汽车发动机电控技术,主编廖发良,第7章 汽油机直喷技术,7.1 概述 7.2 GDI发动机的特点 7.3 典型GDI发动机的结构及工作原理,7.1 概述,近几十年来，受能源日益枯竭、油价不断上涨、全球变暖等问题的困扰，在满足发动机排放要求的前提下改善发动机燃油经济性显得格外迫切。由于汽油机的燃油经济性比柴油机差，所以，降低汽油机的消耗已经成为汽车界当前必须要解决的问题。开发具有汽油机优点同时又具备柴油机部分负荷高燃油经济性优点的车用发动机成为主要的研究目标。汽油直喷(Gasoline Direct Injection，GDI)技术是提高汽油机燃油经济性的重要手段，近些年来，以直喷为代表的新型混合气形成模式的研究与应用极大地提高了汽油机的燃油经济性。,7.2 GDI发动机的特点,1.GDI发动机与PFI发动机的技术比较 GDI发动机与PFI发动机的主要区别是混合气形成方式不同。 2.GDI发动机的优点 3.GDI发动机存在的问题,1.GDI发动机与PFI发动机的技术比较 GDI发动机与PFI发动机的主要区别是混合气形成方式不同。,GDI发动机与PFI发动机的主要区别是混合气形成方式不同。在PFI发动机产品中，20%的发动机喷油器装在气缸盖上进气门的背面，80%的安装在进气歧管上靠近气缸盖位置，在发动机起动时，会在进气门附近形成瞬时的液态油膜，这些燃油会在每次进气过程逐渐蒸发进入气缸燃烧。因此，进气口处的油膜如同电容，具有积分的作用，发动机瞬时的供油量不能通过喷油器实现精确控制。由于部分蒸发现象导致油量控制延迟和计量偏差，冷起动时由于燃油蒸发困难，使得实际供油量远大于需求空燃比的供油量，这样会导致冷起动时发动机有410个循环的不稳定燃烧，使未燃HC的排放显著增加。GDI发动机可以避免进气门口燃油湿壁现象，实现燃烧各阶段准确供油，能够实现更稀薄燃烧并且降低缸与缸之间、循环与循环之间的变动，冷起动首循环不须加浓控制，降低瞬态工况HC的排放。然而GDI发动机对燃油蒸发和混合物形成有更严格的要求，须通过更高的喷油压力提高燃油的雾化率。,2.GDI发动机的优点,(1)提高了燃油经济性：其原因主要有如下几个：部分负荷下采用稀薄分层混合气，使循环热效率提高。 (2)提高了动力性：主要是因为充气效率和压缩比的提高。 (3)改善了冷起动时排放性能：冷起动时的未燃HC排放降低，温室效应气体CO2减少，稀燃使发动机排出的NOx降低，并且允许采用更高的EGR率来降低NOx排放。 (4)改善了各缸工作的不均匀性：由于燃油直接喷入气缸，可以对各缸的空燃比精确并相对独立控制。 (5)有良好的瞬态响应：GDI发动机不存在壁面油膜，燃油计量精确，加速响应快，减速断油及时，冷起动迅速，冷起动加浓要求低。 (6)系统优化潜力大：这主要是因为GDI发动机在喷油控制方面有着更大的灵活性。,3.GDI发动机存在的问题,(1)排放控制问题：分层混合气浓度非均匀分布，存在较浓的混合气，在这些区域中局部燃烧温度仍然较高，导致NOx排放较多，然而总体混合气较稀不能有效利用三元催化转化器；分层混合气外边界较稀的部分易发生火焰熄灭现象，同时缸内喷油湿壁现象会使活塞顶部和气缸壁混合气过浓的区域燃烧不好，使得小负荷时未燃HC排放相对较高；分层燃烧工况由于混合气浓度分布不均匀，GDI发动机增加了微粒排放。 (2)稳定燃烧控制问题：GDI发动机分层充气稀燃区域的稳定燃烧控制难度较大，部分负荷分层稀燃和大负荷均质燃烧模式转变时的控制也非常复杂；为了降低NOx排放GDI发动机采用较高的EGR率，且喷油器沉积物增加，都增加了稳定燃烧控制的难度。,3.GDI发动机存在的问题,(3)燃油经济性问题：燃油直喷需要较高的供油压力，提高喷油压力和油泵回流增加了发动机机械损失，喷油器、油泵驱动额外增加了电能消耗，三元催化转化器快速起燃和再生补偿也增加了燃油消耗。 (4)性能和可靠性问题：相对PFI发动机，GDI发动机喷油器沉积物和积滑性，增加了供油系统的磨损；由于使用较稀的混合气，缸套的磨损增加，进气门和燃烧室的沉积物也增加。 (5)控制复杂性问题：GDI发动机从冷起动到全负荷各种工况需要复杂的供油和燃烧控制，并需要复杂的排放控制系统和控制策略，同时也增加了系统优化的标定参数。,7.3 典型GDI发动机的结构及工作原理,7.3.1 丰田汽车公司D4发动机 7.3.2 日产汽车公司DI发动机 7.3.3 奥迪3.2FSI型发动机,7.3.1 丰田汽车公司D4发动机,1.总体结构 D4发动机为直列四缸16气门发动机，其压缩比为10，其结构组成如图7-1所示。,图7-1 D4发动机的结构组成示意图,7.3.1 丰田汽车公司D4发动机,图7-2 D4活塞凹陷部内混合气分层化的形成过程 a)燃油喷射 b)成层化 c)点火,2.进气系统 每个气缸均设有两个进气道，一为直线孔道，,7.3.1 丰田汽车公司D4发动机,一为螺旋孔道，直线孔道上设有电子控制的涡流控制阀SCV(Swirl control valve)。 3.燃油系统 D4发动机的燃油系统的组成如图7-3所示。,图7-3 D4发动机燃油系统的组成,7.3.1 丰田汽车公司D4发动机,4.燃油喷射控制 为使各种工况下，混合气均能稳定的燃烧，ECU可以根据发动机转速与负荷，对燃油喷射量与喷射正时进行控制。 (1)成层燃烧：低转速低负荷时，燃烧形态为成层燃烧，空燃比为2550。 (2)弱成层燃烧：低转速中负荷时，燃烧形态为弱成层燃烧，空燃比为2530。 (3)稀薄范围均匀燃烧：中转速中负荷时，燃烧形态为稀薄范围均匀燃烧，空燃比为1523。 (4)较浓范围均匀燃烧：高转速高负荷时，燃烧形态为较浓范围均匀燃烧，空燃比接近理论空燃比，为1215。,7.3.2 日产汽车公司DI发动机,1.总体结构 DI发动机的结构组成如图7-4所示。,图7-4 DI发动机的结构组成,7.3.2 日产汽车公司DI发动机,2.进气系统 各缸分别有两条进气管，其直立角度比一般发动机大，且其中一条进气管设有涡流控制阀。 (1)成层燃烧：在低、中负荷时起作用，此时涡流控制阀关闭，空气从单侧进气管进入，在气缸内产生横涡流，如图7-5所示。 (2)均匀燃烧：在高负荷时起作用，此时涡流控制阀打开，空气从两个进气管进入，在气缸内产生纵涡流，又称滚动流，如图7-6所示。,图7-5 成层燃烧时的空气形成,7.3.2 日产汽车公司DI发动机,图7-6 均匀燃烧时的空气形成,3.燃油供给系统 DI发动机用的高压燃油喷油器，,7.3.2 日产汽车公司DI发动机,又称为撒网喷油器，与其他喷油器的喷雾状态不一样，如图7-7所示。,图7-7 不同喷油器的喷雾状况 a)其他喷油器 b)撒网喷油器,7.3.3 奥迪3.2FSI型发动机,1.进气系统 进气系统是指从车前部的进气口到空气滤清器滤芯上的洁净空气出口部分，与奥迪其他车型都是相同的。 2.排气系统 原车的排气歧管是个铸造件。,图7-8 奥迪3.2FSI型发动机的燃油供给系统 1油箱及单活塞高压油泵 2功率电气装置 3汽油滤清器 4低压油管 5低压传感器 6油量控制阀 7高压油管 8高压油共轨 9高压传感器 10喷油器 11卸压阀,7.3.3 奥迪3.2FSI型发动机,3.燃油供给系统 燃油供给系统可分为低压和高压两个系统，如图7-8所示。,图7-9 奥迪3.2FSI型发动机的高压系统 1进油管 2高压油管 3油量控制阀 4低压传感器 5单活塞高压泵 6高压传感器 7卸压阀 8喷油器,7.3.3 奥迪3.2FSI型发动机,(1)单活塞高压泵：单活塞高压泵位于右侧缸体的进气凸轮轴端部，由一个三联凸轮驱动。,图7-10 单活塞高压泵在吸气冲程的工作状态 1接高压油共轨的高压接口 2高压阀 3来自油箱的燃油 4油量控制阀 5低压进油阀 6凸轮,7.3.3 奥迪3.2FSI型发动机,图7-11 单活塞高压泵在做功冲程的工作状态,(2)高压喷油器：高压喷油器(见图7-13)的任务就是在精确的时刻将,7.3.3 奥迪3.2FSI型发动机,精确的燃油量喷入燃烧室。,图7-12 单活塞高压泵在压缩冲程的工作状态,7.3.3 奥迪3.2FSI型发动机,图7-13 高压喷油器的结构 1细滤网 2电磁线圈 3衔铁 4喷油针阀 5密封圈,7.3.3 奥迪3.2FSI型发动机,(3)FSI工作状态：FSI燃烧方式基本只限于均匀燃烧，无法实现“分层充气”的运行工况。 1.GDI发动机有哪些优缺点？ 2.GDI发动机有哪些特殊结构？ 3.试述奥迪3.2FSI型发动机的结构原理。,