汽油直噴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1、汽油直噴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理近幾十年來，受能源日益枯竭、油價(jià)不斷上漲、全球變暖等問題的困擾，在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)排放要求的前提下改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性顯得格外迫切。開發(fā)具有汽油機(jī)優(yōu)點(diǎn)同時(shí)又具備 柴油機(jī)部分負(fù)荷高燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)點(diǎn)的車用發(fā)動(dòng)機(jī)是主要 的研究目標(biāo)。汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)被認(rèn)為是目前最有效的節(jié)能減排技術(shù)之一 ，通過提升 噴油壓力、缸內(nèi)直噴、分層燃燒等技術(shù)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)、 燃燒組織及廢氣排 放的同時(shí),可大大降低燃油消耗并提升功率/扭矩輸出。汽油機(jī)的缸內(nèi)直接噴射（GDI）在空燃比很稀時(shí)，可在接近點(diǎn)火時(shí)刻才開始噴油， 即壓縮過程后期噴油，使火花塞周圍的濃混合氣來不及稀釋就被點(diǎn)燃了，一般可Mm在a大于等于2

2、550范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。GDI燃燒系統(tǒng)明顯改善燃油消耗率，但 還需要解決一些技術(shù)問題，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看終將取代傳統(tǒng)燃油噴射系統(tǒng)。汽油直噴系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示：1罠油搟2 電F燃紬遼3 境伯池淸霄4 丙液屁嗯N電価同N2905 出閹互力御丹陽6 卡耳怦抽親7嗎口申Mi辛B 為溜處配誇9 燃泊圧力傳龍器10粧泊圧力詢作電鐵冏11島既如ijil陽圖1：汽油直噴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖：汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，將汽油直接噴入汽缸中，且噴射正時(shí)精確；而傳統(tǒng)的汽油 噴射發(fā)動(dòng)機(jī)，汽油在汽缸外噴射，汽油與空氣無法呈層狀混合，且汽油會(huì)附著在 進(jìn)氣管壁及進(jìn)氣門上，同時(shí)噴射正時(shí)較不理想。如圖 2所示：汽油缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)（GDI）的主要特點(diǎn)

3、如下：1、由于汽油直接噴射，使缸內(nèi)充量得到冷卻，可以使用較大的壓縮比，怠 速及部分負(fù)荷燃油消耗率可以降低。2、與缸外噴射系統(tǒng)汽油機(jī)相比，由于提高了燃油霧化質(zhì)量和降低了泵吸損失，功率可以增加。3、缸內(nèi)汽油直接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)可大幅降低 C02、CO、HC及NOx的排放。缸 內(nèi)直接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)比一般噴射發(fā)動(dòng)機(jī)能夠更省油及輸出功率高的原因如下：低負(fù)荷時(shí)，利用層狀氣體分布，壓縮行程末期噴射的燃料被進(jìn)氣渦流及活塞頂部的球 形曲面保持在火花塞附近，為易于點(diǎn)燃的最佳混合氣，而周圍則為空氣層，整個(gè) 燃燒室內(nèi)成為40 : I 的超稀薄空燃比仍能穩(wěn)定燃燒，達(dá)到省油效果。4、低負(fù)荷時(shí)，由于空燃比超稀薄化，故進(jìn)排氣的泵損失少

4、，即氣體交換損失 少；且因燃料吸溫冷卻效果，冷卻損失少。5、怠速轉(zhuǎn)速可設(shè)定在較低值，例如，三菱汽車的 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)怠速為600r / min。進(jìn)氣行程就開始噴油，燃料汽化的吸溫冷卻效果，使空氣密度增加，可提 高容積效率，故比一般噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率高。6、直接噴入汽缸中燃油的汽化作用，降低空氣溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)不易爆震，故壓 縮比可提高，如GDI發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比可達(dá)12 : 1。汽油缸內(nèi)直噴（GDI）發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式：1、分層燃燒直噴汽油機(jī)最先投入市場(chǎng)的一些產(chǎn)品直噴汽油機(jī)，都在部分負(fù)荷工況時(shí)采用分層燃燒。 理想的分層燃燒，混合氣在缸內(nèi)分成兩個(gè)區(qū)域：一個(gè)區(qū)域?yàn)楹突旌蠚鈪^(qū)，當(dāng)?shù)?空燃比接近當(dāng)量空燃比。另一

5、個(gè)區(qū)域?yàn)闊o油區(qū)，空燃比為無窮大。點(diǎn)燃燃燒僅發(fā) 生在含油混合氣區(qū)，因此，分層燃燒混合氣的平均空燃比在理論上可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于當(dāng) 量空燃比。2、均勻混合直噴汽油機(jī)缸內(nèi)直噴的另一個(gè)應(yīng)用方向，是直噴均勻混合燃燒系統(tǒng)，即在所有工況下都 采用均勻混合氣，空燃比和一般點(diǎn)燃汽油機(jī)相似。因此這種系統(tǒng)可看作是對(duì)進(jìn)氣 道噴射的電噴均勻混合燃燒系統(tǒng)的改進(jìn)。直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：高壓噴油系統(tǒng)：高壓噴油系統(tǒng)可以說是直噴發(fā)動(dòng)機(jī)最關(guān)鍵的系統(tǒng)，與以前油氣在進(jìn)氣歧管內(nèi) 混合，然后被負(fù)壓吸入發(fā)動(dòng)機(jī)不同，直噴發(fā)動(dòng)機(jī)是用高壓噴油嘴將燃油噴入汽缸， 由于汽缸內(nèi)壓力已經(jīng)很大，因此需要噴油系統(tǒng)具備更大的壓力。 高壓噴油系統(tǒng)主 要可以分為發(fā)動(dòng)機(jī)控制

6、模塊（ECM、高壓油軌、高壓油泵和噴油嘴四部分（如 圖3所示），其中ECM主要采集發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，按照預(yù)定程序控制噴油時(shí)機(jī)和噴油圖3:高壓噴油系統(tǒng)部件量，從而實(shí)現(xiàn)最高燃燒效率；而高壓油泵則主 要負(fù)責(zé)燃油的加壓，高壓油軌主要起均衡各噴 油嘴噴射壓力的作用，而最終的噴油任務(wù)則由 噴油嘴來執(zhí)行。此外，還有多個(gè)傳感器提供燃 油壓力等信息，確保整個(gè)系統(tǒng)的高效率。ECM（或稱ECU不僅是直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān) 鍵部分，也是所有技術(shù)較新的內(nèi)燃機(jī)的重要組 成部分，這個(gè)部分涉及到芯片、執(zhí)行器、軟件 等多個(gè)環(huán)節(jié)，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)缺失都無法實(shí) 現(xiàn)量產(chǎn)裝車。目前ECM技術(shù)還是為國(guó)外企業(yè)所 把持，在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟。部分自主品牌

7、雖然也初步具備了 ECM勺制造能力, 但是在軟件的匹配、執(zhí)行器的可靠性等環(huán)節(jié)還有不少問題尚待解決， 不過就跟變 速器技術(shù)一樣，這樣的關(guān)鍵技術(shù)一旦取得突破，自主品牌廠商將受益匪淺。高壓油泵則是燃油加壓的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 在低壓油泵將燃油送到高壓油泵之后， 高壓 油泵可以將汽油加壓到十余兆帕的壓力 （這是普通汽油泵壓力的三四十倍），并 將其送入油軌。高壓油泵通常是由凸輪軸帶動(dòng)，內(nèi)部則有雙頭或者三頭凸輪加壓（如福特ECOBOOST列發(fā)動(dòng)機(jī)的“ 9號(hào)凸輪”）。在高壓油泵上還集成了電子 油軌壓力調(diào)節(jié)器（FRP,它是一個(gè)由ECM空制的電磁閥，ECM以脈沖寬度調(diào)制的 方式控制油壓調(diào)節(jié)器，油壓調(diào)節(jié)器控制著高壓燃油泵

8、的進(jìn)口閥， 從而控制燃油壓 力，當(dāng)驅(qū)動(dòng)線路失效時(shí)，高壓油泵進(jìn)入低壓模式，發(fā)動(dòng)機(jī)仍可應(yīng)急運(yùn)行。經(jīng)過油泵加壓之后，汽油進(jìn)入高壓油軌（見圖4）,在高壓油軌穩(wěn)定壓力后， 由于油軌和燃燒室之間存在壓力差，高壓油泵動(dòng)作之后汽油即噴入汽缸內(nèi)。 噴嘴 內(nèi)部還有電磁閥（見圖5）,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油量和時(shí)機(jī)的控制，其控制精度要求 很高，同時(shí)由于噴嘴的位置從進(jìn)氣歧管移到了汽缸內(nèi)，工作環(huán)境和溫度都發(fā)生了很大變化，對(duì)其可靠性的要求也大大提高。-iFM金之彩 CLin inmm! row ri圖4:高壓油軌円工二塞 仁血iiTOirin匸加ct圖5:高壓噴油嘴結(jié)構(gòu)示意圖：高分子密封圈；噴嘴針閥；銜鐵；電磁線圈；細(xì)濾器除了噴油

9、系統(tǒng)之外，其他發(fā)動(dòng)機(jī)部件也要為直噴做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)，才能確保 發(fā)動(dòng)機(jī)的高效，尤其是活塞頂部的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。按照可燃混合氣形成的控制方 式，缸內(nèi)直噴方式又可分為油束控制燃燒、壁面控制燃燒和氣流控制燃燒三類。在油束控制燃燒系統(tǒng)中，噴油器安置在燃燒室中央，火花塞安置在噴油器附 近，油束控制對(duì)空氣的利用率依靠油束的貫穿深度保證，而后者則受噴油器的噴油壓力控制。這種方式可以在低負(fù)荷的分層燃燒實(shí)現(xiàn)良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于中高負(fù)荷工況時(shí)，ECM調(diào)節(jié)高壓油泵壓力，使油束貫穿深度增大，從而 實(shí)現(xiàn)均質(zhì)加濃燃燒。在壁面控制燃燒系統(tǒng)中，噴油器和火花塞相隔較遠(yuǎn)，噴油器把燃油噴入活塞 凹坑中，然后依靠進(jìn)氣流的慣性將

10、油氣混合送往火花塞。 為了避免噴油器的溫度 過高，一般安置在進(jìn)氣門側(cè)，活塞凹坑開口對(duì)向進(jìn)氣門側(cè)，油氣混合后直接流向 火花塞。這種類型形成混合氣的時(shí)間較長(zhǎng)，易于形成較大區(qū)域的可燃混合氣。在氣流控制燃燒系統(tǒng)中，利用輪廓特殊的活塞表面形狀形成的缸內(nèi)氣流和油 束相互作用。此種系統(tǒng)不是把油霧朝活塞的凹坑噴射， 而是朝火花塞噴，特殊形 狀的進(jìn)氣道與噴油器呈一定的夾角， 給混合氣在汽缸內(nèi)一定的回旋力，汽缸內(nèi)形 成的氣流使油氣不是直接噴向火花塞，而是在汽缸內(nèi)形成渦流圍繞火花塞旋轉(zhuǎn)。 這樣就使大部分工況都能實(shí)行恰當(dāng)?shù)幕旌蠚獬淞糠謱雍途|(zhì)化。雖然直噴汽油機(jī)的優(yōu)勢(shì)明顯，但是它也受到制造技術(shù)和油品質(zhì)量的限制， 因 此

11、短期內(nèi)得到普及還不現(xiàn)實(shí)，不過憑借更為高效、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，它依然是未來內(nèi) 燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，我們也有望見到更多性能出色、燃油經(jīng)濟(jì)性高的直噴發(fā)動(dòng) 機(jī)面世。汽油缸內(nèi)直噴的燃油噴射控制: 為實(shí)現(xiàn)在各種運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，均能安定的 燃燒，因此依發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷，做最適當(dāng)?shù)?燃油噴射量與噴射正時(shí)控制。燃油噴射量控 制，即是空燃比的控制，如圖6所示，隨著空 燃比的變化，燃燒形態(tài)也有四種變化。從成層 燃燒的超稀薄燃燒，轉(zhuǎn)移至稀薄范圍的均勻燃 燒過程中，設(shè)有一弱成層燃燒范圍，其目的是 在空燃比發(fā)生變化時(shí)，用以抑制轉(zhuǎn)矩變化的沖 擊圖6:燃燒形態(tài)的變化 低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷時(shí)：是成層燃燒，空燃比為 25-50 : 1。由于發(fā)動(dòng)機(jī)

12、負(fù)荷小, 所需動(dòng)力較小，以超稀薄燃燒狀態(tài)進(jìn)行；在壓縮行程末期燃油噴入深碗型活塞頂 的燃燒室，與進(jìn)氣之橫渦流混合成層化，進(jìn)行成層燃燒，如圖 7所示。圖7:成層燃燒的作用 低轉(zhuǎn)速中負(fù)荷時(shí)：是弱成層燃燒，空燃比為 2030: 1。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增 加，混合氣需稍濃以維持正常的動(dòng)力輸出，部分燃油在進(jìn)氣行程先噴入氣缸中， 先行充分混合，并于壓 縮行程末期再做第二次噴射，達(dá)到成層化與稀薄混合氣 之結(jié)果，以進(jìn)行弱成層燃燒，如圖 8所示。圖&弱成層燃燒的作用 中轉(zhuǎn)速中負(fù)荷時(shí)：是稀薄范圍均勻燃燒，空燃比為1523: 1。為保持定的轉(zhuǎn)矩值，此時(shí)混合氣需較濃，在進(jìn)氣行程初期噴入接近理論空燃比的燃油， 經(jīng)進(jìn)氣行程及壓縮行程的均勻混合，進(jìn)行稀薄范圍的均勻燃燒，如圖9所示。圖9:稀薄范圍均勻燃燒作用 高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷時(shí)：是較濃范圍均勻燃燒，空燃比為 1523: 1。此時(shí)發(fā)動(dòng) 機(jī)必須發(fā)揮最大轉(zhuǎn)矩值，故在進(jìn)氣行程噴人較多燃油，使空燃比維持在理論空燃 比附近，進(jìn)行較濃范圍的均勻燃燒。汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)存在的問題：1、排放控制Nox排放較多，HC及微粒排放增多2、穩(wěn)定性燃燒控制汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)分層充氣稀燃區(qū)域的穩(wěn)定燃燒控制難度較大。