现代缸内直喷式汽油机_二_

MASTER THE BASICS 基础知识讲座B 82 ·March 于汽车二冲程缸内直喷式汽油机的研究，并完成 了装车试验。Daimler Benz公司也于1939年推 出了专供赛车使用的四冲程缸内直喷式汽油机。 直到1952年汽油直接喷射才首次批量应用于汽 车，Gutbrod公司首先使用Bosch公司提供的机 械控制式汽油喷射系统批量生产装有二冲程缸内 直喷式汽油机的轿车，因二冲程汽油机采用缸内 直接喷射之后可避免扫气过程中的燃油损失， 与当时的化油器汽油机相比，其燃油耗节约了 25%～40%。1954年Benz公司首次推出了排量为 3.1L的四冲程直立6缸M198缸内直喷式汽油机(图5 和图6中)，搭载于300SL型轿车。 虽然1934年德国就开始研究如何通过把燃油 直接喷入燃烧室而得到不均匀的混合汽，即分层充 量(图6左)。在20世纪50-60年代，美国Texaco公 司也推出了TCP(Texaco Combustion Process)燃 烧系统以及1968年Ford公司推出的PROCO(Ford- Programmed Combustion Process )燃烧系统(图6 右)，立足于节能减排，力求通过分层稀薄燃烧方 式来提高压缩比，使汽油机在保持本身优点的前提 下，在燃油经济性方面达到或接近柴油机的水平。 但是，由于缸内直喷式汽油机既有喷油系统又有点 火系统，结构较为复杂，成本也较高，同时在燃烧 室内实现分层燃烧的调试比较困难，开发费用大， 再加上当时尚缺乏供稀薄燃烧用的NOx后处理技 术，因此一直到20世纪80年代末，汽油机缸内直 喷分层稀燃技术仍未进入实用阶段。 随着内燃机技术的进步，特别是基于微电子 技术的计算机技术的迅速发展，为汽油机缸内直接 喷射技术的重新发展提供了前提条件，同时迫于节 能和环保日益严格的压力，也对汽油机缸内直 接喷射寄予新的期望而再次提上议事日程，因而20 世纪90年代各国纷纷加强了对汽油机缸内直喷技术 的研究，至1996～1997年日本三菱和丰田公司率 先相继将其开发的缸内分层稀燃直喷式汽油机投入 批量生产。特别是最近10来年，欧洲在Bosch等燃 油喷射系统专业生产厂商的汽油缸内直接喷射系统 日趋成熟和完善的基础上，各大汽车公司，诸如大 众和BMW等，不断推出了动力性能优异、节油效 果明显并达到欧4／欧5排放的新款缸内直喷 (接上期) 2.缸内直喷式汽油机的发展历史 在内燃机出现的早期，即20世纪初，人们就 已对汽油喷射方式进行过研究。1900年德国Deutz 公司就曾经生产过汽油喷射的固定式发动机。以 后，汽油喷射的应用范围逐步转移到活塞式航空发 动机上。二战前夕的20世纪30年代，德国已开始 用Benz和BMW公司的汽油喷射发动机装备军用飞 机。 航空发动机采用汽油喷射技术所取得的成 果，自然也引起了人们将其应用到汽车上的兴 趣。但是，当时并没有对化油器式汽油机的燃烧 方法做重大改动，通常是为了提高汽车发动机的 功率，往往仅在现有的汽缸盖结构基础上，为配 备直接喷射喷油器而进行相应的修改，因此开发 的重点侧重于喷油装置及其调节。1938年德国 空军研究所(DVL)和Bosch公司合作，首先致力 范明强 (本刊专家委员会委员) 教授级高级 师，曾任中国第一汽车 集团公司无锡研究所发 动机研究室主任、湖南 奔腾动力科技有限公司 轿车柴油机项目部总工 程师、无锡柴油机厂高 级技术顾问和多所高校 客座教授。他有着四十 余年车用发动机研发经 验，曾先后主持过多种 机型的开发工作和国家 “八五”重点科技攻关 项目——“汽车发动机 电子控制技术”，荣获 国家重大科技成果奖、 国家科技进步二等奖和 汽车工业科技进步二等 奖，并出版《汽车发动 机电控汽油喷射技术》 和《现代汽车电子控制 技术和装置》等专著。 现代缸内直喷式汽油机(二) 文/江苏 范明强 图5 Daimler-Benz公司300SL型轿车汽油机的缸内汽油 直喷系统(1954年) 调节用真空管 带有喉管和节 流阀的进气管 空滤器 节流阀杆 润滑柱塞偶件用的机油管 高压油泵 燃料 溢流阀 精滤器 喷嘴 油箱 供油泵 润滑油泵用的机油管 油泵调速器 图6 缸内直喷式汽油机的发展史 全负荷 部分负荷 火花塞 喷油器 喷油器 Hesselmann 发动机(1934) Mercedes-Benz300 SL(1954) Ford Proco(1968) 832010/3· 栏目编辑：范颖 fy@motorchina.com 式汽油机轿车，标志着汽油缸内直喷技 术，无论是在喷油系统、缸内空气运动和 燃烧过程的组织及其调试方面，还是在电 子控制系统和废气后处理系统方面都已 相当成熟，开始进入蓬勃发展的崭新阶 段。 与此同时，大众公司已在我国大连 设厂开始批量生产缸内直喷式汽油机，供 应一汽大众和上海大众轿车，与欧洲同步 推出新车型供应国内市场。因此，对于我 国汽车维修行业来讲，这种技术含量颇高 的节能减排的新车型，既为拓展维修市场 空间提供了新的机遇，也对知识的更新和 提高维修技术提出了新的挑战。 第二篇 基本原理和结构特点 1.缸内直喷式汽油机的工作原理 1.1.混合汽的形成与调节方面的基本要求及 特点 人们在发展现代汽油机缸内直喷技 术时，力图综合传统汽油机和柴油机两方 面的优点。众所周知，柴油机按狄塞尔 (Diesel)循环工作，即采用压燃和混合汽 质调节方式工作，其燃油经济性明显优于 汽油机。而汽油机则采用奥托(Otto)循环 工作，混合汽进行量调节，过量空气系数 (实际空气量/燃油按化学计量比燃烧所需 空气量=空燃比/14.7)小，实现均质预混 合燃烧，其动力性能指标，即升功率要高 于柴油机。而在柴油机中进行的是非均质 混合汽扩散燃烧，尽管总体上过量空气系 数λ＞1，但混合汽中仍存在局部缺氧的 情况，以至于形成了柴油机特有的碳烟与 颗粒排放，这在缸内直喷式汽油机中，特 别是在分层混合汽燃烧过程中的浓混合汽 区域要尽量避免出现类似的情况。 为了扬长避短，综合汽油机和柴 油机两方面的优点，要求在现代缸内直 喷式汽油机中，如图7所示，在部分负 荷时燃油于压缩行程后期喷入，实现混 合汽分层稀薄燃烧(过量空气系数λ≥ 1.9～2.2)，并采用混合汽调节，以避免 节气门的节流损失，力求达到与柴油机相 当的燃油经济性；而在中等直至高负荷 时，燃油在进气行程中喷入，根据运行 工况的需要，实现均质稀薄混合汽燃烧 (λ=1.3～1.4)或均质燃烧(λ=1.0)或均质 加浓混合汽燃烧(λ<1.0)，以保持汽油机 升功率高的优点。同时，由于喷入缸内的 燃油蒸发时吸收热量所起的冷却作用，提 高了抗爆性能，可以实现较高的压缩比 (ε=12～14)，从而有助于提高循环的热 效率，降低燃油耗。 由于这种现代缸内直喷式汽油机必 须在部分负荷时形成分层混合汽，而在高 负荷和全负荷时形成均质混合汽，并在这 两种运行方式之间进行瞬态转换，而且必 须做到响应快、转换平顺，且使司机无明 显的感觉，因此对喷油系统、混合汽形成 与燃烧过程的稳定性以及发动机电子控制 系统提出了很高的要求，而且还必须专门 配用吸附式降NOx催化器以及低硫汽油。 为此，现代缸内直喷式汽油机基于性价比 和使用条件的考虑，有的机型已开始采用 在所有运行工况下全部以均质混合汽燃 烧运行，这样一来发动机的电控系统就要 简单得多，也无需应用吸附式降NOx催化 器以及低硫汽油，电控单元和三元催化器 基本上可与进气道喷射机型通用，从而成 本要明显优于以分层混合汽燃烧运行的 机型，只是其燃油耗略为逊色，但仍要 比进气道喷射汽油机低5～9％。然而， 如果这种均质混合汽运行的直喷式汽油 机采用高废气再循环，也可实现稀薄燃 烧，那么其与分层混合汽燃烧在燃油耗上 的差别将会进一步减小。1999年，Fiat- GM-Opel动力总成公司在2.2-Ecotec进 气道喷射汽油机的基础上推出的该公司第 一台2.2-Direct Ecotec直喷式汽油机， 就是在经过综合经济效益评估后，决定放 弃分层混合汽燃烧而仍沿用均质混合汽燃 烧，与进气道喷射机型相比较，其标定功 率提高6%，最大扭矩提高8%，低速扭矩 提高6%～10%，燃油耗降低6%，并达到 欧4排放标准(将在本文后续中的国内外典 型机型章节中予以专门介绍)。大众公司 在我国大连生产的直喷式汽油机，也就 是因我国市场目前暂时无法供应低硫汽 油以及缺乏维修经验的实际情况而将原 来的分层混合汽燃烧过程改为均质混合 汽燃烧过程。2006年，BMW公司开发的 335i-3.0L轿车上搭载的直喷式汽油机也 采用均质混合汽运行，从而在喷油量跨 度较大的涡轮增压机型上能够采用每循 图7 缸内直喷式汽油机各种运转模式的过量空气系数(Lambda)特性曲线场 14 12 10 8 6 4 2 0 平 均 指 示 压 力 [b ar ] 怠速 (Lambda=1.9) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 发动机转速 [r/min] 图8 BMW-335i-3.0L轿车直喷式汽油机单次、双次和三次喷射的特性曲 线场范围 MASTER THE BASICS 基础知识讲座B 84 ·March 环多次喷射的策略。在小负荷工况时只需 进气行程期间的单次喷油就足以获得均匀 的油气混合汽，而在低速高负荷运转工况 时，在进气行程期间将喷油量分成2次或 3次喷射，这样就能够在尽可能少湿壁的 情况下获得非常均匀的油气混合汽，图8 示出了其在发动机特性曲线场范围内多次 喷射的应用情况，其燃油耗也要比相应的 进气道喷射机型低10%，而且废气排放也 能得到明显的改善。特别是在冷启动后 采用2次喷油策略，第一次在进气行程喷 油，第二次在压缩行程喷油，此时只要不 损坏发动机的运转平稳性，点火时刻可以 明显延迟到点火上止点后，从而使废气温 单次喷射 双次喷射 双次喷射 1000 800 600 400 200 0 H C 总 质 量 [m g] 0 5 10 15 20 25 30 100 80 60 40 20 0 行 驶 速 度 [k m /h ] 时间 [s] 208K 5.5S 催化器前废气温度 第2个催化器 芯子温度 第1个催化器 芯子温度 单次喷射 双次喷射 700 600 500 400 300 200 100 0 温 度 [℃ ] 时间 [s] 0 5 10 15 20 25 30 度提高200℃以上，大大加快催化转化器 的加热，使NOx和HC排放明显降低，可 比采用单次喷油时低大约30%(图9)。 此外，应当指出，分层混合汽运 行并不是减少换气过程泵气损失的唯一 途径，可变气门正时也可以减少这种损 失。如果均质混合汽燃烧的直喷式汽油机 与可变气门正时装置(VVT)结合起来，其 燃油耗可与分层混合汽燃烧系统相当。 1.2.燃烧系统的基本要求和特点 如何有效而稳定可靠地实现部分负 荷时缸内混合汽的分层与稀薄燃烧是缸内 直喷式汽油机成功的关键技术。 按照混合汽分层的机理，现代缸内 直喷式汽油机的分层燃烧系统大体上可分 为喷射油束引导、壁面引导和空气气流引 导三种，图10示出了这些燃烧系统的结 构型式。它们在混合汽的形成及其向火 花塞的输送以及充量运动的产生等方面的 设计思想存在着很大的不同，而喷油器和 火花塞的空间布置不仅影响气缸盖的结 构，而且也影响形成可供点燃的混合汽的 时间和区域，因而对燃烧过程产生重大的 影响。 (1)喷射油束引导 喷射油束引导的燃烧过程(图10左) 由于喷油器和火花塞布置得非常紧凑，直 接位于喷射油束的边缘，混合汽向火花塞 的输送实际上仅依靠喷射油束的能量，在 不同的发动机负荷即不同的喷油量时， 获取形成混合汽所需的空气是通过调节 喷射油束的物理参数—贯穿深度来实现 的，而充量运动和燃烧室的几何形状的影 响较小。同时，由于火花塞与喷油器之间 的间距较小，其燃烧过程可用于混合汽形 成的时间非常短，使得只有非常少的混合 汽能够可靠地点燃，因而其分层燃烧的能 力极为有限，而且混合汽的点燃是在一个 过量空气系数具有很大梯度的范围内实现 的，因而对于局部过量空气系数的波动 (例如因喷射油束的差异)反应极其敏感， 其燃烧过程强烈地依赖于喷射油束的形状 及其特性的误差。另一方面，喷射油束对 火花塞的直接撞击，不仅会导致采用普通 电极的火花塞寿命缩短，而且还出现 图9 直喷式汽油机采用双次喷射提高废气系统温度和降低排放 油束引导 壁面引导 空气引导 精确定位 喷射油束必须靠近火花塞 对火花塞要求高 发展趋向于 壁面/空气引导 燃烧过程 混合气由充量运动 向火花塞输送 标准型火花塞 图10 缸内直喷式汽油机燃烧系统的分类 852010/3· 了难以解决的火花塞易于积胶等 方面的问。此外，这种喷射油 束引导的燃烧系统由于喷油器必 须紧靠火花塞，至少在四气门汽 油机的情况下，还带来一个附加 的缺点，即会明显地减小气门尺 寸。 (2)壁面引导 对于壁面引导的燃烧过程 (图10中)，喷油器与火花塞彼此 之间的间距较大，此时燃烧室壁 面(由燃烧室凹坑的几何形状来调 整)将喷射的燃油导向火花塞， 同时进气道和燃烧室凹坑几何形 状所产生的充量运动(滚流或涡 流)起到了辅助作用。在这种燃烧 过程中，在着火之前有较长的混 合汽准备时间，因此能够在较大 的区域内形成可点燃的空燃混合 汽，从而使得这种壁面引导的燃 烧过程对喷油的误差并不敏感。 (3)空气气流引导 空气引导的燃烧过程(图10 右)主要是依靠充量运动(滚流或 涡流)将燃油中已准备好的气态部 分从喷射油束输往火花塞，并且 还必须确保在喷射油束和充量运 动的共同作用下，在发动机负荷 /转速特性场的宽广范围内，获得 足够多的充量分层和混合汽均质 化。 虽然根据混合汽形成的机 理按上述方式来分类，但是实际 上存在着各种方式相互交叉的情 况，其中各种因素并存且相辅相 成，需应用这些机理的组合效应 来达到充量分层的效果，并确保其稳定 可靠地运行。例如壁面引导和空气气流 引导两种机理往往是无法分离而独立存在 的，只仅是以一种机理为主而另一种机理 为辅，起到相互支持的效果。特别是进气 道和燃烧室凹坑几何形状所产生的充量运 动(滚流或涡流)，不仅能在充量分层时起 到主导作用，而且强烈的充量运动在晚些 时候蜕变成较小幅度的涡流，它们有助于 混合汽的均质化以及随后燃烧过程中的物 质交换，促进充量的完全燃烧。 以大众Lupo轿车1.4L-FSI分层稀燃 直喷式汽油机为例，图11示出了其燃烧 系统的原理图。活塞顶面有两个特殊造 型的导向坑，确保在分层稀燃(FSI)燃烧 过程中获得所期望的燃油壁面导向和空 气气流导向的组合效应。图12是用计算 流体动力学(CFD)方法得到的气流和燃油 喷射的计算结果，清晰地显示 了这种组合效果。借助于气流 导向坑的形状特别是以其流出 角所形成的气流，使燃油喷束 在撞到燃油导向坑背风面之前 首先受到制动。由于进气空气 滚流和喷油的这种相互作用， 使喷出燃油中的一小部分在上 止点前55°CA 就已形成了很好 的混合汽。处在燃油导向坑背 风面的燃油到达坑的底部，并 从那里转向火花塞方向(上止点 前49°CA)。这部分燃油从燃 油导向坑离开以后，被气流导 向坑上方一直存在的空气滚流 挤向火花塞，使得到点火时刻 在火花塞下方已准备好了良好 的空燃混合汽，以确保稳定可 靠地点燃(上止点前30°CA)。 此外，由于滚流的强度随转速 而增强，因此诸如喷油压力和 喷油定时等喷射参数必须作相 应的调整来适应工况的变化， 以保持空气气流、喷射油束和 燃烧室几何形状三者之间良好 的配合。因此，无论是为了获 得FSI燃烧过程优异的燃油耗和 排放(主要是空气气流导向的作 用)，还是为了满足批量生产所 要求的对燃烧系统制造公差和 随运转时间变化的不敏感性(主 要是壁面导向的作用)，空气气 流导向和壁面导向的综合效果 都是重要的保证。 总而言之，开发现代缸内 直喷式汽油机燃烧过程，无论 是以分层混合汽还是均质混合汽运行， 其重点是必须在不同的发动机负荷(喷油 持续时间)和转速(活塞速度)情况下，如 何来协调喷射油束、活塞顶燃烧室凹坑 几何形状和充量运动三者之间的关系， 确保在火花塞附近及时、可靠和稳定地 形成足够数量和良好品质的可供点燃的 混合汽。(未完待续) 滚流控制阀 滚流隔板 高压喷油器 燃油导向凹坑 气流导向凹坑 图11 大众Lupo轿车1.4L-FSI分层稀燃直喷式汽油机的燃烧系统原理图 图12 大众直喷式汽油机燃烧室几何形状、空气运动和喷射油束的相互作用 55°CA 上止点前 火花塞 燃油喷射油束 缸内空气流动场 49°CA 上止点前 30°CA 上止点前