[现代缸内直喷式汽油机(二)]汽油机缸内直喷

　　(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。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要求日益严格的压力，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排放标准的新款缸内直喷式汽油机轿车，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 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材料的火花塞寿命缩短，而且还出现了难以解决的火花塞易于积胶等方面的问题。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-FSl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)