浅谈汽车发动机直喷稀燃技术.docx
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浅谈汽车发动机直喷稀燃技术
浅谈汽车发动机直喷稀燃技术
江苏经贸职业技术学院
毕业设计（论文）
题目：
浅谈汽车发动机直喷稀燃技术
系（院）工程技术系
专业班级10汽车（单）
学号1007061118
学生姓名李旭东
指导教师沈南瑾职称高工
2013年3月12日
浅谈汽车发动机直喷稀燃技术
摘要汽车发动机直喷稀燃技术，采用该项技术的发动机具有高节能，高效率,低排放的优点，已成为现在车用汽油发动机一个十分重要的发展方向。
本文首先介绍了汽车发动机直喷稀燃技术的简单概念及其优点和缺点。
在与普通的进气道喷射发动机比较的基础上，研究了运用了直喷稀燃技术发动机简单工作原理，重点阐述了直喷稀燃技术在奥迪A8为代表FSI车型的应用情况，指出了空气供给系统和燃油供给系统，排放系统方面的主要变化，以及对这些部分的控制，并分析了该发动机对尾气的特殊净化技术，简单的介绍了国内外该技术的应用情况，直喷稀燃技术有很大的发展潜力，将得到更大发展并将取代现有的进气道式喷射技术。
关键词直喷稀燃发动机应用FSI
Thecarenginewithdirectinjectionleanburntechnologydiscussion
AbstractTheadoptionofthedirectinjectionleanburnenginetechnologyhastheadvantagesofhighenergysaving,highefficiency,butlowemissionsandithasbecomeaveryimportantdirectionofvehiclegasolineengine.Thisarticlefirstlyintroducestheconcept,theadvantagesanddisadvantagesofthedirectinjectionleanburnenginetechnology.Onthebasicofthecomparisonwithportfuelinjectionengine,ithasinvestigatedandappliedthesimpleworkingprincipleofthedirectinjectionleanburnenginetechnology,focusedonthedirectinjectionleanburnenginetechnologyintheAudiA8applicationforFSImodels,andpointedouttheairsupplysystemandthefuelsupplysystem,themainchangesindischargesystem,andthecontroloftheseparts.What’smore,ithasanalyzedthisengine’sspecialpurificationtechnologytoexhaustgasesandbrieflyintroducedthedomesticandforeignapplicationofthistechnology.Thedirectinjectionleanburntechnologyhasgreatdevelopmentalpotentialanditwillhavethegreaterdevelopmenttoreplacetheexistingintakeportinjectiontechnique.
KeywordsDirectinjectionLean-burnEngineApplicationFSI
摘要2
引言4
一、汽车发动机直喷稀燃技术及其工作原理4
1、汽车发动机直喷稀燃技术的概念4
2、汽车发动机直喷稀燃技术的关键技术4
3、汽车发动机直喷稀燃技术的工作原理4
二、汽车发动机直喷稀燃技术特点4
1、汽车发动机直喷稀燃技术的优点4
2、汽车发动机直喷稀燃技术的缺点5
三、发动机直喷稀燃技术应用实例5
1、充气系统5
2、燃油系统8
3、排放系统9
四、应用情况分析11
1、国内汽车发动机直喷稀燃技术的应用情况11
2、国外汽车发动机直喷稀燃技术的应用情况12
五、结束语12
参考文献13
致谢14
浅谈汽车发动机直喷稀燃技术
引言
日益严重的环境和能源问题，使得人们在追求车用汽油机良好动力性的同时，也对汽油机的燃油经济性和排放提出愈来愈高的要求。
为此，近年来世界各国研究、开发了许多发动机新技术。
其中汽油机缸内直喷稀燃技术无论在节能方面还是在降低排放方面效果均十分明显,已成为车用汽油机一个十分重要的发展方向。
一、汽车发动机直喷稀燃技术及其工作原理
1、汽车发动机直喷稀燃技术的概念
FSI是FuelStratifiedInjection的缩写。
意指燃油分层喷射，是直喷式汽油发动机领域的一项创新的革命性技术[1]。
FSI技术是指改变传统的汽油机通过从进气管中将燃油与空气混合的燃油供给系统的供油方式，而采用像柴油机一样的，通过喷油器直接将汽油往气缸内喷射的供油方式[2]。
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为了实现稀薄燃烧，缸内直喷技术伴随着稀燃技术是相辅相成、密不可分的。
而发动机的稀薄燃烧技术就是为了让气缸内的混合气更加充分的燃烧，使尽可能多的热能转变为机械能，提高热效率，达到减低油耗和排放的目的。
2、汽车发动机直喷稀燃技术的关键
为了实现稀薄燃烧，技术上必须做到：
（1）高能点火，高能点火有利于火核形成，燃烧速度增快，稀燃极限大，稀燃发动机采用特殊的火花塞设计以达到上述目的。
（2）最优点火提前角控制，易于实现分层燃烧（3）喷射的最佳时刻与时间的控制，使得本来不易点燃的稀薄混合气在气缸以点带面点火方式迅速波及开来（4）提高了压缩比，需采用紧凑型燃烧室设计，火焰传播距离缩短（5）组织空气运动，通过进气口位置改进使缸内形成较强的空气运动旋流，提高气流速度，实现分层[4]。
3、汽车发动机直喷稀燃技术的工作原理
采用直喷稀燃技术的发动机是利用一个高压泵，使汽油通过一个分流轨道（共轨）到达电磁控制的喷油器。
在进气道中产生可变涡流，使得进气流以最佳的涡流形态进入燃烧室内，以分层填充的方式推动，使较浓的气体聚集于火花塞的周围，正常情况下，如此稀薄的气体时不可能被点燃的，故采用以中间点火带动周围点火的使整个气缸燃烧的方式，浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层[3]，使其点燃做功。
二、汽车发动机直喷稀燃技术特点
1、汽车发动机直喷稀燃技术的优点
采用燃油直喷稀燃技术的发动机,发动机能够在火花塞点火之前把汽油以较高的压力直接喷射到燃烧室，同时在ECU的精确控制下，使混合气体能够实现分层燃烧。
这种技术可以让靠近火花塞周围的混合气相对较浓，远离火花塞周围的混合气相对较稀，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就可以使汽油得到充分挥发而提高了进气充量,减小了进气气阻。
采用缸内直喷技术的汽油机的过量空气系数可以调节稀薄的状
态，从而能够将内燃机的热效率提高20％[3]。
而不会对发动机性能造成负面的影响。
采用直喷技术后，燃油以细微滴状的薄雾方式进入汽缸，而不是以蒸汽的方式。
这也就意味着当燃油雾滴吸收热量变为可燃蒸汽时，实际上对发动机的汽缸起到了冷却的作用，另外比原有的进气道式汽油发动机获得了更多的进气量，使缸内气体燃烧的更为彻底，减少了大量由于燃烧不充分形成的有害气体，从而保护了环境。
2、汽车发动机直喷稀燃技术的缺点
FSI同时也要面临PFI（PortFuelInjection的缩写，意指进气口燃油喷射）所没有的困难。
如在要求的工作范围内如何对分层燃烧进行有效的控制；确定怎样的喷油控制策略来保证较好的负荷切换，以适应于FSI发动机的喷油器设计，解决小负荷时HC排放过高，大负荷时NOX排放过高并有碳烟形成，及由于汽油自润滑性差导致的燃油喷射系统和缸壁磨损等，这些是FSI开发中常遇到的困难。
此外，原有的三效催化转化器不适用于FSI，需要开发专用的稀燃NOX催化转化器[5]。
三、发动机直喷稀燃技术应用实例
奥迪A8轿车上的应用，直喷稀燃发动机与传统的燃油喷射发动机存在不同之处，这主要体现在充气系统、燃油系统、排放系统这些方面。
1、充气系统
FSI发动机是将高压燃油直接喷入气缸点燃获得动力，这点有点类似于柴油发动机。
和传统的汽油发动机存在很大的不同之处，这种发动机是将高压燃油直接喷射到发动机的每一个气缸，结合特有的稀薄燃烧技术，使得在小负荷工作状况下实现稀薄燃烧成为了现实[1]。
FSI发动机根据负荷的大小不同，分为三种工作模式即分层充气模式、均质稀混合气模式、均质混合气模式[6]。
根据负荷的大小不同自动选择不同的工作模式。
FSI发动机可以根据发动机负荷大小，在低负荷时为自动调整为分层充气模式，在高负荷时自动调整为均质混合气模式。
在中间负荷状态时则自动调整为均质稀混合气模式。
在三种不同的混合气模式中，在燃料的供给时间存在一定的差别，通过进气翻板不同角度的转动，来控制进气气流的形态。
在分层充气模式下，过量空气系数一般为1.6～3[6]。
空气经过接近全开的节气门，当然节气门也不可能完全打开，因为要留一部分真空给活性炭罐装置和废气再循环装置）直接进入气缸内的燃烧室，这个时候，进气管末端的进气翻板是不会开启的，也即是说气流只能从进气翻板的上端进气道流入气缸内部，由于进入气缸气流速度较快就会在气缸内部形成涡旋。
特殊的w型活塞会使这种涡旋效果更为显著，与此同时，节气门开度会进一步增大，以便尽量减小节流损失。
大约在压缩行程距上止点三分之一处，喷油嘴将以50～110bar的压力把燃油喷入到火花塞附近。
这就对燃油的喷射时间有着非常苛刻要求，只能在压缩行程据是止点三分之一左右，如果早于这个时间喷射燃油就无法点燃混合气，如果迟于这个时间喷射燃油混合气就变成均质充气了，这种非常稀薄混合气体根本是无法点燃的。
它的燃油喷射角度有着极其严格的要求，不同于普通的进气道式发动机，通过喷油器垂直将汽油喷射入进气道，它的燃油喷射角度很小约为20度，这样的角度导致喷出的气体并不与活塞的顶端相接触，因此，把它称作是的“导入气体”方式。
由于特殊的喷射角度使得火花塞附近聚集了具有良好点火性能的气体，这些气体在压缩行程中被高压火点燃，这样就使得气缸壁与被点燃的气体之间会出现一个温度很低的气体层，其作用是降低通过发动机缸体散发掉的热量，提高了热效率。
分层充气如图1所示。
分层充气压缩行程1-b
分层层充气进气行程1-a
分层充气喷油行程1-c
分层充气混合气形成1-d
分层充气燃烧1-e
图1分层充气模式
均质稀混合气模式的过量空气系数为1.55左右[6]。
在这种工作模式下，进气翻板仍然是关闭[6]。
只不过进气行程中喷入燃油，这样就具有充足的时间形成混合气体，这时的工作模式为均质稀混合气模式。
这种模式只能在中小负荷下实现正常运行，在均质稀混合气模式运行模式中，它的燃油喷射发生在进气行程中。
与均质混合气模式不同的是，所吸入的空气量不能完全用于燃烧，因此实现了较少的燃油消耗。
如图2所示。
均质稀混合气进气2-a
均质稀混合气喷油行程2-b
````````````````
均质稀混合气形成2-c
`均质稀混合气燃烧2-d
图2均质稀混合气模式
均质混合气模式的过量空气系数为1[6]。
节气门开度是根据照油门踏板的所处位置来决定的，也就是说根据驾驶员的驾驶意志来决定的，在发动机大负荷、高转速时，进气翻板的角度全打开，于是气体就会从上面和下面进气道同时进入气缸。
燃油喷射时刻就不同于分层充气模式，它的燃油喷射时刻是发生在进气行程中，这样燃油和空气更好、更均匀的实现混合，加之本来就具备的涡旋来击碎燃油颗粒，使之混合的更为均匀。
均质模式的优势在于燃油是直接被喷入气缸内的，刚刚进来的气体可带走一部分燃油汽化时所产生的热量。
这样温度降低，可一定程度的减小爆震带来的不良影响，因此可以提高发动机的效率。
在均质混合气模式中，燃油是在进气冲程中喷射的，理论过量空气系数的均质混合气易于燃烧，因此不必借助涡流作用，就可以实现正常的缸内燃烧。
如图3所示。
均质混合气喷油行程3-b
均质混合气进气行程3-a
均质混合气形成3-c
均质混合气燃烧3-d
图3均质混合气模式
2、燃油系统
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。
直喷稀燃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[6]。
燃油系统如图4所示。
图4燃油系统
燃油部分的控制原理大致如下，直喷式稀燃汽油发动机采用两种不同的注油模式，即分层注油和均匀注油模式[7]，直喷稀燃发动机按照发动机负荷大小，基本上可以自动选择分层注油和均匀注油两种运行模式。
运行模式如图5所示。
在低负荷时实行分层注油模式，可充分发挥汽油机的燃油经济性，因为在转速较低、负荷较小时除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室的其它地方只需空气含量较高的混合气即可，此时，发动机控制单元（ECU）根据转速传感器和空气流量计信号，将燃油的喷射时间控制在压缩行程中。
在高负荷时实行均质注油模式，当节气门完全开启，发动机高速运转时，大量空气高速进入气缸形成较强涡流并与汽油混合形成易于燃烧的均质混合气，此时，发动机控制单元（ECU）根据到节气门位置传感器的信号，改变其喷油时刻，将燃油的喷射时间控制在进气冲程中。
分层燃烧5-a均质燃烧5-b
图5运行模式
3、排放系统
由于采用稀薄燃烧在富氧的情况下，使得燃烧更加充分，减少了HC和CO的生成，但是在富氧环境中会产生大量的NOX，这成为发展稀薄燃烧发动机的一个最大障碍。
为了解决此问题，带有直喷稀燃技术的发动机配置了特殊的NOX存储式催化净化反应器这是普通发动机所没有的。
在直喷稀燃发动机的排气系统中，在靠近发动机一侧安装有常用的三元催化反应器，反应器的前面和后面各有一个氧传感器。
在NOX存储式催化净化反应器前面安装有排气温度传感器，来监测排气管温度将检测到的实时数据传给发动机电控单元，发动机控制单元用此数据计算NOX存储式催化净化反应器的内部温度。
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的浓度是不高的，NOX存储式催化净化反应器只能在只在250℃～500℃之间才能存储NOX气体。
此时排气温度在发动机控制单元监控之下，在温度达不到NOX存储式催化净化反应器正常工作要求时，通过发动机控制单元改变其工作模式迅速达到工作的条件。
（2）NOX存储式催化净化反应器的结构与三元催化净化器基本是一致的，反应器的涂层另外用氧化钡处理过，这就可使氮氧化物以硝酸盐的形式存储起来。
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并不是能无限储存的，是否达到储存饱和状态是由NOX传感器来告知发动机电控单元，如果已经达到了储存饱和状态，那么发动机电控单元会采取一定的措施来对其内部的NOX气体进行还原。
还原过程分成两种。
a.氮氧化物的还原[8]。
当NOX存储式催化净化反应器内的氮氧化物的浓度不符合规定要求时，就会发生氮氧化物的还原过程。
发动机电控单元使得发动机从分层充气模式切换到均匀模式，由于模式的转变反应器内部的温度迅速升高，以达到NOX存储式催化净化反应器规定的工作要求，由于温度升高，使得硝酸盐变得不稳定，当环境条件符合还原时，硝酸盐就可以分解了。
此时氮氧化物就转换成无害的氮气，存储的硝酸盐清空后，这个循
环又重新开始。
b.硫的还原[8]。
这是一个过程，由于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。
硫也会占据一定的存储空间，这也会使在较短的时间内充满存储式催化净化器。
一旦超过了规定值，发动机就会采取从分层充气模式切换到均质模式工作模式。
由于工作模式的转变，使其温度快速升高到NOX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。
排放系统如图6所示。
图6排放系统
四、应用情况分析
1、国内汽车发动机直喷稀燃技术的应用情况
国内版本的稀燃发动机，并没有像国外发展的那样成熟，实现发动机的稀薄燃烧具有很高的技术难度。
比如，油泵、油嘴、活塞等，在这些方面没有过硬的技术，稀薄燃烧是不可能实现的。
另外，稀薄燃烧发动机采用的是超高压缩比技术，这就对燃油情清洁度提出了极其严格的要求，我国现阶段的炼油水平在一定程度上也制约着稀燃发动机的发展。
即便大众引进了稀燃发动机（FSI），它为了迎合中国市场的需求，大大降低了压缩比，严格意义讲，它不能算是真正意义上的稀燃发动机。
对于我国来说，这不得不说是个遗憾 。
但是，令人可喜的是我国有多家发动机厂已经研制出直喷发动机了。
例如，上汽集团的荣威950、北京现代索纳塔八，只不过先进性上有一些差距，这个差距主要体现在是否能够实现稀薄燃烧上，国内的直喷主要停留在了均质燃烧这个层次上面，并没有实现分层燃烧，没有实现分层就不会实现稀薄燃烧。
据可靠调查数据显示，没有分层稀薄燃烧技术的直喷发动机，并不能带来多大的燃料节省。
我国的直喷发动机一般采用的是均质模式，这种模式的弱点在于它仍然采用的易于点燃的理想空燃比，并不能带来太大的燃料节约，但是，由于采用了缸内直喷技术，发动机内部燃烧更为彻底，使其在排放性能方面迈进了一大步。
不管怎么说，我国已自行研制出国产的直喷发动机，并应已经用于量产车辆，这对于我国起步较晚的汽车产业来说，不得不说是一个很大的进步。
随着，我国各方面技术的不断进步和成熟，我国消费者真正享用到的“原汁原味”的带有直喷稀燃技术的发动机，已经为期不远。
2、国外汽车发动机直喷稀燃技术的应用情况
国外版本的FSI发动机代表的确是缸内直喷稀燃技术已经相当成熟，并以广泛应用于各种车型.而且成了一些厂家的标准配置,西欧国家由于燃油品质较高,不像中国由于石油炼化的技术不够先进,造成燃油品质不良,无法适应直喷式发动机对燃油的苛刻要求，而且存在燃油实际与燃油标号不符合现象.近些年私家车的增多势必会增加石油的消耗量,以引起欧美一些国家的关注，柴油机低速的高扭矩性和良好的燃油经济性越来越受到私家车人士的关注。
为了能让汽油机收到柴油机一般的优势,汽油机也朝向高压缩比和高供油压力的方向发展。
汽油机缸内直喷稀燃技术以其的高动力性高燃油经济性及低的排放在欧美国家已引起足够的重视，像以德国为代表的发达国家这项技术几乎可以说已经得到了普及。
五、结束语
通过本次毕业设计，使我了解汽车发动机直喷稀燃技术的基本概念和原理，关键技术及发动机直喷稀燃技术的应用，还知道了国内和国外的基本应用情况，通过这段时间的学习、调查，更加深刻了解到直喷稀燃技术的重要性，它是未来汽车发动机发展的方向，前景广阔。
我国现阶段的发动机直喷稀燃技术发展存在诸多瓶颈，如开发技术落后、实验平台落后、制造装备比较落后、这些因素严重阻碍了汽车稀燃技术的发展，当然，对于我国来说解决稀燃发动的个别零件设计问题并不是太难，但是这不会给稀燃发动机带来多大实质性的变化，我国目前迫切任务是改变现有的不够先进的研发水平和装备水平，加强自我研发的力度，这样才能使我国发动机各项技术上一个更高的台阶。
参考文献
[1]原田（译）．直喷汽油机的发展［M］.SAEpaper970540．
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[3]蒋坚，高希彦．汽油缸内直喷式技术的研究与应用[J]．内燃机工程，2003，（5）：
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[4]尚秀镜等.汽油机缸内直喷的关键技术和发展现状[J].汽车技术，2001（3）：
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[5]思凡特（译）.FSI发动机的诊断技术［R］.FISITA工程师协会，2010（5）.17-16
[6]汪云青.汽油发动机新生—FSI直喷式发动机技术[J].技术前沿，2006（6）：
18-19
[7]
[8]陆小明等.利用进排气系统调谐改善EQ6100汽油机性能[J].内燃机工程，1995，16（3）:
24-28.
致谢
本论文的完成，得益于江苏经贸职业技术学院各位老师传授的知识，使本人有了完成论文所要求的知识积累，更得益于导师沈老师从选题的确定、论文资料的收集、论文框架的确定、开题报告准备及论文初稿与定稿中对字句的斟酌倾注的大量心血，在此对导师沈老师表示感谢！
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
浅谈汽车发动机直喷稀燃技术
系（院）、专业：
工程学院汽车技术服务与营销专业学号1007061118学生姓名：
李旭东
指导教师姓名沈南瑾下达任务日期：
2012年10月17日
任务起止日期：
2012年10月17日至2013年5月12日
设计（论文）的主要内容与要求：
主要内容：
汽车发动机直喷稀燃技术，采用该项技术的发动机具有高节能，高效率,低排放的优点，已成为车用汽油发动机一个十分重要的发展方向。
本文首先介绍了直喷稀燃发动机技术的简单概念及其优点和缺点。
在与进气道喷射发动机比较的基础上，研究了运用了直喷稀燃技术发动机简单工作原理，重点阐述了直喷稀燃技术在奥迪A8为代表FSI车型的应用情况，指出了空气供给系统和燃油供给系统，排放系统的主要变化，以及对这些部分的控制，并分析了该发动机对尾气的特殊净化技术，简单介绍了国内外该技术的应用情况，直喷稀燃技术有很大的发展潜力，将得到更大发展并将取代现有的的进气道式喷射技术。
主要参考文献：
[1]原田（译）．直喷机油机的发展［M］.SAEpaper970540．
[2]黄喜鸣.浅谈汽油机稀燃层燃技术[J].装备制造技术，2006（4）：
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18-19
[7]王志,张志福,杨俊伟,等.均质压燃发动机研究开发新进展.车用发动机,2007（3）:
1-7.
[8]陆小明等.利用进排气系统调谐改善EQ6100汽油机性能[J].内燃机工程，1995，16（3）:
24-28.
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