现代缸内直喷式汽油机_四_

MASTER THE BASICSMASTER THE BASICS 基础知识讲座B 74 ·May 大众公司新的1.4L/1.6L-FSI直喷式汽油机采 用了一种可调节供油量的电动燃油泵，为此在低 压进油油路中安装了一个压力传感器，根据此压 力信号发动机电控单元控制电动燃油泵只供应实 际所必需的燃油量，以保持0.40MPa的初级输油压 力，而不再有多余的燃油回流到燃油箱。这不仅 避免了油箱中燃油温度的升高，而且减少了电功 率消耗(约50%)，有利于降低燃油耗。同时，还具 有改变低压进油压力的可能性，在易发生汽阻危 险的运转范围内(例如热启动)，低压进油压力能够 在短时间内从0.4MPa提高到0.5MPa，以有利于消 除可能发生的汽阻现象而顺利热启动。 2.3.2.高压燃油泵 现代直喷式汽油机高压燃油泵的任务是将燃 油压力由0.35～0.40MPa的初级输油压力提高到 12MPa，甚至最高达20MPa，并要求泵油流量变 化小，以减小共轨中的压力波动，并应避免燃油 与机油混合。 首先应根据发动机的要求合理确定高压燃油 泵的排量。高压燃油泵应具备比发动机全负荷喷 油量要求的最小供油量更大的泵油量，以满足实 际运转中动态压力变化的需要。例如：就排量为 2.2L的缸内直喷式汽油机而言，经计算高压泵排 量大约为0.4cm3/r左右。现代缸内直喷式汽油机 所应用的高压燃油泵的结构类型如图23所示，大 致有轴向柱塞泵、径向柱塞泵和直立式柱塞泵三 种。仅仅从功能角度来讲，只要采用柱塞泵就能 满足要求，但是从各方面综合评价的结果，显然 径向柱塞泵更为有利，由于其中3个柱塞径向均匀 布置，对驱动轴的径向作用力可部分抵消，而且 结构长度较短，特别是可由发动机凸轮轴直接驱 (接上期) 2.3.喷油系统 现代缸内直喷式汽油机对喷油系统提出的主 要要求是，必须将燃油的压力产生过程与计量喷射 过程完全脱钩，使其能够自由选择喷油时刻和可变 的喷油压力。如上所述，蓄压共轨式喷油系统具有 很大的控制自由度，可以最好地满足这些要求，能 够在任意一个时刻通过电控喷油器将存储在共轨中 达到运行工况所要求压力的燃油精确计量直接喷人 燃烧室。图14(见上期)示出了这种燃油系统的基本 组成。首先由燃油箱内的低压电动燃油泵供油模块 产生0.35～0.40MPa的初级输油压力，按需要向由 发动机直接传动的高压燃油泵供油，它可将燃油共 轨中的燃油压力最高提高到12MPa。喷油器直接连 接在燃油共轨上，由电控单元发出的控制信号(喷 油脉冲，其宽度即通电持续时间)来确定喷油始点 和喷油量。共轨中的燃油压力由燃油压力传感器采 集，并由同样安装在共轨上的燃油压力调节器调节 到喷油脉谱图所规定的压力值。燃油压力调节器根 据负荷状况调节共轨通往回油管路的通道截面，以 控制回油量。但这些多余的燃油量并不是返回到燃 油箱，而是直接返回到高压燃油泵的进油口，这样 就能够尽可能减少高压燃油泵的能量消耗，有利于 降低燃油耗，并能减少对燃油箱中燃油的加热，以 避免加重燃油箱通风系统的负担。 图22示出了现代直喷式汽油机喷油系统的高 压燃油泵、共轨和电控喷油器等三大高压部件。 2.3.1.低压输油泵 现代缸内直喷式汽油机的低压输油泵通常采 用与进气道喷射汽油机一样的电动燃油泵，在此 不再详述。 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。 现代缸内直喷式汽油机(四) 文/江苏 范明强 图22 现代直喷式汽油机喷油系统的高压系统部件 图23 现代缸内直喷式汽油机高压燃油泵的结构类型 工作原理 轴向式柱塞泵 径向式柱塞泵 直列式柱塞泵 评价 使用寿命 工作效率 总成装配 制造成本 + 优 良 -差 + + + + + - 752010/5· 栏目编辑：范颖 fy@motorchina.com 动，因此在使用寿命和工作效率方面均 具有优势，为此也是现代直喷式汽油机 应用最广的一种高压燃油泵。 这种径向柱塞泵的供油量波动性主 要取决于柱塞的数目。为了获得较小的 供油波动，至少需要3个柱塞交替泵油。 采用单缸泵、3缸泵和5缸泵进行的对比 试验研究证实，3缸泵在性能和成本方面 具有最有利的综合优势。此外，与用电 机驱动相比，径向柱塞泵由发动机 凸轮轴直接驱动在装配、效率和成本等 方面更为有利。图24示出了这种径向柱 塞式高压燃油泵的基本结构，其主要特 点是：柱塞经滑动底座支承在凸轮上， 同时由于进油阀直接集成在柱塞副上 方，因此泵油室的有害容积最小。图25 示出了高压燃油泵在发动机怠速、部分 负荷和全负荷3种典型运转工况时不同共 轨压力下的驱动功率。 与这种传统的三缸径向柱塞泵相 比，大众轿车新的1.4L/1.6L-FSI分层直 喷式汽油机和奥迪A3轿车2.0L-FSI分层 直喷式汽油机都采用了Bosch公司新开 发的可按需要调节供油量的HDP2型单柱 塞高压燃油泵(图26)。这种高压燃油泵不 仅具有较轻的质量、较小的外形尺寸和 较高的效率，而且泵油量能按需调节， 降低了高压燃油泵的驱动功率(约40%)， 特别是在发动机需要燃油量较少的运转 工况，具有明显的节油效果。图27示出 了这种按需要调节供油量的高压燃油泵 的工作原理，其泵油量的调节是由集成 在油泵上的电控油量调节阀(MSV)来实现 的。发动机电控单元根据燃油共轨压力 传感器的信息来计算该油量调节阀的关 闭时间，仅仅将为达到喷油压力所必需 的燃油量泵入燃油共轨中去，一旦燃油 共轨中的燃油压力达到所需的额定值， 油量调节阀即被打开，多余的燃油被剩 下的柱塞行程泵回到高压燃油泵的进油 油路中去，这样不仅节省了高压燃油泵 的功率消耗，具有明显的节油效果，而 且避免了油箱中燃油温度的升高，使得 即使在20MPa共轨压力下也无须燃油冷 却器。进油阀上方低压进油腔的弹簧-膜 片式低压燃油稳压器能够减小进油油路 中的压力波动，提高泵油量精度。这种 单柱塞高压燃油泵悬挂安装在凸轮轴相 凸轮轴 低压燃油 高压燃油 滑动底座 凸轮 图24 径向柱塞式高压燃油泵的纵剖视图(只示出一缸柱塞) 图25 高压燃油泵的驱动功率 图26 供油量按需调节的Bosch-HDP2型高压燃油泵 低压燃油稳压器 (弹簧-膜片稳压器) 进油阀 电控油量调节阀(MSV) 柱塞运动 燃油向低压油路回流 高压供油 泵油相位进油相位柱塞行程 MSV关闭 MSV开启 低压燃油入口 高压燃油入口 出油阀 柱塞间隙泄油出口 图27 Bosch-HDP2型供油量可调式高压燃油泵的工作原理 2.2 L 直喷式汽油机 共轨压力 PS=10 MPa 300 W 200 100 0 功 率 PS=7 MPa PS=3 MPa nM=800 r/min 怠速运转 nM=2000 r/min Pme=2 bar nM=6000 r/min 全负荷 MASTER THE BASICSMASTER THE BASICS 基础知识讲座B 76 ·May 位调节器的旁边，由 位于进气凸轮轴轴端 的凸轮传动。该凸轮 上 的 两 个 凸 起 相 差 180°，由于两次相 邻的喷射只有一次泵 油行程，在第一次喷 射 后 燃 油 共 轨 中 的 压力会降低(参见图 28)，因此第二次喷 射的喷油时间由发动 机 电 控 单 元 进 行 修 正，以使第二次喷油 仍能喷射出相同的燃 油量，因而大大提高 了喷油精度。 2.3.3.燃油共轨 燃 油 共 轨 是 一 种管状铸铝件，并具 有与高压燃油泵、喷 油器、燃油压力调节 阀 和 燃 油 压 力 传 感 器连接的接头(参见 图22)。考虑到燃油的可压缩性和填充共 轨容积所需要的时间，其蓄压容积的设 计应遵循这样的准则：一方面要求具有 较大的蓄压容积，以便能抑制向喷油器 周期性供油而引起的压力波动以及高压 泵供油的波动性，尽量保持共轨燃油压 力的平稳；另一方面又要求具有尽量小 的蓄压容积，以便共轨压力能够足够迅 速地建立起发动机运转所需要的燃油压 力。一般来讲，就排量为2.2 L的直喷式 汽油机而言，共轨蓄压容积为45cm3较 为合适，图28示出了共轨压力对应于喷 油脉宽动态变化关系曲线的模拟计算和 实测结果。 2.3.4.共轨压力调节器 共轨压力调节器的基本结构示于图 29，其任务是在发动机整个运转范围内 按照脉谱图的规定值来调节共轨压力， 而与高压燃油泵的供油量和喷油器的喷 油量无关。这是通过调节其节流阀和阀 座之间的横截面积控制回油体积流量来 实现的。由于作用在节流阀上的电磁线 圈激励的电磁力与液压力保持着动态平 衡，所以共轨压力和励磁电流之间存在 着直接关系，可采用脉宽调制信号来控 制电磁线圈中的励磁电流，从而达到调 节共轨压力的目的。由于这种方式产生 的磁性衔铁的强迫振动没有摩擦力，并 且能几乎无滞后地动作，因而具有非常 高的燃油共轨压力调节精度。 2.3.5.共轨压力传感器 共轨压力传感器(如图22所示装在燃 油共轨的侧面)用于测量共轨中的燃油压 力，其中焊有一片贵金属簿膜作为传感 元件，在它上面应用薄膜技术制有测量 电阻，通过传感器壳体中的专用集成电 路上集成的平衡电路、补偿电路和计值 电路，即可输出与共轨燃油压力相对应 的电信号。这与众所周知的直喷式柴油 机共轨喷油系统用的共轨压力传感器极 为相似，只是工作压力范围不同而已， 在此不再详述。(未完待续) 图28 共轨压力对应于喷油脉宽动态变化关系曲线 图29 共轨压力调节器