缸内直喷发动机教案缸内直喷发动机教案一、传统汽油机燃烧系统的缺陷：一、传统汽油机燃烧系统的缺陷：1、汽油机功率采用进气管节流的变量调节，无法达到变质调节的精确性。 2、喷油嘴离燃烧室有一定的距离，汽油与空气的混合情况受进气气流的影响较 大，并且微小的汽油颗粒会吸附在管壁上而不能充分利用。 3、空燃比必须在着火界限内，热效率低，若稀混合气工作则热效率可提高，空 燃比采用 20 与 27 较 14.7 时热效率相应提高 8%与 12%。 3、排气污染严重（HC,CO,NOX） ，一般汽油机的混合比范围正是排放较高的范 围，空燃比达到 23 以上就可以实现低排放。二、稀薄燃烧：二、稀薄燃烧：这就是稀薄燃烧是指将过量空气系数从1左右提高到且远超过1.1的水平， 空然比可达25：1，甚至可达到40：1（如三菱GDI）可以降低发动机油耗并改善 CO2排放。 （过稀的混合气会给燃烧带来麻烦，主要的问题有点燃困难、燃烧不 稳定、催化转化器的NOx转化效率下降等问题。 ）稀薄燃烧只是在部分负荷工况范围实行稀薄燃烧，启动、怠速、加速和全负 荷都不能实行稀薄燃烧。 三、三、实现稀薄燃烧的两个条件实现稀薄燃烧的两个条件 1、稀薄燃烧技术需要很强的点火能量。可采用提高压缩比或采用多极火花塞或 双火花塞结构 2、稀薄燃烧技术需要空气能跟汽油充分混合。如采用垂直进气道等结构三、三、稀薄燃烧系统稀薄燃烧系统的形式的形式1、均质稀混合气燃烧：这种燃烧方式主要是通过提高压缩比、改进点火系统以及加强混合气的紊流 等来实现的。有代表性的几种均质稀混合气燃烧系统有梅型火球燃烧室、射流 燃烧室等。MANMAN燃烧系统燃烧系统 射流燃烧室射流燃烧室 2、分层稀混合气燃烧：这种燃烧方式主要是通过控制混合气的浓度分布来实现的，其在火花塞附近 混合气比较浓，空燃比约 为1213，保证可靠的点火，在其余大部分区域混合 气较稀，空燃比在20以上。分层充气燃烧系统主要有三种： 1） 直喷式分层燃烧系统：如Texaco公司的TCCS、Ford公司的PROCO及日本Satoshi Kato等人提出的OSKA 2.）分隔式燃烧室分层燃烧系统：如本田公司的CVCC 3.）轴向分层燃烧系统：如美国M. R. Showalter首先提出充量轴向分层的概念，随后A. A. Quader等 人对轴向分层充气发动机进行了进一步的研究。三菱公司则推出了基于这一概 念的4气门滚流分层发动机。天津大学提出的在5气门发动机上采用进气道二次 喷射亦很好地实现了该方式的稀燃，并取得了较好的效果。TCCSTCCS燃烧系统 本田CVCCCVCC燃烧系统 3、混合燃烧：混合燃烧方式是将发动机分为高负荷和低负荷区，在低负荷区使用分层燃烧，在高负荷区仍然利用常规燃烧。19951995年三菱公司研制成功的GDIGDI发动机首次实现 了混合燃烧。三菱公司GDIGDI发动机在低负荷区的空燃比达到30304040，高负荷区的空燃比为13131414。三菱的GDI燃烧系统 丰田的GDI燃烧系统 GDIGDI燃烧系统燃烧系统1 1、混合气生成的混合气生成的形式：形式： 1、油束控制：锥型油束直接将燃油送往火花塞，在油束控制的燃烧系统中，喷油器安置在 气缸中央，火花塞必须布置在喷油器附近，油束的空气利用率依靠油束的穿透 深度保证。油束和火花塞相距太近，可供混合气生成利用的时间太短，液态燃 料会润湿火花塞，缩短火花塞寿命。该系统未能投入批量生产。油束控制 壁面控制 2、壁面控制燃烧系统：在壁面控制的燃烧系统中，喷油器和火花塞相隔较远，喷油器将油束喷到活塞凹坑中，然后油气流将燃油送往火花塞。为了避免温度过高，喷油器不应布 置在排气侧而应在进气侧，活塞凹坑的开口也指向进气侧。 3、气流控制燃烧系统：在气流控制的燃烧系统中，利用轮廓分明的缸内气流与油束相互作用，在发 动机的大部分工况范围内都能实行恰当的充量分层。4、依靠燃油喷雾的喷雾控制方式第 2、3 种方式有可能行程壁面油膜，是造成 HC 排放高的主要原因。后一 种方式则与喷雾特性和喷射时间关系密切，但控制起来比前两种要困难。2 2、GDIGDI 结构原理：结构原理：1、使用垂直的进气管。进气歧管改垂直式进入汽缸,这样的设计可改善进气增压的效果。左边:GDI直立式进气歧管，反向回漩气流。右边:传统汽油发动机机进气方式2、高压的燃油喷射。改用可以达到5Mpa的高压汽油压力， 3、喷油嘴能形成高压.漩式的雾状。4、活塞形状采用有凹凸的曲面。活塞表面是呈凹凸的曲面，这些的改变使GDI发动机能使用超稀薄燃油(40:1)， 且点火情况良好。燃油经高压后“呈现雾状” ，且油汽运方式都有改善,克服稀 薄燃烧的点火不易、发动机爆震与NOx过高的问题。(是由由于高压供油且汽流 的卷动方式配合活塞顶端的凹凸曲面,在压缩形成后，使得被喷入汽缸內的燃料 经微粒化后形成非扩散的喷雾状，然而在活塞顶部空间气化而這些混合气被回漩带到火花塞附近,使得稀薄油气在火花塞附近浓度足够,整个汽缸混合气 也可以足够到燃烧的比例。 ） 5、根据工况不同的需求，采用三种不同正时的供油模式。 1）低于120km/h时：在时速低于120km/h以下,使用40:1的超稀薄燃烧，由于供油正时接近在压缩 行程的末期，空气密度极高，供给少量燃油即可，再配合GDI发动机的其他特殊 构造，可以避免爆震或点火不易的问题，进而实现超稀薄燃烧。 2）高于120km/h时：高动力输出模式，使用进气行程供油，跟传统发动机相同，能输出较高的功 率。燃油在进气行程时供油，可提供冷却气缸的作用。此模式的空燃比为30:1. 3）起步或再加速时：在转速突然升高时，由于GDI发动机的压缩比高达12.5:1，为防止发动机出现 爆震，在此工况下采用辅助喷油和主喷油两段供油模式。 A、辅助喷油： 在发动机运行进气行程时，发动机会进行一次喷油，喷油数量不大，空燃比为 60:1这部分少量的汽油会气化挥发吸收热量，从而降低气缸内的温度，气缸内 混合气密度增大，所以这次喷油的后果在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。B、主喷油： 当活塞到达压缩行程上止点，在火花塞点火之前，会有一定量的汽油再次被喷 出，这次喷油为主喷射。此时火花塞附近有最浓的混合气，以便点火，空燃比 为12:1.进而提高发动机的动力。进气与压缩形程各喷油一次GDI 燃烧系统可以实现分层混合气燃烧和均质混合气燃烧，其中最核心的是分层燃烧。FSIFSI发动机发动机FSIFuel Stratified Injection，燃料分层喷射技术，就是“缸内直喷发动 机” ， “直喷式汽油发动机” 1、特点： 1、将燃油直接喷入燃烧室，不再需要节气门，降低了发动机的热损失，从而增 大了输出功率并降低了燃油消耗。 2、最大地优化了进气混合效率，增加了火花塞点燃式发动机的扭矩和输出，同 时增加了15%的经济性，为降低排放奠定了基础。 二、工况模式： 分层充气模式 均质稀混合气模式 均质混合气模式 三、控制原理： 1、分层充气模式 1）在低速或中速运转时节气门为半开状态，进气歧管翻板封住下进气道, 使空 气运动就加速，吸入的空气呈旋转状进入气缸并撞击活塞顶部，由于活塞顶部 制作成特殊的形状从而在火花塞附近形成期望中的涡流。 2）当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷油器喷出，形成可燃气体。通常喷 油开始于约上止点前60，结束于约上止点前45，燃油被喷射到燃油凹坑内 喷油时刻对混合气的形成影响较大，混合气形成只发生在4050曲轴角之 间，如小于这个范围将无法点燃混合气，大于这个范围将成为均质充气模式。 空气-燃油比=1.6 - 3 3）这种方式可充分提高发动机的经济性，因为在转速较低，负荷较小时除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室气体地方只需要空气含量 较高的混合气即可。在燃烧时只有混合好的气雾被点火燃烧，混合好的气雾周 围的气体起隔离作用，缸壁热损耗小，使热效率提高。4）节气门不能完全打开，因为总是得保持一定的真空（用于活性炭罐装置和废 气再循环装置）发动机所产生的扭矩大小只取决于喷油量， 在这里吸入的空气 量和点火角并没有多大意义。 2、均质稀混合气模式 1）进气与分层充气相同，节气门打开，进气歧管翻板关闭。 2）燃油约在点火上止点前300 时喷入（吸气行程） ，混合气形成可用时间较 长。 空气-燃油比约 = 1,55 3）燃烧发生在整个燃烧室内，点火时刻可自由选择。3、均质模式 1）节气门按照油门踏板的位置来打开，进气歧管翻板根据工作点来打开或关闭， 在中等负荷和转速范围时为关闭状态。喷油、混合气形成和燃烧与均质稀混合 气模式是一样的。 2）当发动机高速运转时，节气门完全开启，大量空气高速进入气缸形成较强涡 流并与汽油均匀混合，从而促进燃油充分燃烧，提高发动机的动力输出。电脑不断根据发动机的工作状况改变注油模式，始终保持在最适宜的供油方 式，提高了燃油的利用效率和发动机的动力，同时改善了排放。四、优点 1、分层充气模式和均质稀薄充气模式中的节气门脱开状态在此操作模式中， Lambda 值处于1,55和3 之间。这样节气门的开度更大并且吸入空气时遇到的阻 力也较小。2、稀薄模式在分层充气模式中发动机在Lambda 值在1,6 至3之间运行；在均质 稀薄模式中发动机在Lambda 值约1,55 的状况下运行。 3、气缸壁热损耗较小，在分层充气模式中燃烧仅发生在火花塞的周围区域，所 以气缸璧上的热量损耗较小并且热效率也提高了。4、高废气再循环时的均质模式，在均质充气模式中由于存在强烈的充气运动， 所以发动机废气再循环的兼容性最大可达到25%。为了在废气再循环率较低时能 吸入相同容量的新鲜空气，节气门的开度变得更大。 这时进气遇到的阻力较小， 从而减少了在节气门上的损耗。 5、由于汽油被直接喷入气缸中，进气中的热量被吸收，从而得到了冷却。 减 小了发动机爆震的可能性并且提高了压缩率。较高的压缩率产生了较高的压缩 最终压力并且提高了热效率。 6、扩展的超速断油，接通转速会下降，因为在接通时没有燃油沉积在燃烧室的 壁上。大部分喷入的燃油能立刻转换成有用的能量。因此，发动机在较低的接 通转速时也很平稳。