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1、河南职业技术学院汽车工程系毕业设计（论文）任务书姓 名专 业汽车检测与维修班 级汽修092班毕业设计（论文）题 目浅析缸内直喷技术毕业设计（论文）选题的目的与意义目的：对汽车新技术有一个更清晰的了解，以便于在未来的实践中运用自如，正确解决发动机疑难问题。意义：提高燃油经济性，降低排放，对缓解油品紧缺和气候变暖具有重要意义。毕业设计（论文）的资料收集情况（含指定参考资料）1、课本；2、杂志；3、的实践积累；4、互联网等。毕业设计（论文）工作进度计划12011年11月8-21日：布置毕业设计（论文）工作有关注意事项和论文命题要求。22011年12月6-26日：指导教师检查论文编写情况。32012年
2、3月28日-4月27日：将论文上交指导教师。42012年4月28- 30日：各论文答辩小组（成员见表）进行小组答辩。52012年5月14、15日：优秀毕业论文进行答辩。62012年5月19、20日：论文成绩登记，毕业设计工作结束。接受任务日期 2011年 11月 09日要求完成日期 2012年 03月 28日学生签名： 2011年 11月 09日指导教师签名：2011年 11月 09日 系（分院）主任（院长）签名：年 月 日1毕业设计（论文）指导教师评阅意见表姓 名学 号性 别专 业汽车检测与维修班 级毕业设计（论文）题 目浅析缸内直喷技术评阅意见成绩指导教师签字年 月 日毕业设计（论文）答辩
3、意见表姓 名学 号性 别专 业汽车检测与维修班 级毕业设计（论文）题 目浅析缸内直喷技术答辩时间地 点答辩小组成员姓 名职称学 历从事专业组 长成 员秘 书答辩小组意见 答 辩 成 绩：答辩小组组长签名：年 月 日浅析缸内直喷技术摘要:汽车行驶的动力，来源于发动机，发动机把燃油与空气在气缸中混合，经火花塞点火进而做功推动活塞来带动整个机械结构进行运转。但是，如何让空气与燃油充分混合并适时点火，以便充分发挥每一滴燃油的功效，是困扰着汽车领域众多英雄好汉的难题。化油器技术以及电控燃油喷射技术相信大家都已经明白，化油器是根据经过化油器的空气量多少来进行油气混合，精确度实在是不敢恭维；而进入电喷时代，
4、电脑会控制喷油嘴根据当时发动机的负荷，来随时调整喷油量。时至科技发达的今日，拥有更强大的自我调整功能的缸内直喷技术逐渐被各汽车厂家所接受。关键字：空燃比 高压共轨 缸内直喷技术一、FSI技术当今，由于电动汽车的关键技术，电池还不成熟，在相当长的时间内，内燃机车仍然是主流，而环境问题和能源危机日益严峻。为此，世界各大汽车厂家竟向开发出各种节能减排的创新技术，如缸内直喷、混合动力、可变配气相位、增压技术、可变进气道、二次燃烧、电子节气门等技术。其中缸内直喷技术无论在节能还是减排上效果都更加显著，其也成为汽车销售的一个很好的卖点（一）、FSI系统简介缸内直喷又称FSI，FSI(Fuel Strati
5、fied Injection)燃料分层和均质燃烧，其运用运算速度更加快捷的车载电脑，根据发动机的负荷和转速，计算出合适的喷油时间和喷油量，把燃油直接喷入气缸，降低了燃油消耗和响应时间，使每一滴燃油都迸发超强活力。而时下正在运用的燃油喷射技术，喷油嘴与燃烧室距离过远，汽油被喷入气缸时易受气流和气门的影响，而进入气缸后又容易凝结在缸壁上，使相当一部分燃油没有物尽其用。缸内直喷技术又拥有自主喷油控制能力，能够使发动机在各种工况下都拥有最高效的燃油利用率。在功率提升的同时，又节省了燃油。（二）、FSI系统的发展过程缸内直喷技术的研发源远流长，最初可追溯到上世纪三四十年代，其开发的基础源于柴油机喷射技术
6、，但受当时发动机技术水平和单片机技术的限制，运用于实践的汽车，性能并不理想。由此，长期以来发展缓慢，没有得到实际的应用。伴随着电子技术的进步，缸内直喷技术日趋成熟，其中尤以博士公司开发的整套技术应用最为广泛。（三）、FSI系统的优点采用缸内直喷技术的发动机，发动机能在火花塞点火之前把汽油直接喷射到燃烧室，同时在ECU的精确控制下，使混合气体分层燃烧（既可保证火花塞稳定点火，又不至于造成过多NOX生成和冒烟现象的发生）。这种技术可以让靠近火花塞处的混合气相对较浓，远离火花塞的混合气相对较稀，从而更有效的实现“稀薄”点火和分层燃烧。并且由于不用加热（进气加热使汽油挥发，密度减小）而提高了进气充量，
7、在部分负荷时也没有因为要用节气门进行调节发动机的功率而减小了进气气阻。采用缸内直喷技术的汽油机的空燃比可以调节到比用化学计算法得出14.7:1 更稀薄的状态，从而能够将内燃机的燃料效率提高206。其局限性主要是因为空气过量而使氮氧化合物（NOX）排放增加。采用FSI技术的另一优点是能够加快油气混合气体的燃烧速度，这使得FSI发动机和传统喷射发动机相比，更有利于废气再循环。二、FSI系统的主要组成及工作原理（一）、空气供给系统1、FSI发动机采用的是类似柴油机工作方式，将高压燃油直接喷入气缸燃烧以获得动力。相对于传统的汽油发动机而言，由于汽油直接喷入每一个气缸，结合稀薄燃烧技术，使汽油直喷发动机
8、在部分负荷范围内采用专门的充气模式来工作。现在的FSI发动机具有三种工作方式：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空燃比。FSI发动机按照发动机负荷工况，基本上可以自动选择在低负荷时为分层稀薄燃烧，在高负荷时则为均质理论空燃比（14.614.7）燃烧。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。2、分层充气模式在这种工作模式中空燃比为1.63。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）引入燃
9、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50110bar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4050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，所以燃油雾气实际并不与活塞顶接触，所以称之为所谓的“空气引入”方式。并且只在火花塞附近聚
10、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。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。另外当空燃比小于14.7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。（1、节气门不能完全打开，因为总得保持一定的真空度用于活性炭装置和废气再循环装置。2、发动机所产生的扭矩大小只取决于喷油量，在这里吸入的空气量和点火角并没有多大意义。）3、均质稀混合气模式这种工作模式的空燃比为1
11、5.5左右，在这种工作模式下也和分层充气一样是节气门开度大，进气歧管关闭。只不过是在点火上止点前300左右时喷入燃油，形成混合气的时间也就比较长，有利于形成均匀的稀混合气，此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，像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：a.没有与排放系统有关的故障。b.冷却液温度必须超过50。c.氮氧化物催化转换器的温度为250500范围内。d.进气道翻板必须保持关闭状态。均质稀薄燃烧，在这种运行模式中，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
12、）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。4、均质混合气模式均质混合气模式的空燃比为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了更充足的时间来混合，并且可以利用空气的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
13、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，因此，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烧比混合气燃烧中，仍能降低燃油耗。（二）、燃油供给系统1、燃油供给系统的概况燃油供给系统由汽油泵，汽油滤清器，油量控制器，喷油器，高、低压传感器及燃油分配管等组成。汽油由汽油泵从油箱中泵出，经过汽油滤清器，除去杂质及水分后，再送至油量控制器和高压喷油泵，以提高压力和减少脉动，这样具有一定压力的燃油流至燃油分配管，再经各供油支管送
14、至各缸喷油器。喷油器根据ECU的喷油指令，开启喷油阀，将高压燃油喷入气缸。2、燃油供给系统的特点：a、电动燃油泵的功率消耗低，因此可节省燃油；b、燃油吸热率非常低（仅压缩当前所需燃油）；c、电动燃油泵的使用寿命长；、降低了噪声，尤其是在怠速时；e、可以对低压系统和高压系统的减震器进行自诊断(通过低压传感器)。3、高压系统组成及高压喷油泵机构原理高压系统组成部件包括：高压燃油分配管；高压喷油泵；高压油路；高压喷油阀。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
15、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，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
16、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，从而控制燃油压力，
17、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。高压油泵和油轨这样的部件对工作环境和制造精度要求很高，一些传统的柴油高压设备制造商如博世在这方面具有丰富的经验，因此即便是通用的直喷发动机，其高压油泵也是由博世提供，而作为自主品牌推向市场的第一款直喷汽油机，瑞麒G5上的2.0TGDI发动机同样使用了博世的高压油泵。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
18、靠性的要求也大大提高。FSI燃料分层喷射技术代表着传统汽油发动机的一个发展方向。传统的汽油发动机是通过电脑采集凸轮位置以及发动机各相关工况从而控制喷油嘴将汽油喷入进气歧管。但由于喷油嘴离燃烧室有一定的距离，汽油同空气的混合情况受进气气流和气门开关的影响较大，并且微小的油颗粒会吸附在管道壁上。奥迪轿车FSI发动机利用一个高压泵，使汽油通过一个分流轨道（共轨）到达电磁喷油器，然后通过电脑控制喷射器将燃料在恰当的时间直接注入燃烧室，其控制的精确度接近毫秒。其特点是在进气道中已经产生可变涡流，使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内，以分层填充的方式使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。稀燃技术的
19、混合比高达25:1以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12:1左右，外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速扩散至外层。（三）、排放系统 缸内直喷技术是伴随着稀燃技术的产生而产生的。由于环保的需要，及实现可持续发展的要求，要求除对于如NOX、CO、HC这些有害气体尽可能的减少外，尽量减少能形成温室效应的CO2和相应的减少能源的浪费已成为当今发动机发展的方向。据试验，在空燃比等于30的稀混合气模式下发动机依然可以工作，因此采用FSI技术其节油效果最高可达20%。稀薄燃烧技术的一个障碍是NOX的净化，这是因为
20、在富氧环境中会产生大量的NOX，为了解决此问题，FSI发动机配置了NOX存储式催化净化反应器。FSI发动机的排气系统中可以看出，在靠近发动机一侧安装有常用的三元催化反应器，反应器的前后各有一个氧传感器来监控工作状态。在NOX存储式催化净化反应器前部的排气温度传感器将测得的排气温度传给发动机控制单元，发动机控制单元用此温度计算NOX存储式催化净化反应器的温度。并将此信息用于下面两种情况：1、在分层充气模式时混合气是比较稀的，并且NOX只有在250500之间才能存储在NOX存储式催化净化反应器内。因此发动机控制单元用此信息在监控分层充气模式时的排气温度，在温度达不到NOX存储式催化净化反应器正常工
21、作要求时，通过发动机控制单元推迟点火时刻和工作模式等方法使之迅速达到催化的工作温度。2、NOX存储式催化净化反应器的结构和三元催化净化器是一样的，反应器的涂层另外用氧化钡处理过，这就可使氮氧化物在温度为250500之间时通过形成硝酸盐而存储起来。除了形成硝酸盐外，燃油中所含的硫也会存储起来。NOX存储式催化净化反应器的存储能力是有限的，其饱和度由NOX传感器来通知发动机控制单元，发动机控制单元会采取一定的措施来对NOX存储式催化净化反应器进行还原。还原过程分成两种。a.氮氧化物的还原。当NOX存储式催化净化反应器内的氮氧化物的浓度超过发动机控制单元内的规定值时，就会发生氮氧化物的还原过程。发动
22、机控制单元使得发动机从分层充气模式切换到均匀模式，混合气变浓，排放的尾气温度升高，NOX存储式催化净化器内的温度也就升高，此时所形成的硝酸盐变得不稳定，当环境条件符合还原时，硝酸盐就可以分解了。这时氮氧化物就转换成无害的氮气，存储的硝酸盐清空后，该循环又重新开始。b.硫的还原。这是个单独的过程，因为产生的硫的化学稳定性很高，这些硫在氮氧化物的还原过程中是不会分解的。硫也会占据存储空间，这会导致在较短的间隔内存储式催化净化器就会饱和。一旦超过了规定值，发动机管理系统就会采取从分层充气模式切换到均质模式工作或者是将点火时刻延迟等措施。这就将存储式催化净化器的工作温度提高到650左右，产生的硫就发生
23、反应并形成二氧化硫。如果燃油中含硫较少，那么除去硫的时间间隔也长，但燃油含硫多，就会经常进行这种还原过程。在大负荷、高转速行车时会自动去硫。三、FSI工作说明FSI燃烧方式基本只限于均匀燃烧。由于以下原因，“分层充气”的运行工况是无法实现的。在发动机转速较低及发动机负荷较小时，体积较大的6缸发动机比小排量的4缸发动机的热负荷要小些，由于废气的温度较低催化净化器就无法达到处理NOX的工作温度（600以上）。“均匀燃烧”工况可分为两种状态：1、进气歧管翻板关闭时的均匀燃烧。在发动机转速低于3750r/min或发动机负荷低于40时，进气歧管翻板是关闭的(由发动机特性曲线决定)。下部进气道被封闭，被吸
24、入的空气就会通过上部进气道加速后呈紊流状流入燃烧室，燃油喷射发生在进气冲程中。2、进气歧管翻板打开时的均匀燃烧10。在发动机转速高于3750r/min或发动机负荷高于40时，进气歧管翻板是打开的，这样就可保证发动机在高转速、大负荷时获得更多的进气量。这个过程是通过个大容量的双级进气管来实现的，该进气管这时切换到功率工况(短进气管)，燃油喷射也是发生在进气冲程。参考文献：1鲁植雄/缸内直喷发动机结构原理及维修2毛彩云/汽车稀薄燃烧与缸内直喷电子控制技术3 牟江峰/缸内直喷汽油机复合燃烧技术4刘永峰/电控缸内直喷发动机着火与碳烟生成机理5陈观强 孙嗣炎/缸内直喷是汽油机及其关键技术6冯元/发动机管理技术19