现代缸内直喷式汽油机.doc

现代缸内直喷式汽油机 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0.30.5MPa的压力下将汽油以较大的油滴(直径150300um)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495CA(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512MPa。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50100，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31CA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1.52，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2500rmin以下低转速范围内的增压压力，1200rmin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1520。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)2缸内直喷式汽油机的发展历史 在内燃机出现的早期，即20世纪初，人们就已对汽油喷射方式进行过研究。1900年德国Deutz公司就曾经生产过汽油喷射的固定式发动机。以后，汽油喷射的应用范围逐步转移到活塞式航空发动机上。二战前夕的20世纪30年代，德国已开始用Benz和BMW公司的汽油喷射发动机装备军用飞机。 航空发动机采用汽油喷射技术所取得的成果，自然也引起了人们将其应用到汽车上的兴趣。但是，当时并没有对化油器式汽油机的燃烧方法做重大改动。通常是为了提高汽车发动机的功率，往往仅在现有的汽缸盖结构基础上，为配备直接喷射喷油器而进行相应的修改，因此开发的重点侧重于喷油装置及其调节。1938年德国空军研究所(DVL)和Bosch公司合作，首先致力于汽车二冲程缸内直喷式汽油机的研究，并完成了装车试验。Daimler Benz公司也于1939年推出了专供赛车使用的四冲程缸内直喷式汽油机。直到1952年汽油直接喷射才首次批量应用于汽车，Gutbrod公司首先使用Bosch公司提供的机械控制式汽油喷射系统批量生产装有二冲程缸内直喷式汽油机的轿车，因二冲程汽油机采用缸内直接喷射之后可避免扫气过程中的燃油损失，与当时的化油器汽油机相比，其燃油耗节约了2540。1954年Benz公司首次推出了排量为3.1L的四冲程直立6缸M198缸内直喷式汽油机(图5和图6中)，搭载于300SL型轿车。 虽然1934年德国就开始研究如何通过把燃油直接喷入燃烧室而得到不均匀的混合汽，即分层充量。在20世纪50-60年代，美国Texaco公司也推出了TCP(Texaco Combustion Process)燃烧系统以及1968年Ford公司推出的PROCO(Ford-Programmed Combustion Process)燃烧系统(图6右)，立足于节能减排，力求通过分层稀薄燃烧方式来提高压缩比，使汽油机在保持本身优点的前提下，在燃油经济性方面达到或接近柴油机的水平。但是，由于缸内直喷式汽油机既有喷油系统又有点火系统，结构较为复杂，成本也较高，同时在燃烧室内实现分层燃烧的调试比较困难，开发费用大，再加上当时尚缺乏供稀薄燃烧用的NOx后处理技术，因此一直到20世纪80年代末，汽油机缸内直喷分层稀燃技术仍未进入实用阶段。 随着内燃机技术的进步，特别是基于微电子技术的计算机技术的迅速发展，为汽油机缸内直接喷射技术的重新发展提供了前提条件。同时迫于节能和环保要求日益严格的压力，也对汽油机缸内直接喷射寄予新的期望而再次提上议事日程。因而20世纪90年代各国纷纷加强了对汽油机缸内直喷技术的研究，至19961997年日本三菱和丰田公司率先相继将其开发的缸内分层稀燃直喷式汽油机投入批量生产。特别是最近10来年，欧洲在Bosch等燃油喷射系统专业生产厂商的汽油缸内直接喷射系统日趋成熟和完善的基础上，各大汽车公司，诸如大众和BMW等，不断推出了动力性能优异、节油效果明显并达到欧4欧5排放标准的新款缸内直喷式汽油机轿车，标志着汽油缸内直喷技术，无论是在喷油系统、缸内空气运动和燃烧过程的组织及其调试方面，还是在电子控制系统和废气后处理系统方面都已相当成熟。开始进入蓬勃发展的崭新阶段。 与此同时，大众公司已在我国大连设厂开始批量生产缸内直喷式汽油机，供应一汽大众和上海大众轿车，与欧洲同步推出新车型供应国内市场。因此，对于我国汽车维修行业来讲，这种技术含量颇高的节能减排的新车型，既为拓展维修市场空间提供了新的机遇，也对知识的更新和提高维修技术提出了新的挑战。 第二篇基本原理和结构特点 1缸内直喷式汽油机的工作原理 1.1混合汽的形成与调节方面的基本要求及特点 人们在发展现代汽油机缸内直喷技术时，力图综合传统汽油机和柴油机两方面的优点。众所周知。柴油机按狄塞尔(Diesel)循环工作，即采用压燃和混合汽质调节方式工作。其燃油经济性明显优于汽油机。而汽油机则采用奥托(Otto)循环工作，混合汽进行量调节，过量空气系数(实际空气量燃油按化学计量比燃烧所需空气量=空燃比14.7)小，实现均质预混合燃烧，其动力性能指标，即升功率要高于柴油机。而在柴油机中进行的是非均质混合汽扩散燃烧，尽管总体上过量空气系数1，但混合汽中仍存在局部缺氧的情况，以至于形成了柴油机特有的碳烟与颗粒排放，这在缸内直喷式汽油机中，特别是在分层混合汽燃烧过程中的浓混合汽区域要尽量避免出现类似的情况。 为了扬长避短，综合汽油机和柴油机两方面的优点，要求在现代缸内直喷式汽油机中，如图7所示。在部分负荷时燃油于压缩行程后期喷入，实现混合汽分层稀薄燃烧(过量空气系数1.92.2)，并采用混合汽调节，以避免节气门的节流损失，力求达到与柴油机相当的燃油经济性；而在中等直至高负荷时，燃油在进气行程中喷入，根据运行工况的需要，实现均质稀薄混合汽燃烧(=1.31.4)或均质燃烧(=1.0)或均质加浓混合汽燃烧(20(图34)。这种新一代喷油器具有的喷油量跨度能适用于升功率高达95kWL的涡轮增压汽油机。 为了达到如此大的动态流量范围。应对喷油器的磁回路进行优化，使得存储在电磁线圈中的能量最少。从而使喷油器针阀能够迅速地开启和关闭。然而，燃油压力高时，喷油器磁回路中应具有比燃油压力低时更多的能量，这样喷油器才能开启。但是当喷油器中的磁能存储得太多时，就会延缓关闭过程，为此在发动机电控单元中集成了一个控制喷油器的可变驱动器，能够根据燃油压力的大小，通过改变软件参数为喷油驱动器预先确定不同的驱动电流波形，以控制磁回路存储的能量恰好等于喷油器开启所，必需的能量。因此在任何时候喷油器开启和关闭的动作时间是最短的，从而大大改善了这种喷油器针阀的动态性能，扩大了其动态流量范围。 这种新一代电磁阀控制式喷油器具有较大的工作能力，其静态流量高达17gs(在10MPa和70度时)，并且在4MPa燃油压力和0.35ms喷油持续期时的最小动态喷油量4mg喷油脉冲，其喷油的雾化品质可达到绍特平均油滴直径(SMD)20 um，完全能够满足高效燃烧的需要。同时，喷油器的开启和关闭时间300 u s，每工作循环可进行两次喷射，因此在选择喷油脉冲的相位和喷油量时具有更大的自由度。 这种新一代电磁阀控制式喷油器还具有非常灵活的结构型式：可以安装在汽缸侧面位置，也可以安装在汽缸中央位置。而喷油嘴经过优化后，旋流喷油器的油束锥角可达到3580度，其油束偏转角可为025度；多孔喷油器的分支油束可多达68支，油束锥角可为3590度，其油束偏转角可为030度，因而几乎能够形成各种各样的喷雾油束。这种可变性对于在现代缸内直喷式汽油机上的应用而言是一个非常重要的因素。因为油束的几何形状适应燃烧室中的情况具有非常重要的意义，可避免润湿壁面、形成炭烟和稀释机油。 (2)压电控制式喷油器 近几年，常规的电磁喷油器越来越多地被高速开关的压电喷油器所替代，其更迅速的针阀开关特性能够获得更精确的燃油计量和更小的喷油量，非但能够降低噪声和燃油耗，而且还能减少有害物排放。图35所示的是西门子威迪欧(SlemensVD0)公司开发的压电喷油器。这种喷油器最重要的特点是压电执行器以及由其直接操纵的向外开启的针阀和机油阻尼热补偿器等，具有高的抗结焦能力和非常短的开关时间(200 u s)，并能够实现多次喷射以及喷嘴针阀的全升程和部分升程，其最短的喷油时间可达0.1ms，同时具有高的静态流量值(在20MPa喷油压力下最多可达约30gs)，大