汽油直喷系统结构与工作原理..docx

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α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：图:2：喷油器安装位置差异汽油缸内直喷燃烧系统（GDI）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（GDI）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。２、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：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