【现代缸内直喷式汽油机(一)】汽油机缸内直喷

　　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。
　　
　　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设计和量孔直径，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。由于汽油一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”方案，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＝150～300um)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标准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，有关统计资料表明，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80 um。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20um，喷雾锥角可达50～100°，常压下的贯穿度约为100mm。此时一滴20 um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C02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，1200r／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是高。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由机可使平均燃油耗降低15～20％。在欧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)