汽油機缸內直接噴射技術

廖軍強

摘 要:由于能源枯竭和環境污染情況日益嚴重,即使是多點燃油噴射這樣的技術也不能滿足人們的要求了,于是更為精確的燃油噴射技術誕生了,那就是汽油機缸內直接噴射技術。本文將對汽油機缸內直接噴射技術的類型、結構原理、存在問題等進行簡要的論述。

關鍵詞:缸內直噴類型結構原理存在問題

中圖分類號:TK41 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0076-02

近年來,由于能源緊缺和環境污染問題的日益突出,汽車用發動機面臨著越來越嚴峻的考驗。目前為絕大多數汽車所采用的EFI發動機已顯出明顯不足,主要由于混合氣在進氣門處形成,汽油霧化不完全、混合氣質量欠佳,所以燃燒不充分冷啟動排放和燃油經濟性較差。汽油機缸內直接噴射系統則與EFI系統迥然不同,該系統是將汽油直接噴射到氣缸里,通過相應的控制手段,可以大大提高發動機的燃油經濟性和動力性能,同時大幅度降低排放。

1汽油機缸內直接噴射技術

汽油機缸內直接噴射技術,簡稱缸內直噴,顧名思義,就是把汽油直接噴射到氣缸內。隨著技術的發展,化油器被淘汰后,開始采用汽油噴射技術,按照噴射位置可以分為進氣道噴射和缸內直接噴射兩種。進氣道噴射可以采用低壓的噴射裝置,是目前最常用的噴射方式,噴油嘴位于進氣歧管的前方,汽油噴入進氣歧管與空氣混合后再進入氣缸。缸內直接噴射則更為先進,噴油嘴位于氣缸內部,將汽油直接噴入氣缸,與空氣形成混合氣,不過它需要較高壓力的噴射裝置以及其它一些專門的零部件,成本要更高一點。

2缸內直噴的類型及其特點

近年來,缸內直噴的發動機電控技術的研究與開發越來越受到重視,其被認為是內燃機解決能源和環境問題的重要方向之一,國內外許多研究機構和汽車廠商都致力于缸內直噴發動機的研究與開發,并推出了各種裝備缸內直噴發動機的汽車。

2.1 FSI

FSI是Fuel Stratified Injection的縮寫,它代表大眾汽車的缸內直噴發動機。從理論上來說,采用FSI技術的發動機有至少兩種燃燒模式:分層燃燒和均質燃燒,從上面3個英文單詞來看,分層燃燒應該是FSI發動機的特點。分層燃燒的好處是熱效率高,節流損失少,能把噴入缸內的汽油盡可能多的轉化成能量。但是,目前大眾汽車旗下的FSI發動機,都采用均質燃燒模式,分層燃燒以前在德國曾經用過,現在也取消了。因為分層燃燒采用稀混合氣,雖然非常省油,但是卻提高了缸內的溫度,也提高了氮氧化物這種有害氣體的排放。在分層燃燒模式下,普通的三元催化器很難把氮氧化物轉換干凈,這就需要可以降低氮氧化物排放的催化轉換器,由此帶來的成本已經超出了分層燃燒省油的好處,而且對排氣系統的空間布置要求也更高。

取消了分層燃燒后,FSI發動機與傳統的進氣道噴射發動機相比,仍然具有三大優勢:均質燃燒具有非常好的動態響應能力,對車輛的加速性能極有幫助;最大扭矩和功率都要比傳統發動機高;可以充分壓榨每一滴汽油的能量,燃油經濟性仍然十分出色,排放更為清潔。在均質燃燒模式下,燃油蒸發效果更好,同時蒸發的吸熱過程降低了混合氣溫度,使得發動機產生爆震的可能性大幅降低,因此壓縮比可以適當增加,這同樣可以提高發動機的功率。

2.2 TSI

TSI是德國大眾汽車集團旗下渦輪增壓汽油直噴發動機的標識,它的字母縮寫來源于兩個方面,其中T代表的是Turbo,即渦輪增壓技術;SI來源于FSI,代表大眾汽車旗下采用缸內汽油直接噴射技術的發動機。從字面意思來看,TSI就是渦輪增壓與汽油直噴的結合體,也可以把它理解成TFSI。所以TSI是一種極高效率的發動機形式,會是動力性與燃油燃油經濟性的完美統一。

2.3 EcoBoost

EcoBoost是福特對于未來使用渦輪增壓和缸內直噴兩項技術發動機的總稱。在傳統汽油發動機的基礎上,EcoBoost發動機進一步添加了燃油缸內直噴、渦輪增壓和雙獨立可變氣門正時系統這三大關鍵技術優勢,不僅保證了澎湃的動力輸出,而且優化了燃油經濟性高達20%,并降低15%的二氧化碳排放。

2.4 SIDI

通用將燃油直噴技術的代號稱為SIDI,是Spark Ignition Direct Injection的縮寫,直譯為火花點燃直接噴射技術。其實現的原理和一般的直噴發動機并無二致。

2.5 CGI

CGI是Stratified-Charged Gasoline Injection的縮寫,它代表梅賽德斯-奔馳的缸內直噴發動機,其中主要包含了缸內直噴技術和渦輪增壓技術。與其他車廠的直噴技術相比,CGI技術還有一個最大的特點是采用了壓電技術(piezoelectric)。由于目前的直噴發動機都存在分段控制模式,也就是低轉速時使用分段多次噴射燃燒,而高轉速下就不再使用,其主要原因是目前的噴嘴都是螺線圈電磁控制式,在高轉速狀態下,噴油時間要求極短,噴嘴響應速度并不適合太高轉速。因此,奔馳開發了壓電觸發的噴嘴,也就是利用活塞在壓縮沖程的壓力,通過壓力變形下的微弱電信號,經過放大電路放大后控制閥門開閉。壓電噴射器百萬分之一秒的時間反應,為噴嘴提供基本的多點分層噴射成為可能,在每次壓縮短時間內,再分為多次噴射,特別是高轉速下,也同樣有分段噴射,從而得到更理想的稀薄燃燒,這對提高發動機燃燒效率是至關重要的。

2.6 GDI

GDI是Gasoline Direct Injection的縮寫,它代表寶馬、豐田和三菱的缸內直噴發動機,它與其他一般的直噴發動機也無二致。

3缸內直噴發動機結構原理

缸內直噴系統與普通電控噴射系統相比,其主要的區別是燃油供給系統。由于向氣缸內直接噴射燃油,且噴射過程延續到發動機的壓縮行程,所以缸內直接噴射系統必須通過一個高壓燃油泵使提供給噴油器的燃油壓力達到10MPa以上。燃油供給系統可分為低壓燃油系統和高壓燃油系統兩部分。

低壓燃油系統主要由燃油箱、低壓燃油泵、壓力限制閥、壓力保持閥、濾清器、低壓油管、低壓燃油壓力傳感器等組成,其主要功用是將燃油從油箱中抽出,并經過濾清器過濾后輸送給高壓燃油泵。發動機ECU根據低壓燃油壓力傳感器信號控制燃油泵工作,來實現低壓燃油壓力的閉環控制,低壓燃油泵工作壓力為0.2MPa～0.5MPa。發動機熄火后,壓力保持閥可使低壓系統保持一定的殘余壓力,由于交通事故等原因導致燃油管破裂時,壓力保持閥還可防止燃油溢出。壓力限制閥可將低壓燃油系統的壓力限制在0.64MPa以下,以防止低壓管路內的燃油壓力過高。

高壓燃油系統主要由高壓燃油泵、燃油高壓調節閥、高壓燃油壓力傳感器、高壓油管和燃油分配管等組成。高壓燃油泵將低壓燃油泵輸送來的燃油進一步提高壓力后,通過高壓油管和燃油分配管輸送給噴油器;高壓燃油壓力傳感器安裝在燃油分配管一側,用來檢測燃油分配管內的燃油壓力(即噴油器的噴油壓力),并將信號輸送給ECU;燃油高壓調節閥安裝在高壓燃油泵上,根據ECU的指令調節高壓燃油系統的壓力。此外,通常在燃油分配管上也安裝一個壓力限制閥,當高壓燃油系統壓力超過12MPa,該閥開啟通向低燃油系統的回油通道,以防止高壓燃油系統壓力過高。

4缸內直噴發動機存在的一些問題

雖然缸內直噴發動機在動力性、經濟性及排放方面有很多一般電控發動機所無法比擬的優點,但是缸內直噴技術燃燒本身仍有很多不足之處需要改進。

(1)缸內直噴發動機的噴油器放在氣缸內,由于噴油壓力低,噴孔沒有自潔作用,因此很容易結垢,從而使噴霧特性變壞,噴油量減少,使發動機的燃燒惡化,影響發動機的功率輸出和排放。

(2)缸內直噴的火焰在快速傳播的同時,會出現部分火焰熄滅的現象,這就會使HC的排放增加,另外,缸內壁面的燃油附著、著火延遲等情況也會使HC的排放增加。

(3)由于氣缸內混合氣的濃度和溫度分布不均勻,NOx在高溫區生成較多,而高空燃比造成的氧含量過高,又使對NOx的處理難度增加。

(4)理論上缸內直噴發動機可以不采用節流閥,但實際生產的缸內直噴發動機都應用了適度的節流作用,因為輕度的節流和EGR可以降低HC的排放。但節流又會導致功率的損失,雖然EGR對NOx的降低有幫助,但過多的EGR又會使稀薄燃燒惡化。

(5)傳統的三元轉換器只能在空燃比為14.7附近內的小范圍內工作,顯然已不適合稀薄燃燒。

(6)發動機不同負荷的噴油時刻相差較大,發動機各種負荷的平滑過渡也有待進一步解決,成品發動機的成本較高,目前敢很難大量占有市場。

(7)缸內直噴發動機的壓縮比高,對汽油的品質要求也很高,目前國內只能使用97號汽油。

(8)由于高壓燃油系統的壓力高,對輸油管路及其接頭密封處的強度、加工精度要求隨之提高。

(9)由于缸內直噴發動機的噴油壓力高,且采用分段噴射技術,傳統的電磁式噴油器無法滿足要求。

同任何一項新興技術一樣,目前尚處于發展階段的缸內直噴還有很多缺點和不足,但是作為一種新型的燃燒方式,隨著研究的深入和一些相關技術的發展,缸內直噴發動機有著廣闊的發展前景,對解決能源危機和環境污染會起到很大的作用,缸內直噴發動機很有可能取代EFI發動機,成為世界汽油機發展歷史上又一個重要的里程碑。

參考文獻

[1] 張西振.汽車發動機電控技術(第2版)[J].北京:機械工業出版社,2011.