【现代缸内直喷式汽油机(十二)】汽油机缸内直喷

　　(接上期) 　　4　燃烧特性 　　 　　4.1部分负荷特性 　　根据图97所示出的直喷式和进气道喷射汽油机的示功图，可以分析出这两种机型的燃烧特性，两者的燃烧过程分别在空燃比为27和14.7(化学计量比)下进行。从图97可以看出，虽然前者的空燃比是后者的大约2倍，但前者的燃烧速度快且运行稳定，而且由于直喷式汽油机具有较高的充气效率，因而在压缩行程初期就具有较高的汽缸压力，燃烧开始后的放热率也明显较高，继而达到更高的峰值压力，所以它具有较低的泵吸损失和较高的燃烧效率。
　　图98示出了用高速摄影机通过特制的石英活塞从汽缸底部向上拍摄到的这种新型直喷式汽油机汽缸内的火焰传播过程，照片分别是在燃烧质量百分率为10％、50％和90％时拍摄的。从这3张采用晚喷射模式空燃比为40的分层混合汽燃烧时拍摄的照片可以看出，火焰主要在燃烧区的涡流下游扩散。在燃烧早期，可看到蓝色火焰(图中较暗的火焰区域)包围着光亮火焰，这表明火焰扩散比较稳定。火焰根据活塞的形状(燃烧空间比混合汽形成区更大)通过与周围空气的混合而加速扩散。为了进行比较，将早喷射模式的化学计量比均质混合汽燃烧的火焰扩散相对应地示于图98下部分。此时，燃油在进气行程就融入，其火焰起初也主要在燃烧区内加速扩散。继而很快就扩散到整个汽缸内，其蓝色火焰充满了大部分汽缸，这表明成功地形成了均质混合汽，虽然其喷油量几乎是分层混合汽燃烧时的2.5倍。
　　
　　此外，丰田公司还试验研究了分层混合汽燃烧的稀燃极限和NOx排放，如图99所示。试验条件是发动机转速1200r／min，喷油量12mm3／循环，空燃比随节气门开度和EGR率(图中带圈的数字)而变化。图中斜体表示分层混合汽燃烧时相对于用化学计量比均质混合汽运行的基本型发动机的燃油耗降低率。阴影区是扭矩波动极限(由于混合汽过浓而引起缺火)。该图说明发动机在节气门全开和空燃比高达55的条件下仍能稳定运行，且燃油耗降低了30.3％，NOx排放也大大降低，当然效果并不如预混合稀燃发动机明显。在如此高的空燃比下稳定运行的事实表明，这种直喷式汽油机在部分负荷工况下确实能很好地在火花塞周围维持易点燃的分层的浓混合汽，较为理想地实现了稀燃分层燃烧过程。
　　
　　4.2中等负荷特性
　　因为随着负荷的增加，喷油量增大，若在火花塞周围存在过浓的混合汽会生威大量的黑烟，因此分层混合汽运行方式在高负荷区受到限制，只能采用均质混合汽燃烧。但是，均质混合汽运行与分层混合汽运行所需要的空气量和节气门开度有很大的差异，这可能导致两种运行工况下发动机输出扭矩的不连续性。因此，在介于高低负荷之间的中等负荷运行工况区域采用前面所介绍的“两段喷射”就能解决这个问题，获得准分层混合汽运行和连续的扭矩特性，并且不会生成黑烟，如图100所示。
　　
　　4.3高负荷特性
　　如前所述，高负荷时采用均质混合汽燃烧。但是，为了实现低排放和高动力性能，其间根据运行负荷工况的不同分别采用稀燃、化学计量比混合汽燃烧和加浓控制。5应用EGR和催化器降低NOx排放
　　
　　这种直喷式汽油机采用EGR来降低机内的NOx原始排放。EGR对NOx排放、燃油耗和扭矩波动的效果示于图99。当EGR率增加到35％时，同时降低了NOx排放和燃油耗。比无EGR的分层混合汽运行时的NOx排放降低了88％，燃油耗比化学计量比均质混合汽运行时降低了35.1％，而扭矩波动仍在允许范围内。
　　但是，即使采用高EGR率，NOx排放的降低仍不足以达到日本10－15工况法对NOx排放的要求，况且在高负荷工况区喷油量大而无多余的空气，采用无EGR的均质混合汽运行，因此这种直喷式汽油机还采用了吸附式NOx催化器。采用这种吸附式NOx催化器，即使在通常的稀燃巡航行驶工况下，有时也需要化学计量比或浓混合汽来进行催化器的再生，因此同样必须消除浓混合汽和稀混合汽两种运行工况转换时发动机输出扭矩的差异。在均质稀混合汽运行时(在进气行程期间喷油)，通过同步控制加浓喷油和推迟点火定时来获得不变的扭矩输出。另一方面，在分层混合汽运行期间，不仅要通过控制喷油量和点火定时，而且还要通过将喷油定时从压缩行程转换到进气行程，以及较大的节气门开度变化和调整其它执行器(涡流控制阀和EGR阀等)才能获得不变的扭矩输出。图101示出了在分层混合汽运行期问是如何实现浓混合汽供应的，其中最明显的变化是空燃比(从35变化到11)。从(a)过渡到(d)期间，喷油量、点火定时和节气门开度都是逐步变化的，以逐渐消除扭矩的差异，使得发动机从分层混合汽运行状态逐渐平顺地转换到均质混合汽运行状态。运行状态转换时，喷油模式也要在压缩行程(晚喷射)－进气／压缩行程(两段喷射)－进气行程(早喷射)之间反复转换。
　　
　　
　　6　节气门控制系统
　　
　　从理论上讲，在部分负荷工况区分层混合汽运行可以不用节气门，但是由于以下原因实际发动机必须使用节气门：
　　(1)应用EGR降低NOx排放必须用节气门来控制进气歧管的真空度，以便能在一定的压差下获得适应于运行工况的再循环废气流量；
　　(2)低负荷运行时若没有节气门的控制，排气温度会非常低，降低催化器的净化转化效率；
　　(3)最重要的原因是分层燃烧的直喷式汽油机在冷启动和高负荷工况下必须以均质混合汽运行，因而传统的机械连接型式的节气门很难满足开度范围很大的要求；
　　(4)此外，汽车上传统的制动系统制动时需要真空度。
　　因此，这种直喷式汽油机必须采用电子节气门控制系统。这种电子节气门用直流电机驱动，由发动机的电控单元(ECU)来控制，在机械上与加速踏板无关，即将节气门的开度与发动机输出扭矩的需求完全分开。
　　图102示出了这种直喷式汽油机在1600r／min转速下暖机前后的节气门开度特性。暖机前，发动机完全以均质混合汽运行，与传统发动机相类似。暖机后，发动机从分层混合汽运行转变到均质混合汽运行。如图102所示，无论在分层混合汽(晚喷射)或均质混合汽(早喷射)阶段，所需的节气门开度都要比暖机前大。而且还可以看到在从晚喷射向早喷射过渡时节气门开度的不连续性以及两段喷射。这种开度特性只有应用电子节气门系统才能实现。
　　
　　7　排放和燃油经济性
　　
　　表6列出了从装有四速变速器和自重1250kg的汽车上测得的日本10-15工况法的废气排放和燃油耗数据。与搭载传统2L汽油机的汽车相比，搭载这种新型直喷式汽油机的汽车的燃油经济性提高了35％，其中22％是由分层稀燃运行所获得的，其余则是通过改进自动变速器的控制部分而获得的。按日本10－15工况法测得的原始NOx排放(无EGR和NOx催化器)高达1.85g／km，采用EGR后NOx排放降低了67％，达到0.6g／km，而使用NOx催化器后则降低到0.10g／km。使用吸附式NOx催化器需要定时供应浓混合汽以进行再生，这将损失约2％的燃油经济性，但考虑到降低NOx排放的需要尚可接受。至于HC和CO排放，则由传统的三元催化器的氧化作用来净化转化。(未完待续)