汽车发动机电控技术：任务四汽油机缸内直喷创新成果

一、任务分析

汽油机缸内直喷技术与在歧管内喷射不同，它是将汽油直接喷入发动机燃烧室，配合稀薄燃烧技术，实现节油和环保。本任务主要学习缸内直喷技术的优点、缸内直喷发动机三种工作模式、燃油供给系统、喷油阀的更换等内容。

二、相关知识

汽油机缸内直喷技术简称为FSI(Fuel Stratified Injection)。汽油机缸内直喷技术是伴随着稀薄燃烧技术而产生的。由于环保和节油的需要，要求除对于NOx、CO、HC这些有害气体尽可能地减少外，还应尽量减少能形成温室效应的CO2和相应的减少能源的消耗。FSI发动机在λ=3的情况下照样可以工作，因此，采用FSI技术其节油效果最高可达20%，这是相当可观的一个数字。

缸内直喷发动机首先是三菱公司于1996年开始批量生产的，近年来大众、奥迪、奔驰、福特等都先后采用这种技术。只不过各自采用的名称不同。如三菱称GDI，大众及奥迪称FSI，福特称DISI，而奔驰称CGI。奥迪后来居上，其装备FSI的赛车在勒芒赛场上已连续3年取得了冠军。目前，在其全系列轿车上都已采用，大众公司很多车型上也开始采用这种燃油供给形式的发动机。

(一)缸内直喷技术的优点

(1)节油效果明显，在分层充气工作模式下，发动机能在过量空气系数为1.6～3的状态运行;在均质稀薄模式下，过量空气系数保持在1.55左右，以此实现更为经济的燃油消耗。

(2)减少缸壁的热量损失。在分层充气模式下，燃烧只出现在以火花塞为中心的区域，减少了气缸壁的热量损失，提高了热效率;在稀薄燃烧模式下，由于可燃混合气燃烧后在其周围有空气和回流气体形成的隔热层，使得向缸壁传导的热量减少，能量转化率高。

(3)废气再循环率高。废气再循环在分层充气模式和均质模式下工作。由于进气系统发生的变化，废气再循环率最多可达25%，使全负荷功率有所降低。

(4)发动机压缩比高。由于汽油直接喷入燃烧室，汽化时对气缸内的空气起到冷却作用，从而降低了爆震的可能性，所以可适当提高压缩比，从而提高了热效率。

(5)NOx处理技术。稀薄燃烧技术的一个障碍是NOx的净化，这是因为在富氧环境中会产生大量的NOx。目前由于采用的废气再循环技术和NOx储存式转化器，使得NOx能得到有效控制。

(6)在中小负荷节气门处于全开状态。在稀薄燃烧时，节气门基本处于全开位置，其节流效果变差，气流在没有阻力的情况下进入气缸，使得充气效率提高。

(二)缸内直喷技术的工作模式

缸内直喷发动机除怠速外具有三种工作模式:分层充气、均质稀混合气和均质混合气三种工作模式。各种模式的工作状况如表3-4所列。

表3-4 缸内直喷发动机的各工作模式

1. 分层充气模式

(1)进气过程。

如图3-32所示，在分层充气模式时，节气门打开，进气歧管翻板完全关闭下部进气通道，被吸进来的空气以涡流形式通过上部的进气通道加速进入气缸，活塞的扰流槽加剧了紊流效应，如图3-33所示。

图3-32 分层充气模式时的进气过程

图3-33 分层充气模式时的紊流效应

(2)喷油过程。

如图3-34所示，当活塞处于压缩冲程，约上止点前60°时，喷油器开始喷油，约上止点前45°结束喷油，喷油器喷射的燃油被喷射到活塞的凹坑内。喷油时刻的早晚对混合气的形成有很大的影响。在到达点火时间之前的很短时间里，以50～100bar(1bar=105Pa)的压力向火花塞附近喷射燃油，燃油喷射角非常小(平射)，燃油雾气不与活塞顶部接触，能够扩大分层充气模式的转速和功率范围。

图3-34 分层充气模式时的喷油过程

(3)混合气形成过程。

如图3-35所示，混合气形成发生在40°～50°曲轴转角之间。如果曲轴转角小于这个范围，则无法点燃混合气;反之，如果曲轴转角大于这个范围，则混合气就变成均质混合气了。此时的过量空气系数约为λ=1.6～3。

(4)点燃做功过程。

如图3-36所示，当混合气形成分层时，即火花塞处混合气较浓，远离火花塞处混合气较稀，火花塞点火，使混合好的气雾点燃做功。混合好的气雾周围的气体起到隔离作用，气缸壁热损耗小，发动机热效率提高。

图3-35 分层充气模式时的混合气形成过程

注意:节气门不能完全打开，因为总是得保持一定的真空(用于活性炭罐装置和废气再循环装置);发动机所产生的扭矩大小只取决于喷油量，在这里与吸入的空气量和点火提前角并没有多大关系。

图3-36 分层充气模式时的点燃做功过程

2. 均质稀混合气模式

(1)进气过程。

均质稀混合气模式的进气过程与分层充气模式相似，此时，节气门打开，进气歧管翻板关闭各进气歧管的下进气道，使空气加速运动，并呈旋转状进入气缸。

(2)喷油过程。

均质稀混合气模式的喷油始点是在进气行程进行，即在点火上止点前300°时喷入汽油，且控制过量空气系数为λ≈1.55(图3-37)。

(3)混合气形成。

均质稀混合气模式的混合气形成有足够的时间，混合均匀，形成较稀的均质混合气(图3-38)。

图3-37 均质稀混合气模式时的喷油过程

图3-38 均质稀混合气模式时的混合气形成

(4)点燃做功过程。

对于均质稀混合气模式，点火时刻有较大的范围优化控制，可自由选择，燃烧发生在整个燃烧室内(图3-39)。

图3-39 均质稀混合气时的点燃做功过程

3. 均质混合气模式

(1)进气过程。

在均质混合气模式，节气门的开度是按油门踏板位置传感器的信号来控制的。进气歧管翻板是根据发动机的负载和转速来控制的，可打开、关闭、部分关闭进气歧管的下进气道(图3-40)。

图3-40 均质混合气模式时的进气过程

(2)喷油过程。

均质混合气模式的喷油时刻与均质稀混合气模式相同，即在点火上止点前300°时喷入燃油(图3-41)，但此模式的过量空气系数为λ=1。

(3)混合气形成。

均质混合气模式的混合气形成时间也较长，使混合气能充分混合，形成均质混合气(图3-42)。

图3-41 均质混合气模式时的喷油过程

图3-42 均质混合气模式时的混合气形成

(4)点燃做功过程。

对于均质混合气模式，点火时刻也有较大的范围，根据发动机的负荷、转速以及其他传感器信号来进行精确控制(图3-43)。(www.xing528.com)

图3-43 均质混合气模式时的点燃做功过程

(三)燃油供给系统

奥迪2.0TFSI发动机上燃油系统由供油单元、输油管、燃油滤清器、高压泵、燃油分配管(油轨)、喷油阀等组成，如图3-44所示。

新的直喷发动机安装了按需供油的油泵，按需控制系统降低了油泵所需的能量，从而节省了燃油。ECU通过控制功率电子装置调节脉冲宽度控制油泵转速，使油泵仅供应发动机所需要的燃油并且维持特定的系统压力。

1. 燃油供给系统结构

奥迪2.0TFSI发动机燃油供给系统的结构如图3-45所示。在燃油低压系统中采用电动燃油泵给高压泵供应压力约为6bar的燃油，ECU根据发动机负荷和转速通过燃油压力调节阀控制高压系统中燃油压力为50～110bar。

图3-44 奥迪2.0TFSI发动机上燃油系统

图3-45 奥迪2.0TFSI发动机燃油供给系统的结构

在奥迪2.0TFSI发动机上，燃油压力是由一个单柱塞高压泵经燃油计量阀建立起来的，然后再经燃油分配管输送到四个高压喷油阀上。压力限制阀是用来保护高压部件的，该阀在压力超过120bar时打开。

2. 单柱塞高压泵

单柱塞高压泵由凸轮轴轴端的高压泵驱动凸轮以机械方式驱动，如图3-46所示。电动燃油泵给高压泵提供油压力约为6bar的预供燃油，高压泵产生燃油轨内所需要的50～110bar压力，压力缓冲器会吸收高压系统内的压力波动。单柱塞高压油泵内部构造如图3-47所示。

图3-46 单柱塞高压油泵

图3-47 单柱塞高压油泵内部构造

3. 燃油压力的建立

泵柱塞向下运动，油腔容积增大，燃油以最高6bar的压力经进油阀进入泵腔。泵活塞向上运动，油腔容积减小，燃油被压缩，当压力超过燃油分配管压力和出油单向阀弹簧压力时，高压燃油就被输送到燃油分配管内，如图3-48所示。

4. 燃油压力的调节

燃油压力的调节由ECU根据发动机工况和燃油分配管中的油压通过燃油压力调节阀控制。当压力超过设定的压力时，该阀在供油升程结束前开启，泵腔内的压力就会被卸掉，燃油流向泵的吸油一侧。出于安全原因，燃油压力调节阀为常开阀，线圈通电时产生磁场，阀针就被压靠到阀座上，使阀关闭;压力高时，电磁线圈断电磁场消失，针阀开启燃油被送回进油腔中，如图3-49所示。

5. 燃油分配管燃油压力的监测

油轨内的压力保持恒定对减少排放、降低噪声和提高功率有重要影响。ECU通过燃油压力传感器监测燃油分配管内燃油压力。燃油压力传感器(图3-50)安装在燃油分配管(油轨)上，发动机ECU给传感器提供5V电压。该传感器的核心就是一个钢膜，在钢膜上镀有应变电阻。一旦要测的压力经压力接口作用到钢膜的一侧时，由于钢膜弯曲，就引起应变电阻的阻值发生变化，从而使信号电压发生变化，ECU通过信号电压即可监测出燃油分配管内的燃油压力，如图3-51所示。

图3-48 高压泵泵油过程

图3-49 燃油压力的调节

图3-50 燃油压力传感器

图3-51 燃油压力与传感器信号电压的关系

6. 高压喷油阀

高压喷油阀的作用是使燃油精细雾化、按照发动机做功顺序和喷油正时，定时定量地把燃油喷入燃烧室正确的喷射范围内。喷油阀的构造如图3-52所示，由带衔铁的阀针、阀座、电磁线圈、压力弹簧、供电接头、四氟乙烯密封圈等组成。ECU控制电磁线圈通电建立磁场，使带衔铁的阀针上移打开出油孔喷油。喷油阀是个单孔喷嘴，燃油喷束角为70°，喷束倾角为20°，如图3-53所示。

图3-52 高压喷油阀构造

图3-53 喷油阀喷束角与喷束倾角

三、任务实施

(一)教学设备

(1)奥迪2.0TFSI发动机实验台架或同型号汽车;

(2)诊断仪V.A.S505X;

(3)常用工具、专用工具T10133/7、T10133/8。

(二)喷油阀的更换

拆装注意事项:拆装喷油阀，必须更换四氟乙烯密封环。密封环推到喷射阀时会使密封环扩大，推上后必须使密封环缩回，因此必须使用专用工具T10133/7和T10133/8分两步校准。安装过程不得涂润滑油。拆卸步骤如下:

(1)拔下活性炭罐插头。

(2)连接V.A.S505X诊断仪器。

(3)起动发动机，观察燃油压力，在发动机数据块140通道第3组(01/08/140第1组)，怠速运转时约为50bar。

(4)拔下燃油泵熔断器，1～2min后，当燃油压力在6～8bar时关闭发动机(否则会损坏催化净化器)并打开高压系统，拆卸并更换喷油器(或其他部件)。

(5)完成修理后要清除故障存储器。

(三)燃油系统检修注意事项

(1)出于安全原因，当未断开蓄电池连接时，必须在打开燃油系统之前将燃油泵控制单元(大众是J538) 的保险丝(大众是SB21)拆下，因为燃油泵是通过驾驶员侧门控开关激活的。

(2)拆下燃油压力下的部件前，务必对燃油系统卸压。

低压燃油系统卸压:与传统进气道喷射相同，操作时请使用抹布盖住维修接口。

高压燃油系统卸压:用故障诊断仪循环操作喷油器卸压或在发动机运行后2小时再对系统部件操作，在操作时同样要用抹布盖住维修接口。

注意:向燃油压力调节阀供电1s以上就可能导致它的损坏，所以不要期望用人工给燃油卸压。

(3)更换发动机控制单元或燃油泵控制单元后必须做自适应。

(4)对于大众车来说，连接好故障诊断仪、地址01功能03，可对缸内直喷发动机进行八项最终诊断测试。

(5)上海通用对其缸内直喷汽油机要求:喷油器一经拆卸其密封垫须更换，高压油管一经拆卸也须更换，且在安装之前一定要使用不含硅树脂的润滑油润滑管路接头。但目前在大众车操作时实际这些零件不损坏都不更换。很多缸内直喷汽油车行驶10000km左右就出现怠速不稳。这最常见原因是汽油品质不好引起喷油器喷孔结胶堵塞和气门积炭卡死所致。按原厂规定至少应当用95#优质汽油，如果用93#汽油，发动机内很容易积炭。如用内窥镜从火花塞孔装入，可清楚看到是否有积炭。如果是积炭引起的怠速不稳，一般用不解体清洗发动机的清洗剂就有很好效果。

四、检查与评估

本次课程主要依据表3-5考核学生对任务的完成情况。

表3-5 汽油机缸内直喷技术考核卡

续表