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现代缸内直喷汽油机的燃油系统及维修


现代缸内直喷汽油机的燃油系统及维修
缸内直喷汽油机己被各大汽车制造商普遍采用, 尤其是大众汽车公司近两年在国 内销售的新车己大部分采用 TSI 发动机,即涡轮增压缸内直喷汽油机。国内各汽车杂 志都曾详尽地介绍过缸内直喷汽油机燃油系统的结构和工作原理, 但由于此项技术发 展很快, 那些文章上很多内容己不符合当前实际。 本文以大众 TSI 发动机和通用 SIDI 发动机为例

介绍目前实际装车用的缸内直喷汽油机的燃油系统结 构、工作原理特点和维修注意事项。 目前实际装车用的缸内直喷汽油机的低压燃油系统和高压燃油系统都采用按需调节 燃油系统,参见图 1。所用的缸内直接喷射都取消了“分层”充气工作模式(压缩行程 喷射、稀混合汽),只有“均质”一种模式(进气行程喷射、λ =1 的混合汽)。这样可 以不使用昂贵、且易损坏的存储型氮氧化物催化转化器,也能使排放达标。

一、低压燃油系统 1.低压燃油系统结构 与传统的进气道燃油喷射系统相比,其低压油路增加了燃油泵门控开关、燃油低压压 力传感器 G410、油泵控制单元 J538。

燃油低压压力传感器采用传统三线式压力传感器。 燃油泵门控开关能使打开驾驶员侧车门时燃油泵即开始工作, 车门开关信号被送至发 动机控制单元,燃油泵被触发 2s。燃油泵提前工作是为了迅速建立高压以缩短启动时 间。 有些汽车还具有碰撞燃油切断装置,它是通过燃油泵继电器断开燃油泵。 2.按需调节低压油路 低压油路在发动机工作时仅保持 0.4MPa 油压,以节电。在易汽阻状态则使油压保持 在 0.5MPa。然而,发动机工作时燃油消耗是不固定的,因此燃油低压压力传感器时 刻将燃油压力信号发送发动机控制单元, 发动机控制单元根据此信号向燃油泵控制单 元发送一个有 20Hz 频率的脉冲宽度调制信号。 燃油泵控制单元根据这个指令,为电 动燃油泵送去的脉冲宽度调制电流,形成闭环控制。换言之,此时燃油泵上的电压不 是 12V,而是由脉冲宽度调制电流产生的较低的有效电压。即燃油泵转速是受控可变 的,不需要燃油压力调节器,输出油压也保持在 0.4MPa。 应注意,图 1 中燃油泵上的回油管不是用于低压燃油系统的,它是仅用于高压燃油系 统的。低压燃油系统都采用无回油式的 二、高压燃油系统 1.高压油路系统结构 第二代高压泵高压油路系统如图 2 所示,它由高压泵、燃油压力调节阀、燃油压力传 感器、燃油分配管、喷油器、压力限制阀及低压回油燃油管等组成。

2.按需调节高压油路 第二代和第三代高压燃油系统结构和工作原理相近,都是采用按需调节高压油路。目 前常用的是第三代高压燃油系统。 由于发动机在不同工况时对喷射压力是不同,在 4~10MPa。例如大众 Tiguan 怠速时 喷射压力是 4MPa,高速时喷射压力是 9MPa。因为按需调节的高压油路压力,燃油 分配管中的油压始终处于最佳压力。 燃油分配管处装有高压燃油压力传感器 G247。此传感器时刻向发动机控制单元发送 一个当前的压力信号。 这样, 发动机控制单元就在高压油泵的每次泵油过程中,提前 或错后地控制着燃油压力调节 阀,使高压油泵的泵油量时而小一点、时而大一点,从而使燃油分配管中的油压始终 处于发动机控制单元要求的压力。 如果因为高压油泵等出故障使而高压油路中油压大于 14MPa(有些车型更高或更低 些),图 1 中燃油分配管上的压力限止阀开启而泄压,以防压力过高。 图 3 中第三代高压油路系统中压力限止阀(限压阀)集成在高压油泵中(参见图 9), 因此 省去了燃油分配管至燃油泵的回油管。这是目前最常用的结构。 3.喷油器 目前喷油

器都采用 6 孔喷油器,如图 4 所示,其内部结构与传统喷油器相似。喷油器上六个精 细的机械孔,可以喷射出圆锥形的雾状燃油,这种结构可在节气门全开或在预热催化 转化器阶段的二次喷射过程中,避免油束覆盖整个活塞顶部,可大大降低了碳氢化合 物的排放。当发动机冷机时更少的燃油混入发动机机油中。 发动机控制单元控制喷 油器的电压为 65V,控制单元内部有 DC/DC 变压器将 12V 转换成 65V。喷油器阀针 开启时要 12A 的电流,但保持开启仅要 2.6A 的电流。喷油器的驱动电压为约 65V, 但这只是在喷油器阀针开启一霎那施加 65V 电压, 尔后阀针继续保持张开时, 只加载 较小的 12V 电压。如图 5 所示。 喷油器末端细长,以提高冷却效果。喷油器有一个 安装卡夹,只要拆卸就要更换。 三、第三代高压泵工作原理 2010 年起国内销售的大 众、通用等缸内直喷汽油车,大都采用第三代高压泵。2010 年前销售的缸内直喷汽油 车也有采用第二代高压泵。第二代高压泵与第三代高压泵相差不大,都是单柱塞、由 排气凸轮轴上的凸轮驱动的。 本文着重介绍第三代高压泵的结构和工作原理。

1.第三代高压燃油泵的特点

特点一:在燃油压力调节阀不通电的状态下也能产生成高压。 特点二:在调节阀不进行调控的情况下,进油阀门也可以依赖于吸油冲程中的压力被 打开。同时,高压腔也可以在调节阀不通电的情况下充填。 这些特点的好处是,在启动过程开始的时候,就向燃油输送压力。不需要让发动机控 制器先将燃油压力调节阀“调节到状态”时才送压。 泵的驱动是通过进气凸轮轴上的四凸(或三凸)凸轮来实施的。特别在冷启动时,这种 驱动能快速产生压力。 除此以外, 通过较大的柱塞直径(10mm), 促进压力的快返形成。 通过这些措施,在冷启动时进气阶段开始后只要 0.5s 的时间,在燃油分配管中压力就 已经达到了 6MPa 以上。 特点三:采用大容量的减压腔(参见图 7),有二个减压器膜集成安装在高压油泵内。 防脉动减压效果好。减压器膜隔出的上/下的单个室腔,经通道是互相连通的。 特点四:在燃油进口管道中集成安装有一个节流阀 2.进油行程 燃油压力调节阀 N276 在整个进油行程中由发动机控制单元控制。对该阀线圈 通电所产生的电磁场,克服弹簧力将进油阀门打开。如图 6 所示,当柱塞向下运动 时导致在泵腔里的压力下降。结果燃油从低压接口流入泵柱塞腔内。 3.回油行程 当柱塞向上运动开始一瞬那,燃油压力调节阀还在通电,进油阀门继续打开,如图 7 所示。此时柱塞上方的燃油流向减压腔,导致在柱塞上方的油压并不升高。而一旦燃 油压力调节阀不通电,则回油行程结束。所以回油量是可控的,可控回油是为的是按 需调节高压油路中的油压。

4.输油行程 当柱塞向上运动时,如果燃油压力调节阀不再通电, 那么, 由于柱塞压力 比弹簧力大,进油阀门关闭,输油开始。输出的燃油压力为 5~14MPa。输出燃油压 力多少,取决于回油行程时燃油压力调节阀何时还通电 5.限压阀 限压阀集成在高压燃油泵中, 如图 9 所示。 它可以在受热膨胀或在功能故障 时保护零部件不会受到燃油的过高压力。这是一个弹簧限压阀,在燃油压力超过 14MPa(有些车型更高或更低些)时打开。当阀门打开时,燃油从高压区流入低压区。

1. 控制策略 现在所用的缸内直接喷射取消了“分层” 充气工作模式, 只有“均质”一种模式。 不过在冷启动阶段,却使用了“均质”和“分层”二次喷射模式。在发动机高负载和

高转速时,也会加浓混合汽。冷启动时燃油二次喷射是一种特殊工作模式,是为了迅 速加热催化反应器。在进气过程中,先在距点火上止点大约 300° 时(进气行程时)喷入 部分燃油, 这部分燃油由于时间较长可均匀混合。 然后, 在压缩行程距上止点大约 60° 时进行第二次喷射。由此在火花塞附近形成了较浓的混合汽,这种情况下可使点火较 晚,且可以保证发动机稳定运行。二次喷射方式情况下λ 的值为 1。因为排气门早已 打开,排气温度升高很快。因此, 催化转化器能在很短时间内(30~40s),即达到其工 作温度(350℃)。这种先“均质”后“分层”的充气工作模式并不是用稀混合汽,仍用 理论空燃比混合汽,这与杂志上介绍的“分层”充气稀燃工作模式在本质上不同的。 当然,在发动机高负载和高转速时,也会加浓混合汽。 2.燃油(高压)压力传感器信号故障运行模式 如果燃油(高压)压力传感器发生故障,那么在输油过程中燃油压力调节阀会持续 地激活并保持打开状态。此时高压燃油系统中压力也靠低压燃油泵,高、低燃油系统 中压力相同,压力均为 0.7MPa(或 0.6MPa,视车型不同),这几乎与传统进 气道喷射压力相同。因此,发动机扭矩和功率急剧降低。 3.燃油压力调节阀故障运行模式 由第三代高压泵工作原理可知,发动机运行时,当燃油压力调节阀 N276 断电的 时候,调节阀的阀门是关闭的。这就意味着燃油压力调节阀一旦发生故障,柱塞上行 时“回油行程”不会产生了。燃油压力则会上升到 14MPa 时,直至高压油泵的限压 阀打开。此时发动机控制单元使得喷油时间和高压相匹配,同时发动机进入故障运行 模式,通过对进气量调节,发动机转速也被限制在 4000r/min(或 3000r/min,视车型而 不同)。 五、燃油系统检修注意事项

警告:高压时流出的燃油可严重灼伤皮肤和眼睛。 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。 例如对于大众车,在发 动机运转状态下,用故障诊断仪在“读取测量值块”的功能下选择显示组 140,在显 示区 3 中显示燃油压力。燃油压力从约 5MPa 降低到约 0.4~0.7MPa。 高压燃油油 路卸压,对第二代高压泵的燃油系统来说,这可通过断开燃油压力调节阀的插头来完 成,调节阀一断电,就 会释放燃油压力。但是,对目前大量采用的第三代高压油泵 来说,当燃油压力调节阀断电的时候,调节阀的阀门是关闭的。这就意味着不能通过 断开插头来降低燃油压力, 应当用故障诊断仪来卸压。 此外, 热车卸压后应迅速操作, 否则即使发动机熄火, 燃油压力也会因发动机舱内燃油系统受热而可能使高压油泵内 油压迅速上升到 14MPa。 警告: 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.燃油泵压力为 0.4~0.68MPa,压力在 10min 后 不得低于 0.375MPa。燃油泵的功率消耗标准值最高为 9A。 4.更换发动机控制单元或 燃油泵控制单元后必须做自适应。 5.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(见表 1)。 6.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 1 万 km 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。


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