汽车发动机维修培训讲座PPT资料缸内直喷发动机工作原理与检修.ppt

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1、3.4 缸内直喷发动机工作原理与检修,淮安信息职业技术学院 汽车工程系2010年10月,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,缸内直喷汽油机结构图,缸内直喷汽油机工作情况,缸内直喷汽油机优点,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。,搞清几个概念：,（1）GDI（Gasoline Direct Injection）汽油直接喷射缸内直喷发动机（2）

2、FSI（Fuel Stratified Injection）燃油分层喷射缸内直喷发动机（3）TFSI（TurboFuelStratifiedInjection）带涡轮增压器的燃油分层喷射缸内直喷发动机（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。,GDI发动机控制系统原理图,2

3、、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。,（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。,（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

4、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。（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

5、运动来达到上述目的。FEV、AVL等公司开发的机型。,4、缸内空气运动的组织,GDI发动机缸内空气的运动有涡流、滚流和挤流，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。,5、GDI发动机的优点,与传统式汽油机比较：（1）燃油经济性更好。（2）最高动力相似。（3）扭力更好，特别在低转速时。（4）有害的气体更少。与柴油机比较：（1）更大的动力与扭力。（2）操作更迅速。（3）振动少。（4）反应更敏捷。（5）NOx的含量更少。与稀薄燃烧的汽油机比较（1）燃油经济性更好。（

6、2）输出功率较大。（3）扭力更大。（4）有害气体更少。,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

7、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。,三菱GDI发动机技术,三菱GDI发动机,三菱1.8L 4G93 DOHC GDI发动机燃油喷射系统,三菱1.8L 4G93 DOHC GDI发动机剖面,燃烧室总体结构,气缸结构,活塞形状,工作过程,燃油喷射,燃油喷射状态,进气过程喷射 压缩过程喷射,喷注形状,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

8、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。,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。,FSI发动机示意图,大众FSI发动机两次燃油喷射示意

9、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。,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

10、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。,FSI发动机的三种工作方式,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。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。,燃烧室总体结构,带有控制气流流量翻板的进气道,（1）分层充气模式,在分层充气模式下，过量空气系

11、数为1.63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1015MPa的压力喷入到火花塞附近，混合气形成只发生在4050曲轴转角之间。,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，

12、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。,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。,均质混合气模式工作过程,燃油系统,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

13、0.30.6MPa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1015MPa，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。,高压燃油喷射系统,喷油器,排放系统,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

14、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。,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。,大众车系FSI发动机,FSI是目前大众主推的发动机技术,大众轿车FSI发动机,大众FSI发动机结构图,奥迪轿车FSI发动机,奥迪轿车FSI发动机燃油系统的组成,奥迪轿车FSI发动机机械硬件的布置,C6A6 Audi A6 L1.3L-V6-FSI发动机燃油系统,C6A6

15、Audi A6 L2.0T-直4-FSI发动机实物图,C6A6 Audi A6 L2.0T-直4-FSI发动机,3.4.3 TFSI发动机,TFSI发动机工作原理,TFSI发动机在是FSI发动机的基础上增加了一个涡轮增压机。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。,奥迪TFSI发动机,奥迪A63.0 TFSI发动机使用的罗茨式机械增压器,SKODA明锐配置1.8TFSI发动机,其实这台发动机就是大众集团新的主力发动机EA888发动机系列中的一个型号，因为排气量

16、为1.8L，而且使用了大众的FSI技术、Turbo涡轮增压技术而得名，说简单了就是一款带涡轮增压的FSI发动机，所有在名称上就是因TurboFSI而得来的。,明锐装备的1.8TFSI发动机中国化的FSI技术,FSI技术的核心是缸内直接燃油喷射和分层燃烧。不过明锐装备的1.8TFSI发动机再次为了适应国情做出了相应的调整。地球人都知道，国内的成品油质量是一个比较残酷的现实，在油品质量和品种上都远不及欧洲。为了保证这款在欧洲开放的发动机能消化国内的“粗粮“，照顾到发动机功率输出、排放能达标和燃油系统的耐久性，这台发动机也入乡随俗，分层喷油模式与我们说了再见。在任何节气门开度的情况下，发动机只会采取

17、均匀喷油的喷油程序。这样的改动虽然对发动机的功力和扭矩输出没用影响，但均匀燃烧时的喷油量势必比分层燃烧时的喷油量多，这会对FSI发动机的燃油经济性产生一些负面影响，国内同型号的FSI发动机会比欧洲版本的油耗高一些。对于这样的调整，想必大众集团也是颇为无奈。当有些新技术面对与之不适应的使用环境时，大众集团首先考虑的还是产品的耐久性和适应性，这样可以避免出现水土不符的情况，免得砸了大众这块“技术为王”的金字招牌。,TFSI发动机的不足：,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1500

18、r/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5000r/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。1500r/min以下和5000r/min以上这两个区间的动力缺失如何解决？,3.4.4 TSI发动机,TSI发动机工作原理,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

19、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。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。,TSI发动机工作原理图,TSI发动机实物图,结构特点：,机械增压器和涡轮增压器在进气道中是被串联在一起的。空气从空气过滤器进入到进气管以后，首先要经过机械增压器，然后通过进气管的引导再经过涡轮增压器，最后进入到进气歧管当中去。虽然机械增压器和涡轮增压器是相互

20、串联在一起的，但两者并不都是同时工作。ECU能够控制进排气旁通阀的开闭，也能控制机械增压器与发动机相连接的电磁离合器的开闭。,TSI发动机工作过程：,当发动机处于怠速工况时，机械增压器的电磁离合器是分离的，此时发动机与机械增压器之间动力是断开的，而且机械增压器附近的进气旁通阀打开，空气并没有流经机械增压器，而是从旁通阀直接吸入；到了涡轮增压器的位置，涡轮增压的进气旁通阀也是打开的，这就相当于进气绕过了涡轮，直接被吸入气缸。也就是说在怠速工况时，涡轮增压器和机械增压器都是不工作的，这相当于一台自然吸气发动机。当发动机在部分负荷工况下低转速运转时，电脑会接通机械增压器的电磁离分离，并且关闭机械增压

21、旁通阀，让机械增压器开始工作，此时的增压值为1.2bar。我们知道机械增压器有增强低速扭矩的特点，而且在低转速时对发动机功率的消耗并不大。所以既能够获得良好的油门相应，又能够增大大发动机扭矩输出。当发动机超过1500转时，涡轮开始介入，此时的增压值提高到 2.5bar。当发动机转速达到3500转/分以上的高转速时，机械增压器开始停止增压，此时完全依靠涡轮增压来进行增压，增压值从2.5bar降到 1.3bar。,TSI发动机与FSI发动机性能比较,TSI发动机拆解图,大众高尔夫GT发动机的涡轮增压器,福特GT40的机械增压器,大众汽车配置FSI发动机,大众TSI发动机上使用的机械增压器,大众1.

22、4升TSI发动机进气增压结构,缸内直喷发动机的缺陷：,无论是三菱GDI还是大众的FSI，采用缸内直喷技术都是为了实现燃油稀薄燃烧，降低发动机燃油的消耗，减少污染物排放。但其对燃油质量的依赖性仍然是不可忽视的，在国内要推广新的发动机技术就要对燃油质量有严格的要求，需要我国的燃油品质达到国际水平，这才能适应与国际同步的新发动机的胃口。从经济层面来看，采用缸内直喷的供油系统除了在研发过程必须花费更大成本，在部品构成复杂且精密的情况下，零组件的价格也比起传统供油系统来得昂贵，采用缸内直喷的发动机除了材质上的讲究，就连活塞、燃烧室也都经过特别设计。因此这些也都是未来缸内直喷发动机尚待克服的要素。,为什么

23、缸内直喷发动机不能适应国内的燃油品质呢？,首先，由于国内采用的燃油中含有的杂质较多，严重影响了喷油器密封性能，会使喷油器密封性能下降，造成发动机冷启动时供油压力不足，出现启动困难的现象。其次，考虑到国内现在广泛采用的都是93号的燃油，只有部分地区能提供97号燃油，而采用燃油分层燃烧是为了达到稀薄燃烧的目的，所需要的压缩比也就相对要高一些，FSI发动机也是针对高抗爆性的燃油开发的，而93号燃油的抗爆性无法适应发动机稀薄燃烧技术的高压缩比，长期采用这就会造成低抗爆性的燃油会使发动机性能下降，振动和噪声加剧。综合上述两点，大众公司决定在中国地区销售的汽车取消了分层燃烧技术，而只是单纯的采用了燃油直喷技术，这样一来就降低了对燃油品质的要求，虽然发动机技术水平略有下降，但可靠性却得到了很大的提升。比大众FSI发动机更早量产的GDI发动机没有能进入中国市场，同样也受到了国内燃油品质的影响。,