岗前实践总结 56.docx

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岗前实践总结56

九州职业技术学院

毕业论文

姓名：

吴玉龙

学号：

09241036

系别：

机电工程系

专业班级：

汽车运用技术

论文题目：

缸内直喷汽油机技术特点分析

指导教师：

于秩祥

职称：

实验师

2012年6月8日徐州

摘要

　从汽油机的混合气形成与调节、燃油喷射、对车用汽油机缸内直接喷射技术的发展及新技术进行了概述。

车用汽油机缸内直接喷射技术有很大的发展潜力,将得到更大发展并取代目前的进气道直接喷射方式。

通过对排放、积炭、催化器及燃油喷射系统等问题的分析和探讨,提出了缸内直接喷射式汽油机进一步发展的方向和建议。

关键词：

汽油机，缸内直喷，排放

Abstract

Fromgasolineenginemixedgasformingandadjustmentofcombustionsystem,fuelinjection,3aspectsofvehiclegasolinein-cylinderdirectinjectiontechnologyandthedevelopmentofnewtechniqueswereoutlined.Gasolineengineincylinderdirectinjectiontechnologyhasgreatpotentialfordevelopment,willbebiggerandreplacesitwithaninletportdirectfuelinjection.Basedontheemission,carbondeposition,catalyticreactorandfuelinjectionsystemtoanalyzeanddiscusstheproblem,putforwardindirectinjectiongasolineenginesandthedirectionoffurtherdevelopmentsuggestion.

Keywords:

gasolineengine,gasolinedirectinjection,discharge

目录

1前言2

2缸内直喷技术的发展由来2

3缸内直喷发动机的技术分析3

4发动机部件也要为直喷做出相应的设计3

4.1燃油喷射系统4

4.2燃油供给和喷射系统5

4.3喷射模式7

5GDI发动机目前存在的问题9

5.1排放问题9

5.2催化器问题9

5.3积炭问题10

5.4喷油器问题10

6今后GDI技术研究发展前景与开发方向10

7总结13

致谢16

1前言

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。

由于汽油机的燃油经济性比柴油机差，所以。

降低汽油机的能耗已经成为汽车界当前必须要解决的问题。

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。

汽油缸内直喷（GDI）是提高汽油机燃油经济性的重要手段，近些年来，以缸内直喷为代表的新型混合气形成模式的研究与应用极大地提高了汽油机的燃油经济性。

2缸内直喷技术的发展由来

2.1.1化油器

当今市面上采用化油器装置的汽车已经很少了，但它却主宰了很长一段时间，化油器的原理说起来也挺简单的。

2.1.2 机械式燃油喷射

机械式燃油喷射装置相比化油器来说对于燃油控制的精确性有一定提升，但还是有些不尽人意的地方。

早期机械式燃油喷射装置只是简单的替代了化油器，位置依然是装在节气门之前，油气混合气依然要经过较长的路程才能到达气缸，这就是所谓的单点式燃油喷射

2.1.3 电子燃油喷射

 随着科学技术的发展，电子燃油喷射装置出现了，它的工作原理是通过装在进气管中的空气压力传感器或空气流速传感器计算气缸的进气量，所得数据传送至发动机电子控制单元（ECU），再由ECU计算后控制电磁阀喷射适量的燃油。

2.1.4 缸内直喷

 在对能源和环保要求日趋严格的今天，即使是多点燃油喷射这样的技术也不能满足人们的要求了，于是更为精确的燃油喷射技术诞生，那就是缸内直喷技术。

缸内直喷技术简单来说就是把原本普通电喷系统的喷油嘴装在了每个气缸的内部，油气混合效率提升到了更高的水平。

另外，缸内直喷系统的出现使得“分层燃烧”技术成为可能。

以往的多点电喷发动机吸入气缸内的油气混合气大致是均匀混合的，而分层燃烧技术依靠气缸顶部特殊设计的凹陷，在压缩过程中使得火花塞附近聚集较浓的油气混合气，而周边区域的油气浓度相对稀薄，这样一来就节约了一部分燃油，提升了效率，正所谓“好钢用在刀刃上”。

缸内直喷技术

3缸内直喷发动机的技术分析。

对于一台汽油发动机来说，将汽油送入汽缸，并与空气混合，再使油气混合物充分燃烧才能获得强大的动力，因此油气混合技术也是发动机的关键之一。

在经历了化油器、单点电喷、多点电喷技术阶段之后，油气混合技术终于进入了直喷时代，越来越多的车型开始采用直喷发动机，下面阐述一下技术的关键点。

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。

组成高压喷油系统的四个主要部分

高压喷油系统主要可以分为发动机控制模块（ECU）、高压油轨、高压油泵和喷油嘴四部分，其中ECU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。

通用系列2.0直喷发动机上所用的高压油泵，制造商为博世

 经过油泵加压之后，汽油进入高压油轨，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，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。

高压油轨

高压喷油嘴示意图：

①高分子密封圈②喷嘴针阀③衔铁④电磁线圈⑤细滤器

4.1发动机部件也要为直喷做出相应的设计

 除开喷油系统之外，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。

活塞顶部的凹坑主要起导向汽缸内气流的作用

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。

活塞顶部曲面形成的涡流可以帮助混合气更为均匀充分地燃烧

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。

铝合金缸体的散热效果更佳，也更容易实现轻量化

由于直喷发动机的工作温度更高，因此对缸体强度和冷却系的要求也更高一些。

在保证强度的前提下，更多的新型直喷发动机采用了散热更好的铝合金缸体，同时还采用了强化的冷却系统，保证发动机更高的热效率。

位于气缸下部的机油喷头可以在活塞下降到下止点时对活塞进行冷却

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。

4.2燃油供给和喷射系统分析

现代的缸内直喷发动机燃油供给系统设计，为了达到分层稀薄混合气所要求的喷雾质量和灵活的喷油定时，均采用了精度高、响应快的柔性电控手段。

高压共轨喷射系统加电磁驱动喷油器被认为是满足缸内灵活喷射要求的喷射系统之一。

该系统由低压输油泵、燃油压力传感器、喷油压力控制阀、高压油泵、蓄压燃油轨、喷油器等组成。

电动低压输油泵把燃油从油箱输送到高压油泵，高压油泵由发动机凸轮轴驱动，将低压油泵送来的压力约0.35MPa的燃油压力增高到8～12MPa，并送往蓄压燃油轨，充满各缸喷油器的油腔。

当ECU令喷油器的电磁线圈通电使针阀打开时，汽油就通过喷嘴喷人气缸。

直喷式汽油机供油系统油路见图4-2。

图4-2直喷式汽油机供油系统油路

GDI发动机需要形成高质量的混合气，除了依靠进气涡流外，对喷油器的喷雾质量要求很高。

由于燃油蒸发混合的时闻很短，要求喷雾要微粒化，如果喷雾在直线方向上的运动过强，则燃油会直接喷射在气缸壁上，形成油滴沿壁流下，不利于混合气的形成，还会冲洗润滑油膜，破坏润滑性能。

因此，喷油器应能保证喷射出来的汽油微粒的速度在喷射直线方向上急剧衰减，而圆周运动方向上的油粒应尽量保持高速运动，这样才有利于混合气的形成。

4.3喷射模式

缸内直喷发动机燃油喷射模式可以分为单阶段喷射模式和多阶段喷射模式。

单阶段喷射模式是指在中小负荷时，燃油在压缩行程后期喷入，实现混合气分层稀燃并采用质调节以避免节流阀的节流损失，从而使GDI汽油机达到与柴油机相当的经济性；在大负荷和全负荷时，燃油在进气行程中喷人气缸，实现均质预燃和燃烧，以保持汽油机升功率高的特点。

多阶段喷射模式是指在进气行程中先喷入所需燃料的1/4，形成极稀的均质混合气，其余燃料在压缩行程后期再次喷入，形成分层混合气。

火花塞点火时，首先在浓混合气处形成较强的火焰，然后向稀混合气空间迅速传播。

应用该技术可实现发动机从中小负荷到大负荷的平稳过渡，降低气缸内的气体温度，抑制爆燃的产生。

4.4缸内空气运动的组织分析

GDI发动机缸内空气的运动有涡流、滚流和挤流。

目前大部分GDI发动机应用涡流作为缸内空气运动的主要形式，其特点是持续时间长，在缸内的径向发散少，对保持混合气的相对集中和分层有利，可以充分利用它来维持压缩冲程中的混合气分层。

但利用涡流来促进油气混合有一个操作范围限制。

此外，涡流比过高还会由于离心力的作用使油滴甩向缸壁，造成湿壁现象的增加。

近年来，日本三菱汽车公司对滚流在GDI发动机中的应用做了大量的试验研究，结果显示，在压缩行程的后期，滚流能够有效地增加靠近缸壁处的气体流动速度，从而可以促进粘附在缸壁上的油滴快速蒸发，也可利用滚流和活塞顶部的凹坑相配合将分层混合气导向火花塞，控制油束碰撞和火焰传播，从排气侧到进气侧的挤流还能提高燃烧速度。

5GDI发动机目前存在的问题

GDI发动机拥有很多优良的性能，如：

油耗低、污染小、动力性能好等等。

但是GDI技术同样存在着许多技术瓶颈制约了它的进一步发展和应用，亟待改进。

5.1排放问题

GDI汽油机的开发成功，极大地提高了汽油机的燃油经济性。

但其排放总体上要高于工作在理论空燃比下，附加三元催化等尾气处理装置的进气道喷射汽油机。

其排放问题主要有：

中小负荷下未燃HC排放较多,NOx的排放,微粒排放。

5.2催化器问题

GDI汽油机工作在稀空燃比条件下，其造成的富氧和较低的排气温度使传统的三元催化器对NOx的转化率不高，废气排温较低不利于三元催化器的起燃，限制了它在GDI汽油机上的应用。

5.3积炭问题

由于GDI汽油机，火花塞点火燃烧的是占据小部分空间的分层混合气，其他空间只有极微量的燃油存在，且燃料的气化蒸发使缸内温度偏低，点火后火焰在传播过程中逐渐减弱，到达分层混合气以外的其他空间时，极易造成熄火，使混合气不能充分燃烧，产生积炭。

5.4喷油器问题

GDI汽油机的喷油器置于气缸内，由于喷油压力低，喷孔没有自洁能力，很容易积垢，造成喷油量减少、喷雾特性变坏，进而使发动机的燃烧恶化，影响发动机的功率输出和排放。

降低GDI发动机的排放使其满足日益苛刻的排放法规是各国研究人员努力的重点，测试证明，起动过程和起动后阶段所排放的有害物质能够达到排放物总量的90%，因此，采用“分层燃烧起动”和“两次喷射加热”相结合的方法，对缸内直喷发动机是一种很有效的排放对策，大量发动机台架试验和实车试验已经证实了这一点。

可以预料，随着喷射技术和排气后处理技术的不断进步，缸内直喷发动机在排放和其他方面的性能将会得到进一步的改善，缸内直喷汽油机无疑会占领车用发动机更多的市场份额。

6今后缸内直喷技术研究发展前景与开发方向

近年来全球汽车总保有量日益增多，带来了许多问题，如健康威胁、环境污染、气候变化、能源短缺和交通拥挤等。

目前空气污染在城区已经成为非常严重的问题，汽车的有害物排放对人类的生存环境形成了一种公害性的破坏，据资料显示，市区的大气污染物60%来自于汽车尾气。

全球变暖、气候变化正在吸引人们更大的注意力，与之相对应的二氧化碳排放将成为汽车制造商要解决的主要问题。

所以GDI技术的发展就是必然的结果。

但由于汽油机的燃油经济性比柴油机差，所以降低汽油机的能耗已经成为汽车界当前必须要解决的一个问题。

具有理论空燃比的均质混合气的燃烧理论在火化点火发动机上被广泛使用，它的最大优点是可以实用三效催化器来降低CO、HC和NOx等废气的排放。

不足之处是不能获得较高的燃油经济性，为了提高发动机的热效率和降低废气排放，燃烧技术在不断地发展。

汽油机经历了由完全机械控制的化油器供油为主到采用电控喷射、缸内直喷、电辅助增压和电动气门、可变压缩比、停缸等技术的变化，汽油机发展的最终方案将采用综合汽油机和柴油机优点的燃烧控制技术。

汽油直喷技术就是应以上原因而开发出来的技术。

开发车用具有汽油机优点同时具有柴油机部分负荷高燃油经济性优点的发动机是主要的研究目标。

汽油缸内直喷是提高汽油机燃油经济性的重要手段，近些年来，以缸内直喷汽油机为代表的新型混合气形成模式的研究和应用，极大地提高了汽油机的燃油经济性。

以日本为代表的非均质直喷技术面临燃烧稳定性和后处理等问题，同时以欧洲为代表的均质直喷技术正在兴起。

现在GDI技术尚处于逐步成熟时期，各种问题的出现是必然的，但GDI的研究一定要在确保动力性能的基础上尽可能的“节能减排”。

而从当前的形式来看低碳问题又是中之重。

参考文献：

[1]孙勇，王燕军，王建昕等．缸内直喷式汽油机的研究进展及技术难点[J].内燃机，2002.1.

[2]蒋坚，高希彦．直喷式汽油机的开发内燃机工程，2004.1.

[3]蒋坚，高希彦，汽油缸内直喷式技术的研究与应用内燃机工程．2003.5.

[4]蒋德明等．高等车用内燃机原理（上册）[G]．西安W：

西安交通大学出版社，2006

致谢

大学三年的学习生活即将结束，在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。

本文能够成功的完成，要特别感谢我的指导老师的关怀和教导。