【现代缸内直喷式汽油机(十一)】 汽油机缸内直喷

　　(接2010年第11期) 　　(二)丰田涡流一壁面导向分层燃烧直喷式汽油机 　　 　　1　前言 　　 　　继1996年三菱汽车公司推出世界上第一款4G93型GDI现代缸内直喷式汽油机后，日本丰田公司紧接着也推出了一款2.0L双顶置凸轮轴四气门直喷式汽油机。这种新型的直喷式汽油机采用了多项新技术，例如：采用涡流控制阀调节进气涡流强度的螺旋进气道、活塞顶具有渐开线形状的燃烧室凹坑以及采用先进的电子节气门的发动机管理系统等。在分层混合汽形成机理方面，也应用了一种创新的燃油壁面蒸发和水平涡流相结合的方法，颇具特色，其基本机理有点类似于上世纪60年代初德国MAN公司直喷式柴油机应用过的球形燃烧室“M燃烧过程”。
　　从本文详细介绍的喷油、点火定时和节气门等的控制方法，能使读者加深对直喷式汽油机分层混合汽形成机理和控制方法的理解，将有助于汽车维修行业人员从根本原理上正确地把握住这类汽油机维修保养的精髓，拓宽维修工作中遇到问题时寻找解决方法的思路。
　　
　　2　系统概况
　　
　　图1示出了这种新型直喷式汽油机燃烧系统的布置简图，表1列出了这种直喷式汽油机的技术规格，其主要有以下三个特点：
　　(1)活塞顶具有渐开线形状的燃烧室凹坑，以控制混合汽形成和火焰传播；
　　(2)高压旋流式喷油器实现燃油雾化的精确控制和混合汽形成；
　　(3)具有螺旋气道和直气道两个独立的进气道，并在直气道中装有涡流控制阀(SCV)，可用其开度调节螺旋气道的进气涡流强度，以控制缸内充量的运动和混合汽形成。
　　同时，为了实现高燃油经济性、高动力性和低排放，这种新型的直喷式汽油机在不同的发动机运行工况相应运用了三种不同的喷油模式，如图2所示：
　　(1)晚喷射――发动机部分负荷时，在压缩行程火花塞点火之前一定的时间间隔将燃油直接喷入汽缸，形成超稀的分层混合汽，而在火花塞周围具有较浓的易点燃混合汽。
　　(2)早喷射――发动机高负荷时，在进气行程就将燃油直接喷入汽缸，在整个汽缸内充分扩散和蒸发形成化学计量比或略稀的均质混合汽。
　　(3)两段喷射――在分层混合汽和均质混合汽两种运行工况之间的区域，则将燃油量分成两部分，分别在进气行程和压缩行程喷入汽缸，从而获得准分层混合汽。随着两部分燃油量比例的逐渐过渡变化，使发动机从超稀分层混合汽运行工况向稀薄或化学计量比均质混合汽运行工况逐渐转换，确保发动机输出扭矩保持不变而平顺过渡。
　　为此，在以这三种空燃混合汽运行的区域之间，需要节气门不连续地开启。也就是说分层混合汽运行时需要将节气门开得比均质混合汽运行时更大一些，因为分层混合汽运行时要形成超稀混合汽(空燃比大于30)，因此只有采用电子节气门系统才能满足这样的要求。此外，吸附式NOx催化器在还原NOx时所需的浓混合汽供应以及汽车制动系统所需的真空度控制也需要用这种先进的电子节气门控制系统。
　　由于分层混合汽燃烧时会产生较高的NOx原始排放，因此采用电控废气再循环(EGR)系统来降低机内原始NOx排放，同时应用吸附式NOx催化器进行排气后处理，以进一步降低汽车尾气中的NOx排放，满足废气排放法规的要求。吸附式NOx催化器被置于汽车地板下，使其在汽车通常的行驶条件下温度保持在250～450℃，此时NOx催化器具有最高的净化转化效率。此外，因以超稀分层混合汽运行时排气温度相当低，因此还需采用闭环控制的三元氧化催化器来满足降低HC排放的要求。
　　发动机管理系统――图3是这种直喷式汽油机控制系统的示意图。在传统的进气道喷射汽油机的管理系统中，确定输出信号(喷油量和喷油定时)是关键环节，通常是由电控系统根据进气空气质量流量计或进气歧管绝对压力传感器的输出信号来推导出每循环的进气量，因为它是进气道喷射汽油机运行工况最重要的信息。但是，对于这种新型的缸内直喷式汽油机而言，在以分层混合汽运行时进气几乎无节流，因此在发动机实际运行时，每循环的进气量就变得不是那么重要了。决定喷油量最重要的信号是司机踩下加速踏板的角度(代表司机此时所要求的发动机输出扭矩，即第二篇2.6.2节中所介绍的“扭矩控制方式”)，而并非是进气歧管压力或进气质量流量，这种方法与柴油机的控制方法十分类似。所有其它参数则取决于喷油量和发动机转速。
　　
　　3　分层混合汽的控制策略
　　
　　(1)燃烧室的设计
　　直喷式汽油机实现分层混合汽运行最重要的任务是在火花塞周围适当的部位和适当的时间形成易点燃的可燃混合汽。图4示出了丰田公司的这种新型直喷式汽油机分层混合汽形成的方法。活塞顶上具有特殊形状的燃烧室凹坑。位于空气涡流运动上游较窄的区域(a)是混合汽形成的主要区域；位于空气涡流运动下游较宽的区域(b)是主要的燃烧空间，用于促进混合汽的快速扩散；设计成渐开线形的壁面(c)是为便于蒸发的燃油流向火花塞。燃烧室凹坑的深度和壁面角度也进行了优化，以适合于混合汽的形成，同时防止空燃混合汽不必要的扩散而溢出燃烧室凹坑。
　　燃油在压缩行程期间以特定的方向喷向燃烧室凹坑壁面，应避免沾湿火花塞，并在喷射压力的贯穿力和空气涡流的作用力下沿着凹坑的渐开线形壁面向火花塞方向铺展在此阶段，燃油受周围空气和燃烧室凹坑壁面的传热而蒸发。(2)带涡流控制阀的螺旋进气道
　　丰田公司专门为这种直喷式汽油机开发了带涡流控制阀的螺旋进气道装置。该装置包括两个彼此独立的直气道和螺旋气道，直气道的上游装有涡流控制阀，它由直流电机驱动，可根据发动机运行工况的需要而改变开启角度。当涡流控制阀完全关闭时，涡流比大约为2.1。涡流控制阀的开度特性曲线如图5所示。高负荷时，采用在进气行程期间的早喷射，涡流控制阀完全关闭以获得强的空气涡流，形成均匀的化学计量比或略稀的混合汽；而在部分负荷时，涡流控制阀部分开启，通过控制涡流强度和喷束方向优化混合汽的形成。
　　(3)高压喷油系统
　　丰田公司在宽广的喷油压力范围内，对旋流式和孔式喷油嘴的燃油喷束特性对直喷式汽油机分层燃烧的影响进行了详细的研究。研究结果证实，应用这两种喷油嘴的喷射油束都能获得稳定的分层燃烧，其稳定性主要依赖于燃油喷束特性与活塞顶燃烧室凹坑形状的配合以及强度随发动机运行工况而变的空气涡流运动。但是，由于旋流式喷嘴的燃油喷束具有较大的扩散度和较小的油滴尺寸，因此能应用比孔式喷嘴低的喷油压力，这对于实际的喷油系统来讲是一个有利的因素，因此最终丰田直喷式汽油机选用了旋流式喷油嘴(图6左)。其喷油压力为12MPa，喷射方向偏离火花塞，并且喷油定时、点火定时之间应根据发动机运行工况选择相应合适的时间间隔，以使燃油有足够的时间蒸发。
　　
　　
　　在大气压力下喷射开始后3ms时所拍摄的燃油喷束照片(图6右)证实，燃油喷束的雾化良好，形成了较窄的锥角，适合于这种以壁面蒸发为主的混合汽形成方法。图7是燃油喷束油滴绍特平均直径(SMD)与喷油压力之间的关系曲线，油滴直径随着喷油压力的提高而减小、当喷油压力高于12MPa后，油滴直径的减小趋于平缓，这表明喷油压力选择12MPa是合适的。
　　(4)混合汽的形成
　　图8是用CCD照相机通过火花塞孔在燃油开始喷射后1～4.0ms期间拍摄到的缸内燃油喷束和混合汽扩展过程的照片。从照片上可以清楚地看到。燃油喷束通过混合汽形成区(图8中下部)抵达燃烧室凹坑壁面，然后沿着壁面向燃烧区扩散(图8上部)。图9是根据缸内气体取样结果绘制出的缸内混合汽空燃比分布图，其中气体取样时刻为压缩上止点前16°。正好在点火时刻之前。从图9可以看出，此时的混合汽分层良好，确保了点火前在火花塞周围形成较浓的易点燃混合汽(未完待续)