論電控汽油發(fā)動機(jī)直噴技術(shù)的應(yīng)用

蔣南希

摘 要：近年來，隨著汽車產(chǎn)量的不斷增加，能源、環(huán)境、安全問題的日益嚴(yán)峻，人們對汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)的研究在不斷探究，汽油發(fā)動機(jī)直噴技術(shù)就是將汽油升為高壓后直接噴入氣缸內(nèi)與空氣混合的技術(shù)。其工作效率得到了很大提高，并有效降低油耗、提高發(fā)動機(jī)功率。汽油在氣缸中混合的更加均勻，點(diǎn)火燃燒將更加充分，達(dá)到更高效率的能量轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步達(dá)到提高功率、節(jié)能、環(huán)保的目的。：該文主要從結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計(jì)技術(shù)、維修技術(shù)上對汽油發(fā)動機(jī)直噴技術(shù)進(jìn)行分析，并導(dǎo)入大眾汽車TSI發(fā)動機(jī)為案例進(jìn)一步詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：直噴技術(shù) 發(fā)動機(jī) TSI

中圖分類號：U464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0129-02

目前人們對汽車的使用性能要求越來越高，已經(jīng)不滿足于進(jìn)氣歧管多點(diǎn)噴射技術(shù)，為了進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能、高效、環(huán)保，工程師研制出了更加精準(zhǔn)的燃油噴射技術(shù)，這種技術(shù)就是缸內(nèi)直噴技術(shù)。

缸內(nèi)直噴就是將高壓燃油噴嘴安裝于氣缸蓋上，直接將燃油噴入氣缸內(nèi)與空氣混合。其特點(diǎn)主要是油耗低、升功率大，且壓縮比高達(dá)12，功率與扭矩大大提高，與同排量的一般發(fā)動機(jī)相比，它的功率與扭矩提高了10%。為了增加效率，更加準(zhǔn)確的控制燃油與空氣的結(jié)合，缸內(nèi)直噴技術(shù)在進(jìn)氣歧管噴射基礎(chǔ)上優(yōu)化了燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，噴射壓力也得到相應(yīng)提高，燃油顆粒霧化更細(xì)，除此之外還消除了缸外噴射各種的缺點(diǎn)。各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及對于壓力、位置、進(jìn)氣流的精確控制，使油氣混合更加精確，也進(jìn)一步提高了效率，此技術(shù)借鑒了柴油機(jī)的特點(diǎn)，故有人認(rèn)為缸內(nèi)直噴式汽油發(fā)動機(jī)是將柴油機(jī)的形式移植到汽油機(jī)上的一種創(chuàng)舉。

1 結(jié)構(gòu)

直噴式汽油發(fā)動機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)主要有以下部件：氣缸蓋、進(jìn)氣管、高壓油泵、噴油器、活塞。

發(fā)動機(jī)最為關(guān)鍵的部分是氣缸蓋，缸蓋中最關(guān)鍵的部分燃燒室對混合氣體以及氣體流動和火焰的燃燒作用最大。

進(jìn)氣管為發(fā)動機(jī)進(jìn)氣部分，對采用分層燃燒模式的發(fā)動機(jī)來說，需要嚴(yán)格控制進(jìn)氣管的直徑、長度以及諧振腔的容積，而且可變滾流量和可變管長等結(jié)構(gòu)也要進(jìn)行增加，以達(dá)到增加氣流量和滾流量的效果。因此，進(jìn)氣管的設(shè)計(jì)難度大幅增加，結(jié)構(gòu)以及制造成本都會上升。由于進(jìn)氣增壓的作用，渦輪增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管大部分情況下壓力都為正值，一般壓力可達(dá)0.2 MPa左右，為滿足系統(tǒng)的真空度要求，進(jìn)氣管的強(qiáng)度要求更加嚴(yán)格，而且發(fā)動機(jī)本身還要額外增加真空泵。

高壓油泵是由安裝在進(jìn)氣凸輪軸尾端的凸輪來進(jìn)行驅(qū)動，最為重要的就是升程的選擇，這直接影響機(jī)器冷啟動直噴建壓時間，一般在2～4ms之間。而升程則需要根據(jù)凸輪的的型線、發(fā)動機(jī)的使用要求以及制造所需工藝等條件來進(jìn)行綜合考慮。

直噴系統(tǒng)的核心部件是噴油器，噴油器對發(fā)動機(jī)的各種性能影響最大，其在缸內(nèi)的位置、結(jié)構(gòu)形式、形狀以及方向都對燃油的霧化和混合程度以及燃燒的充分度產(chǎn)生最直接的影響。另外噴油器受油品質(zhì)量影響，質(zhì)量差的油品，由于摻雜其它物質(zhì)或者純凈度不夠，極易形成積碳對噴油器造成堵塞，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)性能，并對噴油器的壽命造成極大的影響，故直噴發(fā)動機(jī)對油質(zhì)要求較高，一般使用97號汽油，且需要定期保養(yǎng)，維護(hù)費(fèi)用較高。

直噴發(fā)動機(jī)一般將活塞當(dāng)做關(guān)鍵部件來進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，因?yàn)槠鋵Ω變?nèi)的氣流以及氣體的形成等方面影響巨大。但是為達(dá)到油氣充分混合，油氣的濃度進(jìn)一步均勻分布，從而使燃燒更加充分和徹底，達(dá)到更高效率，無論是使用哪種引導(dǎo)方式，都需要特殊的活塞頂面凹坑適應(yīng)。

2 工作原理

不同于進(jìn)氣歧管，多點(diǎn)電噴只是通過電腦采集曲軸、凸輪軸位置等發(fā)動機(jī)各信號從而控制噴油嘴將汽油噴入進(jìn)氣歧管后形成可燃混合氣再送入氣缸。缸內(nèi)直噴又被叫作FSI（Fuel Stratified Injection），是一種燃燒分層噴射技術(shù)，這種技術(shù)代表著傳統(tǒng)汽油引擎發(fā)展的一個方向，目前已被廣泛運(yùn)用。傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機(jī)噴嘴與燃燒室有一定距離，這段距離由進(jìn)氣歧管導(dǎo)入，因此汽油不能與空氣很快混合徹底，并且一些燃油會吸附在進(jìn)氣管壁上，時間一長甚至造成積碳，直噴系統(tǒng)可以較大的改善這種現(xiàn)狀。FSI就是開發(fā)用來改善傳統(tǒng)汽油發(fā)動機(jī)供油方式不足的缸內(nèi)直噴技術(shù)，其采用一種類似柴油發(fā)動機(jī)的技術(shù)，通過一個能提供高達(dá)100bar的活塞泵，用電磁噴射器以接近毫秒的精度將汽油直接噴入氣缸內(nèi)部的燃燒室中，并在燃燒室中形成漩渦，使油氣充分混合、燃燒。

大眾汽車公司的TSI發(fā)動機(jī)所采用燃油直噴技術(shù)是當(dāng)今行業(yè)中技術(shù)最為先進(jìn)、也是最為成熟的直噴技術(shù)，在同等排量的發(fā)動機(jī)中，TSI動力性與經(jīng)濟(jì)性得到超強(qiáng)的結(jié)合，尤其是與DSG變速箱的搭配號稱“黃金搭檔”，價格相對也比較經(jīng)濟(jì)，在汽油發(fā)動機(jī)的發(fā)展中起著引領(lǐng)作用，TSI即在FSI的基礎(chǔ)上增加了進(jìn)氣渦輪增壓裝置。

3 設(shè)計(jì)技術(shù)

直噴技術(shù)的精髓所在，是通過使用一個活塞泵來提供燃油充分混合所需的高達(dá)100 bar以上的巨大壓力，用電磁噴射器將高壓汽油噴入氣缸。由于燃燒室內(nèi)形狀的特殊設(shè)計(jì)，噴油嘴在極短時間內(nèi)，通過巨大壓力，直接將燃油注入燃燒室中，這一時間的把控必須最恰當(dāng)，此時燃燒室內(nèi)由于壓力以及特殊形狀的設(shè)計(jì)，將會使油氣產(chǎn)生巨大漩渦，進(jìn)一步對油氣進(jìn)行混合，以達(dá)到燃燒更加充分的目的。一些高濃度的混合氣體充分散瘀在火花塞附近，而一些稀薄油氣則分散在高濃度混合氣周邊外圍區(qū)域，這樣一來，點(diǎn)火系統(tǒng)工作時，火花塞周圍濃郁氣體極易點(diǎn)燃，在點(diǎn)燃的同時，周邊區(qū)域的稀薄氣體同時也被迅速點(diǎn)燃，如此一來便可實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒。

我們?nèi)砸源蟊奣SI發(fā)動機(jī)為例，TSI發(fā)動機(jī)與目前其他傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機(jī)有以下區(qū)別：與歧管噴射的原理不同，在噴油方面，TSI發(fā)動機(jī)配備了更為高級的供油系統(tǒng)，進(jìn)排氣凸輪軸連續(xù)可調(diào)裝置可以改變配氣相位，由于單活塞高壓泵的共軌高壓噴射系統(tǒng)可以提供極為精確的燃油，而且生成非常適合發(fā)動機(jī)點(diǎn)火的工作壓力，汽油則通過噴油器直接以高壓噴入氣缸內(nèi)部，缸內(nèi)的特殊設(shè)計(jì)以及極為精準(zhǔn)的計(jì)算使其壓縮比得到了大大的提高，從而造就了這種先進(jìn)的能夠在市場獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的新型發(fā)動機(jī)。在進(jìn)氣方面，大眾的新型TSI發(fā)動機(jī)使用先進(jìn)的進(jìn)氣控制翻板閥來控制氣體的需求量，進(jìn)一步增加了發(fā)動機(jī)充氣的效率，對功率也進(jìn)一步進(jìn)行提升，使得發(fā)動機(jī)的性能更加先進(jìn)。

4 維修技術(shù)

汽油直噴系統(tǒng)的主要故障集中在三個方面：（1）燃油系統(tǒng)壓力不正常故障（包括偏高或偏低）。故障現(xiàn)象又包括發(fā)動機(jī)無法啟動、動力不足及輸出轉(zhuǎn)速受限和發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)聲音大等，其原因主要是有低壓油路壓力不足，高壓油路壓力偏低或偏高等引起的；（2）噴油嘴噴油不良的故障。故障現(xiàn)象有怠速不穩(wěn)，加速時汽車偶爾發(fā)沖，其原因主要是由噴油嘴噴油不暢而導(dǎo)致噴油量不足、不噴油和噴油嘴卡滯滴漏等問題引起；（3）汽油品質(zhì)差導(dǎo)致的故障。故障現(xiàn)象有怠度不穩(wěn)、加速不暢、尾氣排放燈亮。由于直噴發(fā)動機(jī)對油品的要求較高，使用汽油的品質(zhì)不良而造成發(fā)動機(jī)早燃、爆震等故障。

5 結(jié)語

該文以大眾TSI為例，從結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計(jì)技術(shù)、維修技術(shù)上對汽車發(fā)動機(jī)直噴技術(shù)作了簡要分析。目前，石油等非再生資源由于發(fā)掘開采過多，已經(jīng)越來越稀少，人們對汽車充分燃燒率的要求也越來越高，在這種環(huán)境下，直噴技術(shù)也得到越來越廣泛的發(fā)展。這種技術(shù)的發(fā)展，對國內(nèi)外的發(fā)動機(jī)也帶來一場革命性的風(fēng)暴，代表著未來發(fā)動機(jī)的方向，在以后一段時間內(nèi)將得到蓬勃發(fā)展，并將廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。

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