现代缸内直喷式汽油机三.docx

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现代缸内直喷式汽油机三

现代缸内直喷式汽油机（三）

（接上期）

1.3燃油喷射方面的基本要求和特点

汽油机的缸内直接喷射方式对燃油喷射系统的要求肯定要明显高于进气道喷射方式，因为前者不仅要实现高负荷时在进气行程期间的喷射，而且还要满足部分负荷时在压缩行程后期即活塞接近上止点时的喷射要求，因此其喷油压力要明显高于进气道喷射方式，需达到5〜12MPa。

高压燃油

泵和喷油器是现代缸内直喷式汽油机的重要部件，特别是喷油器的喷雾品质是保证良好混合汽形成，以实现分层与稀燃的关键之一，这将在下文有关喷油系统的章节中专门予以详述。

按喷射的介质不同，缸内直喷式汽油机的燃油喷射系统可分为高压燃油直接喷射系统和低压混合汽直接喷射系统两大类。

1.3.1高压燃油直接喷射系统

如图13左中所示，高压燃油直接喷射系统可分为以下两种。

（1）柴油机式喷油系统：

这是早期Ford公司PROCO缸内直喷式汽油机所采用的类似柴油机的泵一管一嘴式燃油喷射系统，由于当时使用的仍是普通机械式的喷油器，为了便于实现喷油的电子控制，燃油泵压出的燃油不像柴油机那样直接打开喷油嘴针阀喷入汽缸，而是通过电磁阀开启的通道返回燃油箱，只有在电控单元关闭电磁阀后才使燃油产生高压（12〜35MPa），将喷油嘴打开而喷入汽缸。

（2）共轨式喷油系统：

这是目前缸内直喷式汽油机应用最为广泛的一种喷油系统，其工作原理与当今柴油机使用的高压共轨喷油系统相同。

只是燃油共轨压力要低得多，约为5〜12MPa。

这种共轨式喷油系统将燃油的高压产生与油量计量两大基本功能分离，分别由燃油泵和电控喷油器承担，这就为灵活而又精确地进行电子控制提供了前提条件，特别适合于现代缸内直喷式汽油机需要根据负荷在进气和压缩行程喷射实现分层混合汽和均质混合汽运行之间的转换，为喷油系统与充量运动和燃烧过程的匹配提供了极大的自由度。

因此，现代缸内直喷式汽油机几乎无不例外都采用这种共轨喷油系统，本文将着重以这种喷油系统为例介绍有关的内容。

1.3.2低压混合汽直接喷射系统

如图13右所示的澳大利亚奥比特（Orbital）公司为二冲程汽油机开发的低压空气辅助喷射系统就是属于这种类型，其燃油以0.6〜0.8MPa，压缩空气以0.5MPa压力喷入预混合室，

形成混合汽后再喷入汽缸。

喷雾的油滴直径优于高压喷射系统，只有10卩m左右。

为了能应用于四冲程汽油机，奥地利AVL公司还曾开发过另一种空气辅助喷射系统，即利用上一循环压缩行程中的高压气体进入预混合室与喷入的燃油形成混合汽后再喷入汽缸。

美国Ford公司也曾开发过一种类似的空气辅助喷射系统，并曾试用于四冲程直喷式汽油机。

阻碍这类低压空气辅助喷射系统得到广泛应用的主要原因是：

虽然其改善了混合汽的形成，在小缸径的情况下可避免燃油湿壁现象，但是需要额外的压缩空气。

这非但增加了制造成本，而且其能量消耗会使汽油机的燃油耗增加1%〜4%,同

时相对较低的喷油压力使得可供选择的喷油终点受到缸内压力的限制，尤其是在增压发动机上。

至于AVL公司开发的那种空气辅助喷射系统，则酷似非直喷式柴油机，充量进出预混合室必将引起流动损失，对燃油消耗产生不利的影响。

2缸内直喷式汽油机的结构特点

2.1系统概述

燃烧系统的设计与燃油喷射系统、排气后处理以及发动机的电子控制一起构成了现代缸内直喷式汽油机的核心技术，而先进的电控喷射系统是发动机能在不同模式下运行并在分层燃烧与均质燃烧之间平顺转换的基础。

同时，只有使燃油的压力产生过程与喷射过程脱钩并采用电子控制技术，才可能达到为此所，必需的调节范围和调节速度。

现代缸内直喷式汽油机经历了这么多年的不断摸索、改进和发展，至今基本上形成了比较规范的设计，下文以应用Bosch公司电控缸内直接喷射系统的机型为例来介绍各相关系统的基本结构及特点。

图14是现代缸内直喷式汽油机典型的系统布置示意图，主要有进气系统、喷油系统、点火系统、排气后处理系统和电子控制系统等五大系统，所用的传感器和执行部件大体上与进气道喷射汽油机相似，但为适应缸内直喷式汽油机工作原理的特点而有所不同。

图14中示出了采用Bosch公司MotronicMED7电控汽油缸内直接喷射系统的主要部件。

这种高压喷油系统是一种共轨蓄压式喷射系统，因此燃油能够按电控单元的指令在任何时刻以所需要的压力由电控喷油器精确计量并直接喷八汽缸，而所要求的发动机输出扭矩值（即负荷大小）是由司机根据行驶的需要踩下或松开加速踏板模块，通过其中的“油门”位置传感器发出的电信号通知电控单元来调节喷油量而实现的（即所谓的扭矩控制方式，将在电子控制系统章节予以介绍）。

为了使发动机能够实现分层燃烧与均质燃烧两种运行方式，必须将进气量调节与加速踏板

调节（负荷调节）分开，以便能够在低负荷工况时节气门全开，实现发动机无节流运行，而在高负荷工况时又能用节气门来调节进气空气量。

进气空气质量可由电子节气门（EGAS）自由调节，并应用热膜空气质量流量计来精确测量汽缸吸入的空气质量。

而混合汽控制由一个普通的宽带入传感器来实现，

用于进行入=1的均质运行或分层稀薄运行调节以及吸附式降NOx催化器再生的精确控制（可参见电子控制系统章节）。

为了降低发动机的NOx原始排放，应尽可能采用高的废气再循环（EGR）率，因此在热力循环中废气再循环的精确调节是特别重要的，采用一个进气管压力传感器来进行废气再循环的测量。

2.2进气系统

从图14可清楚地看到，现代缸内直喷式汽油机的进气

系统包括热膜空气质量流量计、电子节气门（EGAS）、进气管

压力传感器、废气再循环（EGR）阀和进气滚流阀（或涡流阀）等。

其中前四种部件早已在电控进气道喷射汽油机上被人们所熟悉，在此只重点介绍缸内直喷式汽油机所应用的进气滚流阀和涡流阀。

现代缸内直喷式汽油机应用的进气空气运动方式有两种：

进气滚流和进气涡流。

发动机的基本结构对于气体流动方案的选择起着决定性的作用。

在四气门汽油机上，若气门夹角较大，则大多采用滚流支持的直喷式燃烧过程比较有利，而气门夹角较小时则采用涡流支持的直喷式燃烧过程。

对于两气门汽油机而言，则大多选择涡流支持的直喷式燃烧过程。

总而言之，需视燃烧系统（喷油器、进气道和火花塞）的布置方式及燃烧过程的组织如何以利于协调三者之间的相互配合来选择。

充量运动的主要任务不仅要在宏观范围内支持混合汽的输送和充量的分层，而且还要在微观油雾油滴数量和尺度方面使充量均质化。

这可以通过将进气形成的充量运动维持到上止点后，或者晚些时候转化成局部的扰动来实现，使得汽缸中所有的混合汽都能充分混合而完全燃烧。

避免形成像柴油机那样的炭烟和颗粒排放。

倒如：

图15所示的FEV滚流燃烧过程采用的可变充最滚流运动，可使得稀薄分层混合汽运转的特性曲线场范围内的烟度平均为0.2博世烟度单位。

最高不会超过0.5博世烟度单位，这相当于众所周知的传统进气道喷射汽油机的水平。

（1）进气滚流缸内直喷式汽油机所应用的进气滚流是进气空气通过进气道的导向而在汽缸中形成的绕垂直于汽缸中心线的轴线旋转的充量运动。

根据滚流形成的方式又可细分为正向滚流（图15）和逆向滚流（图16）两种。

逆向滚流通常由直立式进气道产生，进气空气直接沿着同侧的汽缸壁面进入汽缸而形成充量的旋转运动，流动顺畅，具有较好的流量系数，但其汽缸盖高度较高，会增加发动机的总体高度。

图16所示的是法国PSA-HPi-2.0L直喷式汽油机壁面引导式燃烧过程所应用的直立式进气道及其逆向滚流。

正向滚流的进气道则大多倾斜布置在汽缸盖的一侧，而喷油器布置在其下方，如图17所示的奥迪A3轿车2.0L-FSl直喷式汽油机应用这种进气道和滚流阀的情况，此时火花塞就可以对称地布置在汽缸中央，对燃烧过程十分有利。

通常汽缸盖滚流进气道中的滚流隔板将进气道按40：

60的比例

分隔成上下两部分（图18），在其下半部进气道口设有滚流阀。

在部分负荷时随着滚流阀的关闭，进气空气越来越多地通过上半部进气道进入汽缸，汽缸中的滚流强度增强，以此来帮助混合汽的形成和控制充量的分层，而在高负荷工况以均质混合汽运行时滚流阀完全打开，以充分利用进气道的流通能力。

进气道中的滚流隔板可以采用预先将隔板与进气道泥芯一起定位在铸模中铸入，在要求较高的场合也可以如图18左图所示的奥迪A3轿车2.0L-FSI直喷式汽油机那样，在进气道采用可控仿形铣刀进行加工的同时在进气道中铣出安装滚流隔板的槽。

这种加工形成的进气道和插入的滚流隔板的流量系数要明显高于进气道喷射（MPI）汽油机，如图侣右图所示。

通常，滚流阀及其操纵装置组合成一个组件，连接在汽缸盖进气道侧。

如图19所示的是大众Lupo轿车1.4-FSI直喷式汽油机的滚流阀组件。

各缸的滚流阀用螺钉安装在同一根轴上，由杠杆机构和一个由电磁阀（安装在进气管侧面）控制的真空膜盒操纵，其功能只局限于滚流阀纯粹的开／关控制。

真空膜盒通过电磁阀从进气管上的一个单独的真空罐中获得所需的真空。

由于在分层充气运转时可利用的真空度平均只有0.01〜0.015MPa,因此在日常使用和车辆维修中必须重视系统的密封性，以避免因真空度不足甚至无真空度而使分层充气运转中断，因小疏忽而酿成大故障。

在滚流阀轴端还装有一个位置传感器，将滚流阀的位置反馈给电控单元，实现反馈控制。

因为滚流阀的位置对均质燃烧运行时的最佳点火定时有重大影响，而在有EGR的均质燃烧工况下，关闭滚流阀能明显提高燃烧稳定性。

为了提高滚流强度的控制精度，现代直喷式汽油机越来越多地应用伺服电机或电磁执行器来操纵滚流阀，使其能够根据工况变化的需要而无级连续改变其开度。

从而获得更为合适的滚流强度。

（2）进气涡流缸内直喷式汽油机所应用的进气涡流是进气空气通过进气道的导向而在汽缸中形成的绕汽缸轴线旋转的充量运动，类似于直喷式柴油机中的情况。

这种进气涡流既适合于分层混合汽形成，例如丰田公司直喷式汽油机（见典型机型介

绍），也是均质混合汽形成所需要的，例如Fiat-GM-Opel动

力总成公司在2.2-Ecotec进气道喷射汽油机的基础上推出的该公司第一台2.2-DirectEcotec直喷式汽油机采用均质混合汽运行，每缸具有两个完全分开的进气道：

切向进气道（也可采用螺旋气道）和充气进气道（图20），在充气进气道中装有涡流调节阀，在部分负荷工况时由伺服电机通过杠杆机构能将充气气道连续关小直至完全关闭，越来越多的进气空气通过切向进气道进入汽缸，从而提高涡流强度（图21），提高充量均质化，并有利于提高发动机对EGR的相容性。

全负荷工况时涡流调节阀完全打开，以充分利用充气进气道的流通能力来改善空气供应获得高功率，此时得到与进气道喷射汽油机相同的空气流动特性（参见图21）。

（未完待续）

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今年6月11日