项目九直喷发动机和直喷稀燃发动机Word格式文档下载.docx
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为了解它得先了解均质和非均质概念。
均质:
只在进气行程喷油，这样油和气在活塞的运动帮助下到压缩行程末了时，气缸内的油气浓度各处都相等，怠速用浓混合气，部分负荷空燃比为14.7的混合气，全负荷用浓混合气。
这样的直喷发动机为均质直喷发动机。
直喷均质发动机相对缸外喷射而言，高压雾化会更好。
现在的所谓直喷发动机大多停留在这个阶段。
非均质:
先在进气行程少喷油，这样油和气在活塞的运动帮助下到压缩行程末了时，气缸内的油气浓度各处都相等，且极稀，在火花塞点火之前，向气缸内再喷油，这时此部分油没有时间和周围混合气充分混合，即气缸内的油气浓度不都相等。
火花塞附近较浓，其他部分较稀，整个气缸内的混合气总体浓度还是很稀。
这样的直喷发动机为非均质直喷发动机或直喷稀燃发动机，仍有待研究。
不过国外日本三菱公司已在1996年开始生产直喷稀燃发动机，进口国内的有三菱太空的4G93发动机，但也有诸多问题存在。
1.稀燃发动机技术的发展
①21世纪70年代初欧美国家的排放规定以及石油危机引起的降低油耗的需求，人们探索了由稀混合气运行，用氧化催化剂净化排气的方法，采用了一种带副燃烧室的发动机。
这种由丰田及本田公司发明的燃烧方式由于从副燃烧室喷出火焰会造成热能损失，稀混合气发动机改进对油耗的效果不明显。
②随着进气口的改进，气缸内旋涡生成技术的进步，由通用、福特、丰田、本田、日产等汽车公司先后搞成的开口式燃烧室可以形成比带副燃烧室还好的稀薄混合气燃烧，并且随着进气口燃料喷射技术的发展和稀混合气传感器技术的开发，精密控制空燃比已成为可能。
③80年代中期，丰田正式使稀混合气发动机（T－LCS）产品化，三菱、本田也相继将其产品实行产品化。
④进入90年代，三菱汽车公司研制出来的缸内直喷技术使稀燃技术又进了一步。
⑤目前，各大公司都拥有自己的稀燃技术，其共同点都是利用缸内涡流运动，使聚集在火花塞附近的混合气最浓，先被点燃后迅速向外层推进燃烧，并有较高的压缩比。
一、汽车发动机直喷稀燃技术
1．汽车发动机直喷稀燃技术的概念
FSI是FuelStratifiedInjection的缩写。
意指燃油分层喷射，是直喷式汽油发动机领域的一项创新的革命性技术。
FSI技术是指改变传统的汽油机通过从进气管中将燃油与空气混合的燃油供给系统的供油方式，而采用像柴油机一样的，通过喷油器直接将汽油往气缸内喷射的供油方式。
分层燃烧的真正目的是可以实现较稀混合气的点燃，而设计缸内直喷的主要目的则是为了实现稀薄燃烧，缸内直喷技术伴随着稀燃技术是相辅相成、密不可分的。
而发动机的稀薄燃烧技术就是为了让气缸内的混合气更加充分的燃烧，使尽可能多的热能转变为机械能，提高热效率，达到减低油耗和排放的目的。
2.汽车发动机直喷稀燃技术的关键
为了实现稀薄燃烧，技术上必须做到：
（1）高能点火，高能点火有利于火核形成，燃烧速度增快，稀燃极限大，稀燃发动机采用特殊的火花塞设计以达到上述目的。
（2）最优点火提前角控制，易于实现分层燃烧。
（3）喷射的最佳时刻与时间的控制，使得本来不易点燃的稀薄混合气在气缸以点带面点火方式迅速波及开来
（4）提高了压缩比，需采用紧凑型燃烧室设计，火焰传播距离缩短。
（5）组织空气运动，通过进气口位置改进使缸内形成较强的空气运动旋流，提高气流速度，实现分层。
3．汽车发动机直喷稀燃技术的工作原理
采用直喷稀燃技术的发动机是利用一个高压泵，使汽油通过一个分流轨道（共轨）到达电磁控制的喷油器。
在进气道中产生可变涡流，使得进气流以最佳的涡流形态进入燃烧室内，以分层填充的方式推动，使较浓的气体聚集于火花塞的周围，正常情况下，如此稀薄的气体时不可能被点燃的，故采用以中间点火带动周围点火的使整个气缸燃烧的方式，浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层,
4．汽车发动机直喷稀燃技术特点
（1）汽车发动机直喷稀燃技术的优点
采用燃油直喷稀燃技术的发动机,发动机能够在火花塞点火之前把汽油以较高的压力直接喷射到燃烧室，同时在ECU的精确控制下，使混合气体能够实现分层燃烧。
这种技术可以让靠近火花塞周围的混合气相对较浓，远离火花塞周围的混合气相对较稀，从而更有效的实现“稀薄”点火和分层燃烧。
并且由于不用加热进气就可以使汽油得到充分挥发而提高了进气充量,减小了进气气阻。
采用缸内直喷技术的汽油机的过量空气系数可以调节稀薄的状态，从而能够将内燃机的热效率提高20％。
而不会对发动机性能造成负面的影响。
采用直喷技术后，燃油以细微滴状的薄雾方式进入汽缸，而不是以蒸汽的方式。
这也就意味着当燃油雾滴吸收热量变为可燃蒸汽时，实际上对发动机的汽缸起到了冷却的作用，另外比原有的进气道式汽油发动机获得了更多的进气量，使缸内气体燃烧的更为彻底，减少了大量由于燃烧不充分形成的有害气体，从而保护了环境。
（2）汽车发动机直喷稀燃技术的缺点
FSI同时也要面临PFI（PortFuelInjection的缩写，意指进气口燃油喷射）所没有的困难。
如在要求的工作范围内如何对分层燃烧进行有效的控制；
确定怎样的喷油控制策略来保证较好的负荷切换，以适应于FSI发动机的喷油器设计，解决小负荷时HC排放过高，大负荷时NOx排放过高并有碳烟形成，及由于汽油自润滑性差导致的燃油喷射系统和缸壁磨损等，这些是FSI开发中常遇到的困难。
此外，原有的三效催化转化器不适用于FSI，需要开发专用的稀燃NOx催化转化器。
二、直喷稀燃的两种方法
直喷发动机的设计方法是在火花塞附近提供浓混合气以保证可靠的点火，而以后的大部分反应过程都在稀混合气中进行。
尽管混合气很稀，在以前均质的发动机理论中很容易造成燃烧中断，但在非均质的浓混合气已形成的火球会推动燃烧在稀混合气中进行。
一种很有效但较复杂的方法是把燃烧室分成主室和副室两个区域，向装有火花塞的副室一直喷入浓混合气，主室喷入稀混合气和浓混合气交替的混合气。
这种方案的优点是副室的浓混合气能确保可靠的点火。
主室的稀混合气在整个燃烧室中占了主要地位，但仍然由于在整个燃烧过程中为使NOx的催化器的再生得以实现，主室的混合气浓度是变化的，要么很浓，要么特别稀，因此这种方法能显著地减少NOx排放。
但是，这样的两燃烧室发动机与传统的一体燃烧室相比，其燃烧室表面积较大，因此未燃碳氢化合物排放较高。
另一种方法是直接把汽油喷进燃烧室，在火花塞附近形成一个浓混合气区，周围较远的地区形成稀混合气区，造成混合气分层，从总体看在燃烧室中的混合气是稀的。
这种直接喷射也有一些明显的缺点，如输出功率低、设计复杂等。
现在使气流以一种精确计算的“涡流模式”进入燃烧室也有可能达到一定程度的进气分层，这种“分层效应”目前还不是很清楚，而且难于控制，导致发动机瞬时扭矩变化非常大。
对于汽油机来说，缸内直接喷射形成的高压雾化混合气相对于传统的缸外喷射发动机可减少大约20%燃油消耗，对减少二氧化碳的排放也会有很大作用。
为了发挥缸内直喷的优异性能，有必要精确确定部分负荷时的分层充量形成过程和全负荷（WOT）时均匀混合气的形成过程，以及它们之间的转换。
到目前为止，执行上述直喷稀燃喷射方式的装置中仍存在有问题，未来可以通过下述方法解决:
1.分层稀燃运行时，发动机功率的控制可以靠现代先进发动机管理技术来解决
现代发动机管理系统可做到:
精确计量所需的喷油量;
形成所需的喷油压力;
确定正确的喷油时刻;
精确地、直接地将汽油喷入到发动机燃烧室内。
发动机管理系统还必须协调对发动机提出的转矩要求，对发动机做必要的控制。
发动机指示转矩是重要的系统参数。
转矩控制结构可以细分为三个部分:
转矩需求、转矩协调和转矩执行。
（1）转矩需求
最重要的转矩需求是由驾驶者踩加速踏板输入的。
发动机管理系统根据加速踏板的位置，来识别驾驶者对发动机输出转矩的希望。
此外，转矩需求还可能来自变速器换挡控制器位置确定的模式、牵引控制系统（TCS或ASR）和电子车辆稳定系统（ESP）、巡航控制、发动机的反拖控制、发动机的转速控制、车辆行驶速度限制、启动控制、怠速控制、催化器预热控制和发动机零部件保护控制共11项。
（2）转矩协调
转矩协调是在转矩需求确定后，判断是否对其进行“发动机瞬时损失扭矩修正”。
“发动机瞬时损失扭矩”是指如打空调、打方向盘、打大灯、挂挡等，转矩协调是发动机管理系统确定转矩需求的最后一关。
经过转矩协调后输出发动机控制扭矩。
（3）扭矩执行
发动机控制扭矩的三种方法:
①电脑通过电子节气门控制进气量，从而确定喷油量，最终确定混合气量。
②电脑通过控制喷油器的喷油时间，控制喷油量。
这个过程需要一个必须是宽带型的氧传感器反馈空燃比。
③电脑通过改变点火提前角来控制扭矩。
2.稀燃期间NOx的处理可以靠先进催化转换工程技术来解决
现在的发动机管理系统是按满足欧Ⅲ标准设计的，更为严格的欧Ⅳ标准将会实施。
目前，直喷稀燃发动机实现批量生产的关键，在于对NOx处理的催化转化工程技术的开发。
分层充气时，会生成大量的NOx，借助提高废气再循环率可达到减少废气中的NOx约70%的含量。
对余下的30%NOx不作处理是不能满足废气控制法规的。
三元催化转化器（TWC）不能减少稀薄的废气中的NOx，只能用新型的针对NOx的一元催化转换器。
减少废气中NOx含量的方法是采用NOx吸藏型催化转化器。
利用稀薄废气中的氧气，它能将氮氧化物以硝酸盐的形式储存在催化转化器的表面，当转化能力耗尽时，催化转化器前部的宽带型氧传感器和后部的窄带型氧传感器会对转换器的转换能力是否达到极限作出判断，电脑暂时地切换到加浓的均匀充量工况，硝酸盐与加浓时生成的CO结合还原成氮气，从而完成催化转换器的再生。
这种浓稀混合气的切换是在不导致汽车动力突变的情况下进行的。
现阶段，部分地区的汽油中的硫含量超标严重，导致这种催化器失效。
所以在使用这种催化转化器之前，应先减少汽油中的硫含量。
我们说上述两个问题可以解决，但事实上“直喷稀燃发动机”还未批量生产，不过“直喷发动机”已经在我国生产。
“直喷发动机”控制元件与“直喷稀燃发动机”几乎相同，但电脑内管理系统和缸外喷射的管理系统相差不多，催化器仍然是三元催化器。
三、设计和构造
高压喷射系统设计成可在任意时间由电磁控制的高压喷油器直接喷入缸内。
在缸外喷射中油压是由压力调节器调节，但在缸内喷射中压力是由电脑控制的压力控制阀控制。
与缸外喷射相比，缸内喷射ECU为了触发压力控制阀而增加了额外的执行器，即压力控制电磁阀。
为了保证压力控制阀调节正确，在高压油导轨上又加了高压传感器，所以相对缸外喷射又多了压力传感器。
事实上在缸内喷射系统中，不仅加高压传感器，在低压管路，也要加低压传感器。
吸入的空气量可由电子控制节气门（ETC=electronicthrottlecontrol）自由调整。
热线式空气质量流量计用来精确测量进气量。
混合气空燃比的正确性是由通用LSU和LSF（宽带型氧传感器和后部的窄带型氧传感器）型氧传感器监测。
这两个传感器分别安装在催化转化器前部和后部的废气流中。
这些装置不仅适用于λ=1运行时的闭环控制，也适用于稀燃运行的控制和催化触媒再生。
废气再循环率的精确调整是很重要的，特别是在过渡工况时，因此必须安装压力传感器，以测量进气管压力。
四、运行方式
1.燃油供给和燃油喷射
（1）低压油路
低压油路位于系统油箱的一侧。
它由电子燃油泵及与之并联的压力调节器组成，并产生0.35MPa的压力。
通过该油路将燃油供给发动机驱动的高压泵。
（2）高压油路
①高压泵
该泵有如下功能:
将油压从0.35MPa升高到12MPa;
使油轨的压力波动最小;
防止燃油和发动机的润滑油混合在一起。
②蓄压器/油轨
蓄压器/油轨必须有足够的弹性来对付喷油形成的周期压力脉动及高压泵泵油压力脉动所同步产生的压力波冲击。
另外它必须有足够的刚度，以便油轨压力对发动机的燃油要求能快速做出反应，所以油轨的弹性是根据燃油的压缩性能和油轨容积来选定的。
油轨压力由压力传感器测定。
③压力传感器
压力传感器识别油轨的压力。
④压力控制阀
压力控制阀的任务是在发动机全部工况范围内，根据其脉谱图来调整主压力。
主压力不受喷油量和油泵输送量的影响。
压力控制阀下游的过量燃油是由负荷状态决定的。
它不返回油箱，而是回到高压泵进口。
这样可避免油箱中的燃油被加热和油箱的活性炭罐清洁系统过载。
⑤喷油器
它与喷射方式有关，并且必须能满足安装环境、极短的喷射持续期和高度线性等严格要求。
喷油起始点和喷油量均由喷射阀触发信号确定。
（3）混合气的形成和点火
要充分发挥汽油直喷的优越性，需要极其复杂的发动机管理系统。
以下是两种基本工作状况之间的不同之处。
①低负荷范围
在低负荷范围，为了使油耗最低，发动机是在气缸进气高度分层和高稀薄混合气的条件下运行。
在火花塞点火前，通过延迟燃油喷射，燃烧室分成两个区。
第一区是火花塞周围的高易燃性混合气团;
第二区是包裹高易燃性混合气团的新鲜空气和残余废气隔离层。
燃烧室壁的空气隔离层使传热损失减少，提高了热效率。
②高负荷范围
随着发动机负荷的增加，分层进气的喷油量会增加，造成火花塞附近局部混合气变浓，这将导致废气的数值恶化，特别是废气的烟度。
因此在大负荷范围内发动机以气缸内均匀混合气状态工作，不再加浓。
基本上沿用进气管喷射控制方法实现。
空燃比协调控制使空燃比在14.7和稀燃工况之间。
为了提高燃油和空气的混合效果，燃油在进气过程中就已被喷入。
与现在普遍使用的进气管喷射类似，吸入的空气量也是根据驾驶者的转矩要求由节气门来进行调整。
喷油量则根据空气质量流量计得到，并由氧传感器的闭环控制来进行修正。
这样燃油喷射系统必须能自由选择喷油时刻。
低负荷范围喷油时刻和高负荷范围喷油时刻相差很大。
本来是进气程喷油，但低负荷范围进气程喷油到压缩行程就不能保持分层燃烧，所以喷油要推迟至压缩行程，接近点火，甚至点火同时在喷油，喷油时间可延续至活塞做功下行。
高负荷范围喷油时刻仍在进气行程。
③负荷范围变换
为了满足负荷与喷射时刻一致，喷射时刻在压缩行程的迟滞点和进气行程的提前点之间变化，跨越很大。
为了控制低负荷范围和高负荷范围内的进气量，进气空气质量的调整必须独立于加速踏板位移的变化，这样节气门必须是电子节气门。
在均匀充量和分层充量之间的变化过程中，受控制的喷油量、进气量和点火提前角是决定因素，也是可控因素，以便使发动机输入到变速器的转矩保持恒定。
“转矩控制”意味着电子节气门的控制功能比缸外喷射电子节气门的控制功能复杂。
当进气管压力（负荷）下降时，空燃比值也随着改变。
在变换期间，两个空燃比极值非常关键:
在分层充量时，为避免烟度增大，较低的空燃比限值约为22，过量空气系数约为1.5。
在分层进气燃烧时，空燃比限值为22，表面混合气很稀，但火花塞附近很浓。
在均匀充量时，由于发动机稀燃能力的限制，较高的空燃比限值约为19，过量空气系数约为1.3。
表面混合气变浓，但火花塞附近和气缸内混合气浓度相同，相对分层充量时火花塞附近的混合气是稀混合气。
由于稀薄燃烧会在两个不相邻的空燃比22和19之间切换，转换是阶跃的，因此，在转换时刻，有必要通过猛增喷油量，跳过被禁止的空燃比范围（19<
空燃比<
22）。
因此分层充量在向均匀充量的过渡时，为防止转矩突变，要通过暂时地延迟点火角来减小转矩。
从均匀充量到分层充量的转换顺序是按相反顺序发生的，即从小功率向大功率过渡时是分层充量向均匀充量的过渡。
【任务实施】
分组组织学生参观各种缸内直喷发动机缸内直喷稀燃发动机。
任务2国内投入批量生产的直喷发动机
目前缸内直喷汽油机的主要应用有：
大众和奥迪的FSI发动机-FuelStratifiedInjection
通用的SIDI发动机-SparkIgnitionDirectInjection
奔驰的CGI-Stratified-ChargedGasolineInjection
三菱的GDI发动机-GasolineDirectInjection
宝马的HPI发动机-HighPrecisionInjection
这些缸内直喷发动机你见过没有？
它的组成和原理是什么？
一、汽油发动机缸内直喷技术发展
为了提高汽油发动机的热效率，汽车工业在20世纪50年代开始尝试制作缸内直喷点燃式发动机即直喷汽油机，但是由于受到技术，成本和稳定性的制约，再加上20世纪70年代末出现的进气道喷射电控汽油发电机技术的日益成熟，导致直喷汽油机一直没有被广泛应用。
20世纪90年代，汽油喷射系统的新技术——共轨高压喷油以及与其匹配的喷油器的应用，使得直喷汽油机重新得到重视和开发
21世纪初，随着节能环保的法规日益严格，发动机朝着减小排量、轻量化，拥有优秀的燃油积极性的方向发展，于此同时可变气门正时，废气涡轮增压的技术的成熟，结合缸内直喷技术的汽油发动机逐步成为经济环保而又不失驾驶乐趣，最具有发展前途的发动机技术。
如今汽油发动机缸内直喷技术已经进入实用化阶段。
生活中我们会在汽车的尾部后备箱上看见FSI、GDI以及CGI的标志，这就表明它是一款装配了直喷发动机的汽车
二、缸内直接喷射燃油供给系统的组成及作用
缸内喷射燃油供给系统燃油供给系统分为两个系统：
低压系统和高压系统。
下面是2005年C6A6AudiA6L3.2L-V6-FSI-发动机及C6A6AudiA6L2.0T-直4-FSI-发动机的组成。
为了满足排放，此种直接喷射发动机只是均质发动机，不是真正的直喷稀燃发动机，直喷稀燃被大众取消的变成均质混合气的原因，主要是排放不能满足要求。
但这可能是未来发动机的发展方向，必竟它是可实际应用的发动机。
图9-2-1C6A6AudiA6L3.2L-V6-FSI-发动机，图9-2-3C6A6AudiA6L3.2L-V6-FSI-发动机实物图
图9-2-1C6A6AudiA6L3.2L-V6-FSI-发动机
图9-2-2C6A6AudiA6L3.2L-V6-FSI-发动机实物图
图9-2-3C6A6AudiA6L2.0T-直4-FSI-发动机
三、低压系统元件作用
低压系统是一种动态调节系统，从发动机控制单元输出的PWM信号控制功率电气装置，功率电气装置也通过输出PWM（pulsewidthmodulation脉冲宽度调制）信号来调节电动燃油泵的转速。
本系统没有燃油回油管。
低压传感器N410用来监控不同压力的保持状况。
在下述工况时，预供油压力必须保持在2bar。
1．在发动机停机时（电动燃油泵继续运行）
2．发动机起动前（电动燃油泵预运行）
3．当点火开关接通或司机车门接触开关接通
4．在发动机起动过程中以及发动机起动后的5秒之内
5．在热起动以及热机运行时，时间取决于发动机温度（时间小于5秒），以防止产生气泡。
如果更换了燃油泵控制单元或发动机控制单元，必须通过VAS5051故障导航进行匹配（低压传感器G410、卸荷阀、4-6缸导轨上高压压力传感器G247）。
本系统的优点
1．电动燃油泵消耗的功率很低，因此可节省能量
2．只是需要燃油量时才有压缩，燃油吸收的热量非常少。
3．提高了电动燃油泵的使用寿命
4．在怠速时，降低了噪音
5．可以通过高低压传感器对低压系统和高压系统的阻尼器进行自诊断。
四、高压系统
高压系统由下述部件组成：
高压燃油分配板，该板集成在进气歧管法兰上，带有压力传感器和压力限制阀、高压燃油喷油泵、高压燃油管、高压喷油器、单活塞高压泵。
单活塞高压泵生产厂家是日立（Hitachi）公司。
该泵位于右侧缸体的进气凸轮轴端部，由一个三角形凸轮驱动。
该泵可产生30-120bar的燃油压力，油量控制阀N290根据规定值的大小来调节这个压力。
燃油高压压力传感器G247（燃油导轨上）可监控该压力的大小。
该泵内集成有燃油低压传感器G410。
该高压泵只将发动机控制单元内存储的特性曲线所规定的燃油量送入高压油轨。
与连续供油的高压泵相比，本系统的优点是减少了消耗在泵油时的燃油量。
该泵没有泄油管，本系统是一个根据需要由油量控制阀N290来进行调节的高压泵。
它在其内部就将受控的燃油耗的驱动功率降低了，只是输送实际需要的燃油量。
1．单活塞高压泵和油量控制阀N290的作原理
（1）吸气冲程
图9-2-4，电脑控制油量控制阀N290断电，油量控制阀N290油量控制阀将低压阀保持在打开位置。
凸轮的形状和活塞弹簧力使得泵活塞向下运动。
泵内的空间加大，燃油流入。
图9-2-4吸气冲程
（2）做功冲程
图9-2-5，三角形凸轮转动刻服弹簧力使得泵柱塞向上运动，这时为防止低压进油阀关闭，电脑控制油量控制阀N290保持断电打开状态，这时还无法建立起压力。
图9-2-5作功冲程
（3）压缩冲程
图9-2-6，发动机控制单元向油量控制阀N290通电，油量控制阀N290顶针被吸引向右移动。
泵内的压力油将低压进油阀压入其座内。
如果泵内压力超过油轨内的压力，高压单向阀就会被推开，燃油就会进入油轨。
图9-2-6压缩冲程
（4）高压喷油器
高压喷油器与高压泵一样，也是由日立公司生产的。
喷油器的任务就是在精确的时刻将精确的燃油量喷入燃烧室。
喷油器的电控由发动机控制单元来完成，工作电压约为65V。
喷射出的燃油量由阀开启时间和燃油压力来决定。
喷油器与燃烧室之间由一个聚四氟乙烯密封圈来密封，每次拆卸后必须用专用工具更换该密封圈。
图9-2-7为高压喷油器结构，高压喷油器的内部结构特别是衔铁内的结构没有必要了解，知道通电开启喷油即可。
图9-2-7高压喷油器结构
五、大众和奥迪的FSI发动机的工作原理
FSI是FuelStratifiedInjection的缩写，中文意思是燃料分层喷射技术，
1．FSI发动机的燃烧控制模式
FSI代表着今后引擎的一个发展方向。
燃油分层喷射技术是发动机稀燃技术的一种。
（1）分层燃烧模式
进气过程中的关键是进气歧管中安置一
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