现代缸内直喷式汽油机_一_

MASTER THE BASICS 基础知识讲座B 78 ·February 进行单点喷射，到各个汽缸之间有相当的距离，大量 的汽油附着在这段进气管的壁面上，不能均匀及时 地进入汽缸与空气混合。为了提高各汽缸之间供油 的均匀程度，并改善在变工况时对空燃比的控制， 单点喷射逐渐被每缸一个喷油器在进气门口附近的 进气道中的多点喷射所替代。早期的多点喷射采用 各个喷油器“同时喷射”或两缸一组的“分组喷射” ，喷油时一些汽缸的进气门处于开启状态，而另 一些汽缸的进气门则处于关闭状态。为了使得各个 汽缸间的油气混合过程相同，以减少一些汽缸的HC 排放，“同时喷射”和“分组喷射”又被更完善的按 点火顺序各缸进行“顺序喷射”所替代。 但是，现代汽油机的这种“进气道喷射喷 射”系统仍没有从根本上完全摆脱传统的混合汽 外部形成方式，并依然存在冷启动时和暖机期 间HC排放高的问题。这种进气道喷射汽油机在 0.3～0.5MPa的压力下将汽油以较大的油滴(直径 =150～300μm)喷向进气门的背部和进气口附近的 壁面上，只有少量的汽油能够在油滴到达壁面形成 油膜之前直接在空气中蒸发。汽油的蒸发和与空气 的混合主要依靠进气门和进气道壁面的高温以及进 气门打开时灼热的废气倒流和冲击。这种混合汽形 成方式在发动机稳定工况下尚可满足要求，但在变 工况(如车辆加速时)和发动机冷启动时汽油的蒸发 和油气混合严重不足，不得不过量喷油，然而这将 造成大量未燃HC经排气门进入三元催化转化器。 特别是在冷启动时，三元催化转化器正处于低温状 态而尚未达到起燃温度，这样就会造成很高的有害 物排放，成为车辆达到废气排放限值的主要障 碍之一。尤其是从国3排放标准开始，取消了最初的 40s暖机阶段，而是从冷机一启动就开始进行排放 测试，那么冷启动的排放问题将变得更为突出。据 有关统计资料明，在与我国汽车排放标准测试循 环相似的新欧洲行驶循环(NEFZ)以及美国城市标 第一篇 概论 1.缸内直接喷射是现代汽油机的发展方向 汽油机的发展经历了100多年的漫长历史，其 中具有里程碑意义的发展阶段无不是以油气混合方 式和机理的变迁为标志的。 早期的化油器式汽油机依靠化油器喉口气流 流速增加所产生的真空度将汽油吸出被高速进气空 气流雾化以及汽油油滴本身的蒸发而与空气形成可 燃混合汽。油气混合比(空燃比=进气空气质量/燃油 质量)取决于化油器喉口的和量孔直径，负荷的 调节是由节气门的开度来调节进入汽缸的油气混合 汽量来实现的，因此属于混合汽外部形成的量调节 方式，且没有任何反馈控制。由于汽油-空气混合汽 能在相当宽的空燃比范围内点燃，这种不太精确的 控制对早期汽油机的正常运行并不存在什么问题。 但是，随着世界工业化的发展，汽车成为不可 或缺的主要交通工具，而作为汽车主要动力的这种 化油器式汽油机废气中的有害成分(CO、HC和NOX 等)对大气造成了污染，而燃烧产物CO2又产生“温 室效应”导致全球气候变暖。随着汽车数量的与日 俱增，对人类生存环境的危害日趋加剧，因此汽车 的节能减排已成为全球刻不容缓需要解决的重要 问题。 从20世纪70年代末80年代初开始，化油器逐 渐被电控喷油系统所替代，其主要原因就是使用三 元催化转化器对废气进行净化的需要。为了同时降 低汽油机废气中CO、HC和NOX三种有害气体的排 放，空燃比必须精确地控制在化学计量比(14.7:1) 上，而电控喷油系统可利用氧传感器对空燃比进行 精确的反馈控制，提高三元催化转化器的废气净化 效率。 汽车废气排放标准对有害物排放限值的加严 也促使电控喷油技术的不断改进。电控喷油系统早 期的设计是在进气总管中的节气门处用一个喷油器 范明强 (本刊专家委员会委员) 教授级高级工程 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(一) 文/江苏 范明强 无论是从节能和减排，还是从发动机动力性能的角度来讲，现代缸内直喷式汽油机在进气道喷射技术的基础上， 又将汽油机技术向前推进了一大步，从而成为世界汽油机发展史上又一个重要的里程碑，不言而喻同样是我国汽车汽 油机的重要的发展方向。这种技术含量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。本文将以系列讲座的形式讲解现代缸内直喷式汽油机的基本工作原理和结构 特点，并详细介绍国内外的一些主要机型，为汽车维修行业人员的知识更新提供相关的基础理论素材，以便读者在现 代缸内直喷式汽油机轿车的维修工作中有所借鉴。 792010/2· 栏目编辑：范颖 fy@motorchina.com 准测试循环(FTP-75)中，冷启动排放量占 总排放量的份额最多可高达90%，可见发 动机冷启动排放的影响之大。 汽油缸内直接喷射从油气混合机理 上可以解决上述变工况(如车辆加速时) 和冷启动时油气混合不足的问题。早期 的缸内直喷式汽油机因喷射技术水平的 限制，喷雾油滴的直径约为80μm。计算 表明，一滴这样大小的油滴在200℃空气 中需要大约55ms才能完全蒸发。如果发 动机的转速为1500r/min的话，这段时间 相当于495°CA(曲轴转角)。显然，蒸发 时间过长，在这种情况下油气混合不能主 要依靠喷雾来实现。随着汽油喷射技术 的进步，现代缸内直喷式汽油机应用的 汽油泵的供油压力已达到5～12MPa，又 采用带旋流的喷油嘴，雾化性能得以提 高，喷雾的油滴直径约为20μm，喷雾锥 角可达50～100°，常压下的贯穿度约为 100mm。此时一滴20μm的油滴在上述 同样情况下仅需3.4ms或31°CA就能完 全蒸发，因而汽油的蒸发和与空气的混合 可主要依靠喷雾来实现，再加上缸内空气 运动的辅助，变工况(如车辆加速时)和冷 启动时不再需要过量喷油，冷启动喷油量 得以大大减少(图1)，有害物排放也将大为 降低。同时，由于汽油直接喷入汽缸内， 消除了进气道喷射时形成壁面油膜的弊 病，特别是在发动机尚未暖机的状态下， 因而能改善变工况时对空燃比的控制，不 但能改善车辆的加速响应性，而且还能降 低此时的有害物排放。 此外，缸内直接喷射还可带来很多 其它好处，从而有利于降低燃油耗，达到 节能和减少温室气体CO2排放的目标。例 如：汽油在缸内直接喷射时油滴主要依靠 从缸内空气中吸热而非从壁面吸热，因而 能使混合汽的温度降低和体积减小，从而 有利于提高充气效率，降低爆震倾向和提 高压缩比。计算表明，在汽油油滴蒸发完 全依靠从空气中吸热或者完全依靠从壁面 吸热这两种极端情况下，缸内混合汽的体 积在空燃比为12.5时将相差大约7％，而混 合汽的温度在上止点前将相差大约50℃。 因此，与进气道喷射汽油机相比，缸内直 喷式汽油机的充气效率提高了10％，同时 爆震倾向也大为降低，表现在受爆震限 制的点火时刻可提前若干曲轴转角，因而 压缩比可提高1.5～2，有利于提高汽油机 的热效率，降低燃油耗(约2%)。特别是有 利于汽油机采用增压，并应用较高的压缩 比，克服了由于增压汽油机压缩比较小而 对部分负荷燃油耗所带来的不利影响，同 时提高了增压汽油机在2500r/min以下低 转速范围内的增压压力，1200 r/min时的 扭矩能够提高25%，大大改善汽油机的低 速扭矩特性和车辆的行驶性能。此外，由 于汽油直接喷入汽缸内，可实现稀薄混合 汽分层燃烧，使得低负荷工况时的空燃比 可提高到40以上，从而无需关小节气门来 限制进气量，采用像柴油机那样的质调节 方式，基本上避免了发动机在换气过程中 的泵气损失，有利于降低燃油耗。同时， 在高空燃比情况下，由于混合汽物性的改 变、绝热指数的增加以及混合汽分层致使 热损失减少，使得发动机的热效率进一步 提高。由于汽车发动机经常在低负荷工况 下运行，因此分层混合汽燃烧的直喷式汽 油机可使平均燃油耗降低15～20％。在欧 图1 进气道喷射和缸内直接喷射启动油量与启动温度的关系 图2 缸内直喷式汽油机燃油耗与其它发动机的比较 (机动车排放组合循环MVEG试验) 进气道喷射 缸内直接喷射(低喷油压力启动) 缸内直接喷射(高喷油压力启动) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -40 -20 0 20 40 60 80 100 发动机启动温度 [℃] 启 动 喷 油 量 [% ] 图3 汽油机各种的节油潜力 基础知识讲座 80 ·February 文/边国建 一、中国汽车售后市场的疑问 自21世纪初，中国的汽车工业进入了 高速发展的快车道，猛然间使人们意识到 了汽车维修服务业的光辉前景。国内外的 企业，将美国的、韩国的、日本的等国外的 成功汽车售后服务模式引入到中国来。一 波又一波的先行者，鲜有成功的故事，更 多的是失利的启示。 问题出在哪里？一般的经验，发达国 家现在发生的事情，接下来便会在中国上 演。为什么在汽车服务的发展模式上，国外 现成的经验为何在中国就失去了灵验了！我 们首先看一看国外有哪些发展模式。 二、国外汽车售后市场的商业 模式 1.日本汽车售后市场 市场特点：日本汽车售后服务系统 很封闭，非独立的售后服务体系占重要地 位。日本汽车保有量约为8000万辆左右， 汽车零部件售后市场的规模小于美国和欧 洲。日本政府有严格的车检制度，要求车 辆的大量车检项目必须到4S经销店保养。 与严格的车检政策相关，日本的汽车 售后服务体系有如下特点：日本的独立售 后服务体系较小，主要由整车厂的特约维 修店为主导，售后服务体系中所用的汽车 配件80%以上是OEM产品，市场密集，平 均每个维修店为710辆车服务。 代表：在日本汽车独立售后服务企 业，AUTOBACS是代表性企业之一。 企业经营业务：主营业务是销售汽车 配件、机油、化学用品和附件。自营和特许 经营汽车维修店(修理放松管制的部分， 也出租地坪给专业维修商)。连锁店规模： 600多家，部分为直营，部分为特许经营。 公司概况：日本最大的汽车零部件 零售连锁经营公司，作为日本东京证券交 易所和伦敦证券交易所上市的公司，经 营三大类产品：车轮产品、机油及化学用 品、视听产品。化学用品(包括机油)所占比 例15%，内外装饰用品12%，轮胎、钢圈 25%，视听产品24%，机电零部件占比例 19%，其它所占比例5%。AUTOBACS主要 经销以独立品牌进入售后市场的产品，这 在销售的产品的结构体现出来。但该公司 以日本独立售后市场的发展为契机，开始 向流通的下游，即汽车养护维修业渗透， 其发展模式向类似于美国的NAPA过渡。 点评：日本是一个国土面积不大，市 场比较密集，同时他的市场汽车品牌比较 单一，绝对是本土品牌占市场主导。这就 使得汽车制造厂的服务网络覆盖和主导市 场成为可能。主机厂的强势，决定了独立 的汽车服务企业要避开主机厂的作业强 势范围—汽车维修业务，从而只能从汽 车用品方面入手。另外日本人的生活很精 SERVICE FORUM 维修论坛F 洲机动车排放组合循环(MVEG)行驶试验 中，其燃油耗明显低于进气道喷射汽油机 已达到了相当于非直喷式柴油机的燃油耗 水平(图2)。 图3示出了现代汽油机各种技术改进 措施的节油潜力。可以清楚地看出，作为 单一措施汽油缸内直接喷射蕴藏着最大的 节油(即降低CO2排放量)的潜力。这种效 果一方面是由于发动机的无节流运行降低 致，有意愿和需求购买汽车美化、舒适用 品。这是AUTOBACS生存的商业土壤。 2.欧洲汽车售后服务市场 市场特点：欧洲注重反垄断，通过法 案限制汽车制造企业通过保修，技术等手 段使得4S店获得优势竞争。所以4S店在 欧洲不像在日本那样强势。同时在欧洲的 独立汽车维修服务企业，也没有几家独大 的情况。 代表：我们以欧洲的汽车大国德国 为例，看一看欧洲汽车维修市场的情况。 在德国有十几个有一定影响力的维修连锁 品牌，连锁网点规模从几十到一两千家不 等。连锁的发起人为配件销售商、汽车零 部件制造商及维修企业。 经营范围：汽车的诊断、维修保养， 汽车消耗品和养护产品的销售，部分店铺 销售轮胎钢圈产品。在德国很难见到面积 很大，以汽车美容、装具销售为主导的汽 车服务网点。 点评：在欧洲，车辆保持了新车的原 貌，没有铺设地胶，也没有粘贴太阳膜， 更没有增设真皮座椅、座套等售后的装 饰。欧洲人的汽车文化朴实自然。自己动 手保养车辆的人也不在少数。这源于上百 年的汽车普及进程，大众对车辆认知水 平较高，另一方面，车辆维修的工时费十 分昂贵。以德国为例，技工的工时收费约 了换气损失，另一方面由于充量分层运行， 燃烧在燃烧室中央进行，周围有隔热的空 气层而减少了壁面热损失，同时全负荷时 的爆震倾向降低，因而发动机能够以较高 的压缩比运行。这些措施在发动机整个特 性曲线场范围内对燃油耗都起到了有利的 作用。而燃烧室内的充量运动也使得在以 化学计量比混合汽运转的范围内具有较高 的EGR兼容性，因而在该运转范围内也能 够获得节油效果。 综上所述，无论是从节能和减排的角 度，还是从提高汽油机动力性能的角度来 看，现代缸内直喷式汽油机在进气道喷射 技术的基础上，又将汽油机技术向前推进 了一大步，从而成为世界汽油机发展历史 上又一个重要的里程碑，不言而喻同样是 我国汽车汽油机的重要的发展方向。(未完 待续) 从国外的经验 看中国汽车维修服务业的发展