汽车新技术 第二章

Home第一节缸内直喷式汽油机第二节柴油机共轨技术第二章发动机燃油喷射新技术Home第一节缸内直喷式汽油机一、基本结构及特点二、大众FSI三、三菱GDI第二章发动机燃油喷射新技术Home一、基本结构及特点这里以Bosch公司电控缸内直接喷射系统的机型为例来介绍各相关系统的基本结构及特点。该系统主要有进气系统、喷油系统、点火系统、排气后处理系统和电子控制系统等五大系统，所用的传感器和执行部件大体上与进气道喷射汽油机相似，但为适应缸内直喷式汽油机工作原理的特点而有所不同。图2-1-1为采用Bosch公司MotronicMED7电控汽油机缸内直接喷射系统的主要部件布置图。这种高压喷油系统是一种共轨蓄压式喷射系统，燃油能够按电控单元的指令，在任何时刻以所需要的压力由电控喷油器精确计量并直接喷入气缸，而所要求的发动机输出扭矩值（即负荷大小）是由驾驶员根据行驶的需要踩下或松开加速踏板模块，通过其中的“节气门”位置传感器发出的电信号通知电控单元来调节喷油量而实现的。为了使发动机能够实现分层燃烧与均质燃烧两种运行方式，必须将进气量调节与加速踏板调节（负荷调节）分开，以便能够在低负荷工况时节气门全开，实现发动机无节流运行，而在高负荷工况时又能用节气门来调节进气空气量。进气空气质量可由电子节气门（EGAS）自由调节，并应用热膜空气质量流量计来精确测量气缸吸入的空气质量。而混合气控制由一个普通氧传感器（λ传感器）来实现，用于进行λ=1的均质燃烧运行或分层稀薄燃烧运行调节，以及实现对NOx吸附式催化器的精确控制。第二章发动机燃油喷射新技术Home第二章发动机燃油喷射新技术Home进气系统由图2-1-1可知，缸内直喷式汽油机的进气系统包括热膜空气质量流量计、电子节气门（EGAS）、进气管压力传感器、废气再循环（EGR）阀和进气滚流阀（或涡流阀）等。在此只重点介绍缸内直喷式汽油机所应用的进气滚流阀和涡流阀。缸内直喷式汽油机应用的进气空气运动方式有两种：进气滚流和进气涡流。发动机的基本结构对于气体流动方式的选择起着决定性的作用。在四气门汽油机上，若气门夹角较大，则采用滚流支持的直喷式燃烧过程比较有利，而气门夹角较小时则采用涡流支持的直喷式燃烧过程。对于两气门汽油机而言，则大多选择涡流支持的直喷式燃烧过程。第二章发动机燃油喷射新技术Home（1）进气滚流缸内直喷式汽油机所应用的进气滚流是进气空气通过进气道的导向而在气缸中形成的绕垂直于气缸中心线的轴线旋转的充量运动。根据滚流形成的方式又可细分为正向滚流（图2-1-2）和逆向滚流（图2-1-3）两种。第二章发动机燃油喷射新技术Home逆向滚流通常由直立式进气道产生，进气空气直接沿着同侧的气缸壁面进入气缸而形成充量的旋转运动，流动顺畅，具有较好的流量系数，但其气缸盖高度较高，会增加发动机的总体高度。如图2-1-3所示为法国标志雪铁龙信团（PSA）生产的2.0LHPi直喷式汽油机壁面引导式燃烧过程所应用的直立式进气道及其逆向滚流。正向滚流的进气道则大多倾斜布置在气缸盖的一侧，而喷油器布置在其下方。图2-1-4所示为奥迪A3轿车2.0LFSI直喷式汽油机应用这种进气道和滚流阀的情况，此时火花塞就可以对称地布置在气缸中央，对燃烧过程十分有利。第二章发动机燃油喷射新技术Home（2）进气涡流缸内直喷式汽油机所应用的进气涡流是进气空气通过进气道的导向而在气缸中形成的绕气缸轴线旋转的充量运动。进气涡流既适合于分层混合气形成，也是均质混合气形成所需要的。欧宝（Opel）动力总成公司2.2LEcotec直喷式汽油机采用均质混合气运行，每缸具有两个完全分开的进气道：切向进气道（也可采用螺旋气道）和充气进气道（图2-1-5）在充气进气道中装有涡流调节阀，在部分负荷工况时由伺服电动机通过杠杆机构能将充气进气道连续关小直至完全关闭，越来越多的进气空气通过切向进气道进入气缸，从而提高涡流强度，提高充量均质化，并有利于提高发动机对EGR的相容性。全负荷工况时涡流调节阀完全打开，以充分利用充气进气道的流通能力来改善空气供应获得高功率，此时得到与进气道喷射汽油机相同的空气流动特性。第二章发动机燃油喷射新技术Home2.喷油系统缸内直喷式汽油机喷油系统要求能够自由选择喷油时刻和可变的喷油压力。共轨式喷油系统具有很大的控制自由度，能够在任意一个时刻通过电控喷油器将存储在共轨中达到运行工况所要求压力的燃油精确计量直接喷入燃烧室。首先由燃油箱内的低压电动燃油泵供油模块产生0.35～0.40MPa的初级输油压力。按需要向由发动机直接传动的高压燃油泵供油，它可将燃油共轨中的燃油压力最高提高到12MPa。喷油器直接连接在燃油共轨上，由电控单元发出的控制信号（喷油脉冲，其宽度即通电持续时间）来确定喷油始点和喷油量。共轨中的燃油压力由燃油压力传感器采集，并由同样安装在共轨上的燃油压力调节器调节到喷油脉谱图所规定的压力值。燃油压力调节器根据负荷状况调节共轨通往回油管路的通道截面，以控制回油量。但这些多余的燃油量并不是返回到燃油箱，而是直接返回到高压燃油泵的进油口。这样就能够尽可能地减少高压燃油泵的能量消耗，有利于降低燃油耗。（1）低压输油泵缸内直喷式汽油机的低压输油泵通常采用与进气道喷射汽油机一样的电动燃油泵。大众公司1.4L/1.6LFSI直喷式汽油机采用了一种可调节供油量的电动燃油泵。为此在低压进油油路中安装了一个压力传感器，根据此压力信号，发动机电控单元控制电动燃油泵只供应实际所必需的燃油量，以保持0.40MPa的初级输油压力，而不再有多余的燃油回流到燃油箱，这样有利于降低燃油耗，还具有改变低压进油压力的可能性。第二章发动机燃油喷射新技术Home（2）高压燃油泵直喷式汽油机高压燃油泵的任务是将燃油压力由0.35～0.40MPa的初级输油压力提高到12MPa，甚至最高达20MPa，并要求泵油流量变化小，以减小共轨中的压力波动，并应避免燃油与机油混合。高压燃油泵应具备比发动机全负荷喷油量要求的最大供油量更大的泵油量，以满足实际运转中动态压力变化的需要。缸内直喷式汽油机所应用的高压燃油泵的结构类型大致有轴向柱塞泵、径向柱塞泵和直立式柱塞泵三种。从各方面综合评价的结果来看，径向柱塞泵更为有利，其中三个柱塞径向均匀布置，对驱动轴的径向作用力可部分抵消，而且结构长度较短，特别是可由发动机凸轮轴直接驱动，因此在使用寿命和工作效率方面均具有优势，直喷式汽油机应用最广，如图2-1-6所示。第二章发动机燃油喷射新技术Home这种径向柱塞泵的供油量波动性主要取决于柱塞的数目。为了获得较小的供油波动，至少需要三个柱塞交替泵油。径向柱塞泵由发动机凸轮轴直接驱动在装配、效率和成本等方面更为有利。大众1.4L/1.6LFSI分层直喷式汽油机和奥迪A32.0LFSI分层直喷式汽油机都采用了Bosch公司新开发的可按需要调节供油量的HDP2型单柱塞高压燃油泵（图2-1-7）。这种高压燃油泵不仅具有较轻的质量、较小的外形尺寸和较高的效率，而且泵油量能按需调节，降低了高压燃油泵的驱动功率（约40%），具有明显的节油效果。第二章发动机燃油喷射新技术Home（3）燃油共轨燃油共轨是一种管状铸铝件，并具有与高压燃油泵、喷油器、燃油压力调节阀和燃油压力传感器连接的接头。考虑到燃油的可压缩性和填充共轨容积所需要的时间，其蓄压容积的设计应遵循这样的原则：一方面要求具有较大的蓄压容积，以便能抑制向喷油器周期性供油而引起的压力波动以及高压泵供油的波动性，尽量保持共轨燃油压力的平稳；另一方面又要求具有尽量小的蓄压容积，以便共轨压力能够足够迅速地建立起发动机运转所需要的燃油压力。一般来讲，就排量为2.2L的直喷式汽油机而言，共轨蓄压容积为45cm3较为合适。第二章发动机燃油喷射新技术Home（4）共轨压力调节器共轨压力调节器的基本结构如图2-1-8所示，其任务是在发动机整个运转范围内按照脉谱图的规定值来调节共轨压力，而与高压燃油泵的供油量和喷油器的喷油量无关。这是通过调节其节流阀和阀座之间的横截面积控制回油体积流量来实现的。由于作用在节流阀上的电磁线圈激励的电磁力与液压力保持着动态平衡，所以共轨压力和励磁电流之间存在着直接关系，可采用脉宽调制信号来控制电磁线圈中的励磁电流，从而达到调节共轨压力的目的。由于这种方式产生的磁性衔铁的强迫振动没有摩擦力，并且能几乎无滞后地动作，因而具有非常高的燃油共轨压力调节精度。第二章发动机燃油喷射新技术Home（5）共轨压力传感器共轨压力传感器用于测量共轨中的燃油压力，其中焊有一片贵金属薄膜作为传感元件，在它上面应用薄膜技术制有测量电阻，通过传感器壳体中的专用集成电路上集成的平衡电路、补偿电路和计值电路，即可输出与共轨燃油压力相对应的电信号。（6）电控喷油器电控喷油器是缸内直喷式汽油机喷油系统中的核心部件，一方面必须满足喷油器在结构紧凑的气缸盖上的装配条件，另一方面喷油器必须满足对较短的喷油持续时间和较大的喷油量线性动态流量范围等方面特别高的要求，同时燃油喷束特性对于调节分层混合气燃烧过程又具有特别重要的作用。第二章发动机燃油喷射新技术Home①喷油嘴型式的选择喷油嘴型式除应具有良好的雾化品质之外，还必须不易积炭，并能够实现倾斜于喷油器轴线的喷射油束，以及易于加工和适合于大批量生产。表2-1-1为三种喷油嘴型式的综合评价，其中喷油嘴针阀的开启方式存在着原则的区别，对其性能产生重大的影响。第二章发动机燃油喷射新技术HomeA型喷嘴针阀向外开启，具有较好的抗积炭能力，但喷射油束形状是一个透明的空心圆锥体，雾化品质略差，呈现有限的伞状油束，较为适合于喷射油束引导的分层燃烧过程。I型旋流喷嘴的针阀向内开启，并能在密封座面上方产生燃油的横向旋流，因而能形成良好的雾化品质，并能产生倾斜于喷油嘴轴线的喷射油束，便于喷油器在气缸盖上的布置，特别适合于空气滚流引导和壁面引导的分层燃烧过程。这种雾化方法及其油束方位的灵活性和不易积炭的特点，使其具有明显的优势，从而获得了广泛应用。多孔喷嘴特点是可通过每一个喷孔喷射出界限分明的单个油束，雾化品质不如旋流喷嘴，但可通过有针对性地设计各个喷孔的长度与孔径比，调整油束在燃烧室中的位置和单个分支锥形油束的贯穿度，能灵活地适应燃烧室的几何形状。第二章发动机燃油喷射新技术Home②喷油器结构及其特点缸内直喷式汽油机喷油系统应用的喷油器，按针阀控制的方式可分为电磁阀控制式喷油器和压电控制式喷油器两种：a.电磁阀控制式喷油器缸内直喷式汽油机一般采用电磁阀控制式喷油器。针阀的运动质量较小，能达到高频率喷油必须快速开关的时间要求，从而在最大喷油持续时间5ms的情况下获得了喷油量1∶12的线性动态流量范围，能够满足一般缸内直喷式汽油机的要求。这种汽油喷油器的头部细长，并选用尽可能小的喷油器套直径，有利于在发动机气缸盖上的布置，这样可以使气缸盖有足够的冷却水套。但是，随着升功率的提高，对喷油器最小和最大喷油量之间的喷油量跨度，即喷油量的线性动态流量范围的要求也有明显提高。西门子威迪欧（SiemensVDO）汽车电子子公司开发了新一代Deka-D1-XL2型电磁阀控制式喷油器，其喷油量动态范围＞20。这种新一代喷油器具有的喷油量跨度能适用于升功率高达95kW/L的涡轮增压汽油机。第二章发动机燃油喷射新技术Homeb.压电控制式喷油器压电喷油器，具有更迅速的针阀开关特性，能够获得更精确的燃油计量和更小的喷油量，不但能够降低噪声和燃油耗，还能减少有害物的排放。图2-1-9所示的是SiemensVDO公司开发的压电喷油器。这种喷油器最重要的特点是压电执行器以及由其直接操纵的向外开启的针阀和机油阻尼热补偿器等，具有高的抗结焦能力和非常短的开关时间（0.2ms），并能实现多次喷射以及喷嘴针阀的全升程和部分升程。其最短的喷油时间可达0.1ms，同时具有高的静态流量值，大大拓展了喷油器的动态流量范围。压电喷油器具有重复性较好的高计量精度、稳定的锥形油束和高的抗结焦能力，特别适合于油束引导燃烧过程，并能够在很大的运行范围内实现充量分层运转，从而使汽车获得特别好的行驶经济性。第二章发动机燃油喷射新技术Home3.点火系统缸内直喷式汽油机的点火系统普遍采用分缸独立高能点火系统，各缸的高能点火线圈直接与火花塞相连，因而对火花塞提出了更高的要求：（1）高的耐热性能为了实现分层燃烧，混合气应有足够的时间暴露在火花塞触点周围，点火点应尽量深入到易于点燃的、足够浓的混合气区域，并且为了保证稳定可靠地点燃，火花塞电极周围处于着火界限内的混合气区域应足够大，因此缸内直喷式汽油机的火花塞要位于燃烧室较深的部位，其端部的温度也要比进气道喷射汽油机更高，因而必须具有更高的耐热性能。为了使火花塞能够更好地散热，采用以下措施：①采用突出的金属壳来降低接地电极的温度；②采用铜芯接地电极来传热。（2）高的抗积炭性能分层燃烧时，较浓的混合气集中在火花塞周围，特别是油束引导的分层燃烧过程喷射的油束会直接碰撞到火花塞，导致火花塞更容易积炭，这将会降低火花塞的绝缘性能而引起漏电，从而导致火花塞不点火，因此缸内直喷式汽油机用的火花塞应具有自洁能力和高抗积炭性能。为此，采用以下措施来提高火花塞的抗积炭性能：①采用直径较小的直形绝缘体末端来提高自洁能力；②减小火花塞间隙，防止积炭；③采用两段直径中心电极来提高自洁能力；④采用半表面放电型设计来提高自洁能力。第二章发动机燃油喷射新技术Home（3）高的点火性能和耐久性为了实现分层稀燃，必须确保在稀混合气中稳定可靠地点火，因此要求火花塞具有高的点火能量和较长的火花持续时间，并用铱合金的触点来提高火花塞的耐久性。目前用于缸内直喷的火花塞的类型、特征及性能见表2-1-2。第二章发动机燃油喷射新技术Home4.排气后处理系统均质燃烧直喷式汽油机由于与进气道喷射汽油机一样，在所有运转工况下都用过量空气系数或空燃比来表示混合气浓度。无论是HC还是NOx排放都与进气道喷射汽油机差不多，因此排气后处理相对比较简单。可采用进气道喷射汽油机已广泛应用的三效催化转化器系统来进行排气后处理。在三效催化转化器中三种主要污染物CO、HC和NOx能同时被高效地净化，当发动机的过量空气系数在1附近时，其转化效率最高。为此由发动机电控系统中的空燃比调节功能（图2-1-10），通过进气空气质量流量计和安装在三效催化转化器前的λ传感器（氧传感器）来调节喷油量，以实现所需要的精确的过量空气系数。第二章发动机燃油喷射新技术Home三效催化转化器的芯子由圆形或椭圆形的蜂窝状多孔陶瓷（MgO2、Al2O3、SiO2）载体及其表面的催化涂层所组成，其体积是汽油机排量的50%～80%左右。为了在较小的体积内具有较大的催化表面，将三效催化转化器的芯子载体做成蜂窝状通道，蜂窝密度越大，单位体积中的催化表面越大，一般为400目（蜂窝通道数/英寸），蜂窝通道壁厚在0.2mm左右，单位体积中的载体表面在28cm2/cm3以上，能承受980℃以上高温。载体蜂窝通道壁表面涂层（图2-1-11）的主要活性催化材料是贵金属铂（Pt）和铑（Rh），用量为每升载体1.4～1.7g。铂（Pt）主要催化HC和CO的氧化反应，而铑（Rh）则催化NOx的还原反应。两者的用量比例为5∶1。第二章发动机燃油喷射新技术Home当汽油机以过量空气系数等于1的混合气运行，排气流经三效催化转化器蜂窝通道时，其中的CO和HC在铂（Pt）的催化作用下被剩余的O2氧化净化成CO2+H2O，而所产生的H2和没有氧化净化完的CO和HC作为NOx还原反应净化成N2所必需的还原剂。这样，三种主要污染物CO、HC和NOx就能同时转化净化。如果混合气太稀（λ＞1），空气过量，排气中的O2就富余，CO和HC及其氧化反应所产生的H2就会首先被完全氧化掉，因此NOx的还原净化反应因缺乏还原剂而无法进行。相反，如果混合气太浓（λ＜1），空气不足，排气中的O2就不足以使得CO和HC被氧化净化。三效催化转化器对CO、HC和NOx的转化净化效率还与温度有关，通常将催化转化效率达到50%的温度称为三效催化转化器的起燃温度，一般为250℃左右。为了提高转化净化效率和防止过热，三效催化转化器的使用温度应控制在350～450℃。采用三效催化转化器的汽油机轿车，在城市标准测试循环中排放污染物的50%～80%是在冷启动后1min内排放的。因此提高三效催化转化器在冷启动时的转化净化效率是满足越来越严格的排放标准的关键。为此，缸内直喷式汽油机将三效催化转化器置于与排气管紧密耦联的位置，以便减少经过连接管路时的热量损失，使得三效催化转化器能在冷启动时迅速升温以及在低负荷时保持足够高的工作温度，有利于提高其催化转化效率。第二章发动机燃油喷射新技术Home随着使用时间的增长，三效催化转化器的活性表面也会老化失效，具体表现为转化净化效率下降，起燃温度上升。通常，汽车经过15万公里行驶以后，三效催化转化器的起燃温度会从250～270℃提高到350℃以上，而CO和HC的转化净化效率减少20%～30%，NOx的转化净化效率减少50%。三效催化转化器老化的主要原因有两个：（1）过热老化：由于使用温度过高造成催化转化器载体表面烧结而导致活性损失，一般三效催化转化器的使用温度不宜超过900℃。在日常使用中应尽量避免长时间高速高负荷行驶或急加速。（2）化学毒化：燃油和润滑油中的一些元素（如铅、硫等）和催化转化器载体表面活性材料反应，或覆盖在催化转化器载体的活性表面上，造成催化转化器转化效率下降，因此使用三效催化转化器的汽油机必须使用无铅汽油，并对使用的润滑油的成分提出了新的要求，在日常使用中必须使用规定的汽油和润滑油牌号，绝不能任意更换。5.电子控制系统均质燃烧缸内直喷式汽油机由于运行状况与进气管喷射汽油机相似，电控系统也基本相似。第二章发动机燃油喷射新技术Home大众燃油分层直喷技术FSI(FuelStratifiedInjection)是近几年在汽车工程界脱颖而出的汽油发动机技术。FSI发动机在2000年开始应用在批量生产的车型上，先后塔载在大众高尔夫、波罗、帕萨特、奥迪等不同型号的车型上。现在的FSI发动机有三种工作方式：分层充气模式、均质稀混合气模式、均质混合气模式，在不同的工况下采用不同的混合气浓度。FSI发动机按照发动机负荷工况，可以自动选择在低负荷时采用分层充气模式；在高负荷时则采用均质混合气模式；在中间负荷状态时，采用均质稀混合气模式。在三种运行模式中，燃料的喷射时间有所不同，真空作用的开关阀进行开启/关闭来控制进气气流的形态。二、大众FSI第二章发动机燃油喷射新技术Home1.分层充气模式如图2-1-12所示，在这种工作模式中过量空气系数为1.6～3。在分层充气模式下，空气经过接近全开的节气门（节气门不能完全打开，因为总要保持一定的真空用于活性碳罐装置和废气再循环装置）引入燃烧室。此时，进气歧管翻板会将下部进气道完全关闭，这样吸入的空气在上部进气道流动的速度就加快了，于是空气会呈旋涡状流入气缸内。活塞上的凹坑会增强这种涡旋流动效果，与此同时，节气门会进一步打开，以便尽量减小节流损失。在压缩行程上止点前约60时，高压燃油以50～110bar的压力喷入到火花塞附近。燃油的喷射时刻对混合气的形成有很大的影响，混合气形成只发生在40～50曲轴角之间，如果曲轴角小于这个范围就无法点燃混合气，如果曲轴角大于这个范围，混合气就变成均质充气了，如此稀薄的均质混合气是无法点燃的。由于燃油喷射角非常小，燃油雾气实际并不与活塞顶接触，所以称为“空气引入”方式，并且只在火花塞附近聚集了具有良好点火性能的混合气，这些混合气在压缩行程中被点燃。另外在燃烧后，被点燃的混合气与气缸壁之间会出现一个隔离用的空气层，它的作用是降低通过发动机缸体散发掉的热量，提高了热效率。分层充气模式并不是在整个特性曲线范围内都能实现的。特性曲线范围受到限制，这是因为当负荷增大时，需要使用较浓的混合气，燃油消耗方面的优势也就随之下降了。另外，当过量空气系数小于1.4时，燃烧稳定性就变差了，这是因为转速升高后，混合气准备时间就不足了，且空气的涡旋流动也对燃烧稳定性产生不利的影响。第二章发动机燃油喷射新技术Home第二章发动机燃油喷射新技术Home2.均质稀混合气模式如图2-1-13所示，这种工作模式的过量空气系数为1.55左右，在这种工作模式下也和分层充气一样，节气门开度大，进气歧管关闭，不过是在点火上止点前300℃左右时喷入燃油，这样形成混合气的时间比较长，有利于形成均匀的稀混合气，这种工作模式称为均质稀混合气模式。均质稀混合气模式是一种特殊的工作模式，同分层充气模式一样，也只能在一定的转速范围内正常工作，并且还需要满足以下条件：（1）没有与排放系统有关的故障。（2）冷却液温度必须超过50℃。（3）氮氧化物催化转换器的温度为250～500℃范围内。（4）进气阀必须保持关闭状态。在均质稀薄燃烧这种运行模式中，燃油在进气冲程喷射，并且由于产生加速稀薄混合气燃烧的纵涡流，开关阀被关闭。这时，阻碍燃烧的废气再循环（EGR）暂不进行。与均质理论空燃比燃烧不同的是，吸入空气量超过燃油喷射量燃烧的需要，此时的过量空气系数大于1。第二章发动机燃油喷射新技术Home第二章发动机燃油喷射新技术Home3.均质混合气模式如图2-1-14所示，均质混合气模式的过量空气系数为1。节气门开度按照油门踏板的位置来控制，在发动机负荷较大且转速较高时，进气歧管翻板就会完全打开，于是吸入的空气就经过上、下进气道进入气缸。燃油喷射并不是像分层充气模式那样在压缩行程时发生，而是发生在进气行程中，这样燃油和空气就有更充足的时间来混合，并且可以利用空气流动旋转的涡流来击碎燃油颗粒，使之混合更加充分。均质模式的优点在于燃油是直接喷入燃烧室内，而吸入的空气可抽走一部分燃油汽化时所产生的热量。这种内部冷却可以降低爆震趋势，因此可以提高发动机的压缩比和热效率。在高负荷中所进行的均质理论空燃比燃烧中，燃油则是在进气冲程中喷射。理论空燃比的均质混合气易于燃烧，不必借助涡流作用，由于进气阻力减少，开关阀打开。而在全负荷以外，进行废气再循环，限制泵吸损失，采用直喷化可使压缩比提高到12∶1，即使在均质理论空燃比混合气燃烧中，仍能降低燃油消耗。第二章发动机燃油喷射新技术Home第二章发动机燃油喷射新技术Home大众FSI发动机具有独特的燃烧室和活塞顶的结构，发动机工作时，在一个工作循环过程中进行两次喷油，当发动机进入进气行程时，喷油器第一次向气缸内喷入较少的燃油，这与普通的电喷发动机在进气管内喷油类似，但由于喷油量较小，气缸内混合气浓度也相对较稀。在进入压缩行程后，较稀的混合气甚至不能在火花塞发出的电弧下发火燃烧，这样就避免了汽油在高压缩比下产生爆燃。当进入压缩行程末段时，活塞还未运动到上止点时，喷油器在气缸内进行第二次喷油。此时，高速喷出的燃油在高压下，借助活塞顶部的特殊凹陷结构在气缸内形成强涡流，运动到燃烧室顶部，在火花塞附近形成一个混合气浓度相对较高的区域，此处混合气的浓度足以保证火花塞放出的电弧能将其引燃，在涡流的作用下，火焰也很快从混合气浓度较高的区域扩散到浓度较低的区域。利用这一过程，较高的压缩比和强大的涡流就使稀薄的混合气可以在气缸内充分燃烧，提高了汽油的燃烧效率，达到增大功率的同时又节省了燃油的消耗量。这就是大众的FSI发动机的工作过程。实际上，在这一过程中为了实现稀薄燃烧的目的，燃油的分层燃烧才是最核心的技术，而将燃油直接喷射到气缸中，只是实现燃油分层燃烧的技术基础第二章发动机燃油喷射新技术Home三、三菱GDI三菱GDI(GosolineDirectInjection)发动机采用更为主动的方法实现分层燃烧。利用喷油器主动向火花塞附近喷油，喷出的燃油会形成喇叭状，越靠近喷油嘴的区域，混合气浓度就越高，越远离喷油嘴的区域，混合气的浓度也就越低，利用这一原理将喷油器布置在火花塞附近，就更利于形成混合气浓度较高的区域。GDI发动机和FSI发动机都是采用一个工作循环两次喷油的供油方式，GDI发动机在第一次喷油时，其过程和所实现的目的与FSI发动机完全相同，而在第二次喷油时，GDI发动机则不需要利用涡流来形成混合气浓度相对较高的区域，如图2-1-15所示。表2-1-3列出了GDI的主要技术、目标和方法。第二章发动机燃油喷射新技术Home第二章发动机燃油喷射新技术Home第二章发动机燃油喷射新技术第二节柴油机共轨技术一、柴油机电控系统简述二、燃油系统的组成及工作原理三、电控系统的构成及工作原理四、典型高压共轨喷射系统介绍Home一、柴油机电控系统简述柴油机电控系统的发展柴油机电控系统的发展经历了三代：（1）第一代（位置控制方式）柴油机电控技术的发展保留了传统柴油机供给系统的基本组成和结构，只是取消了机械控制部件（调速器等），增加了传感器、ECU、执行器等组成的控制系统，使控制精度和响应速度得以提高。柴油机的结构几乎不需改动，便于对现有柴油机进行升级换代，但响应慢，控制精度不高，供油压力不能控制。在直列柱塞泵上实施位置控制的有：日本电装公司的ECD-P1、ECD-P2、ECD-P3系统，德国博世（Bosch）公司的EDR系统，美国卡特皮勒（Caterpiller）公司的PEEC系统等。在分配泵上实施位置控制的有：日本电装（Denso）公司的ECD-V1系统，德国Bosch公司的EDC系统，美国思达耐（Standyne）公司的PCF系统等。第二章发动机燃油喷射新技术Home（2）第二代（时间控制方式）第二代柴油机电控系统基本保留了传统燃油供给系统的组成和结构，通过高速电磁阀直接控制高压燃油的适时喷射。一般情况下，电磁阀关闭，执行喷油；电磁阀打开，喷油结束。因此既可实现供油量控制，又可实现供油正时的控制。控制自由度更大，供油加压与供油调节在结构上相互独立，使喷油泵结构得以简化，强度得到提高。高压喷油能力大大加强，但供油压力无法控制。在分配泵上实施时间控制的有日本电装公司的ECD-V3系统，美国Standyne公司的DS型和RS型（DS型已用于GM公司1994年的增压柴油机，RS型已用于GM公司的客货两用车和越野车），日本丰田公司的ECD-2系统；电控泵喷嘴系统有德国Bosch公司的PDE27/PDE28系统等。第二章发动机燃油喷射新技术Home（3）第三代（时间-压力控制方式）该方式基本改变了传统燃油供给系统的组成和结构，主要以电控共轨（各缸喷油器共用一个高压油管）式喷油系统为特征，直接对喷油器的喷油量、喷油正时、喷油速率和喷油规律、喷油压力等进行时间-压力控制。油压油泵并不直接控制喷油，而仅仅向共轨供油以维持所需的共轨压力，并通过连续调节共轨压力来控制喷射压力，可实现高压喷射（最高达200MPa），喷射压力独立于发动机转速，可实现理想喷油规律，具有良好的喷射特性。目前在卡车和轿车柴油机上得到广泛应用，发展迅速。国外典型共轨喷射系统有日本电装公司的ECD-U2系统，美国Caterpiller公司的HEUI系统等。第二章发动机燃油喷射新技术Home2.柴油机燃油喷射系统的优点（1）改善低温起动性电子控制系统能够以最佳的程序替代驾驶员进行麻烦的起动操作，使柴油机低温起动更容易。（2）降低氮氧化物的排放和烟度采用柴油机电控技术，可精确地将喷油量控制在不超过冒烟界限的适当范围内，同时根据发动机工况调节喷油时刻，从而有效地抑制排烟。（3）提高发动机运转稳定性采用柴油机电控系统，无论负荷怎样增减，都能保证发动机怠速工况下以最低的转速稳定运转，有利于提高其经济性。（4）提高发动机的动力性和经济性柴油机电控系统中，ECU根据传感器信号精确计算喷油量和喷油正时，从而提高发动机的动力性和经济性。（5）精确控制涡轮增压采用电子控制技术可以对增压装置进行精确的控制。（6）适应性广只要改变ECU的控制程序和数据，一种喷油泵就能广泛应用在各种柴油机上，而且柴油机燃油喷射控制可与变速器控制、怠速控制等各种控制系统进行组合实现集中控制，有利于缩短柴油机电控系统开发周期，降低成本，从而扩大柴油机电控系统的应用范围。第二章发动机燃油喷射新技术Home汽车柴油机电控高压共轨喷油系统由低压供油部分和高压供油部分组成，如图2-2-1、图2-2-2所示。二、燃油系统的组成及工作原理第二章发动机燃油喷射新技术Home第二章发动机燃油喷射新技术Home1.低压部分低压部分向高压部分提供足够的燃油，其主要组成部件如图2-2-3所示。（1）输油泵输油泵的任务是在任何工况下，为燃油提供所需压力，并在整个使用寿命期内，向高压泵提供足够的燃油。目前输油泵有两种类型，即电动输油泵（滚子叶片泵）和机械驱动的齿轮泵。电动输油泵用于乘用车和轻型商用车。除了向高压泵输送燃油外，电动输油泵在监控系统中还起到了在必要时中断燃油输送的作用；齿轮输油泵用于乘用车和轻型商用车的共轨喷油系统中，向高压泵输送燃油。其装在高压泵中，与高压泵共用驱动装置，或装在发动机旁配有单独的驱动装置。驱动装置一般为联轴节、齿轮或齿带。（2）燃油滤清器燃油中的杂质可能使泵油元件、出油阀和喷油嘴损坏，因此使用满足喷油系统要求的燃油滤清器是保证发动机正常工作和延长使用寿命的前提条件。第二章发动机燃油喷射新技术Home2.高压部分高压部分除了产生高压力的组件外，还有燃油分配和计量组件，如图2-2-4所示。第二章发动机燃油喷射新技术Home（1）高压泵高压泵（图2-2-5）位于低压部分和高压部分之间，它的任务是在车辆所有工作范围和整个使用寿命期间，在共轨中持续产生符合系统压力要求的高压燃油，以及快速启动过程和共轨中压力迅速升高时所需的燃油储备。高压泵通常装在柴油机上，以齿轮、链条或齿形皮带连接在发动机上，最高转速为3000r/min，依靠燃油润滑。调压阀通常直接装在高压泵旁，或固定在共轨上。第二章发动机燃油喷射新技术Home燃油是由高压泵内三个相互呈120径向布置的柱塞压缩的。由于每转一圈有三个供油行程因此驱动峰值扭矩小，泵驱动装置受载均匀。驱动扭矩为16N·m，仅为同等级分配泵所需驱动扭矩的1/9左右，所以共轨喷油系统对泵驱动装置的驱动要求比普通喷油系统低，泵驱动装所需的动力随共轨压力和泵转速（供油量）的增加而增加。排量为2L的柴油机，额定转速下共轨压力为135MPa时，高压泵（机械效率约为90%）所消耗功率为3.8kW。喷油嘴中的泄漏和所需的喷油量，及调压阀的回油，使其实际功消耗率要更高些。燃油通过输油泵加压经带油水分离器的滤清器送往安全阀，通过安全阀上的节流孔将燃油压到高压泵的润滑和冷却回路中。带偏心凸轮的驱动轴或弹簧根据凸轮形状相位的变化而将泵柱塞推上或压下。如果供油压力超过了安全阀的开启压力（0.05～0.15MPa），则输油泵可通过高压泵的进油阀将燃油压入柱塞腔（吸油行程）。当柱塞达到下止点后而上行时，进油阀被关闭，柱塞腔内的燃油被压缩，只要达到共轨压力就立即打开排油阀，被压缩的燃油进入高压回路。到上止点前，柱塞一直泵送燃油（供油行程）。达到上止点后，压力下降，排油阀关闭。柱塞向下运动时，剩下的燃油降压，直到柱塞腔中的压力低于输油泵的供油压力时，吸油阀再次被打开，重复进入下一工作循环。第二章发动机燃油喷射新技术Home第二章发动机燃油喷射新技术（2）调压阀调压阀的任务是根据发动机的负荷状况调整和保持共轨中的压力：共轨压力过高时，调压阀打开，一部分燃油经回油管返回油箱；共轨压力过低时，调压阀关闭，高压端对回油管封闭。调压阀（图2-2-6）有安装法兰，用以固定在高压泵或共轨上。衔铁销将钢球压在密封座上，以使高压端对低压端密封。一方面弹簧将衔铁销往下压，另一方面电磁线圈还对衔铁销有作用力。为进行润滑和散热，整个电磁阀周围都有燃油流过。调压阀有两个调节回路：低速电调节回路，用于调整共轨中可变化的平均压力值；高速机械液压调节回路，用于补偿高频压力波动。Home第二章发动机燃油喷射新技术共轨或高压泵出口处的高压燃油通过高压油进口作用在调压阀上。由于无电流的电磁线圈不产生作用力，燃油的高压力大于弹簧力，调压阀打开。根据供油量的大小，调压阀调整打开的开度。该弹簧是按最大压力约10MPa设计的。如果要提高高压回路中的压力，就必须在弹簧力的基础上再建立电磁力。当电磁力和弹簧力与燃油高压力达到平衡时，调压阀停留在某个开启位置，燃油压力保持不变。泵油量的变化和燃油从喷油器中喷出时，调压阀通过不同的开度予以补偿。电磁阀的电磁力与控制电流成正比，而控制电流的变化通过脉宽调制来实现。脉宽的调制频率为1kHz，可避免衔铁销的运动干扰共轨中的压力波动。（3）共轨共轨的任务是存储高压燃油，高压泵的供油和喷油所产生的压力波动由共轨的容积进行缓冲。在输出较大燃油量时，所有气缸共用的共轨压力也应保持恒定，从而确保喷油器打开时喷油压力不变。由于发动机的安装条件不同，带流量限制器（选装件）、共轨压力传感器、调压阀和限压阀的共轨（图2-2-7、图2-2-8）可进行不同的设计。Home第二章发动机燃油喷射新技术Home第二章发动机燃油喷射新技术（4）喷油器喷油始点和喷油量用电子控制的喷油器调整，它替代了普通喷油系统中的喷油嘴和喷油器总成。与直喷式柴油机中的喷油器体相似，喷油器用卡夹装在气缸盖中。共轨喷油器在直喷式柴油机中的安装不需要气缸盖在结构上有很大改变。喷油器由孔式喷油嘴、液压伺服系统、电磁阀组件构成。如图2-2-9所示，燃油从高压接头经进油通道送往喷油器，并经过进油节流孔进入阀控制室，而阀控制室经由电磁阀控制的回油节流孔与回油孔相通。出油节流孔在关闭状态时，作用在阀控制活塞上的液压力大于作用在喷油嘴针阀承压面上的力，喷油嘴针阀被压在其座面上，紧紧关闭通往喷油孔的高压通道，因而没有燃油喷入燃烧室。电磁阀动作时，打开回油节流孔，阀控制室内的压力下降，只要作用在阀控制活塞上的液压力小于作用在喷油嘴针阀承压面上的力，喷油嘴针阀立即打开，燃油经过喷孔喷入燃烧室。用电磁阀不能直接产生迅速关闭针阀所需的力，因此采用经液力放大系统间接控制喷油嘴针阀。其间除喷入燃烧室的燃油量之外，附加的控制油量经控制室的回油节流孔进入回油通道，此外还有针阀导向和阀活塞导向部分的泄油。这种控制油量和泄油量经集油管（溢流阀、高压泵和调压阀也与集油管接通）的回油通道返回油箱。Home第二章发动机燃油喷射新技术在发动机和高压泵工作时，喷油器的功能可分为四个工作状态：喷油器关闭（依靠其中存有的高压）、喷油器打开（喷油开始）、喷油器完全打开、喷油器关闭（喷油结束）。上述工作状态是通过喷油器构件上力的分配产生的。发动机不工作和共轨中没有压力时，喷油嘴弹簧将喷油器关闭。①喷油器关闭（静止状态）电磁阀在静止状态不被控制，因此是关闭的，如图2-2-9（a）所示。回油节流孔关闭时，衔铁的钢球通过阀弹簧压在回油节流孔的座面上。阀控制室内建立起共轨高压，同样的压力也存在于喷油器的内腔容积中。共轨压力在控制柱塞端面上施加的力和喷油嘴弹簧力使针阀克服作用在其承压面上的开启力而处于关闭状态。Home第二章发动机燃油喷射新技术Home第二章发动机燃油喷射新技术②喷油器打开（喷油开始）喷油器处于静止状态时，一旦电磁线圈通入吸动电流，电磁线圈的吸力大于阀弹簧力，衔铁就将回油节流孔打开，如图2-2-9（b）所示。由于磁路的空隙较小，因此有可能在极短的时间内，急剧升高的吸动电流转换成较小的电磁阀保持电流。随着回油节流孔的打开，燃油从阀控制室流入其上面的空腔，并经回油通道返回油箱，使阀控制室内的压力下降，而进油节流孔可防止压力完全平衡，导致阀控制室内的压力小于喷油嘴内腔容积中的压力，从而针阀被打开，开始喷油。针阀的开启速度取决于进、回油节流孔之间的流量差。控制柱塞达到其上极限位置，并在该处固定在进、回油节流孔之间的燃油垫上。此时喷油器完全被打开，燃油以近似共轨压力喷入燃烧室。喷油器上的力分布大致等于开启阶段中的力分布。Home第二章发动机燃油喷射新技术③喷油器关闭（喷油结束）如果电磁阀控制电流结束，则衔铁在阀弹簧力的作用下向下将钢球压在阀座上，关闭回油节流孔。衔铁被设计成由两部分组合，虽然衔铁盘由衔铁销带着一起向下运动，但它是压着回位弹簧一起向下运动的，因此衔铁和钢球的落座没有较大的向下冲击力。由于回油节流孔的关闭，进油节流孔的进油又使控制室中建立起与共轨中相同的压力，从而使作用在控制活塞上的力增加，再加上弹簧力，超过了喷油嘴内腔容积中的液压力，于是针阀关闭。Home第二章发动机燃油喷射新技术三、电控系统的构成及工作原理电控系统的组成电控系统由喷油泵、油轨、喷油器、ECU、电子油门踏板、传感器和执行器等组成。现有Bosch共轨系统分轻型和重型，轻型系统主要适用于3.5吨以下卡车和乘用车，该系统采用EDC16控制系统，重型车采用EDC7控制系统。Home第二章发动机燃油喷射新技术2.电控系统的工作原理ECU根据驾驶员的需求，即电子油门踏板的位置（输入到ECU里的油门电压信号），以及发动机和车辆当前的工况（发动机转速、冷却液温度、当前负载等），在ECU内计算出驾驶员需要的喷油量、喷油时刻、喷油次数和喷油压力（喷油时的轨压），并发出指令使轨压控制在需要值和让喷油器按计算结果喷油。ECU典型功能介绍：轨压控制功能：轨压的控制是闭环控制，ECU发出指令要求轨压控制到设定值，轨上的轨压传感器会回馈当前轨压信息给ECU，形成一个闭环。

EGR系统：ECU根据不同工况下在标定数据中计算出的需要的新鲜进气量，总进气量减去新鲜进气则为需要的废气再循环量，通过控制真空电磁阀来控制EGR阀的开度，以得到需要的废气循环量。ECU发出指令要求新鲜的进气量为设定值，空气流量计回馈当前新鲜进气量。此控制也是一个闭环控制过程。修正功能：ECU还可以根据发动机的温度、大气压力传感器的数据，进行喷油量、喷油始点、喷油次数、喷油压力及预热时间等的修正以适应特定的工况，例如得到在低温下更好的冷起动性能，在高原上尽可能保证动力性的情况下得到更好的排气烟度等。预热功能：欧III预热控制系统与欧II系统相比，安装布置和原理未更改，只是ECU控制策略不同。欧II系统预热策略、控制和预热塞加电都由预热ECU完成。欧III系统控制策略、控制由ECU完成，预热控制器（GCU）只是执行ECU的指令，为预热塞加电，仅起继电器作用。Home第二章发动机燃油喷射新技术四、典型高压共轨喷射系统介绍德国Bosch高压共轨系统到目前为止，Bosch公司总共规划和设计了四代高压共轨系统。图2-2-10所示为Bosch公司的高压共轨喷射系统。第一代已经于1997年批量投放市场，喷射压力达135MPa，主要应用于轿车。第二代于2000年开始量产，最大系统压力为160MPa，并开始使用具有油量调节功能的高压泵，经改进的电磁阀喷油器喷射循环由预喷射、主喷射和多级喷射等多次喷射组成，主要适用于功率在55kW/L以下的发动机，采用降噪新技术。Home第二章发动机燃油喷射新技术Home第二章发动机燃油喷射新技术2003年5月，Bosch公司开始生产创新的压电直列技术的第三代共轨系统。前两代的共轨系统Bosch公司主要重视提高喷油压力，而第三代共轨系统的重心转移到系统的技术复杂度和精密度上，其压力暂时保持在160MPa。第三代共轨系统的特殊之处在于它采用了一个快速开关的紧凑的压电直列喷油器。一个压电执行器内置于喷油器轴体上，且非常靠近喷油器喷嘴针阀。新的喷油器减少了约75%的运动件及75%的质量（图2-2-11）。与电磁阀执行器的共轨系统喷油器