个人资料整理仅限学习使用汽油发动机缸内直接喷射技术应用研究摘要： 本文分析了汽油发动机缸内直接喷射技术典型代表奥迪FSI 技术、博世DI- Motronic MED7系统和奔驰CGI 系统的技术特点，阐述了汽油发动机直接喷射技术的先进性及广泛应用需解决的一些问题。关键词： FSI 技术 ，DI- Motronic MED7系统， CGI系统问题，技术应用，解决问题近年来，由于能源枯竭和环境污染情况日益严重，汽车用发动机面临着越来越严峻的考验。目前汽车使用的发动机主要是汽油机和柴油机。柴油机的混合气是在气缸内部形成的，它采用直接喷射的方式，在压缩冲程末尾，直接经高压喷油泵将高压柴油喷入燃烧室，因气缸内的空气被压缩而产生高温，高于柴油燃点时，引发柴油自燃。故柴油机不需电火花来点燃，结构相对汽油机简单，因此压缩比较大。但由于压缩比大，柴油机工作粗暴，柴油机的这种燃油喷射技术不能直接应用于汽油机。目前大多数汽油机采用多点燃油喷射技术，但混合气在进气门处形成，汽油雾化不完全，混合气质量欠佳，所以燃烧不充分，冷起动排放和燃油经济性较差。汽油发动机缸内直接喷射技术则与多点喷射系统迥然不同，该技术与柴油机相类似，是将汽油直接喷射到气缸里，通过相应的控制手段，可以大大提高发动机的燃油经济性和动力性，同时降低排放。早在 1954 年，奔驰300SL就应用了缸内直接喷射技术，它将雾状燃油直接喷入进气歧管，比化油器发动机提供了更大的动力和更高的燃油经济性。自单点和多点喷射技术在80年代普遍应用以来，发动机技术改进一直在进气系统做文章，如气门数增加、可变进气、可变气门升程及正时等，而没有实现根本的突变。缸内直接喷射技术是通过“均匀燃烧”和“分层燃烧”，在发动机高负荷，尤其是低负荷下工作时燃油消耗降低，动力还有很大提升，部分负荷时具有的很大节油作用，对城市轿车和客车来说非常实用。目前，世界上有很多知名公司对缸内直接喷射技术做了研究。1996 年 8 月日本三菱公司研制出第一台汽油直接喷射简称为GDIGasoline Direct Injection）发动机，1996 年末日本丰田汽车公司研制出D4 型 GDI 发动机，随后日本的日产、马自达、本田以及美国的福特、克莱斯勒、德国的奔驰等公司都在积极研究和开发 GDI 发动机。一、汽油发动机直接喷射技术的技术特点和应用目前，研究和开发汽油发动机直接喷射技术的公司很多，现就技术比较成熟的奥迪公司的 FSI 技术、博世公司的DI-Motronic MED7系统、奔驰公司的CGI 系统等介绍汽油发动机直接喷射技术的技术特点及应用情况。一）奥迪轿车的FSI 技术FSIFuel Stratified Injection）技术是指汽油分层喷射技术。运用FSI 技术，汽油会被直接喷射到气缸的燃烧室内，在发动机非满负荷工作的情况下，形成所谓的稀薄燃烧，节约燃料。而在满负荷工作情况下，发动机采用所谓的均匀燃烧，满足动力性需求。一般发动机采用的是汽油在进气歧管内与空气混合，然后进入燃烧室燃烧。空气与汽油的最佳空燃比是14.7:1 ，为达到良好的燃烧效果，汽油和空气的比率必须在最佳空燃比附近。而FSI 技术采用了稀薄燃烧技术，不必达到最佳空燃比，发动机也会有良好的经济性 和 动 力 性 。 可 见 同 等 条 件 下 ， FSI技 术 的 发 动 机 会 更 省 油 。当混合气比较稀时，混合气不容易燃烧。如果让过稀混合气能良好燃烧，如本田公司采用的一缸内两个火花塞来点燃混合气。但是如果混合气更稀，两个火花塞也不能保证良好的燃烧。要使稀混合气良好燃烧，需要把汽油直接喷入气缸。一是利用气缸的高温使汽油更好地雾精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用化、气化。二是把燃烧室设计成特殊的形状，使进入的空气形成涡流，并且使火花塞周围混合气浓一些，离火花塞较远的地方稀一些，以利于火花塞周围混合气迅速燃烧，并带动较 远 处 较 稀 混 合气 的 燃烧 。 这 种燃 烧 就 叫 做 “分 层 燃烧 ” 。正是这种所谓的“分层燃烧”，使发动机具有良好的经济性。部分负荷时，可燃混合物只分布在火花塞周围，换句话说，空燃比是14.7:1的混合气集中在火花塞周围，在燃烧室的其它部分则是纯净的空气。混合气层的大小、范围精确地反映了瞬时发动机动力的需求。在分层燃烧时，直到压缩行程时才喷射燃油，油雾直接进入燃烧室中的空气，而喷油就发生在点火前瞬间。另外，在燃烧时空气层隔绝了热，减少了热量向汽缸壁的传递，从而减少了热量损失，提升了发动机的热效率。而在全负荷时，燃油喷射与进气同步，燃油得到完全雾化，使混合气均匀地充满燃烧室，自然会得到充分的燃烧，发动机将达到最大动力，也就是所谓的“均匀燃烧”。在均匀燃烧时有着和传统喷射发动机相同的空气与燃油混合比，即空燃比是14.7:1 。而燃油的蒸发又使混合气降温，去除了爆震的产生。也就是说在均匀燃烧情况下，在获得高动力输出和扭矩值的同时付出了较低的燃油消耗。FSI 技术与普通发机供油最大的不同是：一个做功循环内，两次供油。第一次喷油在进气行程开始喷入部分的油，让汽油跟空气充分混合，另一次是在压缩行程的末尾活塞接近上止点时再喷入部分汽油，让火花塞周围形成较浓混合气，利于点火。活塞顶部的凹陷，则让 进 气 在 整 个 时 间 内 一 直 成 为 强 烈 的 涡 流 ， 利 于 混 合 气 的 充 分 混 合 及 气 化 。目前应用奥迪轿车的FSI 技术的最新主要车型有：08 款奥迪A8L 2.8FSI豪华型； 08 款奥迪 A8L 3.2FSI豪华型； 08 款奥迪 A8L 4.2FSI尊贵型； 07 款奥迪 A8L 3.2FSI尊贵型；新奥迪 A6L 2.0TFSI标准型 自动、手动）；08 款奥迪 A6L 2.8 FSI 尊享型等。 08 款车型的主要性能参数比较如下表1 所示：表 1：08 款车型的主要性能参数比较车型平均油耗加速时间最大扭矩最大输出功率奥迪 A8L 2.8FSI 9.1L/ 百公里8.2 秒0-100km/h ）280N ?M 154KW 奥 迪A8L 3.2 FSI 9.9 L/百公里7.9 秒0-100km/h ）330 N?M 191 KW 奥 迪A8L 4.2 FSI 10.9 L/ 百公里6.3 秒0-100km/h ）440 N?M 257 KW 奥 迪A6L 2.8 FSI 7.1 L/百公里9.1 秒0-100km/h 280N ?M 154KW 二）博世公司的DI-Motronic MED7系统博世发动机进气系统采用模块化设计，还集成了ECU 技术，有效简化了进气系统的结构。进气模块主要由执行器和传感器组成。主要构成部件包括集成了热膜式空气流量计的空气滤清器、电子节气门总成、燃油输送管道及喷油器等。博世Motronic ME7系统的ECU 、执行器及传感器通过控制区域网络首先将驾驶者的输入指令转换为电子信号,然后由该电子信号控制节气门阀的开度。MED7接收来自各方面的扭矩需求量，然后确定所需求的扭矩总量，最终系统在保证发动机输出所需扭矩的前提下，实现油耗及排放水平的最优化。博世 DI-Motronic MED7系统通过对燃油喷射量、进气量及喷射角度的合理匹配来保证从均质燃烧Homogeneous ）到分层燃烧Stratified）等各工况下发动机输出扭矩的稳定性。另外，在稀薄燃烧工况下NOx排放非常低。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用1非满载工况下的经济运行模式当汽车进行非满载工况行驶时，MED7在压缩行程中喷射燃油，并且仅在火花塞附近区域形成可燃混合气。燃烧将从该区域扩散到其它浓度较稀薄的部位，这种分层燃烧技术可以将精确定量的混合气在燃烧室内进行完全燃烧。同时，由于分层燃烧技术减少了燃烧室壁的热量损耗，因而提高了燃烧过程的热效率。另外，当汽车处于低速或怠速工况行驶时， MED7 将打开节气门，从而避免空气进入节气门造成的功率损耗。总之，在非满载工况下MED7将通过控制燃油喷射量达到期望的输出扭矩值。此时，MED7 发动机管理系统采用分层燃烧技术来降低油耗，从而保证车辆按照经济模式行驶。2满载工况下的动力运行模式当汽车进行满载工况行驶时，MED7在进气行程中喷射燃油，在燃烧室内形成理想配比=1 的均质可燃混合气。初始喷射形成的混合气处于冷态具有较高的密度），该混合气经过压缩行程的充分混合和升温，达到理想的燃烧状态。所以在满载工况下，MED7可以降低油耗 相对于传统的发动机）和提高输出功率，从而满足动力运行的需求。3排放控制当汽车进行非满载工况行驶时，通过废气再循环技术EGR来降低NOx 的排放。同时，MED7 还采用了NOx催化转换器以满足未来更为严格的排放法规对NOx的排放限制。4燃油供应MED7 采用了共轨燃油输送系统，其共轨油道内由高压泵生成的燃油压力可达120bar 。MED7可精确控制燃油的喷射时刻和持续时间，其喷油器采用了高速电磁控制技术，有力保证了燃油喷射量的精确控制。5燃油经济性MED7系统可以在均质燃烧和分层燃烧两种工况之间进行快速切换在驾驶者毫无察觉的情况下），优先以经济模式行驶，相应提高了系统的燃油经济性。与传统的进气管喷射系统相比， MED7直喷系统提高燃油经济性可达20。6动力性与传统的进气管喷射系统相比，博世MED7直喷系统可以增强动力达5，主要是通过提高压缩比和使均质燃烧初期混合气体处于冷态等技术来实现。目前应用 DI-Motronic MED7系统的主要车型有：奔驰CLS 350；路虎 Land Rover ；路虎 Range Rover ；法拉利612 Scaglietti；宝马 X5 3.0 ；保时捷Cayenne GTS等。三）奔驰的CGI系统奔驰的CGIStratified-Charged Gasoline Injection）系统是指多阶段燃油喷射系统。它成功突破现行燃油喷射技术在发动机转速上的限制，成功地拉高发动机转速的区域，并在时速超过120 公里时，仍可进行精密控制油气混合比，以进行最具省油效益的稀薄燃烧，让燃油效率更为精进。根据原厂测试，CGI 发动机在高速公路上以定速巡航时，油耗表现将比现行运用缸内直喷技术的V6 引擎，每百公里节省约1.5 升的燃油，省油效益更将达到15% 的差距。为达到缸内直喷的燃油效果，高压泵产生的油压高达200bar ，这时发动机处于高压与高温的环境，发动机启动后10 秒即高达700的高温。另外，为降低氧氮化合物排放，采用了双组电子控制的废气冷却系统与循环设计，以及具备氧氮化合物储存管路的触媒转化器，系统可依照发动机运转条件，循环利用约40% 的废气，以达到降低废气排放的环保效能。奔驰的CGI 系统目前应用的主要车型有：奔驰CLS 350 CGI ；奔驰 C 200 CGI ；C350 CGI Blue Efficiency；奔驰 CLK DTM ；E350 CGI 等。其主要性能参数如下表2 所示：表 2：奔驰的CGI系统性能参数比较车型平均油耗加速时间最大扭矩最大输出功率BENZ C 200 CGI 7.8 8.4L/ 百公里9.0 秒0-250N ?M 125KW 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用100km/h）C350 CGI Blue Efficiency 8.3 L/百公里6.2 秒0-100km/h）365 N?M 214 KW CLS350 CGI 9.1 9.3 L/百公里6.7 秒0-100km/h）365 N?M 215 KW E350 CGI 8.7 L/百公里365 N?M 215 KW 四）汽油发动机缸内直接喷射技术的主要优点虽然奥迪公司的FSI 技术、博世公司的DI-Motronic MED7系统、奔驰公司的CGI 系统在直接喷射技术的研究上有一定的区别，FSI 技术通过“分层燃烧”和“均匀燃烧”，并且一个做功循环内，两次供油来实现性能改善；DI-Motronic MED7系统通过出色的发动机管理系统保证“均质燃烧”到“分层燃烧”等各工况下发动机输出扭矩的稳定性；CGI 技术在高速时的经济性及采用稀薄燃烧技术。但它们都是把缸内直接喷射技术作为研究核心，并且技术的应用使得发动机的优点非常显著。下面就2.0L 和 3.5L 汽油直接喷射式发动机和非直喷式汽油机技术性能参数进行比较：表 3： 2.0L 汽油直喷 / 非直喷汽油机主要技术性能参数对照表1发动机型号直喷式汽油机 3SFSE ）非直喷式汽油机3SFE ）排量 L）2.0 2.0 气缸直列四缸直列四缸配气机构DOHC DOHC 燃油喷射方式气缸内直接喷射进气门口喷射10-15 工况测试循环油耗 104.7/6000 97.3/6 000 最大扭矩 (Nm/r/min196/4400 181/4400 表 4 3.5L汽油直喷 / 非直喷汽油机主要技术性能参数对照表2发动机型号直喷式汽油机 C350 CGI ）非直喷式汽油机C350 ）排量 L）3.5 3.5 气缸V6 V6 配气机构DOHC DOHC 燃油喷射方式气缸内直接喷射进气门口喷射平均油耗 215/6000 200/6000 最大扭矩 (Nm/r/min365/44002400-5000）350/.2表 4 参数数据来自于http:/product.pcpop.com/000090651/Detail.html；http:/auto.163.com/08/1024/21/4P24I4OF000828JC.html。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用合气成分，而且汽油是在一定油压下喷出的，燃油的雾化品质好，同时进气管不受燃料雾化的限制，可以设计得更合理，使混合气分配更均匀，所以燃油消耗低，经济性好。3、排气污染减少发动机启动后的怠速状态中，采用分层燃烧方式，即在压缩冲程时进行喷油，形成稀薄的混合气，压缩冲程终了时进行点火，则可在膨胀冲程前半期燃烧结束，使发动机内工作气体温度升高。当在膨胀冲程的后半期重新喷油时，向高温气氛气体中喷射出的燃油会被点燃，则工作气体温度立即上升，这样可以在20 秒内使催化器达到工作所需温度250，而其它发动机需100 秒后才能达到，所以排出HC可以大幅度降低。另外，在轻负荷时采用强分层燃烧，中负荷时采用弱分层燃烧可以降低炭烟的排出，这主要是因为在浓混合气区域里生成的炭烟传播到稀的区域后，这里的无色火焰便成了发火源，会使炭烟中的炭黑重新燃烧，则减少了炭烟的排出。采用新型的废气再循环系统和新型催化反应器，进一步降低NOx 、CO和 HC 。4、限制爆燃汽油发动机缸内直接喷射技术采用“二步燃烧”控制来限制爆燃。即在进气冲程中喷射 1/4的喷油量，形成与理论空燃比相比约为0.25左右的极稀薄混合气，此为预燃混合气，并被压缩，但由于浓度低，爆燃前期反应进行非常缓慢。而剩余的3/4燃油则在压缩冲程后期加以喷射，形成高度集中的浓混合气。当火花塞点火时，浓混合气迅速燃烧，所以几乎没有前期反应时间，则前期反应受到限制，防止了自发火现象，即限制了爆燃现象的发生。5、低温启动容易通常的汽油机为了尽快启动，会探测在启动时处于排气冲程的气缸，并向该缸进气道喷油，燃油在进气冲程时进入气缸，被压缩后才开始燃烧，这就产生了相对的滞后。而汽油发动机直接喷射技术，在启动时刻探测处于压缩冲程的气缸，同时向该气缸内喷油，这样只需在压缩冲程中就完成混合气的混合，当上止点时开始点火，则可立即进行燃烧，保证了发动机的优异的启动性能。可见，汽油发动机直接喷射技术的应用使得发动机具有良好的动力性和燃油经济性，排放有所下降，应用前景非常广泛！二、汽油发动机直接喷射技术推广应用注意的问题一）关键技术汽油发动机直接喷射技术使得发动机的结构发生了一些变化，与传统电喷发动机相比，发动机在结构上的关键技术主要体现在：1进气涡流形成机构：直立式进气道和带涡流室的活塞为使混合气更充分的燃烧，需使空气进入燃烧室后形成漩涡，以利于与汽油混合。为此，发动机改进了进气道的形状，由传统的横向进气道改为直立式进气道，这可大大减小进气阻力，使进气流速提高，提高了充气效率，发动机的功率和扭矩可提高10% 左右。有的发动机采用带SCV 涡流阀）的旋转进气管道，进入汽缸的空气产生横向涡流，使火花塞附近的混合气浓度高，周围浓度低，形成分层可燃混合气，实现分层燃烧，降低了排放中Nox的含量，经济性也有显著提高。为更好的形成可燃混合气，与缸盖一起形成燃烧室的活塞顶部形状是不规则的，即弯曲顶面活塞，使汽油喷雾形成纵向涡流，并集中在火花塞附近，存在于火花塞附近的可燃混合气进行分层燃烧，然后利用涡流可提高火焰传播速度，即使超稀薄燃烧也能使火焰传播下去，有利于燃烧充分的进行。2电磁式高压涡流喷油器为形成高质量的混合气，除形成进气涡流之外，对喷油器的喷雾质量提出三个要求：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用喷雾分散化、限制直线运动和喷雾微粒化。为实现燃油喷射微粒化，必须有高的喷射压力，随着油压升高，喷雾粒径会减小，但为了限制喷雾的穿透力，喷射压力又不能太高，所以，喷射压力在能保证燃油微粒化的情况下，应尽量降低，一般控制在5Mpa 左右 有的高达10Mpa 以上）。电磁式高压涡流喷油器喷出燃油时，在前期喷射中，喷雾形状采用大喷雾角的空心锥体形状，而在压缩行程喷射中由于气缸内部空气密度高，产生空气阻力，限制了喷射穿透力，也能形成紧凑优异的喷雾构造。这样，在进气行程喷射时，空心锥体形状的喷雾就能随进气涡流在整个燃烧室内运动，迅速扩散，而压缩行程喷油时，由于小型活塞凹坑内形成紧凑形状的喷雾分散，也使喷雾形成涡流运动，实现控制喷雾分散的目标。三菱公司采用的喷油器前部设置有涡流器，能形成强烈的喷雾涡流。丰田公司在喷油器出口处设置凹囊，由此可以对喷雾的方向通过喷油器轴加以补偿调整。而日产公司则通过喷油口倾斜布置来实现方向偏置调整，当缸盖外形尺寸设计受限制时，这种方法比较有效。3高压供油系统高压燃油供给系统由电动燃油泵、低压调节器、高压泵、高压调节器和燃油切换电磁阀组成，其核心部件是高压泵，它与燃油切换电磁阀、高压调节器、旁通阀、单向阀等集成在一起，统称为高压燃油泵。通常情况下，发动机运转时，燃油由低压电动燃油泵从油箱中以0.33MPa 的压力泵出，提供给高压泵，经加压后压力可达5.0Mpa有的甚至达到10 Mpa 以上）。然后传输至共轨喷射管，喷射后的剩余燃油则回流至高压调节器处，经高压调节器调节后回流至油箱中。高压调节器所起的作用是调节高压油路的压力，而低压调节器只起调节电动燃油泵的供油压力的作用。起动时，由于与发动机直接相连的高压泵转速很低，不能产生充分的流量与压力，来自供油泵的低压燃油将直接通过高压泵的旁通阀而进入共轨喷射管。此时，系统只以0.33MPa 的压力进行喷射，而且燃油切换电磁阀开启，喷射剩余燃油经过电磁阀流回油箱，高压调节器不起作用。当启动完毕后，发动机转速提高，高压泵开始工作，燃油切换电磁阀关闭，则又由高压调节器进行正常的调节工作。此外，应用的先进技术还包括：改进的高能量点火系统、新型的废气再循环系统EGR ）、新型催化反应器等。以上所述，汽油发动机直接喷射技术使得发动机在结构上发生了很大变化。为提高充气效率，进气道由传统的横向进气道改为直立式进气道，活塞顶部形状改为弯曲顶面；为提高喷油压力，采用高压供油系统；为进一步降低排放，采用新型的废气再循环系统和催化反应器。这些变化使得发动机的体积增加，给发动机的布置带来了一定的困难；同时发动机的重量增加，由于发动机轻量化可以降低油耗，两者产生了一定的矛盾。喷油器的安装位置从进气歧管改为燃烧室，这对喷油器的技术性能、材料、控制精度等提出了更高的要求。由此可见，汽油发动机直接喷射技术的应用给发动机的制造工艺、布置、材料及控制技术带来更高的要求，使发动机成本增加。二）相关技术与研发成本目前各大汽车公司的竞争日益加剧。通常，跨国汽车公司每隔5 至 6 年才会在全球各地推出一款全新平台设计开发的新车型，外观内饰方面的小改动经常会有，一般是一年一次。不断提高汽车产品的品质，根据环境变化不断对汽车产品进行更新换代对各大汽车公司非常重要。而且随着汽车行业产品的标准化、通用化、系列化，世界主要汽车公司基本完成了车型平台的通用化改革，不同型号车型甚至新旧款都可选用共通的零部件。汽油发动机直接喷射技术使得发动机结构发生较大变化，动力性和经济性提高，排放下降的特点，使产品赋予特色。目前，奥迪公司的FSI 技术、奔驰公司的CGI 系统等比较成熟的技术已经申请专利，其它汽车公司直接应用有一定的困难；而且汽油发动机直接喷射技术的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用研发成本较高，给一些汽车公司带来了资金瓶颈问题。可见汽油发动机直接喷射技术的广泛推广应用还需要解决上述问题。作者认为，虽然汽油发动机直接喷射技术会给发动机带来制造工艺、材料、控制技术、研发成本高等问题，但其具有动力性和经济性提高，排放下降的特点，在未来一段时间内，应用这一技术的车型会越来越多，是未来车用汽油机推广应用的方向。参考文献：1 、张文，陈家基. 奥迪FSI技术改善了性能并降低了油耗上） J.轻型汽车技术.2004. 3 、张铁民 . 汽油发动机缸内直接喷射技术J.汽车维护与保养，2005(1. 4 、张振生，张宏伟. 汽油直接喷射.5 、王锦瑜，赵德旺. 新型节能汽油机缸内直接喷射汽油发动机J.汽车与配件， 2000(37 6 王燕军 , 王建昕 , 帅石金 , 首藤登志夫. 汽油机稀薄燃烧研究的新进展从GDI到HCCIJ. 汽车技术, 2002,(08 . 7 陆 展 华 . 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