汽油直喷系统结构与工作原理

精品文档 1欢迎下载 汽油直喷系统结构与工作原理汽油直喷系统结构与工作原理 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 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是主 要的研究目标 汽油机缸内直喷技术被认为是目前最有效的节能减排技术之一 通过提升 喷油压力 缸内直喷 分层燃烧等技术改善发动机的冷启动 燃烧组织及废气 排放的同时 可大大降低燃油消耗并提升功率 扭矩输出 汽油机的缸内直接喷射 GDI 在空燃比很稀时 可在接近点火时刻才开始喷油 即压缩过程后期喷油 使火花塞周围的浓混合气来不及稀释就被点燃了 一般 可在 大于等于 25 50 范围内稳定工作 GDI 燃烧系统明显改善燃油消耗率 但还需要解决一些技术问题 从长远看终将取代传统燃油喷射系统 汽油直喷 系统结构简图如图 1 所示 图 1 汽油直喷系统结构简图 汽油直喷发动机 将汽油直接喷入汽缸中 且喷射正时精确 而传统的汽 油喷射发动机 汽油在汽缸外喷射 汽油与空气无法呈层状混合 且汽油会附 着在进气管壁及进气门上 同时喷射正时较不理想 如图 2 所示 精品文档 2欢迎下载 图 2 喷油器安装位置差异 汽油缸内直喷燃烧系统 汽油缸内直喷燃烧系统 GDIGDI 的主要特点如下 的主要特点如下 1 由于汽油直接喷射 使缸内充量得到冷却 可以使用较大的压缩比 怠 速及部分负荷燃油消耗率可以降低 2 与缸外喷射系统汽油机相比 由于提高了燃油雾化质量和降低了泵吸损 失 功率可以增加 3 缸内汽油直接喷射发动机可大幅降低 CO2 CO HC 及 NOx 的排放 缸内直接喷射发动机比一般喷射发动机能够更省油及输出功率高的原因如下 低负荷时 利用层状气体分布 压缩行程末期喷射的燃料被进气涡流及活塞顶 部的球形曲面保持在火花塞附近 为易于点燃的最佳混合气 而周围则为空气 层 整个燃烧室内成为 40 l 的超稀薄空燃比仍能稳定燃烧 达到省油效果 4 低负荷时 由于空燃比超稀薄化 故进排气的泵损失少 即气体交换损 失少 且因燃料吸温冷却效果 冷却损失少 5 怠速转速可设定在较低值 例如 三菱汽车的 GDI 发动机怠速为 600r min 进气行程就开始喷油 燃料汽化的吸温冷却效果 使空气密度增加 可 提高容积效率 故比一般喷射发动机的输出功率高 6 直接喷入汽缸中燃油的汽化作用 降低空气温度 发动机不易爆震 故 压缩比可提高 如 GDI 发动机压缩比可达 12 1 汽油缸内直喷 汽油缸内直喷 GDIGDI 发动机的燃烧方式 发动机的燃烧方式 1 分层燃烧直喷汽油机 最先投入市场的一些产品直喷汽油机 都在部分负荷工况时采用分层燃烧 理想的分层燃烧 混合气在缸内分成两个区域 一个区域为含油混合气区 当 精品文档 3欢迎下载 地空燃比接近当量空燃比 另一个区域为无油区 空燃比为无穷大 点燃燃烧 仅发生在含油混合气区 因此 分层燃烧混合气的平均空燃比在理论上可远远 大于当量空燃比 均匀混合直喷汽油机 缸内直喷的另一个应用方向 是直喷均匀混合燃烧系统 即在所有工况下都 采用均匀混合气 空燃比和一般点燃汽油机相似 因此这种系统可看作是对进 气道喷射的电喷均匀混合燃烧系统的改进 直喷发动机的技术关键点直喷发动机的技术关键点 高压喷油系统 高压喷油系统可以说是直喷发动机最关键的系统 与以前油气在进气歧管 内混合 然后被负压吸入发动机不同 直喷发动机是用高压喷油嘴将燃油喷入 汽缸 由于汽缸内压力已经很大 因此需要喷油系统具备更大的压力 高压喷 油系统主要可以分为发动机控制模块 ECM 高压油轨 高压油泵和喷油嘴四 部分 如图 3 所示 其中 ECM 主要采集发 动机数据 按照预定程序控制喷油时机和喷 油量 从而实现最高燃烧效率 而高压油泵 则主要负责燃油的加压 高压油轨主要起均 衡各喷油嘴喷射压力的作用 而最终的喷油 任务则由喷油嘴来执行 此外 还有多个传 感器提供燃油压力等信息 确保整个系统的 高效率 ECM 或称 ECU 不仅是直喷发动机的关键部分 也是所有技术较新的内 燃机的重要组成部分 这个部分涉及到芯片 执行器 软件等多个环节 其中 任何一个环节缺失都无法实 图 3 高压喷油系统部件 现量产装车 目前 ECM 技术还是为国外企业 所 把持 在技术上已经比较成熟 部分自主品牌虽然也初步具备了 ECM 的制 造能力 但是在软件的匹配 执行器的可靠性等环节还有不少问题尚待解决 不过就跟变速器技术一样 这样的关键技术一旦取得突破 自主品牌厂商将受 益匪浅 高压油泵则是燃油加压的关键环节 在低压油泵将燃油送到高压油泵之后 高 压油泵可以将汽油加压到十余兆帕的压力 这是普通汽油泵压力的三四十倍 并将其送入油轨 高压油泵通常是由凸轮轴带动 内部则有双头或者三头凸轮 加压 如福特 ECOBOOST 系列发动机的 9 号凸轮 在高压油泵上还集成了 精品文档 4欢迎下载 电子油轨压力调节器 FRP 它是一个由 ECM 控制的电磁阀 ECM 以脉冲宽度 调制的方式控制油压调节器 油压调节器控制着高压燃油泵的进口阀 从而控 制燃油压力 当驱动线路失效时 高压油泵进入低压模式 发动机仍可应急运 行 经过油泵加压之后 汽油进入高压油轨 见图 4 在高压油轨稳定压力 后 由于油轨和燃烧室之间存在压力差 高压油泵动作之后汽油即喷入汽缸内 喷嘴内部还有电磁阀 见图 5 可以实现对喷油量和时机的控制 其控制精 度要求很高 同时由于喷嘴的位置从进气歧管移到了汽缸内 工作环境和温度 都发生了很大变化 对其可靠性的要求也大大提高 图 4 高压油轨 图 5 高压喷油嘴结构示意图 高分子密封圈 喷嘴针阀 衔铁 电磁线圈 细滤器 除了喷油系统之外 其他发动机部件也要为直喷做出相应的设计 才能确 保发动机的高效 尤其是活塞顶部的设计非常关键 按照可燃混合气形成的控 精品文档 5欢迎下载 制方式 缸内直喷方式又可分为油束控制燃烧 壁面控制燃烧和气流控制燃烧 三类 在油束控制燃烧系统中 喷油器安置在燃烧室中央 火花塞安置在喷油器 附近 油束控制对空气的利用率依靠油束的贯穿深度保证 而后者则受喷油器 的喷油压力控制 这种方式可以在低负荷的分层燃烧实现良好的燃油经济性 而当发动机处于中高负荷工况时 ECM 调节高压油泵压力 使油束贯穿深度增 大 从而实现均质加浓燃烧 在壁面控制燃烧系统中 喷油器和火花塞相隔较远 喷油器把燃油喷入活 塞凹坑中 然后依靠进气流的惯性将油气混合送往火花塞 为了避免喷油器的 温度过高 一般安置在进气门侧 活塞凹坑开口对向进气门侧 油气混合后直 接流向火花塞 这种类型形成混合气的时间较长 易于形成较大区域的可燃混 合气 在气流控制燃烧系统中 利用轮廓特殊的活塞表面形状形成的缸内气流和 油束相互作用 此种系统不是把油雾朝活塞的凹坑喷射 而是朝火花塞喷 特 殊形状的进气道与喷油器呈一定的夹角 给混合气在汽缸内一定的回旋力 汽 缸内形成的气流使油气不是直接喷向火花塞 而是在汽缸内形成涡流围绕火花 塞旋转 这样就使大部分工况都能实行恰当的混合气充量分层和均质化 虽然直喷汽油机的优势明显 但是它也受到制造技术和油品质量的限制 因此短期内得到普及还不现实 不过凭借更为高效 经济的特点 它依然是未 来内燃机技术的发展趋势 我们也有望见到更多性能出色 燃油经济性高的直 喷发动机面世 汽油缸内直喷的燃油喷射控制 汽油缸内直喷的燃油喷射控制 为实现在各种运转条件下 均能安定 的燃烧 因此依发动机转速与负荷 做最适 当的燃油喷射量与喷射正时控制 燃油喷射 量控制 即是空燃比的控制 如图 6 所示 随着空燃比的变化 燃烧形态也有四种变化 从成层燃烧的超稀薄燃烧 转移至稀薄范围 的均匀燃烧过程中 设有一弱成层燃烧范围 其目的是在空燃比发生变化时 用以抑制转矩变化的冲击 图图 6 6 燃烧形态的变化 燃烧形态的变化 低转速低负荷时 是成层燃烧 空燃比为 25 50 1 由于发动机负荷小 所需动力较小 以超稀薄燃烧状态进行 在压缩行程末期燃油喷入深碗型活塞 精品文档 6欢迎下载 顶的燃烧室 与进气之横涡流混合成层化 进行成层燃烧 如图 7 所示 图 7 成层燃烧的作用 低转速中负荷时 是弱成层燃烧 空燃比为 20 30 1 当发动机负荷 增加 混合气需稍浓以维持正常的动力输出 部分燃油在进气行程先喷入气缸 中 先行充分混合 并于压 缩行程末期再做第二次喷射 达到成层化与稀薄混 合气之结果 以进行弱成层燃烧 如图 8 所示 图 8 弱成层燃烧的作用 中转速中负荷时 是稀薄范围均匀燃烧 空燃比为 15 23 1 为保持 一定的转矩值 此时混合气需较浓 在进气行程初期喷入接近理论空燃比的燃 油 经进气行程及压缩行程的均匀混合 进行稀薄范围的均匀燃烧 如图 9 所 示 精品文档 7欢迎下载 图 9 稀薄范围均匀燃烧作用 高转速高负荷时 是较浓范围均匀燃烧 空燃比为 15 23 1 此时发动 机必须发挥最大转矩值 故在进气行程喷人较多燃油 使空燃比维持在理论空 燃比附近 进行较浓范围的均匀燃烧 汽油直喷发动机存在的问题 汽油直喷发动机存在的问题 1 排放控制 Nox 排放较多 HC 及微粒排放增多 2 稳定性燃烧控制 汽油直喷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 稀燃和太负荷均质燃烧模式转变时的控制也非常复杂 3 性能