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1、缸内直喷式汽油机（缸内直喷式汽油机（GDI）工作原理工作原理山东交通学院山东交通学院 吴际璋吴际璋缸内直喷式汽油机（缸内直喷式汽油机（Gasoline Direct Injection）简称：简称：GDI系统；又因为燃油是分系统；又因为燃油是分层燃烧（层燃烧（Fuel Stratified Injection）故又称：故又称：FSI系统。系统。传统式的电喷汽油机，是将汽油喷传统式的电喷汽油机，是将汽油喷射在进气门外侧的进气歧管中，在进气过程和射在进气门外侧的进气歧管中，在进气过程和压缩过程中，利用时间和空间的均质混合方式，压缩过程中，利用时间和空间的均质混合方式，完成可燃混合气的形成，再点火燃
2、烧作工。完成可燃混合气的形成，再点火燃烧作工。这样，燃油在气缸内滞留时间过长（接近这样，燃油在气缸内滞留时间过长（接近360曲轴转角），燃油的粘结损耗较大，曲轴转角），燃油的粘结损耗较大，加速响应性低，极易产生加速响应性低，极易产生“爆燃爆燃”，气缸，气缸磨损加大。能否和柴油机一样，在压缩终磨损加大。能否和柴油机一样，在压缩终了，往缸内直接喷射燃油，迅速混合点火了，往缸内直接喷射燃油，迅速混合点火燃烧，这只是人们多少年来的一个梦想。燃烧，这只是人们多少年来的一个梦想。一、电控汽油喷射系统一、电控汽油喷射系统的重大变革：的重大变革：1、三菱汽车公司和丰、三菱汽车公司和丰田汽车公司，在上个世田汽车
3、公司，在上个世纪的九十年代，即研发纪的九十年代，即研发出出“高灵敏度、高压缩高灵敏度、高压缩比、超稀薄混合气比、超稀薄混合气”的的缸内直喷式汽油机。压缸内直喷式汽油机。压缩比可达缩比可达1213：1，实现了实现了“低油耗、低污低油耗、低污染、高功率染、高功率”的梦想。的梦想。2、它抛弃了传统的利用空间和、它抛弃了传统的利用空间和时间的均质混合方式，采用缸时间的均质混合方式，采用缸内强涡流运动混合方式，在压内强涡流运动混合方式，在压缩冲程的后期，和柴油机一样，缩冲程的后期，和柴油机一样，直接向缸内喷射燃油，实现直接向缸内喷射燃油，实现“质的调节质的调节”，它对燃油的质量，它对燃油的质量要求不高，
4、摆脱了汽油质量对要求不高，摆脱了汽油质量对压缩比提高的制约。相继点火压缩比提高的制约。相继点火后，实现分层燃烧，利用后，实现分层燃烧，利用A/F=3040：1的超稀薄混合气的超稀薄混合气稳定燃烧，极大的改善了汽油稳定燃烧，极大的改善了汽油机的动力性、经济性、净化性。机的动力性、经济性、净化性。3、我国上海大众和一汽大众己引进生产了、我国上海大众和一汽大众己引进生产了“斯斯克达克达-明锐明锐”（SKODA-Octavia-1.8T-FSI）和）和“迈腾迈腾”（Magotan-1.8T-FSI）缸内直喷式汽油机）缸内直喷式汽油机乘用车，己经投入市场。随着汽车保有量和排放乘用车，己经投入市场。随着汽
5、车保有量和排放污染物的骤增，以及社会环保法规要求的提升，污染物的骤增，以及社会环保法规要求的提升，缸内直喷式汽油机将成为今后缸内直喷式汽油机将成为今后“时代的宠儿时代的宠儿”。二、缸内直喷式汽油机的主要结构：二、缸内直喷式汽油机的主要结构：缸内直喷式汽油机，是在传统的电控喷射缸内直喷式汽油机，是在传统的电控喷射系统的基础上，改进研发的。在其他结构系统的基础上，改进研发的。在其他结构方面无过多的变化，只是在可燃混合气的方面无过多的变化，只是在可燃混合气的形成方法上，和燃烧过程方面发生了概念形成方法上，和燃烧过程方面发生了概念性的变革。仅就性的变革。仅就GDI系统的主要结构介绍：系统的主要结构介绍
6、：1、直立式进气管、直立式进气管产生下降大进气流，产生下降大进气流，直接流入气缸，流速快，可达直接流入气缸，流速快，可达4050m/s，充气效果好。与传统的横向进气管相比，充气效果好。与传统的横向进气管相比，它的进气涡流方向是相反旋转，喷油后能它的进气涡流方向是相反旋转，喷油后能在火花塞处形成浓油雾区，极易点火燃烧，在火花塞处形成浓油雾区，极易点火燃烧，起动性能好，能实现分层燃烧。起动性能好，能实现分层燃烧。2、顶面弯曲活塞、顶面弯曲活塞引导空气产生进气涡流和引导空气产生进气涡流和挤压高速旋转涡流，以便形成理想地分层燃挤压高速旋转涡流，以便形成理想地分层燃烧的可燃混合气。旋转涡流为烧的可燃混合
7、气。旋转涡流为“正向涡流正向涡流”，与传统的，与传统的“逆向涡流逆向涡流”方向相反，有利于方向相反，有利于混合气按浓稀方式层状分布，进行分层燃烧。混合气按浓稀方式层状分布，进行分层燃烧。3、采用两级串联式供油泵、采用两级串联式供油泵低压供油泵为低压供油泵为电动涡轮式，油压为电动涡轮式，油压为0.35Mpa；高压供油；高压供油泵为往复柱塞式，由凸轮轴驱动，使燃油泵为往复柱塞式，由凸轮轴驱动，使燃油轨道的油压不断堆积，产生轨道的油压不断堆积，产生55.5Mpa的的喷射油压，经喷油器高速喷入气缸，提高喷射油压，经喷油器高速喷入气缸，提高了雾化质量，形成旋转的燃气涡流。了雾化质量，形成旋转的燃气涡流。
8、三角形凸轮驱动油泵柱塞吸油和压油，能快三角形凸轮驱动油泵柱塞吸油和压油，能快速平稳的建立起油压，当轨道压力达规定值速平稳的建立起油压，当轨道压力达规定值（5Mpa）后，压力传感器信号通过）后，压力传感器信号通过ECU使使仃供电磁阀断电仃供电磁阀断电OFF，弹簧将进油阀顶开，弹簧将进油阀顶开，高压供油泵即短暂仃止供油。高压供油泵即短暂仃止供油。4、轨道压力传感器、轨道压力传感器是压敏电阻制成的桥式是压敏电阻制成的桥式电路传感器，原理与传统的进气管压力传感电路传感器，原理与传统的进气管压力传感器器Map类同。为类同。为ECU提供轨道内燃油压力的提供轨道内燃油压力的高低，当压力达高低，当压力达5Mp
9、a时，时，ECU指令仃供电指令仃供电磁阀断电磁阀断电OFF，其弹簧推开高压油泵的进油，其弹簧推开高压油泵的进油阀，使高压油泵仃止吸油而仃供。此时，低阀，使高压油泵仃止吸油而仃供。此时，低压油泵也同步仃止供油，维持规定的油压。压油泵也同步仃止供油，维持规定的油压。5、高压旋流式喷油器、高压旋流式喷油器由由ECU直接用脉冲电流直接用脉冲电流的宽度，控制喷油量的的宽度，控制喷油量的多少，利用特殊的喷孔多少，利用特殊的喷孔形状，向气缸内喷出旋形状，向气缸内喷出旋转的雾状燃油，与挤压转的雾状燃油，与挤压涡流快速的混合，以便涡流快速的混合，以便点火燃烧。它没有进气点火燃烧。它没有进气管沉积油膜的缺点，又管
10、沉积油膜的缺点，又因喷油压力较高，喷油因喷油压力较高，喷油器的自洁功能高，不易器的自洁功能高，不易产生脏堵故障。产生脏堵故障。6、特别指出：喷油器是属于瞬时高电压和、特别指出：喷油器是属于瞬时高电压和大电流大电流“峰值保持型峰值保持型”驱动方式（用驱动方式（用100110V和和1720A打开；又用限流电阻以打开；又用限流电阻以35A的电流，保持开启状态），又称，强劲、的电流，保持开启状态），又称，强劲、高频、量化控制方式。高频、量化控制方式。喷油器可小型化，又缩短了喷油器可小型化，又缩短了“无效喷射无效喷射时间时间”，开启速度快，响应性好，计量，开启速度快，响应性好，计量准确。所谓准确。所谓“
11、无效喷射时间无效喷射时间”是因为是因为电磁线圈有一定的阻抗，故开启时间较电磁线圈有一定的阻抗，故开启时间较Tr管导通时间迟后，该时间无燃油喷出，管导通时间迟后，该时间无燃油喷出，故针阀升起和座落与喷油脉冲宽度并不故针阀升起和座落与喷油脉冲宽度并不吻合，故而需要改善。吻合，故而需要改善。为此，喷油为此，喷油器的检测方器的检测方式，应使用式，应使用专门的仪器专门的仪器（MVT-2诊诊断仪），以断仪），以防触电和逆防触电和逆变电源过载。变电源过载。三、三、缸内直喷式汽油机的缸内直喷式汽油机的工作原理：工作原理：1、气缸内涡流的运动、气缸内涡流的运动在进气过程中，通过在进气过程中，通过“直立式进气管直
12、立式进气管”，在气缸吸力的作用下，产生强，在气缸吸力的作用下，产生强大的下降气流，使充气效率得到提高。又在大的下降气流，使充气效率得到提高。又在“顶顶面弯曲活塞面弯曲活塞”的作用下，形成比传统汽油机更强的作用下，形成比传统汽油机更强大的大的“滚动涡流滚动涡流”。这个滚动涡流，将压缩后期。这个滚动涡流，将压缩后期喷射出的旋转油雾，带到燃烧室中央的火花塞附喷射出的旋转油雾，带到燃烧室中央的火花塞附近，及时点火燃烧，这是一种革新手段。近，及时点火燃烧，这是一种革新手段。2、高压旋转油雾的产生、高压旋转油雾的产生高压旋转式喷油器，高压旋转式喷油器，在压缩冲程的后期（此时，缸内压力为在压缩冲程的后期（此
13、时，缸内压力为0.61.5Mpa），以），以5Mpa的高压喷射出旋转的油雾，的高压喷射出旋转的油雾，卷入卷入“滚动涡流滚动涡流”中，迅速吸热汽化，以层状混中，迅速吸热汽化，以层状混合状态，被卷到火花塞附近。此时，火花塞附近合状态，被卷到火花塞附近。此时，火花塞附近为为“高浓度高浓度”混合气，极易点燃。缸内的燃气呈混合气，极易点燃。缸内的燃气呈“稀包浓稀包浓”状态（状态（O2分子包围分子包围HC分子）分子），它与，它与气缸壁间形成了绝热层，提高了热效率，使功率气缸壁间形成了绝热层，提高了热效率，使功率提高，油耗降低。提高，油耗降低。3、高速燃烧涡流的产生、高速燃烧涡流的产生“稀包浓稀包浓”的的强
14、燃烧涡流，因未燃物和己燃物温度、密强燃烧涡流，因未燃物和己燃物温度、密度和离心力的差异，在旋转中逐层的换位度和离心力的差异，在旋转中逐层的换位和剥离（未燃物温度低、密度大、离心力和剥离（未燃物温度低、密度大、离心力大，向外移动；己燃物温度高、密度小、大，向外移动；己燃物温度高、密度小、离心力小，向内移动），并从内向外稳定离心力小，向内移动），并从内向外稳定地、彻底的分层燃烧。地、彻底的分层燃烧。“稀包浓稀包浓”状态的燃气涡流，与气缸壁间状态的燃气涡流，与气缸壁间产生绝热层，从而提高了热效率。产生绝热层，从而提高了热效率。因高压缩比和高速强涡流及涡流分层高效因高压缩比和高速强涡流及涡流分层高效率
15、燃烧的结果，即：进气涡流、压缩涡流、率燃烧的结果，即：进气涡流、压缩涡流、燃烧涡流的综合效果，与传统的电喷汽油燃烧涡流的综合效果，与传统的电喷汽油机相比，输出的功率机相比，输出的功率Pe和输出扭矩和输出扭矩Me提提高了高了10%。超稀薄的混合气，空燃比超稀薄的混合气，空燃比A/F可达可达3040：1，与传统的汽油机相比，因燃烧过程，与传统的汽油机相比，因燃烧过程和燃烧温度控制的合理，节油率可达和燃烧温度控制的合理，节油率可达40%，可使排气中的，可使排气中的CO、HC、NOx等有害物等有害物质大幅度降低。质大幅度降低。4、起动性能的提高：、起动性能的提高：因燃油为直接喷入气缸，无燃油的粘结损耗
16、，因燃油为直接喷入气缸，无燃油的粘结损耗，又因火花塞处为高浓度混合气，与传统的均又因火花塞处为高浓度混合气，与传统的均质混合方式相比，起动性能得到提高，发动质混合方式相比，起动性能得到提高，发动机在机在12个循环，即可起爆运转。而传统个循环，即可起爆运转。而传统的均质混合发动机，需要十几个循环，才能的均质混合发动机，需要十几个循环，才能起爆运转。起爆运转。5、中小负荷工况时的喷油特点：、中小负荷工况时的喷油特点：乘用车在市内行驶占有的时间为乘用车在市内行驶占有的时间为75%85%，多在中、小负荷工况下工作，应在压缩行，多在中、小负荷工况下工作，应在压缩行程后期喷油，以经济超稀薄混合气成分为主，
17、程后期喷油，以经济超稀薄混合气成分为主，为分层燃烧方式。为分层燃烧方式。6、大负荷工况时的喷油特点：、大负荷工况时的喷油特点：为了获得大负荷时的功率值（包括其他工况），为了获得大负荷时的功率值（包括其他工况），应加浓可燃混合气，以动力性为主，采用应加浓可燃混合气，以动力性为主，采用“两次两次喷油方式喷油方式”。第一次是在进气行程，喷入适量燃。第一次是在进气行程，喷入适量燃油，形成均质燃烧混合气，此为油，形成均质燃烧混合气，此为“补救功能补救功能”；此时，还可利用燃油的汽化热，来降低进气温度，此时，还可利用燃油的汽化热，来降低进气温度，提高充气效率。第二次是在压缩行程的后期喷油，提高充气效率。第
18、二次是在压缩行程的后期喷油，形成浓稀不均的层状混合气，再点火燃烧。形成浓稀不均的层状混合气，再点火燃烧。因此，在大负荷工况时，一个工作循环中，因此，在大负荷工况时，一个工作循环中，喷油器发生两次脉冲信号，脉冲宽度各不喷油器发生两次脉冲信号，脉冲宽度各不相同。相同。“两次喷射两次喷射”的功能，也可在起动工况、的功能，也可在起动工况、急加速工况出现，以调节空燃比急加速工况出现，以调节空燃比A/F的大小，的大小，改善使用性能。改善使用性能。7、高压缩比的实现、高压缩比的实现汽油机高功率的输出：汽油机高功率的输出：一是，加大进气量；二是，提高压缩比；三是，一是，加大进气量；二是，提高压缩比；三是，控制
19、燃烧过程。控制燃烧过程。传统式的电控喷射系统，因燃油质量的制约，压传统式的电控喷射系统，因燃油质量的制约，压缩比已难突破缩比已难突破10：1的大关，还需要使用辛烷值的大关，还需要使用辛烷值97#的汽油。而直喷式汽油机却能突破这个界限值的汽油。而直喷式汽油机却能突破这个界限值，使压缩比提高到，使压缩比提高到1213：1。且对汽油的辛烷值。且对汽油的辛烷值无过高要求。究其原因如下：无过高要求。究其原因如下：（1）因吸入的空气量大幅度增加，进气冷却效）因吸入的空气量大幅度增加，进气冷却效果较好。因而，使对果较好。因而，使对“爆燃爆燃”的抑制作用也加大。的抑制作用也加大。（2）直接喷入气缸内的超稀薄混
20、合气燃料的汽）直接喷入气缸内的超稀薄混合气燃料的汽化热，可降低气体温度和增大空气密度的目的，化热，可降低气体温度和增大空气密度的目的，因而不易产生因而不易产生“爆燃爆燃”（3）再因）再因“缸内直喷缸内直喷”本来就具有不易产生本来就具有不易产生“爆燃爆燃”的特性。因在压缩冲程后期喷油，的特性。因在压缩冲程后期喷油，燃油在燃烧室内滞留时间极短，使大幅度的燃油在燃烧室内滞留时间极短，使大幅度的提高压缩比成为可能，提高压缩比成为可能，1213：1的高压缩比的高压缩比成为现实。成为现实。注注爆燃的产生，是燃油滞留在气缸内爆燃的产生，是燃油滞留在气缸内的时间较长，己燃部分对未燃部分的挤压和的时间较长，己燃
21、部分对未燃部分的挤压和辐射造成的，即未燃部分产生大量的极不稳辐射造成的，即未燃部分产生大量的极不稳的的“过氧化物过氧化物”，不等火焰传到，自行不正，不等火焰传到，自行不正常的急速燃烧。可见，直喷式的汽油机只能常的急速燃烧。可见，直喷式的汽油机只能对点火早晚敏感，不存在对点火早晚敏感，不存在“过氧化物过氧化物”这个这个问题。问题。8、因为采用超稀薄混合气分层燃烧，使有害、因为采用超稀薄混合气分层燃烧，使有害的的NOx生成量加大，故来采用生成量加大，故来采用“存储式两级存储式两级三元催化器三元催化器”净化方式，使尾气在催化器中净化方式，使尾气在催化器中有较长的滞留时间（有较长的滞留时间（2s），从
22、而使尾气中的），从而使尾气中的Co、Hc、NOx成分转化还原为成分转化还原为CO2、H20、N2无害气体，并加装温度传感器监控。无害气体，并加装温度传感器监控。再者，在中小负荷工况，使再者，在中小负荷工况，使EGR系统投入系统投入工作，并采用较大的工作，并采用较大的EGR率（传统式电喷率（传统式电喷系统为系统为5%15%，而，而GDI系统为系统为20%），），并采用专门的双级存储式的三元催化器并采用专门的双级存储式的三元催化器TWC，进行废气净化处理。，进行废气净化处理。废气量的控制：双计量系统的废气量的控制：双计量系统的EGR装置装置的空气流量计的空气流量计AFS和进气管压力传感器和进气管压
23、力传感器MAP，能精密的测出新鲜空气的质量值，能精密的测出新鲜空气的质量值和压力值，废气进入进气管后，管内压和压力值，废气进入进气管后，管内压力即升高，比较后即得出废气量值。力即升高，比较后即得出废气量值。9、如果增装废气涡轮增压系统（如：奥、如果增装废气涡轮增压系统（如：奥迪迪A6L-2.0T-FSI乘用车），充气效率将进乘用车），充气效率将进一步提高，空气密度加大，氧含量提高，一步提高，空气密度加大，氧含量提高，燃烧条件进一步改善，动力性、经济性和燃烧条件进一步改善，动力性、经济性和净化性将明显提高。净化性将明显提高。大众大众1.4LTFSI双增压系统：双增压系统：四、典型车系供油系统介绍
24、：四、典型车系供油系统介绍：奥迪奥迪-2.0-T-FSI乘用车，为废气涡轮增压式乘用车，为废气涡轮增压式缸内喷射汽油机，其供油系统特点是：缸内喷射汽油机，其供油系统特点是：1、燃油压力传感器、燃油压力传感器是压敏电阻桥式电路，是压敏电阻桥式电路，将轨道油压的高低以电压信号输入将轨道油压的高低以电压信号输入ECU中，中，以便以便ECU使仃供电磁阀动作，使高压油泵及使仃供电磁阀动作，使高压油泵及时仃止供油。时仃止供油。2、仃供电磁阀、仃供电磁阀ECU发令使其推杆动作，发令使其推杆动作，高压油泵的进油片阀即常开，仃止供油。高压油泵的进油片阀即常开，仃止供油。3、过压阀、过压阀为柱塞式溢流阀，当轨道油
25、为柱塞式溢流阀，当轨道油压高于规定值时，即泄油降压，维持轨道压高于规定值时，即泄油降压，维持轨道油压，起保护作用。油压，起保护作用。4、高电压喷油器、高电压喷油器采用采用65V高电压控制高电压控制喷油，为强劲高频量化控制方式，频率喷油，为强劲高频量化控制方式，频率响应性高。理论证明：电压值提高，电响应性高。理论证明：电压值提高，电流值可大幅度减小，热负菏降低，喷油流值可大幅度减小，热负菏降低，喷油器可小型化。器可小型化。5、供油压力和喷油压力可变、供油压力和喷油压力可变其正常其正常油压值为：低压为油压值为：低压为300Kpa；高压为；高压为5Mpa。当冷车起动时，为改善冷起动。当冷车起动时，为改善冷起动性能和热起性能，性能和热起性能，50s秒内低压升高为秒内低压升高为600Kpa；高压升高为；高压升高为10Mpa。6、为废气涡轮增压式缸内喷射汽油、为废气涡轮增压式缸内喷射汽油机，充气效率将进一步提高，动力机，充气效率将进一步提高，动力性、经济性和净化性明显提高。性、经济性和净化性明显提高。从特性曲线看出：发动机功率值随转速灵从特性曲线看出：发动机功率值随转速灵敏的快速上升；扭矩值在常用转速区内平敏的快速上升；扭矩值在常用转速区内平直的变化，最适合装用自动变速器的中、直的变化，最适合装用自动变速器的中、小型客车。小型客车。END！