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1•传统的汽油机(包括化油器式和大部分进气道喷射汽油机)，一般在空燃比A/F=12.6～17范围内工作，其混合气是均质的。所谓稀薄燃烧汽油机是一个范围很广的概念，只要A/F〉17，就可以称为稀薄燃烧汽油机。首页返回章返回节2•稀燃汽油机分为两类，一类是非直喷式汽油机，包括化油器式和进气管喷射式汽油机，即使采取一些特殊技术措施，一般只能在A/F25的范围内工作。而另一类是缸内直喷式汽油机，可在A/F=25~50范围内稳定工作。首页返回章返回节3•一、缸内直接喷射技术•缸内直接喷射技术是指将喷油器植入气缸内,利用发动机电控系统经过计算分析精确控制喷射量,通过高压将汽油喷入燃烧室,使缸内燃油与空气接近理想的混合状态,并由火花塞点燃实现充分燃烧,从而提高发动机的动力性和燃油经济性,同时将有害气体排放降到最低水平。4•1.采用缸内直接喷射技术的优势•(1)节省燃油–现代发动机技术的趋势之一就是节约燃料,而缸内直喷技术可以大大提升燃油的雾化程度及其与空气混合的效率。采用缸内直喷技术的车型燃油消耗水平可下降20%以上。•(2)减少废气排放–缸内直喷发动机的高压燃油泵能提供高达12MPa的压力,确保燃料充分燃烧,最大程度地减少废气中的有害污染物,保护环境。5•(3)提升动力性能–由于燃料的混合更充分,燃烧更彻底,使燃料转化为动能的效率提升,直接推动了发动机动力性能的提高,同排量下,最大功率可提高15%。•(4)减少发动机振动–由于缸内直喷技术燃烧稀混合气,缸内爆燃情况大大减少,高压缩比对降低发动机低速下的振动也有明显的效果。6•(5)喷油量的准确度提升–缸内直喷技术的关键就是电控系统的精确控制。由于电控系统会感知发动机缸内的实际工作情况,并在瞬间完成对喷油量、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,更对发动机寿命的延长起到积极的作用。燃油被直接喷射于气缸内并迅速转化为能量,大大降低了传统发动机燃油依附于进气歧管而带来的积炭等损害。7•2.缸内直接喷射与传统燃油喷射汽油机的区别•传统的燃油喷射汽油发动机将汽油喷入进气歧管。雾化的汽油在进气歧管内开始与空气混合,然后再进入到气缸中燃烧。8•缸内直接喷射汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技术,通过一个高压燃油泵提供10MPa以上的压力,将汽油提供给位于气缸内的喷油器。然后通过电控单元控制喷油器将燃料在最恰当的时间直接喷入燃烧室,燃烧室内较强的涡流使空气和汽油充分混合，使火花塞周围区域能有较浓的混合气,周边区域有较稀的混合气,保证了顺利点火并能实现稀薄燃烧。9•3.缸内直接喷射技术的问题•缸内直接喷射技术存在的一个主要问题是废气后续处理。在分层充气模式和均质稀薄充气模式中,传统的闭环三元催化转化器不能快速地将燃烧过程中产生的氮氧化物转换成氮气。–开发了氮氧化物存储式催化转化器后,才使得排放废气符合欧Ⅳ废气排放标准。在该系统中,氮氧化物被暂时地储存在转换器中,然后系统性地转换成氮气。•另一个问题是汽油中的硫成分。由于硫酸的化学特性与氮氧化物的类似,所以硫也同样会被储存在氮氧化物存储式催化转化器内,并且占用了应当存储氮氧化物的空间。汽油中硫的含量越高,存储式催化转化器的再生就越频繁,因此就要消耗额外的汽油。10•二、缸内直接喷射技术的发展•1.燃油供给系统–缸内直接喷射汽油发动机燃油供给系统,采用了精度高、响应快的柔性电控手段。•2.喷射系统–采用内开式旋流喷油器，可通过涡流比的选择实现较好的喷雾形态和合适的贯穿度，且喷束方向便于调整。11•3.喷射模式•分为单阶段喷射模式和多阶段喷射模式。–单阶段喷射模式是指在中小负荷时，燃油在压缩行程后期喷入，实现混合气分层稀燃。在大负荷和全负荷时，燃油在进气行程中喷入气缸，实现均质燃烧。–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。可实现中小负荷到大负荷的平稳过渡，降低缸内的温度，抑制爆燃的产生。12•4.燃烧系统•按照喷油器和火花塞的相对位置和混合气的组织形式有三种类型。•（1）壁面引导法–喷油器和火花塞相隔较远，喷油器把燃油喷入活塞凹坑中，依靠进气气流的惯性将油气混合并送往火花塞。喷油器一般安装在进气门侧，活塞凹坑开口对向进气门侧，油气混合后直接流向火花塞。混合气形成时间较长，易于形成较大区域的可燃混合气。13•（2）气流引导法–特殊形状的进气道与喷油器呈一定的夹角，给混合气一定的回旋力，利用活塞表面的特殊形状形成缸内气流，使油气不直接喷向火花塞，而是在气缸内形成涡流围绕火花塞旋转。•（3）喷束引导法–喷油器在燃烧室中央，火花塞在喷油器附近，依靠油束的贯穿深度来保证空气的利用率。14•5.缸内空气流动•涡流–旋转轴线平行于气缸中心线。•滚流–旋转轴线垂直于气缸中心线。•挤流–形成于压缩行程上止点时与缸盖间隙处的径向气体运动。15•三、缸内直接喷射技术的实际应用•1.三菱缸内汽油直接喷射GDI–三菱1.8L顶置双凸轮轴16气门4G93型GDI(GasolineDirect-Injection)发动机自1996年首次推出之后得到了广泛的应用,迄今为止三菱汽车公司共生产了一百多万台GDI发动机。–GDI发动机采用壁面引导燃烧方法和两次喷射,采用了立式吸气口、弯曲顶面活塞、高压旋转喷油器等三种技术手段。16•(1)立式吸气口–立式吸气口代替了传统的横向吸气口,通过来自上方的强大下降气流,形成与以往发动机相反的缸内空气流动——纵向涡流转流。•(2)弯曲顶面活塞–GDI发动机活塞的顶部一半是球形,另一半是壁面。活塞顶面的凸起部分像屋顶,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的压缩比可达到12。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。•(3)高压旋转喷油器–通过高压旋转喷油器喷射出雾状汽油,在压缩行程后期的点火前夕,被气体的纵涡流融合成球状雾化体,形成一种以火花塞为中心,由浓到稀的层状混合气状态。17•GDI发动机的喷油过程共分两个阶段•1)辅喷油阶段:在进气行程时,发动机进行一次喷油,是辅喷油。–喷油的数量不大,喷油的主要目的也不是为了点火燃烧。这部分少量的汽油汽化挥发,吸收热量,能降低气缸内的温度。使气缸内可以容纳的气体密度增大。所以这次喷油的结果是给气缸降温的同时,还可以提高进气密度,让更多的空气进入到气缸,而且能确保汽油跟空气均匀的混合。18•2)喷油阶段:当活塞即将达到发动机压缩行程的上止点时,在火花塞点火之前,一定量的汽油再次被喷出,这次喷射被称为主喷油。–此时,活塞的凹面会使混合气在火花塞周围形成一个浓度较高的区域,这种相对较浓的混合气能被火花塞顺利点燃,而周围混合气较稀的区域是无法被火花塞的火焰直接点燃的,它只能在中心区域成功燃烧以后,利用燃烧产生的能量同时点燃。19•由于采用了上述设计,GDI发动机能在40:1的超稀空燃比情况下正常运转。在这种稀薄燃烧的情况下,燃料可以更加充分地燃烧,榨取每一滴燃油的所能产生的动能。与此同时,由于燃烧充分,可以大幅度减少未燃烧的气体从发动机里排出,从而获得更低的排放。•GDI的分两段喷油除了实现上述功能外,还能有效减小爆燃的产生,从而可以采用更高的压缩比,获得更强劲的动力输出。20•虽然GDI发动机可以降低整体的废气排放污染,但是它的氮氧化物的排放非常高。为此,需要采用有效的有针对性的三元催化装置才能保证尾气的排放达到环保部门的要求。•但是在国内,油品中的含硫量非常高,汽油燃烧后很容易产生硫化物而使催化器中毒,从而导致催化反应失效,使氮氧化物无法得到还原处理。这也就是为何到目前为止,国内没有一款匹配三菱GDI发动机的车销售的原因了。21•2.奔驰缸内直接喷射CGI•奔驰CLS350CGI(stratified-ChargedGasolineInjection)轿车搭载的M272DEV6缸内直喷汽油发动机,是由奔驰公司和博世公司合作开发的世界上第一台采用压电式喷油器的缸内直喷汽油机,其特点是采用喷束引导燃烧方法和三次喷射模式。22•(1)燃油供给与喷射系统–CGI发动机上使用的高压压电喷油器,采用几微米宽锥状环形喷孔,塑造一个稳定的、非常理想的从浓到稀的喷雾效果。在喷射时,还可以吸收周边紊乱的空气颗粒,进入燃油喷射的层与层之间,形成一个理想的点火前状态。–CGI发动机还包括高压燃油泵以及后面的燃油导轨以及其中的燃油压力调节阀,它们为系统提供稳定的燃油。在燃油导轨中,峰值燃油压力可以达到20MPa,约是普通电喷汽油发动机的70倍,比一些其他缸内直喷发动机也高得多,这样做的目的就是为了分层喷射时有理想的喷雾效果,在高转速下有足够量的汽油供给。而且由于在喷射瞬间,导轨内的压力不可避免会出现瞬间下降,高压也会让这种瞬间压力变化减小,喷射也就更加精确无误。23•(2)压电直喷技术•目前的缸内直喷发动机都存在分段控制模式——低转速时使用分段多次喷射燃烧,高转速下不使用。–主要原因是目前的喷油器都是螺旋线圈电磁控制式的,在高转速状态下,喷油时间要求极短,喷油器响应速度并不适合太高转速。•因此,奔驰开发了压电触发的喷油器。–利用活塞在压缩行程的压力,通过压力变形下的微弱电信号,经过放大电路放大后控制阀门开闭。压电喷油器百万分之一秒的反应时间,使喷油器基本的多点分层喷射成为可能,在每次压缩的短时间内,再分为多次喷射,特别是高转速下,也同样有分段喷射,从而得到更理想的稀薄燃烧,这对提高发动机燃烧效率是至关重要的。24•(3)排放问题–尽管奔驰CGI发动机在很多方面都有突破,但和其他缸内直喷发动机一样,也面临一个头痛的问题,那就是因高压缩比带来的高温副作用,产生了过多的氮氧化物的排放。–奔驰使用了专门的氮氧化物净化器以及传感器,效果虽然更好,但价格却比三元催化转化器要贵得多。25•3.宝马高精准缸内直接喷射HPI–目前,宝马的直四、直六、Ⅴ8和V12发动机上均配有高精准缸内直接喷射HPI(HighPrecisionInjection),同样采用了喷束引导燃烧方法和二次喷射。–HPI发动机能做到每分钟2000次独立燃油喷射,每次喷射的油量可低至2mg,通过阀门之间的中央部位的压电式喷油器使喷油得到异常精确的控制。26•压电式喷油器设置在气门的中心位置并安装在靠近火花塞附近的区域。•HPI发动机使用的喷油器向外开启。•HPI发动机的过量空气系数λ在0.9~2.5的范围内,燃油消耗少,污染物排放水平低。27第二节奥迪A6LFSI缸内直喷发动机技术•一、奥迪FSI缸内直喷发动机•二、奥迪A6L2.0LTFSI缸内直喷系统的结构与工作原理28•一、奥迪FSI缸内直喷发动机–FSI(FuelstratifiedInjection)指燃油分层喷射,是直喷式汽油发动机领域的一项革命性技术。2002年,大众在LupoFSI和GolfFSI发动机上首次使用了带BoschMotronicMED7发动机管理系统的汽油直接喷射系统。GolfFSI1.6L发动机采用气流引导和壁面引导结合的燃烧方法,可使燃油与空气达到理想的混合效果。–2004年,奥迪在FSI发动机中融入涡轮增压技术形成TFSI发动机发动机技术。采用气流引导的燃烧方法,大大降低了燃油消耗和有害气体的排放。–理论上,奥迪FSI发动机有三种操作模式:分层充气模式、均质稀薄充气模式和均质充气模式。ECU根据转矩、功率、废气和安全要求选择相应的操作模式。29•1.分层充气模式•从起动到中间负荷和转速的区域,发动机一直运行在分层充气模式中。在此模式中,发动机产生的转矩仅由喷入的燃油量确定,空气质量和点火提前角产生的影响很小。•进入分层充气模式的前提条件是:–①发动机在相应的负荷和转速区域中;②系统中没有与废气排放相关的故障;③冷却液温度高于50℃;④氮氧化物传感器准备就绪;⑤氮氧化物存储式催化转化器的温度在250-500