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项目9直喷发动机和直喷稀燃发动机知识目标1．了解缸内直喷发动机的组成、优点。2．掌握均质燃烧和非均质燃烧的区别。3．了解直喷发动机和直喷稀燃发动机的应用。技能目标1．掌握常用检测仪器和检测设备的使用方法。2．能够按照常规的检测方法和检测步骤进行正确操作。【项目描述】汽车发动机直喷稀燃技术，采用该项技术的发动机具有高节能、高效率、低排放的优点，已成为现在车用汽油发动机一个十分重要的发展方向。本项目首先介绍了汽车发动机直喷稀燃技术的简单概念及其优点和缺点。在与普通的进气道喷射发动机比较的基础上，研究了运用了直喷稀燃技术发动机简单工作原理，重点阐述了直喷稀燃技术在奥迪A8为代表FSI车型的应用情况，指出了空气供给系统和燃油供给系统，排放系统方面的主要变化，以及对这些部分的控制，并分析了该发动机对尾气的特殊净化技术，简单的介绍了国内外该技术的应用情况，直喷稀燃技术有很大的发展潜力，将得到更大发展并将取代现有的进气道式喷射技术。任务1直喷稀燃发动机理论【情境导入】一辆2011年产途观2.0TSI，行驶里程500km。用户反映该车发动机故障警告灯亮。检查分析：维修人员用故障诊断仪读取发动机控制单元的故障码，故障码显示“气缸列1进气翻板不能关闭，偶发”。故障码可删除。删除故障码后试车，不久同样的故障码再次出现，但故障灯暂时未点亮。更换气缸列1进气翻板的真空单元，故障排除。缸内直喷发动机的结构和原理是什么？有什么性能呢？【理论引导】缸内燃油喷射发动机分为直喷均质发动机和直喷稀燃发动机两种。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=electronicthrott