气，第二次在即将点火之前向火花塞喷射，以保证稀混合气的稳定着火和分层燃烧。试验结果表明与标定工况下的稀燃相比，燃油消耗可降低30% ，同时也表明影响燃烧的重要因素是点火定时、第二段喷油定时及第二段喷油量所占总油量的比例。2-6丰田公司喷油控制策略图2-7里卡多公司的喷油控制策略图2-8三菱公司的喷油控制策略GDI发动机的燃烧特性和排放特性GDI发动机采用早喷时，其燃烧特性类似于均质燃烧的PFI 发动机，当采用最大扭矩点火提前角时，50% 的混合气在80-150Nm时烧掉；当采用晚喷模式时，与PFI发动机相比，GDI发动机显著缩短点火延迟期和燃烧持续期，即使在低速时其最初的燃烧速率仍可与全负荷时相同，而PFI 发动机在同样条件下的燃烧速率则非常低。由于GDI发动机是分层燃烧，且EGR 带来的余热可改善混合气的形成，使GDI发动机可采取较高的EGR 率。在排放方面，GDI发动机主要面临UBHC排放及NOx排放问题。冷起动时的UBHC排放与PFI相比有较大的下降，怠速时略有上升，部分负荷时则显著上升。小负荷时雾化时间不足、高EGR 率使燃烧变差及高压缩比导致更多的HC压入间隙中等因素是导致UBHC上升的主要原因。三菱公司采取二段燃烧早期激活催化剂及采用反应式排气管等措施来减少HC排放。在NOx方面GDI怠速排放比PFI 高，这是因为GDI中存在局部当量燃烧和高热释放率。部分负荷时若不采用EGR，其排放水平和PFI差不多。在PFI 发动机中，NOx排放随空燃比的变化呈山峰形，而GDI发动机的NOx排放随空燃比的增大也不断增加，但削减了变化曲线的峰值。对于NOx排放的控制主要靠EGR 和稀燃NOx催化转化器。其中后者的发展对GDI发展影响很大。因为EGR 不能在整个发动机转速负荷范围内减少NOx的排放量。当前的稀燃NOx催化转化器包括富氧条件下的沸石和贵金属催化转化器，NOx捕集器，三菱公司的选择性de-NOx催化转化器以及等离子系统。此外，把节气操作和EGR 结合使用可在燃料经济性和排放之间取得较好的平衡。第三章 大众1.8TSI发动机第三章 大众1.8TSI发动机3.1概述1.装备的车型1.8TSI缸内直喷发动机是一款四缸、双涡轮增压、缸内直喷、分层燃烧发动机，属于同一世界上最先进的发动机之一。德国1.8TSI具有废气增压和机械增压两个增压装置。图3-1 TSI发动机工作模式图废气涡轮增压的特点是利用排放废气，装置基本不消耗发动机动力，增加进气效率提高动力，缺点是通常要发动机超过2000r/min后才介入，不利于起步加速，涡轮的惯性让加速还有一个响应时间的延迟。机械增压优点是发动机启动运转时开始介入，起步加速有力，没有涡轮的工作延时，即时响应；缺点是通过发动机的动力输出来让增压器工作，消耗部分发动机动力。两者的结合，改善了起步加速，也具有充足的后劲，相对来说动力损耗减低到最小。由于双涡轮增压技术含量高，生产成本高，对油品质要求高，所以国产汽车将1.8TSI中的机械涡轮增压取消，属于单涡轮增压直喷发动机，但仍保留了原1.8TSI发动机许多新技术，所以仍称之为1.8TSI。1.8TSI发动机主要配备的车型有（1）一汽大众迈腾轿车（2）一汽大众速腾轿车（3）上海大众新帕萨特（4）上海大众途观2.发动机的技术参数1.8TSI采用了全新的BOSCH MED17.5电控系统，发挥了缸内直喷技术的优点。TSI发动机具有燃油经济性好、发动机瞬态响应改善、启动时HC排放改善等优点。TSI发动机的主要参数如表3.1。表3-1 大众TSI发动机的主要参数发动机代码BYJ适用排量标准欧 四排量/L1.798功率118KW(5000-6200r/min时)转矩250Nm(1500-4200r/min时)缸径/mm82.5行程/mm84.2压缩比9.6每缸气门数4燃油不低于RON95电控单元BOSCH MED17.5爆震控制有空气过滤系数控制1三效催化转化器有可变进气相位有二次空气系统无电子节气门有增压有点火顺序1-3-4-2总质量144kg3.2大众TSI发动机结构特点图3-2 大众TSI发动机如图3-2所示为大众TSI发动机，在机械机构上与传统发动机有一定的区别。1.气缸体气缸体。TSI发动机气缸体基本上是德国大众EA888系列发动机的结构，采用整体式铸铁曲轴箱。高强度的铸铁材料满足了TSI发动机高机械负荷和高热负荷的要求。气缸套工作表面具有等离子涂膜。2.配气机构（1）气门组排气门为充钠排气门，进、排气门与气门座的接触面具有耐磨涂层，气门弹簧的弹力较大。凸轮轴通过滚轮和摇臂机构驱动气门，液压补偿柱塞的自动补偿功能消除了传统的气门间隙（零气门间隙），使气门传动机构具有低摩擦阻力和低噪声的优点。（2）依纳INA凸轮轴调节系统TSI发动机进气凸轮轴配备了德国依纳公司的依纳气门正时器（下称正时器）。轴承壳为轴承和正时器供应所有的机油，并对凸轮轴进行轴向定位，其上还安