(江蘇省武進(jìn)職業(yè)教育中心校 汽車工程部，江蘇 常州 213164)

淺談汽油發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢

黃 磊

(江蘇省武進(jìn)職業(yè)教育中心校 汽車工程部，江蘇 常州 213164)

目前，我國汽車的產(chǎn)量位于世界的前列，但是核心技術(shù)并不在中國，總體技術(shù)含量不高。如今，節(jié)能行動進(jìn)行得如火如荼，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用汽車，針對汽車發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、以及新技術(shù)的應(yīng)用，本文從提高汽車發(fā)動機(jī)的經(jīng)常性，降低燃油消耗方面分析汽油汽車發(fā)動機(jī)缸內(nèi)直噴方法和原理。

汽車;稀燃技術(shù);分層;缸內(nèi)直噴

以往的汽油發(fā)動機(jī)是通過ECU采集凸輪軸位置傳感器的信號以及發(fā)動機(jī)各相關(guān)工作情況來控制噴油嘴將汽油噴入進(jìn)氣歧管。汽油在歧管內(nèi)混合后再被吸到汽缸中燃燒?？諝飧加?汽油)的最優(yōu)比值是14.7/1(也叫理論空燃比)，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)是燃油和大氣是在進(jìn)氣歧管內(nèi)混合形成燃油混合物，要想在經(jīng)濟(jì)性和動力性取得較好的效果，他們只能達(dá)到理論空燃，但是傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)的油嘴離氣缸燃燒室比較遠(yuǎn)，導(dǎo)致汽油和空氣的混合受到氣門開關(guān)和進(jìn)氣氣流的影響，從而使理論空燃難達(dá)到，這是傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)沒有辦法解決的一個(gè)課題。

一 用發(fā)展缸內(nèi)直噴的原因分析

無論是上世紀(jì)隨處可見的化油器發(fā)動機(jī)也好，還是現(xiàn)今廣泛采用的電噴發(fā)動機(jī)也罷，汽油發(fā)動機(jī)的油料供給方式一直都是采用“缸外混合”的方式。也就是在進(jìn)氣歧管內(nèi)完成。汽油先通過噴油嘴噴出，在進(jìn)氣歧管內(nèi)與大氣混合而成為“混合氣”。在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門打開之前，這些混合氣全部在進(jìn)氣歧管內(nèi)，直到進(jìn)氣門打開后混合氣才能夠因?yàn)槠兹紵业呢?fù)壓而進(jìn)入到汽缸燃燒室內(nèi)，然后在活塞壓縮行程終了時(shí)通過火花塞點(diǎn)燃從而快速劇烈燃燒。即使是現(xiàn)今的電控燃油噴射系統(tǒng)，其先進(jìn)之處也只是由ECU控制噴油嘴噴油的噴油量和時(shí)機(jī)，沒有改變“缸外混合”的原則。但隨著我們對發(fā)動機(jī)動力性和環(huán)保性的要求逐漸增高，可變氣門技術(shù)和增壓技術(shù)顯得有點(diǎn)跟不上了。混合氣的增壓壓力可以繼續(xù)提高，但對于汽車的機(jī)械可靠性以及動力平順性是很大的挑戰(zhàn);進(jìn)氣門的數(shù)量不能無限地增加，而且氣門正時(shí)和氣門升程調(diào)節(jié)有著不可能克服的物理限制。我們的工程師們就開動腦筋想，我們可不可以像柴油機(jī)那樣把噴油直接氣缸里面呢?而實(shí)際上，現(xiàn)今的機(jī)械制造技術(shù)已經(jīng)可以允許這樣做了，汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)成為了可能。

二 缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)的工作原理

缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)最大地優(yōu)化了進(jìn)氣混合效率，使燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性不再矛盾。FSI是Fuel Stratified Injection的字母簡寫，中文意思是燃料分層噴射技術(shù)，它代表著今后發(fā)動機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向。發(fā)動機(jī)稀燃技術(shù)中有一種燃油分層噴射技術(shù)。發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣混合氣中汽油含量少，空燃比在25:1以上，這就是稀燃。奧迪FSI增加了火花塞點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)的動力性，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性也有所提高，為環(huán)保性奠定了基礎(chǔ)。與常規(guī)的點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)相比較，F(xiàn)SI可將燃油混合物直接噴入燃燒室，不再需要節(jié)氣門裝置，降低了發(fā)動機(jī)的熱損失，從而增大了動力性和經(jīng)濟(jì)性。現(xiàn)進(jìn)的缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機(jī)是通過活塞泵來幫助提供所需要的壓力的，將燃油提供給位于汽缸內(nèi)部的電磁式噴油器。然后通過ECU控制噴油器將汽油在最恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間直接噴入燃燒室，精準(zhǔn)度大約為毫秒，其關(guān)鍵是噴油器的安裝，必須在汽缸上部留有空間。

三 FSI缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)

(一)油耗低和排放低。大眾所用的FSI發(fā)動機(jī)的原理是用一個(gè)高壓泵，使汽油通過一個(gè)軌道(共軌)到達(dá)電磁式控制的高壓噴射氣門。它的優(yōu)點(diǎn)是在進(jìn)氣道中已經(jīng)產(chǎn)生可變化的渦流，使進(jìn)氣流形成最好的渦流形狀和狀態(tài)進(jìn)入燃燒室內(nèi)，用分層填充的方式來推動，使燃油混合氣體集中在位于火花塞的周圍。分層注油模式可以用在發(fā)動機(jī)低或中速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)。它可以額提高發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能，在低轉(zhuǎn)速，小負(fù)荷的時(shí)候，只需在火化塞的周圍形成濃度較高的油氣混合物體，其它空間只需要空氣含量較高的混合氣體，因此FSI使它與理想的狀態(tài)十分的接近。當(dāng)節(jié)氣門全開，發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，大量空氣高速進(jìn)入汽缸，形成較強(qiáng)渦流并與汽油均勻混合。從而促進(jìn)燃油充分燃燒，提高發(fā)動機(jī)動力的輸出。ECU不斷的根據(jù)傳感器型號改變噴油模式，始終保持最好的供油方式。燃油的充分利用不僅提高了燃油的利用率和發(fā)動機(jī)的動力輸出，并且使尾氣排放得到了改善。

(二)提高了發(fā)動機(jī)硬件和油品質(zhì)量。FSI直噴發(fā)動機(jī)既然有這么多的技術(shù)優(yōu)勢，相應(yīng)的其對發(fā)動機(jī)質(zhì)量或者使用油料的品質(zhì)要求也就必然變高。第一，它的噴油器是裝在燃燒室上的，汽油直接噴射到燃燒室中去，油路管道必須要有比氣缸內(nèi)更高的壓力才能把汽油有效的噴射到燃燒室中去。這樣，燃油管路和噴油器的制造和設(shè)計(jì)工藝也要求更高。并且由于噴油器是直接安裝在燃燒室內(nèi)的，那么噴油器必須要耐高溫高壓。第二，F(xiàn)SI直噴發(fā)動機(jī)的壓縮比非常高，達(dá)到了11.5，在這種情況下對汽油要求就很嚴(yán)格。就現(xiàn)在我國的來說，必須要使用高清潔度汽油(98號)。就技術(shù)來說，F(xiàn)SI缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)非常適合目前油價(jià)容易上漲的市場需要。作為奧迪公司和競爭對手抗衡的一張王牌，這款發(fā)動機(jī)有它自身強(qiáng)大的生命力，必然會引領(lǐng)發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢。

(三)增加特殊的三元催化轉(zhuǎn)換器能夠凈化尾氣，降低泵吸的損失。FSI發(fā)動機(jī)可以在兩種模式中自動選擇。低負(fù)荷時(shí)為分層稀薄燃燒，高負(fù)荷時(shí)為理論空燃比(14.6－14.7)燃燒。在這兩種運(yùn)行模式中，燃料的噴射時(shí)間有所不同，真空作動的開關(guān)閥進(jìn)行開啟/關(guān)閉。在稀薄燃燒中，在排放氣體中殘留很多，不能進(jìn)行氮氧化合物還原反應(yīng)。為了使氮氧化合物吸儲型催化劑獲得高效功能，其溫度必須保持在250－500℃范圍內(nèi)。當(dāng)超過這一溫度范圍發(fā)動機(jī)會自動轉(zhuǎn)換到均質(zhì)理論空燃比燃燒，并通過轉(zhuǎn)化器進(jìn)行廢氣的尾氣處理。然而這又與燃油經(jīng)濟(jì)性變差相關(guān)，為此，必須增加廢氣冷卻的裝置。NOx吸儲型催化轉(zhuǎn)化器長時(shí)間工作會受到S的侵蝕而中毒，所以必須把汽油中的含硫量盡量降低。但是，含硫低的汽油目前市場上一般很難有加注。在城市內(nèi)道路上行駛時(shí)受到道路情況的影響從而使催化劑的溫度下降不能有效燒出硫。用氮氧化合物傳感器監(jiān)視催化劑上付著的硫的程度，并根據(jù)實(shí)際情況提高排出尾氣的溫度。

四 結(jié)語

直噴發(fā)動機(jī)真正運(yùn)用起來卻是困難的很。缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)首先需要解決的是噴油嘴的安裝位置的問題，由于氣缸頂部已經(jīng)布置了火花塞和多個(gè)氣門，十分緊湊。由于噴油嘴的加入讓氣缸頂部設(shè)計(jì)和制造的要求都變的相當(dāng)?shù)母?，如果布置不合理、制造精度達(dá)不到要求就會導(dǎo)致剛度不夠甚至漏氣。同時(shí)油、氣的混合空間、時(shí)間都很短暫，所以缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的噴油嘴必須加以高壓，以大幅度提高燃油的噴射壓力和效率，讓其高度霧化。此外，缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的燃燒室、活塞也具有特殊的導(dǎo)流槽，以供油氣在進(jìn)入燃燒室后能夠產(chǎn)生特定的氣旋渦流，以提高燃油混合物的燃燒效率與霧化效果與燃燒效率。

上海通用別克新君越搭載在新君威車型上使用的ECO 2.4發(fā)動機(jī)和別克首款直噴發(fā)動機(jī)3.0 V6 SIDI。奔馳的CGI直噴發(fā)動機(jī)、凱迪拉克的SIDI雙模直噴發(fā)動機(jī)、豐田GR發(fā)動機(jī)系列系列里面的直噴機(jī)型、三菱GDI直噴技術(shù)、馬自達(dá)的DISI直噴系統(tǒng)等。由于篇幅所限，這些直噴技術(shù)之間的差異只能在日后再作討論。

［1］魯植雄主編《缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)與維修》江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2009年

［2］凌凱汽車資料編寫組汽車原理出版社:北京郵電大學(xué)出版社2005年

［3］于洪水主編《發(fā)動機(jī)與汽車原理》北京大學(xué)出版社2005年

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