汽油机缸内直喷技术.doc

汽油机缸内直喷技术车辆3班 39号 吴科宁众所周知，汽油机的喷油器安装在进气歧管或在进气门前，在进气行程时形成可燃混合气后再进入燃烧室；柴油机的喷油器安装在气缸上，直接喷入燃烧室，而且柴油机的喷油器的喷射压力要远高于汽油机的喷油器，造成喷射方式不同的原因是汽油、柴油品质不同，所以汽油机需火花塞点火；柴油机直接压缩自燃，而汽油机的缸内直喷技术正是结合了柴汽油机的优点而衍生出来的新技术。 汽车行驶所依赖的发动机之所以能产生动力，就是气缸吸入空气与汽油混合后进行燃烧，进而做功推动活塞来带动整个机械结构进行运转。传统的化油器技术以及后来的电子控制喷射技术都对当时的汽车技术产生了深远的影响。化油器是根据经过化油器的空气量多少来进行油气混合，精准度当然就欠奉；而进入电喷时代，电脑会控制放在进气门前的喷油嘴根据当时发动机的负荷，来随时调整喷油量。但科技发展到今天，拥有更加强大自我调整功能的缸内直喷技术已经逐渐被不少汽车厂家所应用。我深信不久后的明天，更加成熟的缸内直喷技术将会普及到每一辆车，产生像电控燃油喷射系统取代化油器式喷射似的里程碑式意义。 在不断改革发展的发动机科技中，最炙手可热的技术非缸内直喷莫属。这套由柴油发动机衍生而来的科技目前已经大量使用在包含VAG、Mercedes-Benz、GM以及Toyota（Lexus）BMW等世界名车的车系上。缸内直喷又称FSI，FSI(Fuel Stratified Injection)燃料分层喷射技术代表着传统汽油引擎的一个发展方向。传统的汽油发动机是通过电脑采集凸轮位置以及发动机各相关工况从而控制喷油嘴将汽油喷入进气歧管。但由于喷油嘴离燃烧室有一定的距离，汽油同空气的混合情况受进气气流和气门开关的影响较大，并且微小的油颗粒会吸附在管道壁上，所以希望喷油嘴能够直接将燃油喷入汽缸。FSI就是大众集团开发的用来改善传统汽油发动机供油方式的不足而研制的缸内直接喷射技术，先进的直喷式汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技术，通过一个活塞泵可以提供所需的100bar以上的压力，将汽油提供给位于汽缸内的电磁喷射器。然后通过电脑控制喷射器将燃料在最恰当的时间直接注入燃烧室，其控制的精确度接近毫秒，其关键是考虑喷射器的安装，所以必须在汽缸上部留给其一定的空间。 供油系统采用缸内直喷设计的最大优势，就在于燃油是以极高压力直接注入于燃烧室中，因此除了喷油嘴的构造和位置都异于传统供油系统，在油气的雾化和混合效率上也更为优异。加上近来车上各项电子系统的控制技术大幅进步，计算机对于进气量与喷油时机的判读与控制也愈加精准，因此在搭配上缸内直喷技术以使得发动机的燃烧效率大幅提升下，除了发动机得以产生更大动力，对于环保和节能也都有正面的帮助。目前世界各国均面临着温室效应引发的全球气候变暖，以及石油资源渐趋枯竭的双重压力。全球的科学家与工程师无不绞尽脑汁，希望能想出更为节省能源的方式，希望能让同样的燃油，可以输出更大的动力、行驶更远的里程。而稀薄燃烧以及缸内燃油直喷的技术就在这样的情形之下被提了出来。为了达成节省能源的目标，科学家将空气与燃油的比例大幅下降，发展出不同于传统的歧管直喷技术，正是稀薄燃烧技术不断发展的动力所在。稀薄燃烧中的分层稀混合气燃烧，这种燃烧方式主要是通过控制混合气的浓度分布来实现的，其在火花塞附近混合气比较浓，空燃比约为1213，保证可靠的点火，在其余大部分区域混合气较稀，空燃比在20以上。分层充气燃烧系统主要有三种：直喷式分层燃烧系统，如Texaco公司的TCCS、Ford公司的PROCO及日本Satoshi Kato等人提出的OSKA分隔式燃烧室分层燃烧系统，如本田公司的CVCC。轴向分层燃烧系统，如美国M. R. Showalter首先提出充量轴向分层的概念，随后A. A. Quader等人对轴向分层充气发动机进行了进一步的研究。三菱公司则推出了基于这一概念的4气门滚流分层发动机。国内的许多大学也提出了在5气门发动机上采用进气道二次喷射亦很好地实现了该方式的稀燃，并取得了较好的效果。混合燃烧系统，混合燃烧方式是将发动机分为高负荷和低负荷区，在低负荷区使用分层燃烧，在高负荷区仍然利用常规燃烧。1995年三菱公司研制成功的GDI发动机首次实现了混合燃烧。三菱公司GDI发动机在低负荷区的空燃比达到3040，高负荷区的空燃比为1314。极大地改善了发动机的性能。GDI（汽油机缸内直喷技术）燃烧系统通常可按主宰混合气生成的机理分成三类：1.油束控制。锥型油束直接将燃油送往火花塞，在油束控制的燃烧系统中，喷油器安置在气缸中央，火花塞必须布置在喷油器附近，油束的空气利用率依靠油束的穿透深度保证。油束和火花塞相距太近，可供混合气生成利用的时间太短，液态燃料会润湿火花塞，缩短火花塞寿命。该系统未能投入批量生产。2壁面控制燃烧系统 在壁面控制的燃烧系统中，喷油器和火花塞相隔较远，喷油器将油束喷到活塞凹坑中，然后油气流将燃油送往火花塞。为了避免温度过高，喷油器不应布置在排气侧而应在进气侧，活塞凹坑的开口也指向进气侧。3.气流控制燃烧系统。在气流控制的燃烧系统中，利用轮廓分明的缸内气流与油束相互作用，在发动机的大部分工况范围内都能实行恰当的充量分层。 此外，FSI技术采用了两种不同的注油模式，即分层注油和均匀注油模式。发动机低速或中速运转时采用分层注油模式。此时节气门为半开状态，空气由进气管进入汽缸撞在活塞顶部，由于活塞顶部制作成特殊的形状从而在火花塞附近形成期望中的涡流。当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷射器喷出，形成可燃气体。这种分层注油方式可充分提高发动机的经济性，因为在转速较低、负荷较小时除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室的其它地方只需空气含量较高的混合气即可，而FSI使其与理想状态非常接近。当节气门完全开启，发动机高速运转时，大量空气高速进入汽缸形成较强涡流并与汽油均匀混合。从而促进燃油充分燃烧，提高发动机的动力输出。电脑不断的根据发动机的工作状况改变注油模式，始终保持最适宜的供油方式。燃油的充分利用不仅提高了燃油的利用效率和发动机的输出而且改善了排放。 然而，使用稀薄燃烧的技术，虽然能在燃油使用上有大幅度的节省，但是在需要大动力输出的状况之下，则并无法有效的满足。同时大量的燃油集由在火星塞附近点燃，将造成局部温度过高，使得同样导入汽缸内的氮气与氧气发生作用，产生过多的氮氧化物，造成污染。 但是缸内直喷科技也并非无敌，因为从经济层面来看，采用缸内直喷的供油系统除了在研发过程必须花费更大成本，在部品构成复杂且精密的情况下，零组件的价格也比起传统供油系统来得昂贵，因此这些也都是未来缸内直喷发动机尚待克服的要素。同时，缸内直喷这种先进的燃烧技术也会带来一些负面影响。因为在低负荷工况下，会产生相当大量的NOx（氮氧化物）与高温，这样对于三元催化器的要求会很高。但是按照现在一些已经采用缸内直喷技术的发动机来看，这个问题已经得到解决。缸内直喷技术对于一些硬件设施也要求很高，例如需要配备高压喷油嘴，以提高油气的雾化程度与混合效率；缸内直喷系统的