汽油机缸内直喷_现代缸内直喷式汽油机(六)

　　(接上期) 　　2，4　点火系统 　　2，4，1　缸内直喷式汽油机对火花塞的要求 　　如图14所示(见本刊第4期)，现代缸内直喷式汽油机的点火系统普遍采用分缸独立高能点火系统，各缸的高能点火线圈直接与火花塞相连。与现代先进的进气道喷射汽油机无异，但是对火花塞提出了比进气道喷射汽油机更高的要求：
　　(1)高的耐热性能：为了实现分层燃烧，混合汽应有足够的时间暴露在火花塞触点周围，点火点应尽量深入到易于点燃的足够浓的混合汽区域，并且为了保证稳定可靠地点燃，火花塞电极周围处于着火界限内的混合汽区域应足够大，因此缸内直喷式汽油机的火花塞要位于燃烧室较深的部位，其端部的温度也要比进气道喷射汽油机更高，因而必须具有更高的耐热性能。为了使火花塞能够更好地散热，采用以下措施：①采用突出的金属壳来降低接地电极的温度；②采用铜芯接地电极来传热。
　　(2)高的抗积炭性能：分层燃烧时，较浓的混合汽集中在火花塞周围，特别是油束引导的分层燃烧过程喷射的油束会直接碰撞到火花塞，导致火花塞更容易积炭，这将会降低火花塞的绝缘性能而引起漏电，从而导致火花塞不点火，因此缸内直喷式汽油机用的火花塞应具有自洁能力和高的抗积炭性能。为此，采用以下措施来提高火花塞的抗积炭性能：①采用直径较小的直形绝缘体末端改善自洁能力；②减小火花塞间隙防止积炭；③采用两段直径中心电极来改善自洁能力；④采用半表面放电型设计(见下文)来改善自洁能力。
　　(3)高的点火性能和耐久性：为了实现分层稀燃，必须确保在稀混合汽中稳定可靠地点火，因此要求火花塞具有高的点火能量和较长的火花持续时间，并用铱合金的触点来提高火花塞的耐久性。
　　
　　
　　2，4，2　缸内直喷式汽油机火花塞技术的现状
　　图37示出了目前缸内直喷式汽油机使用的两种火花塞：铱合金电极的标准型火花塞和半表面放电型火花塞。它们与进气道喷射汽油机使用的火花塞是有区别的，在维修保养时绝不能任意换用。
　　(1)标准型火花塞：这种伸长型火花塞的接地电极伸入燃烧室较深，故将铜芯嵌入电极以提高其散热性，并通过增大金属端部的截面缩短电极本身的长度。另一方面当部分负荷充量温度较低并进行分层燃烧时，需防止积炭，为此采用带有较长直形绝缘体和较小顶端直径的电极。以提高其局部温度。为了防止积炭，采用两段直径的电极并减小火花间隙。采用上述措施后，即使在容易产生积炭的分层燃烧时也能获得良好的点火性能和耐久性。但是采用的细长电极的耐久性较差，故采用贵金属替代原有材料，考虑到缸内直喷式汽油机都使用高能点火线圈，因而采用抗烧蚀性好的铱合金电极来提高耐久性。然而这种标准型火花塞对连续积炭的自洁能力仍然不足，必须采用进一步的改进措施。
　　(2)半表面放电型火花塞：和标准型火花塞一样，它也是伸长型的。火花塞的过热问题依然存在，为防止接地电极过热也采用伸长的金属壳，不过其接地电极比标准型火花塞短。因此不再需要如前所述的带铜芯电极。但是，由于火花发生在紧靠绝缘体顶端表面的周边。因此即使发动机在可能形成积炭的工况下运行，也具有优异的自洁效果。与标准型火花塞相比，这种火花塞在减少阻抗的下降和抗积炭性能方面更优越，因此在直喷式汽油机上表现出良好的使用性能，尤其是在发动机怠速和分层燃烧运行状态。不过，这种半表面放电型火花塞优异的自洁效果是以电极之间放电时在绝缘体顶端表面形成沟槽为代价的，从而成为其潜在的弱点。缸内直喷式汽油机比进气道喷射汽油机的压缩比高，更容易出现沟槽。目前，电极烧蚀是缩短火花塞使用寿命的主要原因，过多的沟槽将导致抗高温能力下降，加速火花塞的损坏，这是在缸内直喷式汽油机维修保养中经常会遇到的毛病。
　　2，4，3　缸内直喷式汽油机火花塞技术的改进
　　目前，缸内直喷式汽油机广泛应用的半表面放电型火花塞在绝缘体顶端表面形成沟槽已成为影响火花塞耐久性的重要因素，必须予以关注和改进。
　　半表面放电型火花塞的沟槽是由于在中心电极与接地电极之间产生的电容放电使端面的绝缘材料剥落而形成的(图38)。电容放电的电压和次数、火花强度与持续时间是形成沟槽的主要因素，而燃烧室中的压力、气体流动和温度是其外在因素。增大火花塞的固有电阻(图39)、接地电极与中心电极绝缘体的重叠尺寸(图40)和接地电极的数量(图41)以及缩短中心电极的突出长度(图42)，或采用空气放电电极火花塞与半表面放电型火花塞相结合的混合型火花塞(图43)都能减少沟槽的形成。此外，用金属氧化物半导体材料镀覆放电表面，能够降低火花塞的跳火电压减少沟槽的形成，但是当火花放电时这种镀层会快速消失。为了防止镀层脱落，利用NTC(负温度系数)热敏电阻具有电阻随温度升高而降低的特性，采用含有这种热敏电阻材料的金属‘制成中心电极。在跳火过程中来自中心电极的分散粉末飞溅到绝缘体表面形成氧化物薄膜，从而降低跳火电压(降低4.0kV)来减少沟槽的形成(图44)。
　　
　　
　　采用上述改善沟槽形成的方法，开发出了三种新型长寿命的半表面放电型火花塞(图45)：
　　①3个接地电极的半表面放电型火花塞；
　　②4个接地电极的半表面放电型火花塞；
　　③3个接地电极的混合型火花塞。
　　在实际运行中，它们都显示出了优良的自洁能力，具有高的抗积炭能力和耐久性，能确保分层燃烧过程的稳定性，特别是带有3个接地电极的混合型火花塞，能满足现代缸内直喷式汽油机分层燃烧等更为严酷的运行条件。
　　2，5　排气后处理系统
　　在前面1.1节中已经介绍过现代缸内直喷式汽油机按照混合汽形成和燃烧过程的不同，可以分成均质燃烧(所有运转工况)和分层燃烧(确切地说应是部分负荷时的分层燃烧+中高负荷时的均质燃烧)两大类。由于它们的混合汽形成和燃烧过程有很大差异，导致这两种缸内直喷式汽油机的排气成分及其后处理系统也有很大的不同。
　　2，5，1　均质燃烧直喷式汽油机的排气后处理
　　均质燃烧直喷式汽油机由于与进气道喷射汽油机一样，在所有运转工况都用化学计量比(λ=1)混合汽运行。无论是HC还是NOx排放都与进气道喷射汽油机差不多(图46)，因此排气后处理相对比较简单。可采用进气道喷射汽油机已广泛应用的三元催化转化器系统来进行排气后处理。在三元催化转化器中三种主要污染物CO、HC和NOx能同时被高效地净化，其，必要条件是发动机必须以化学计量比混合汽运行(即在λ=1左右的高效转化窗口范围内)(图47)，为此由发动机电控系统中的空燃比调节功能(图48)，通过进气空气质量流量计(进气空气质量流量信号)和安装在三元催化转化器前的λ传感器(氧传感器)(排气中氧分压信号)来调节喷油量，以实现所需要的精确的过量空气系数。这些基本知识在进气道喷射汽油机的使用和维修实践中已为大家所熟悉，在此不再详述。但是为了能更好地理解下文中有关分层稀燃直喷式汽油机的排气后处理，在此我们不妨回顾一 下，为什么均质(λ=1)燃烧直喷式汽油机能应用三元催化转化器同时高效地净化这三种主要污染物CO、HC和NOx。
　　在三元催化转化器中进行CO、HC和NOx净化主要是通过如下的氧化和还原化学反应来实现的：
　　①CO和HC的氧化反应：
　　CO+O2－CO2
　　CO+H2O－CO2+H2
　　CxHy+O2－CO2+H2O
　　②NO的还原反应：
　　NO+CO－CO2+N2
　　NO+H2－HO2+N2
　　NO+CxHy－CO2+H2O+N2
　　三元催化转化器(图49)的芯子由圆形或椭圆形的蜂窝状多孔陶瓷(MgO2、Al2O3、SiO2)载体及其表面的催化涂层所组成，其体积是汽油机排量的50％～80％左右。为了在较小的体积内具有较大的催化表面，将三元催化转化器的芯子载体做成蜂窝状通道，蜂窝密度越大，单位体积中的催化表面越大，一般为400目(蜂窝通道数／英寸)，蜂窝通道壁厚在0.2mm左右，单位体积中的载体表面在28cm2／cm3以上，能承受980℃以上高温。载体蜂窝通道壁表面涂层(图50)的主要活性催化材料是贵金属铂(Pt)和铑(Rh)，用量为每升载体1.4～1.7g。铂(Pt)主要催化HC和CO的氧化反应，而铑(Rh)则催化NoX的还原反应。两者的用量比例为5：1。
　　当汽油机以化学计量比(λ=1)混合汽运行、排气流经三元催化转化器蜂窝通道时，其中的CO和HC在铂(Pt)的催化作用下被剩余的O2氧化净化成CO2+H2O，而所产生的H2和没有氧化净化完的CO和HC作为NOx还原反应净化成N2所必需的还原剂。这样三种主要污染物CO、HC和NOx就能同时转化净化。如果混合汽太稀(λ>1)，空气过量，排气中的O2就富余，CO和HC及其氧化反应所产生的H2就会首先被完全氧化掉，因此NOx的还原净化反应因缺乏还原剂而无法进行。相反，如果混合汽太浓(λ2就不足以使得CO和HC被氧化净化。
　　三元催化转化器对CO、HC和NOx的转化净化效率还与温度有关，通常将催化转化效率达到50％的温度称之为三元催化转化器的起燃温度，一般为250℃左右。为了提高转化净化效率和防止过热，三元催化转化器的使用温度应控制在350～450℃。采用三元催化转化器的汽油机轿车，在城市标准测试循环中排放污染物的50～80％是在冷启动后1min内排放的。因此提高三元催化转化器在冷启动时的转化净化效率是满足越来越严格的排放标准的关键。为此，现代缸内直喷式汽油机无不将三元催化转化器置于与排气管紧密耦联的位置，以便减少经过连接管路时的热量损失，使得三元催化转化器能在冷启动时迅速升温以及在低负荷时保持足够高的工作温度，有利于提高其催化转化效率。
　　随着使用时间的增长，三元催化转化器的活性表面也会老化失效，具体表现为转化净化效率下降，起燃温度上升。通常，汽车经过15万km行驶以后，三元催化转化器的起燃温度会从250～270℃提高到350℃以上，而CO和HC的转化净化效率减少20％～30％，NOx的转化净化效率减少50％。三元催化转化器老化的主要原因有两个：
　　①过热老化：是由于使用温度过高造成催化转化器载体表面烧结而导致活性损失，因此一般三元催化转化器的使用温度不宜超过900℃。在日常使用中应尽量避免长时间高速高负荷行驶或急加速，更忌讳随意空挡“轰”油门。
　　②化学毒化：是燃油和润滑油中的一些元素(如铅、磷和硫等)和催化转化器载体表面活性材料反应，或覆盖在催化转化器载体的活性表面上，造成催化转化器转化效率下降，因此使用三元催化转化器的汽油机必须使用无铅汽油，并对使用的润滑油的成分(特别是添加剂的成分)提出了新的要求，在日常使用中必须使用规定的汽油和润滑油牌号，决不能任意更换。(未完待续)