汽油机缸内直接喷射技术

廖军强

摘 要:由于能源枯竭和环境污染情况日益严重,即使是多点燃油喷射这样的技术也不能满足人们的要求了,于是更为精确的燃油喷射技术诞生了,那就是汽油机缸内直接喷射技术。本文将对汽油机缸内直接喷射技术的类型、结构原理、存在问题等进行简要的论述。

关键词:缸内直喷类型结构原理存在问题

中图分类号:TK41 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)07(a)-0076-02

近年来,由于能源紧缺和环境污染问题的日益突出,汽车用发动机面临着越来越严峻的考验。目前为绝大多数汽车所采用的EFI发动机已显出明显不足,主要由于混合气在进气门处形成,汽油雾化不完全、混合气质量欠佳,所以燃烧不充分冷启动排放和燃油经济性较差。汽油机缸内直接喷射系统则与EFI系统迥然不同,该系统是将汽油直接喷射到气缸里,通过相应的控制手段,可以大大提高发动机的燃油经济性和动力性能,同时大幅度降低排放。

1汽油机缸内直接喷射技术

汽油机缸内直接喷射技术,简称缸内直喷,顾名思义,就是把汽油直接喷射到气缸内。随着技术的发展,化油器被淘汰后,开始采用汽油喷射技术,按照喷射位置可以分为进气道喷射和缸内直接喷射两种。进气道喷射可以采用低压的喷射装置,是目前最常用的喷射方式,喷油嘴位于进气歧管的前方,汽油喷入进气歧管与空气混合后再进入气缸。缸内直接喷射则更为先进,喷油嘴位于气缸内部,将汽油直接喷入气缸,与空气形成混合气,不过它需要较高压力的喷射装置以及其它一些专门的零部件,成本要更高一点。

2缸内直喷的类型及其特点

近年来,缸内直喷的发动机电控技术的研究与开发越来越受到重视,其被认为是内燃机解决能源和环境问题的重要方向之一,国内外许多研究机构和汽车厂商都致力于缸内直喷发动机的研究与开发,并推出了各种装备缸内直喷发动机的汽车。

2.1 FSI

FSI是Fuel Stratified Injection的缩写,它代表大众汽车的缸内直喷发动机。从理论上来说,采用FSI技术的发动机有至少两种燃烧模式:分层燃烧和均质燃烧,从上面3个英文单词来看,分层燃烧应该是FSI发动机的特点。分层燃烧的好处是热效率高,节流损失少,能把喷入缸内的汽油尽可能多的转化成能量。但是,目前大众汽车旗下的FSI发动机,都采用均质燃烧模式,分层燃烧以前在德国曾经用过,现在也取消了。因为分层燃烧采用稀混合气,虽然非常省油,但是却提高了缸内的温度,也提高了氮氧化物这种有害气体的排放。在分层燃烧模式下,普通的三元催化器很难把氮氧化物转换干净,这就需要可以降低氮氧化物排放的催化转换器,由此带来的成本已经超出了分层燃烧省油的好处,而且对排气系统的空间布置要求也更高。

取消了分层燃烧后,FSI发动机与传统的进气道喷射发动机相比,仍然具有三大优势:均质燃烧具有非常好的动态响应能力,对车辆的加速性能极有帮助;最大扭矩和功率都要比传统发动机高;可以充分压榨每一滴汽油的能量,燃油经济性仍然十分出色,排放更为清洁。在均质燃烧模式下,燃油蒸发效果更好,同时蒸发的吸热过程降低了混合气温度,使得发动机产生爆震的可能性大幅降低,因此压缩比可以适当增加,这同样可以提高发动机的功率。

2.2 TSI

TSI是德国大众汽车集团旗下涡轮增压汽油直喷发动机的标识,它的字母缩写来源于两个方面,其中T代表的是Turbo,即涡轮增压技术;SI来源于FSI,代表大众汽车旗下采用缸内汽油直接喷射技术的发动机。从字面意思来看,TSI就是涡轮增压与汽油直喷的结合体,也可以把它理解成TFSI。所以TSI是一种极高效率的发动机形式,会是动力性与燃油燃油经济性的完美统一。

2.3 EcoBoost

EcoBoost是福特对于未来使用涡轮增压和缸内直喷两项技术发动机的总称。在传统汽油发动机的基础上,EcoBoost发动机进一步添加了燃油缸内直喷、涡轮增压和双独立可变气门正时系统这三大关键技术优势,不仅保证了澎湃的动力输出,而且优化了燃油经济性高达20%,并降低15%的二氧化碳排放。

2.4 SIDI

通用将燃油直喷技术的代号称为SIDI,是Spark Ignition Direct Injection的缩写,直译为火花点燃直接喷射技术。其实现的原理和一般的直喷发动机并无二致。

2.5 CGI

CGI是Stratified-Charged Gasoline Injection的缩写,它代表梅赛德斯-奔驰的缸内直喷发动机,其中主要包含了缸内直喷技术和涡轮增压技术。与其他车厂的直喷技术相比,CGI技术还有一个最大的特点是采用了压电技术(piezoelectric)。由于目前的直喷发动机都存在分段控制模式,也就是低转速时使用分段多次喷射燃烧,而高转速下就不再使用,其主要原因是目前的喷嘴都是螺线圈电磁控制式,在高转速状态下,喷油时间要求极短,喷嘴响应速度并不适合太高转速。因此,奔驰开发了压电触发的喷嘴,也就是利用活塞在压缩冲程的压力,通过压力变形下的微弱电信号,经过放大电路放大后控制阀门开闭。压电喷射器百万分之一秒的时间反应,为喷嘴提供基本的多点分层喷射成为可能,在每次压缩短时间内,再分为多次喷射,特别是高转速下,也同样有分段喷射,从而得到更理想的稀薄燃烧,这对提高发动机燃烧效率是至关重要的。

2.6 GDI

GDI是Gasoline Direct Injection的缩写,它代表宝马、丰田和三菱的缸内直喷发动机,它与其他一般的直喷发动机也无二致。

3缸内直喷发动机结构原理

缸内直喷系统与普通电控喷射系统相比,其主要的区别是燃油供给系统。由于向气缸内直接喷射燃油,且喷射过程延续到发动机的压缩行程,所以缸内直接喷射系统必须通过一个高压燃油泵使提供给喷油器的燃油压力达到10MPa以上。燃油供给系统可分为低压燃油系统和高压燃油系统两部分。

低压燃油系统主要由燃油箱、低压燃油泵、压力限制阀、压力保持阀、滤清器、低压油管、低压燃油压力传感器等组成,其主要功用是将燃油从油箱中抽出,并经过滤清器过滤后输送给高压燃油泵。发动机ECU根据低压燃油压力传感器信号控制燃油泵工作,来实现低压燃油压力的闭环控制,低压燃油泵工作压力为0.2MPa～0.5MPa。发动机熄火后,压力保持阀可使低压系统保持一定的残余压力,由于交通事故等原因导致燃油管破裂时,压力保持阀还可防止燃油溢出。压力限制阀可将低压燃油系统的压力限制在0.64MPa以下,以防止低压管路内的燃油压力过高。

高压燃油系统主要由高压燃油泵、燃油高压调节阀、高压燃油压力传感器、高压油管和燃油分配管等组成。高压燃油泵将低压燃油泵输送来的燃油进一步提高压力后,通过高压油管和燃油分配管输送给喷油器;高压燃油压力传感器安装在燃油分配管一侧,用来检测燃油分配管内的燃油压力(即喷油器的喷油压力),并将信号输送给ECU;燃油高压调节阀安装在高压燃油泵上,根据ECU的指令调节高压燃油系统的压力。此外,通常在燃油分配管上也安装一个压力限制阀,当高压燃油系统压力超过12MPa,该阀开启通向低燃油系统的回油通道,以防止高压燃油系统压力过高。

4缸内直喷发动机存在的一些问题

虽然缸内直喷发动机在动力性、经济性及排放方面有很多一般电控发动机所无法比拟的优点,但是缸内直喷技术燃烧本身仍有很多不足之处需要改进。

(1)缸内直喷发动机的喷油器放在气缸内,由于喷油压力低,喷孔没有自洁作用,因此很容易结垢,从而使喷雾特性变坏,喷油量减少,使发动机的燃烧恶化,影响发动机的功率输出和排放。

(2)缸内直喷的火焰在快速传播的同时,会出现部分火焰熄灭的现象,这就会使HC的排放增加,另外,缸内壁面的燃油附着、着火延迟等情况也会使HC的排放增加。

(3)由于气缸内混合气的浓度和温度分布不均匀,NOx在高温区生成较多,而高空燃比造成的氧含量过高,又使对NOx的处理难度增加。

(4)理论上缸内直喷发动机可以不采用节流阀,但实际生产的缸内直喷发动机都应用了适度的节流作用,因为轻度的节流和EGR可以降低HC的排放。但节流又会导致功率的损失,虽然EGR对NOx的降低有帮助,但过多的EGR又会使稀薄燃烧恶化。

(5)传统的三元转换器只能在空燃比为14.7附近内的小范围内工作,显然已不适合稀薄燃烧。

(6)发动机不同负荷的喷油时刻相差较大,发动机各种负荷的平滑过渡也有待进一步解决,成品发动机的成本较高,目前敢很难大量占有市场。

(7)缸内直喷发动机的压缩比高,对汽油的品质要求也很高,目前国内只能使用97号汽油。

(8)由于高压燃油系统的压力高,对输油管路及其接头密封处的强度、加工精度要求随之提高。

(9)由于缸内直喷发动机的喷油压力高,且采用分段喷射技术,传统的电磁式喷油器无法满足要求。

同任何一项新兴技术一样,目前尚处于发展阶段的缸内直喷还有很多缺点和不足,但是作为一种新型的燃烧方式,随着研究的深入和一些相关技术的发展,缸内直喷发动机有着广阔的发展前景,对解决能源危机和环境污染会起到很大的作用,缸内直喷发动机很有可能取代EFI发动机,成为世界汽油机发展历史上又一个重要的里程碑。

参考文献

[1] 张西振.汽车发动机电控技术(第2版)[J].北京:机械工业出版社,2011.