《汽车发动机电控系统检修》-《汽车发动机电控系统检修》-项目7

项目７缸内直喷汽油发动机检修７.１稀薄燃烧技术与分层燃烧技术概述７.２缸内直喷发动机的原理与控制７.３缸内直喷发动机的关键技术返回７.１稀薄燃烧技术与分层燃烧技术概述７.１.１稀薄燃烧伴随能源的日趋紧张，大众对燃油经济性更加重视，并采取了多种措施，其中汽油机的稀薄燃烧技术是重要的手段，它使得燃料的燃烧更加充分，配合相应技术手段，使汽油机的ＣＯ、ＨＣ等有害物质的排放大幅减少。稀薄燃烧：空燃比α大于理论空燃比１４.７的燃烧。由于混合气过稀会导致各缸失火，所以一般把空燃比大于１７的称为稀薄燃烧。７.１.２稀薄燃烧的实现当空燃比达到１５以上后，传统的汽油机就可能出现点火困难或不点火现象，进而导致发动机各项性能指标降低、排放恶化。下一页返回７.１稀薄燃烧技术与分层燃烧技术概述因此要想实现稀薄燃烧，必须使燃烧室内形成分层气流，使得火花塞周围形成较浓的混合气，在远离火花塞处形成较稀的混合气。为了达到此要求，很多汽车厂商对汽油机进行改动，如将进气道改为螺旋式、采用无级调节气门定时系统“ＶＶＴ－ｉ”、加装燃烧压力传感器、采用大口径喷油器、采用分段喷射等。７.１.３稀薄燃烧的优缺点１．稀薄燃烧的优点稀薄燃烧系统能使有效的燃油发挥更大的效率，使得燃烧室内的燃烧更加完全，不仅能够提高燃油经济性，也可以提高排放性能。缸内直喷超稀薄空燃比的利用和工作方式的改变有不少优点，如取消节流降低了泵气损失，燃油蒸发引起了缸内温度的降低，提高了汽油机工作的压缩比；燃油在进气行程中对进气的冷却，提高了充气效率等。上一页下一页返回７.１稀薄燃烧技术与分层燃烧技术概述这些技术可使燃油经济性提高２５％左右，动力输出也比ＰＦＩ的汽油机增加了１０％左右，能够提高冷起动排放性能，减少未燃ＨＣ化合物的排放。２．稀薄燃烧的缺点稀薄燃烧发动机的结构更为复杂，对供油系统的控制和结构要求更加严格，因此制造成本明显增加。由于采用较稀的空燃比，高温、富氧环境会使得ＮＯｘ生成增多，另外较高的压缩比和较快的反应速率也会引起ＮＯｘ的排放升高。上一页下一页返回７.１稀薄燃烧技术与分层燃烧技术概述７.１.４稀薄燃烧的分类１．按混合气状态分为均质和非均质化油器式和大部分进气道喷油机通常只在空燃比小于２５的范围内工作，且采用均质预混合方式。此种方式的空燃比限制在小于２５，其本身存在燃油经济性较差和污染物排放高的缺点。分层燃烧作为稀薄燃烧中的非均质燃烧，是目前实现稀燃的主要方式。分层燃烧的汽油机可稳定在空燃比为２０～２５范围内工作，分层燃烧缸内直喷空燃比已经可以到达４０以上。上一页下一页返回７.１稀薄燃烧技术与分层燃烧技术概述２．按燃烧供给方式的不同汽油稀薄燃烧按燃烧供给方式的不同可以分成三种类型，进气道喷射分层稀薄燃烧（ＰＦＩ）、缸内直喷稀薄燃烧（ＧＤＩ）和均质混合气压燃（ＨＣＣＩ）。７.１.５分层燃烧技术分层燃烧是活塞式发动机的理想燃烧境界。分层燃烧有多种形式，在比较接近常规的活塞式发动机中是指：在火塞点火的那部分区域是一团较浓的混合气，而其他周边区域则是较稀的混合气或是纯空气，以此来实现电火花的可靠点燃和时间控制。这种燃烧状态的混合气浓度内外层次不一样，因此叫分层燃烧。上一页下一页返回７.１稀薄燃烧技术与分层燃烧技术概述目前国外各大汽车公司都有自己的稀燃技术，其共同点都是利用缸内涡流运动，使聚集在火花塞附近的混合气最浓，先被点燃后迅速向外层推进燃烧，并有较高的压缩比。７.１.６分层燃烧的分类分层燃烧系统从组织混合气分层位置可分为进气管分层燃烧和缸内直喷分层燃烧。本小节仅介绍进气管分层燃烧。上一页下一页返回７.１稀薄燃烧技术与分层燃烧技术概述１．进气道喷射分层燃烧方式点燃式稀薄燃烧汽油机在点火瞬间要求火花塞周围必须形成易于点燃的混合气（空燃比１３左右），这就要求混合气在气缸内非均质分布，而要实现混合气非均质分布，必须使混合气在气缸内分层。进气道喷射稀薄燃烧系统根据进气流在气缸内的流动形式不同，可分为涡流分层和滚流分层两种。上一页返回７.２缸内直喷发动机的原理与控制７.２.１缸内直喷技术缸内直喷式汽油机（ＧａｓｏｌｉｎｅＤｉｒｅｃｔＩｎｊｅｃｔｉｏｎ，ＧＤＩ）是指汽油直接喷射到气缸内使之燃烧，且能高精度地控制燃烧过程的发动机。当燃油直接喷入到气缸内时，可以自由控制燃烧室内的燃油分布，并利用直立式进气道与弯曲顶面活塞形成的空气流动，使气缸内混合气分层分布，由此获得在传统发动机中不达到的空燃比４０∶１，实现超稀薄混合气稳定燃烧，如图７－３所示。７.２.２分层燃烧与缸内直喷稀薄燃烧不一定由缸内直喷来实现，但缸内直喷一定采用稀薄燃烧技术。缸内直喷发动机混合气的模式通常有分层混合气、均质稀混合气和非均质混合气三种，在不同的工况采用不同的模式。下一页返回７.２缸内直喷发动机的原理与控制分层燃烧技术和缸内直喷技术一直是相关联的，分层燃烧的真正目的是可以实现较稀混合气的点燃，而设计缸内直喷的主要目的则是实现稀薄燃烧，因此两者走到了一起。而发动机的稀薄燃烧技术是为了让混合气更充分燃烧，以达到降低油耗和排放的目的。如果采用缸外喷射的发动机，燃油喷射在进气歧管里，喷油和进气是同在吸气行程内完成的，在进气门打开、活塞向下运动时，缸内会形成一个很大的负压，油气混合物被吸进来后会在缸内形成很多涡流，这些涡流会使燃油和空气得到充分的混合，也就是说进入气缸的混合气已经经过了较充分的混合，点燃这种已经充分混合的稀薄混合气就会变得非常困难，因为它们无法实现分层，自然也就无所谓分层燃烧了。只有缸内喷射，才能实现分层燃烧。上一页下一页返回７.２缸内直喷发动机的原理与控制目前主要分为两大阵营，一个是三菱的ＧＤＩ，一个是大众的ＦＳＩ。虽然这两家都能达到同样的分层燃烧的目的，但在方法上有区别。三菱的ＧＤＩ采用的是真正的直接喷射，设计师将喷油嘴布置在气缸顶部离火花塞和进气门都很近的地方。如图７－４所示，在发动机进气行程中，它会少量喷油，在活塞向下运动到底部并向上压缩时，气缸内的空气已经得到完全混合。但这时的混合气是不能被点燃的，因为浓度实在是太低了，预先达到这种浓度，只是为第二次喷油点燃缸内气体并充分燃烧做准备。当活塞即将达到上顶点时，喷油嘴开始第二次喷油，因为喷出的燃油是漏斗形，故越是靠近喷油嘴的地方，浓度就越高。而火花塞离喷油嘴很近，显然，此时在火花塞附近的燃油浓度是很高的，比其他部位的混合气要高，从而实现了不同区域出现不同混合气，也就是所谓的分层。上一页下一页返回７.２缸内直喷发动机的原理与控制大众的ＦＳＩ喷油是间接式的，大众的ＦＳＩ把喷油嘴安放在进气门附近，同样是两次喷油，但喷油对象是对准活塞，而且在活塞上有个Ｕ形槽，燃油喷射出来后，会随着凹槽转变方向，目的地也是火花塞附近。因此也实现了火花塞附近形成较浓的混合气，达到燃油分层的目的。大众的目的似乎很单纯，就是想要节油，活塞上的Ｕ形槽有助于产生更多的缸内涡流，使混合更充分。但如果转速过高，这种涡流反而会影响进、排气效率，降低燃烧效率，所以这就如同柴油机，不能将转速做得过高。转速低，燃烧充分，所以燃油经济性较好。ＧＤＩ这种设计做到了对喷油的精确控制，高、低转速都能兼顾，不会有瓶颈的制约。上一页下一页返回７.２缸内直喷发动机的原理与控制分层燃烧中的很多部件的科技含量都是很高的，像油泵、油嘴、活塞等，没有过硬的技术，分层燃烧是不可能实现的。另外，使用分层燃烧的发动机压缩比都较高，所需的燃油清洁度也较高。７.２.３ＧＤＩ发动机的优缺点１．缸内直喷发动机的优点由于燃油被精确地喷射于气缸燃烧室内，因此具有节省燃油、减少废气排放、提升动力性能、减少发动机振动、喷油的准确度提升和发动机更耐用等优点。上一页下一页返回７.２缸内直喷发动机的原理与控制２．缸内直喷发动机的缺点ＧＤＩ发动机具有柴油机的经济性并保持了汽油机的特点，相对于技术成熟的ＰＦＩ发动机具有显著优点，但是由于排放、燃烧稳定性等方面的问题，其难以普遍应用。目前，ＧＤＩ技术完全替代ＰＦＩ技术仍然存在一些技术挑战。７.２.４ＧＤＩ发动机的工作原理及工作特点１．ＧＤＩ发动机的工作原理如图７－５所示，它将喷油嘴安装在燃烧室上方，将汽油直接喷射在气缸燃烧室内，空气则通过进气门进入燃烧室与汽油混合形成可燃混合气被点燃做功，这种形式与直喷式柴油机相似。上一页下一页返回７.２缸内直喷发动机的原理与控制ＧＤＩ汽油发动机的立式吸气口代替了传统的横向吸气口，通过来自上方的下降气流，形成与以往发动机不同的缸内空气流。利用活塞顶的凸起形状增强这一纵向涡流，当压缩行程将要结束时，在燃烧室顶部的喷油嘴开始喷油，汽油与空气在涡流运动的作用下形成混合气，这种急速旋转的混合气是分层次的，越接近火花塞越浓，易于点火做功。但从总体上看，混合比可以达到４０∶１（一般汽油发动机的混合比是１４.７∶１）。但由于缸内喷射压缩比高达１２，故与同体积的一般发动机相比功率与扭矩提高了１０％。上一页下一页返回７.２缸内直喷发动机的原理与控制２．ＧＤＩ发动机工作特点１）汽油直接喷射到气缸内，汽油喷射的位置、时刻和数量是可控的。ＧＤＩ发动机在点火的瞬时，火花塞电极周围局部区域的混合气较浓（空燃比为１２～１３.５），便于发动机起动和着火燃烧。大部分区域的混合气较稀，而且在浓、稀之间，有从浓到稀的各种空燃比的混合气，使燃烧室中混合气浓度有组织地形成各种层次，有利于涡流使火焰迅速传播，这样极稀的混合气也能被火焰传播而稳定燃烧，从而实现稀薄燃烧。２）能根据发动机不同的工况，采用不同的燃烧方式。①超稀混合汽燃烧方式。小负荷工况采用超稀混合气燃烧方式。上一页下一页返回７.２缸内直喷发动机的原理与控制在压缩行程后期将汽油喷入气缸，并利用弯曲顶面活塞形成的挤压涡流，在火花塞附近形成较浓的混合气，但在整个气缸内的混合气为超稀混合气，空燃比为２５～４０。②稀混合气燃烧方式。中等负荷工况采用稀混合气燃烧方式。在进气行程将汽油喷入气缸，整个气缸内的混合气为稀混合气，空燃比为２０～２５。③浓混合气燃烧方式。大负荷工况采用浓混合气燃烧方式。在进气行程喷入气缸，并利用压缩行程产生的挤气涡流形成均匀的混合气，但整个气缸内的混合气为浓混合气，空燃比约为１２.５，比理论混合气（空燃比为１４.７）稍浓。上一页下一页返回７.２缸内直喷发动机的原理与控制７.２.５ＧＤＩ发动机与ＰＦＩ发动机的对比对于ＰＦＩ发动机，当进气门关闭时将燃油喷在各缸进气阀的背面，进气行程中油气混合物进入气缸。在冷起动过程中，由于蒸发不完全，燃油会在进气道、进气门背部表面形成油膜和油坑，实际喷入的燃油量远远超过了按化学当量比计算得到的喷油量，在发动机开始起动的４～１０个循环中出现失火或部分燃烧的现象，ＨＣ排放显著增加，因此对进气道喷射汽油机而言，在美国ＦＴＰ排放测试中最初的９０ｓ内产生ＨＣ总量９０％的情况是很常见的。相反，直喷式汽油机避免了进气道湿壁现象的问题，为燃油的精确计量提供了方便，相应地降低了冷起动过程中ＨＣ的排放量，提高了发动机的瞬态响应速度，发动机基本上在第２个工作循环就能正常运转起来。上一页下一页返回７.２缸内直喷发动机的原理与控制进气道喷射发动机的另一个局限性在于负荷的变化依靠气门的调节。尽管节气门控制对ＰＦＩ发动机来说已是成熟的技术，但它带来的热动力损失是相当大的。任何利用节气门来调节负荷的系统都会面对这种热动力损失，并且会使发动机在低负荷时热效率降低。直喷式汽油机可以不再使用节气门来调节负荷，而是利用缸内空燃比的变化来达到发动机的工况要求，这一工作原理提高了ＧＤＩ发动机在部分负荷时的容积效率，燃油经济性随之得以改善。ＧＤＩ发动机可采用更稀的空燃比，压缩比和充气效率提高，系统优化潜力大，ＧＤＩ发动机在降低油耗和提高动力性方面与其他两种发动机相比都存在着明显的优势，开发ＧＤＩ发动机将带来巨大的经济效益和社会效益。但同时ＧＤＩ发动机也存在着一些开发难点和缺点。上一页返回７.３缸内直喷发动机的关键技术ＧＤＩ发动机和ＰＦＩ发动机一样，均由两大机构（曲柄连杆机构和配气机构）和五大系统（供给系统、点燃系统、冷却系统、润滑系统和启动系统）组成。但ＧＤＩ发动机在进气、排气、点火、机体冷却、润滑等方面均有较大的改进，与传统发动机有一定的区别。一般搭配缸内直喷技术的发动机，为了降低油耗，还会采用可变配气相位、废气再循环、涡轮增压、可变进气歧管、进气歧管翻转阀等，这些技术也是缸内直喷发动机的重要特点。７.３.１ＧＤＩ发动机的燃油系统１．ＧＤＩ发动机的燃油系统的组成ＧＤＩ发动机的燃油系统主要由燃油箱、电动燃油泵、燃油滤清器、燃油低压传感器、高压燃油泵、燃油压力调节器、油轨、限压阀、高压喷油器和燃油高压传感器等组成，如图７－６所示。下一页返回７.３缸内直喷发动机的关键技术ＧＤＩ燃油系统可分为低压燃油系统和高压燃油系统。低压燃油系统是指电动燃油泵至低压喷油器之间的油路系统，高压燃油系统是指高压燃油泵至高压喷油器之间的油路系统，如图７－７所示。２．燃油系统的工作过程燃油泵控制单元控制电动燃油泵，使低压油路内的油压达到３５０～５００ｋＰａ，在冷、热机起动发动机时，低压燃油系统内的油压可以达到６５０ｋＰａ。燃油滤清器限压阀的开启压力约为６８０ｋＰａ。高压燃油泵由驱动凸轮驱动，高压燃油泵经燃油压力调节器（高压）产生燃油轨内所需要的压力，为５～１１ＭＰａ（取决于发动机的负荷和转速）。上一页下一页返回７.３缸内直喷发动机的关键技术高压燃油通过分配管被输送到各缸的喷油器内；高压油路内的限压阀在压力超过１２～１５ＭＰａ时开启，以保护高压部件。燃油轨起缓冲器的作用，以吸收高压燃油路内的压力波动。３．电动燃油泵及其控制单元ＧＤＩ发动机的电动燃油系统与ＰＦＩ发动机相似，这里仅介绍高压燃油泵。（１）高压燃油泵的作用高压燃油泵是将来自低压的燃油（６００ｋＰａ）加压至２０ＭＰａ，以供入油轨，其平均供油量是喷油器平均供油量的２倍左右。高压泵的压力缓冲器会吸收高压系统内的压力波动。上一页下一页返回７.３缸内直喷发动机的关键技术（２）高压燃油泵的结构高压燃油泵一般采用活塞泵，由凸轮轴驱动。高压燃油泵由凸轮、柱塞、进油泵、燃油压力控制阀等组成，如图７－８所示。（３）高压燃油泵的工作过程高压燃油泵可分为进油、回油和输送三个过程，如图７－９所示。４．高压喷油器（１）高压喷油器的结构特点缸内直喷汽油机一般采用类似于伞喷的外开式单孔轴针式喷嘴，能够改善喷射情况且不易积炭、堵塞。上一页下一页返回７.３缸内直喷发动机的关键技术广泛使用的是内开式旋流喷油器