缸内直喷式汽油机工作讲解.ppt

缸内直喷式汽油机（GDI ） 工作原理 • 随着近些年油价的不断飙升，汽车日常使用 中的油耗问题也愈发突出，对于家用经济型轿车 来说更是如此，各大汽车生产厂也是在油耗上大 做文章 • 现在，以丰田、本田、日产为主的日系车在油耗 表现上更是让欧美的各大汽车生产厂自愧不如 为了回应日系车的强大攻势，欧美的各汽车厂商 也纷纷深挖自己的发动机的潜能，采用新技术最 大限度的为车主节省在燃油上的支出 • • 在这一方面，德国 大众率先做出了表 率，大众公司对自 己旗下的新车型所 配用的发动机开始 采用FSI燃油缸内 直喷技术，保时捷 、奥迪、大众、斯 柯达的新车均采用 了这一技术 大众研发燃油缸内直喷技术意义 • 实际上，汽油缸内直喷技术源于柴油发动机的喷油技术， 为了能使汽油发动机能像柴油发动机那样具备较高的燃烧 效率，使燃油燃烧更充分，从而达到尽可能的节省燃油的 目的 • 汽油缸内直喷技术是实现汽油在气缸内分层燃烧的一种特 有技术，而汽油分层燃烧又是实现汽油稀薄燃烧的手段 • 所谓稀薄燃烧就是让发动机运转时的空燃比低于理论空燃 比，采用较少的燃油量，使燃油充分燃烧，并将废气中的 可燃气体也进行燃烧，将其转化为热能，降低尾气中有毒 气体的排放，提高发动机的燃烧效率，达到节省燃油的目 的。

大众集团为了使其发动机做到稀薄燃烧，实现分层燃 烧的技术要求，达到节省燃油降低有害气排放的目的，因 此采用了燃油缸内直喷技术 • 大众集团旗下各大汽车品牌现在均采用了FSI发动 机，在国内的合资品牌上，奥迪的A4和A6、大众 的迈腾、高尔夫、斯柯达的明锐也都采用了具备 FSI燃油缸内直喷技术的发动机 • 在大众集团的品牌优势和前期的宣传推广的影响 下，人们都会认为燃油缸内直喷技术是大众最先 发明的 • 其实不然，最早使用这一技术的并非大众的FSI发 动机，而是日本三菱的GDI发动机作为现在主 流的两大燃油直喷技术的代表，FSI发动机和GDI 发动机在国内的命运却是截然不同 我国上海大众和一 汽大众已引进生产 了“斯克达-明锐”（ SKODA-Octavia- 1.8T-FSI）和“迈腾” （Magotan-1.8T-FSI ）缸内直喷式汽油 机乘用车，己经投 入市场 缸内直喷式汽油机，简称：GDI系统（ Gasoline Direct Injection）；又因为燃油是 分层燃烧，又称：FSI系统（Fuel Stratified Injection） 传统式的电喷汽油机，是将汽油 喷射在进气门外侧的进气歧管中，在进气过程 和压缩过程中，利用时间和空间的混合方式， 完成可燃混合气的形成，再点火燃烧作功。

• 这样，燃油在气缸内 滞留时间过长（接近 360ο曲轴转角），燃 油的粘结损耗较大， 加速响应性低，极易 产生“爆燃”，气缸磨 损加大能否和柴油 机一样，在压缩终了 ，往缸内直接喷射燃 油，迅速混合点火燃 烧，这只是人们多少 年来的一个梦想 一、电控汽油喷射系统的 变化： 1、三菱汽车公司和丰田汽车公司 ，在上个世纪的九十年代，即研发 出“高灵敏度、高压缩比、超稀薄 混合气”的缸内直喷式汽油机，有 四缸机和六缸机两个机型压缩比 可达12~13：1，实现了“低油耗、 低污染、高功率”的梦想我国由 于各种不同观念和因素的束缚，没 有实现跨越时代的变革，得到推广 普及 2、它抛弃了传统的利用空间和时间的混合方式，采用缸 内强涡流运动混合方式，在压缩冲程的后期，和柴油机一 样，直接向缸内喷射燃油，实现“质的调节”，它对燃油的 质量要求不高，摆脱了汽油质量对压缩比提高的制约相 继点火后，实现分层燃烧，利用A/F=30~40：1的超稀薄 混合气稳定燃烧，极大的改善了汽油机的动力性、经济性 、净化性 3、故又称：“超越柴 油机的低油耗、低污 染、高功率”汽油机， 虽压缩比较高（ 12~13：1），但不易 爆燃，并对汽油质量 的好坏要求不高，这 一特点是传统汽油机 所不及的优势。

4、随着汽车保有量和排放污染物的骤增，能源危机和 社会公害己成为现实，随着社会环保法规要求的提升， 缸内直喷式汽油机将成为今后普及推广的方向 二、缸内直喷式汽油机的主要结构： 缸内直喷式汽油机，是在传统的电控喷射系统的基础 上，改进研发的在其他结构方面无过多的变化，只 是在可燃混合气的形成方法上和燃烧过程方面发生了 概念性的变革为此，仅就三菱车系GDI系统的主要 结构介绍如下： 1、轨道压力传感器为ECU提供轨道压力的高低， 当压力达5Mpa时，ECU指令仃供电磁阀动作，推 开高压油泵的进油阀，使高压油泵仃止吸油而仃供 此时，低压油泵也同步仃止供油，维持规定的油 压 2、直立式进气管—产生下降大进气流，直接流 入气缸，流速快，可达40～50m/s，充气效果好与 传统的横向进气管相比，它的进气涡流方向是相反旋 转，喷油后能在火花塞处形成浓油雾区 3、顶面弯曲活塞—引导空气产生进气涡流和挤压高 速旋转涡流，以便形成理想地分层燃烧的可燃混合气旋 转涡流为“正向涡流”，与传统的“逆向涡流”方向相反，有 利于混合气按浓稀方式层状分布，进行分层燃烧 4、采用两级串联式供油泵—低压供油泵为电动 涡轮式，油压为0.35Mpa；高压供油泵为往复柱塞式， 由凸轮轴驱动，使燃油轨道的油压不断堆积，产生5～ 5.5Mpa的喷射油压，经喷油器高速喷入气缸，提高了 雾化质量，形成旋转的燃气涡流。

三角形凸轮驱动油泵柱塞吸油和压油，能快速平稳的 建立起油压，当轨道压力达规定值后，压力传感器信 号通过ECU使仃供电磁阀断电，将进油阀顶开，高压 供油泵即短暂仃止供油 5、高压旋流式喷油器—由ECU直接用脉冲电流的宽度 ，控制喷油量的多少，利用特殊的喷孔形状，向气缸内 喷出旋转的雾状燃油，与挤压涡流快速的混合，以便点 火燃烧它没有进气管沉积油膜的缺点，又因喷油压力 较高，喷油器的自洁功能高，不易产生脏堵故障 6、特别指出：喷油器是属于瞬时高电压和大电流“峰值保 持型”驱动方式（用100～110V和17～20A打开；又用限 流电阻以3～5A的电流，保持开启状态）又称为，强劲 、高频、量化控制方式喷油器可小型化，又缩短了“无 效喷射时间”，开启速度快，响应性好，计量准确为此 ，喷油器的检测方式，应使用专门的仪器（MVT-2诊断仪 ），以防触电和逆变电源过载 所谓“无效喷射时间”—是因为电磁线圈有一定的阻抗， 故开启时间较Tr管导通时间迟后，该时间无燃油喷出， 故针阀升起和座落与喷油脉冲宽度并不吻合，故而需要 改善 三、缸内直喷式汽油机的工作原理： 1、气缸内涡流的运动—在进气过程中，通过“直立式 进气管”，在气缸吸力的作用下，产生强大的下降气流 ，使充气效率得到提高。

又在“顶面弯曲活塞”的作用 下，形成比传统汽油机更强大的“滚动涡流”这个滚 动涡流，将压缩后期喷射出的旋转油雾，带到燃烧室 中央的火花塞附近，及时点火燃烧，这是一种革新手 段 2、高压旋转油雾的产生—高压旋转式喷油器，在压缩冲 程的后期（此时，缸内压力为0.6～1.5Mpa），以5Mpa 的高压喷射出旋转的油雾，卷入“滚动涡流”中，迅速吸热 汽化，以层状混合状态，被卷到火花塞附近此时，火花 塞附近为“高浓度”混合气，极易点燃，缸内的燃气呈“稀 包浓”状态（O2分子包围HC分子） ，在旋转中逐层的剥 离，并从内向外稳定地、彻底的分层燃烧 “稀包浓”的超稀薄的混合气，空燃比A/F可达30~40 ：1，与传统的汽油机相比，节油率可达40%，可使 排气中的CO、HC、NOx等有害物质大幅度降低它 与气缸壁间形成了绝热层，提高了热效率，使功率提 高，油耗降低 3、起动性能的提高： 因燃油为直接喷入气缸，无燃油的粘结损耗，又因火花 塞处为高浓度混合气，与传统的均质混合方式相比，起 动性能得到提高，发动机在1～2个循环，即可起爆运转 而传统的均质混合发动机，需要十几个循环，才能起 爆运转 4、中小负荷工况时的喷油特点： 乘用车在市内行驶占有的时间为75%～85%，多在 中、小负荷工况下工作，应在压缩行程后期喷油， 以经济超稀薄混合气成分为主，为分层燃烧方式。

5、大负荷工况时的喷油特点： 为了获得大负荷时的功率值（包括其他工况），应加浓 可燃混合气，以动力性为主，采用“两次喷油方式”第 一次是在进气行程，喷入适量燃油，形成均质燃烧混合 气，此为“补救功能”；此时，还可利用燃油的汽化热， 来降低进气温度，提高充气效率第二次是在压缩行程 的后期喷油，形成浓稀不均的层状混合气，再点火燃烧 因此，在大负荷工况时，一个工作循环中，喷油器发生 两次脉冲信号，脉冲宽度各不相同 “两次喷射”的功能，也可在起动工况、急加速工况出现 ，以调节空燃比A/F的大小，改善使用性能 • 视频 6、高压缩比的实现—汽油机高功率的输出： 一是，加大进气量； 二是，提高压缩比； 三是，控制燃烧过程 传统式的电控喷射系统，因燃油质量的制约，压缩比已难突破10 ：1的大关，还需要使用辛烷值97#的汽油而直喷式汽油机却能 突破这个界限值，使压缩比提高到12~13：1且对汽油的辛烷 值无过高要求究其原因如下： （1）因吸入的空气量大幅度增加，进气冷却效果较好因而，使 对“爆燃”的抑制作用也加大 （2）直接喷入气缸内的超稀薄混合气燃料的汽化热，可降低气 体温度和增大空气密度的目的，因而不易产生“爆燃” （3）再因“缸内直喷”本来就具有不易产生“爆燃”的特性 。

因在压缩冲程后期喷油，燃油在燃烧室内滞留时间极短 ，使大幅度的提高压缩比成为可能，12~13：1的高压缩 比成为现实 注—爆燃的产生，是燃油滞留在气缸内的时间较长， 己燃部分对未燃部分的挤压和辐射造成的，即未燃部分产 生大量的极不稳的“过氧化物”，不等火焰传到，自行不正 常的急速燃烧可见，直喷式的汽油机只能对点火早晚敏 感，不存在“过氧化物”这个问题 7、高压缩比和高速涡流及涡流分层高效率燃烧的结果， 即：进气涡流、压缩涡流、燃烧涡流的综合效果，与传统 的电喷汽油机相比，输出的功率和输出扭矩提高了10% 8、因为采用超稀薄混合气分层燃烧，使有害的NOx生成 量加大，故来采用“存储式两级三元催化器”净化方式，使 尾气在催化器中有较长的滞留时间（2s），从而使尾气中 的CO、HC、NOx成分转化还原为CO2、H20、N2无害气 体，并加装温度传感器监控 再者，在中小负荷工况，使EGR系统投入工作，并采 用较大的EGR率（传统式电喷系统为5%～15%，而 GDI系统为20%），并采用专门的双级存储式的三元 催化器TWC，进行废气净化处理 9、如果增装废气涡轮增压系统（如：奥迪A6L-2.0T- FSI乘用车），充气效率将进一步提高，空气密度加 大，氧含量提高，燃烧条件进一步改善，动力性、经 济性和净化性将明显提高。

四、三菱车系的两种汽油 机型的速度特性比较— 汽油机的速度特性，是在一定的 节气门开度下，功率Pe、扭矩 Me、油耗ge等参数，随转速变化 的规律，它是衡量汽油机动力性 、经济性好坏的重要指标 注—扭矩曲线呈二次弯曲状，是 可变配气相位机构投入工作造成 的结果 五、三菱车系的两种汽油机型主要结构差 异比较： 应该说明：三菱车系GDI发动机的结构特 点，除上述内容外，尚有如下特点： （1）多采用卡门涡流式空气流量计，对进入的空气量 计量检测 （2）采用电机驱动的智能型节气门体，装有双电位 器的加速踏板传感器（APS-1和2）和双电位器节气门 位置传感器（TPS-1和2），提高了综合控制功能，简 化了各控制系统的结构 （3）采用了VTEC电控可变配气相位与升程的配气机 构，使汽车的动力性、经济性、净化性得到大幅度的 提高 （4）其他控制系统与传统的电控喷油系统，包括各 种传感器，无大的结构差异，极易使汽油机结构快速 转型更新（缸盖、活塞、进气管），推广普及使用 六、三菱车系4G6—GDI发动机故障代。