廖軍強(qiáng)

摘 要:由于能源枯竭和環(huán)境污染情況日益嚴(yán)重,即使是多點(diǎn)燃油噴射這樣的技術(shù)也不能滿足人們的要求了,于是更為精確的燃油噴射技術(shù)誕生了,那就是汽油機(jī)缸內(nèi)直接噴射技術(shù)。本文將對汽油機(jī)缸內(nèi)直接噴射技術(shù)的類型、結(jié)構(gòu)原理、存在問題等進(jìn)行簡要的論述。

關(guān)鍵詞:缸內(nèi)直噴類型結(jié)構(gòu)原理存在問題

中圖分類號(hào):TK41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2012)07(a)-0076-02

近年來,由于能源緊缺和環(huán)境污染問題的日益突出,汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)面臨著越來越嚴(yán)峻的考驗(yàn)。目前為絕大多數(shù)汽車所采用的EFI發(fā)動(dòng)機(jī)已顯出明顯不足,主要由于混合氣在進(jìn)氣門處形成,汽油霧化不完全、混合氣質(zhì)量欠佳,所以燃燒不充分冷啟動(dòng)排放和燃油經(jīng)濟(jì)性較差。汽油機(jī)缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)則與EFI系統(tǒng)迥然不同,該系統(tǒng)是將汽油直接噴射到氣缸里,通過相應(yīng)的控制手段,可以大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性能,同時(shí)大幅度降低排放。

1汽油機(jī)缸內(nèi)直接噴射技術(shù)

汽油機(jī)缸內(nèi)直接噴射技術(shù),簡稱缸內(nèi)直噴,顧名思義,就是把汽油直接噴射到氣缸內(nèi)。隨著技術(shù)的發(fā)展,化油器被淘汰后,開始采用汽油噴射技術(shù),按照噴射位置可以分為進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直接噴射兩種。進(jìn)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(jìn)氣歧管的前方,汽油噴入進(jìn)氣歧管與空氣混合后再進(jìn)入氣缸。缸內(nèi)直接噴射則更為先進(jìn),噴油嘴位于氣缸內(nèi)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(diǎn)。

2缸內(nèi)直噴的類型及其特點(diǎn)

近年來,缸內(nèi)直噴的發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)的研究與開發(fā)越來越受到重視,其被認(rèn)為是內(nèi)燃機(jī)解決能源和環(huán)境問題的重要方向之一,國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和汽車廠商都致力于缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的研究與開發(fā),并推出了各種裝備缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車。

2.1 FSI

FSI是Fuel Stratified Injection的縮寫,它代表大眾汽車的缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。從理論上來說,采用FSI技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)有至少兩種燃燒模式:分層燃燒和均質(zhì)燃燒,從上面3個(gè)英文單詞來看,分層燃燒應(yīng)該是FSI發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。分層燃燒的好處是熱效率高,節(jié)流損失少,能把噴入缸內(nèi)的汽油盡可能多的轉(zhuǎn)化成能量。但是,目前大眾汽車旗下的FSI發(fā)動(dòng)機(jī),都采用均質(zhì)燃燒模式,分層燃燒以前在德國曾經(jīng)用過,現(xiàn)在也取消了。因?yàn)榉謱尤紵捎孟』旌蠚?雖然非常省油,但是卻提高了缸內(nèi)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(zhuǎn)換干凈,這就需要可以降低氮氧化物排放的催化轉(zhuǎn)換器,由此帶來的成本已經(jīng)超出了分層燃燒省油的好處,而且對排氣系統(tǒng)的空間布置要求也更高。

取消了分層燃燒后,FSI發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)相比,仍然具有三大優(yōu)勢:均質(zhì)燃燒具有非常好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)高;可以充分壓榨每一滴汽油的能量,燃油經(jīng)濟(jì)性仍然十分出色,排放更為清潔。在均質(zhì)燃燒模式下,燃油蒸發(fā)效果更好,同時(shí)蒸發(fā)的吸熱過程降低了混合氣溫度,使得發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生爆震的可能性大幅降低,因此壓縮比可以適當(dāng)增加,這同樣可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。

2.2 TSI

TSI是德國大眾汽車集團(tuán)旗下渦輪增壓汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)識(shí),它的字母縮寫來源于兩個(gè)方面,其中T代表的是Turbo,即渦輪增壓技術(shù);SI來源于FSI,代表大眾汽車旗下采用缸內(nèi)汽油直接噴射技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)。從字面意思來看,TSI就是渦輪增壓與汽油直噴的結(jié)合體,也可以把它理解成TFSI。所以TSI是一種極高效率的發(fā)動(dòng)機(jī)形式,會(huì)是動(dòng)力性與燃油燃油經(jīng)濟(jì)性的完美統(tǒng)一。

2.3 EcoBoost

EcoBoost是福特對于未來使用渦輪增壓和缸內(nèi)直噴兩項(xiàng)技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的總稱。在傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上,EcoBoost發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步添加了燃油缸內(nèi)直噴、渦輪增壓和雙獨(dú)立可變氣門正時(shí)系統(tǒng)這三大關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢,不僅保證了澎湃的動(dòng)力輸出,而且優(yōu)化了燃油經(jīng)濟(jì)性高達(dá)20%,并降低15%的二氧化碳排放。

2.4 SIDI

通用將燃油直噴技術(shù)的代號(hào)稱為SIDI,是Spark Ignition Direct Injection的縮寫,直譯為火花點(diǎn)燃直接噴射技術(shù)。其實(shí)現(xiàn)的原理和一般的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)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(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī),其中主要包含了缸內(nèi)直噴技術(shù)和渦輪增壓技術(shù)。與其他車廠的直噴技術(shù)相比,CGI技術(shù)還有一個(gè)最大的特點(diǎn)是采用了壓電技術(shù)(piezoelectric)。由于目前的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)都存在分段控制模式,也就是低轉(zhuǎn)速時(shí)使用分段多次噴射燃燒,而高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速狀態(tài)下,噴油時(shí)間要求極短,噴嘴響應(yīng)速度并不適合太高轉(zhuǎn)速。因此,奔馳開發(fā)了壓電觸發(fā)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(hào),經(jīng)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(shí)間反應(yīng),為噴嘴提供基本的多點(diǎn)分層噴射成為可能,在每次壓縮短時(shí)間內(nèi),再分為多次噴射,特別是高轉(zhuǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率是至關(guān)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(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī),它與其他一般的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)也無二致。

3缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理

缸內(nèi)直噴系統(tǒng)與普通電控噴射系統(tǒng)相比,其主要的區(qū)別是燃油供給系統(tǒng)。由于向氣缸內(nèi)直接噴射燃油,且噴射過程延續(xù)到發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮行程,所以缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)必須通過一個(gè)高壓燃油泵使提供給噴油器的燃油壓力達(dá)到10MPa以上。燃油供給系統(tǒng)可分為低壓燃油系統(tǒng)和高壓燃油系統(tǒng)兩部分。

低壓燃油系統(tǒng)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(jīng)過濾清器過濾后輸送給高壓燃油泵。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)低壓燃油壓力傳感器信號(hào)控制燃油泵工作,來實(shí)現(xiàn)低壓燃油壓力的閉環(huán)控制,低壓燃油泵工作壓力為0.2MPa～0.5MPa。發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后,壓力保持閥可使低壓系統(tǒng)保持一定的殘余壓力,由于交通事故等原因?qū)е氯加凸芷屏褧r(shí),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(tǒng)的壓力限制在0.64MPa以下,以防止低壓管路內(nèi)的燃油壓力過高。

高壓燃油系統(tǒng)主要由高壓燃油泵、燃油高壓調(diào)節(jié)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(jìn)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(cè),用來檢測燃油分配管內(nèi)的燃油壓力(即噴油器的噴油壓力),并將信號(hào)輸送給ECU;燃油高壓調(diào)節(jié)閥安裝在高壓燃油泵上,根據(jù)ECU的指令調(diào)節(jié)高壓燃油系統(tǒng)的壓力。此外,通常在燃油分配管上也安裝一個(gè)壓力限制閥,當(dāng)高壓燃油系統(tǒng)壓力超過12MPa,該閥開啟通向低燃油系統(tǒng)的回油通道,以防止高壓燃油系統(tǒng)壓力過高。

4缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)存在的一些問題

雖然缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放方面有很多一般電控發(fā)動(dòng)機(jī)所無法比擬的優(yōu)點(diǎn),但是缸內(nèi)直噴技術(shù)燃燒本身仍有很多不足之處需要改進(jìn)。

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

(2)缸內(nèi)直噴的火焰在快速傳播的同時(shí),會(huì)出現(xiàn)部分火焰熄滅的現(xiàn)象,這就會(huì)使HC的排放增加,另外,缸內(nèi)壁面的燃油附著、著火延遲等情況也會(huì)使HC的排放增加。

(3)由于氣缸內(nèi)混合氣的濃度和溫度分布不均勻,NOx在高溫區(qū)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(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)可以不采用節(jié)流閥,但實(shí)際生產(chǎn)的缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)都應(yīng)用了適度的節(jié)流作用,因?yàn)檩p度的節(jié)流和EGR可以降低HC的排放。但節(jié)流又會(huì)導(dǎo)致功率的損失,雖然EGR對NOx的降低有幫助,但過多的EGR又會(huì)使稀薄燃燒惡化。

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

(6)發(fā)動(dòng)機(jī)不同負(fù)荷的噴油時(shí)刻相差較大,發(fā)動(dòng)機(jī)各種負(fù)荷的平滑過渡也有待進(jìn)一步解決,成品發(fā)動(dòng)機(jī)的成本較高,目前敢很難大量占有市場。

(7)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比高,對汽油的品質(zhì)要求也很高,目前國內(nèi)只能使用97號(hào)汽油。

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

(9)由于缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油壓力高,且采用分段噴射技術(shù),傳統(tǒng)的電磁式噴油器無法滿足要求。

同任何一項(xiàng)新興技術(shù)一樣,目前尚處于發(fā)展階段的缸內(nèi)直噴還有很多缺點(diǎn)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(guān)技術(shù)的發(fā)展,缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)有著廣闊的發(fā)展前景,對解決能源危機(jī)和環(huán)境污染會(huì)起到很大的作用,缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)很有可能取代EFI發(fā)動(dòng)機(jī),成為世界汽油機(jī)發(fā)展歷史上又一個(gè)重要的里程碑。

參考文獻(xiàn)

[1] 張西振.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)(第2版)[J].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.