淺談汽油發(fā)動機的發(fā)展趨勢

(江蘇省武進職業(yè)教育中心校 汽車工程部，江蘇 常州 213164)

淺談汽油發(fā)動機的發(fā)展趨勢

黃 磊

(江蘇省武進職業(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，但是核心技術并不在中國，總體技術含量不高。如今，節(jié)能行動進行得如火如荼，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用汽車，針對汽車發(fā)動機的特點、結(jié)構、以及新技術的應用，本文從提高汽車發(fā)動機的經(jīng)常性，降低燃油消耗方面分析汽油汽車發(fā)動機缸內(nèi)直噴方法和原理。

汽車;稀燃技術;分層;缸內(nèi)直噴

以往的汽油發(fā)動機是通過ECU采集凸輪軸位置傳感器的信號以及發(fā)動機各相關工作情況來控制噴油嘴將汽油噴入進氣歧管。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)動機是燃油和大氣是在進氣歧管內(nèi)混合形成燃油混合物，要想在經(jīng)濟性和動力性取得較好的效果，他們只能達到理論空燃，但是傳統(tǒng)的發(fā)動機的油嘴離氣缸燃燒室比較遠，導致汽油和空氣的混合受到氣門開關和進氣氣流的影響，從而使理論空燃難達到，這是傳統(tǒng)發(fā)動機沒有辦法解決的一個課題。

一 用發(fā)展缸內(nèi)直噴的原因分析

無論是上世紀隨處可見的化油器發(fā)動機也好，還是現(xiàn)今廣泛采用的電噴發(fā)動機也罷，汽油發(fā)動機的油料供給方式一直都是采用“缸外混合”的方式。也就是在進氣歧管內(nèi)完成。汽油先通過噴油嘴噴出，在進氣歧管內(nèi)與大氣混合而成為“混合氣”。在發(fā)動機進氣門打開之前，這些混合氣全部在進氣歧管內(nèi)，直到進氣門打開后混合氣才能夠因為汽缸燃燒室的負壓而進入到汽缸燃燒室內(nèi)，然后在活塞壓縮行程終了時通過火花塞點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)，其先進之處也只是由ECU控制噴油嘴噴油的噴油量和時機，沒有改變“缸外混合”的原則。但隨著我們對發(fā)動機動力性和環(huán)保性的要求逐漸增高，可變氣門技術和增壓技術顯得有點跟不上了?；旌蠚獾脑鰤簤毫梢岳^續(xù)提高，但對于汽車的機械可靠性以及動力平順性是很大的挑戰(zhàn);進氣門的數(shù)量不能無限地增加，而且氣門正時和氣門升程調(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那樣把噴油直接氣缸里面呢?而實際上，現(xiàn)今的機械制造技術已經(jīng)可以允許這樣做了，汽油機缸內(nèi)直噴技術成為了可能。

二 缸內(nèi)直噴發(fā)動機的工作原理

缸內(nèi)直噴發(fā)動機最大地優(yōu)化了進氣混合效率，使燃油經(jīng)濟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，它代表著今后發(fā)動機的一個發(fā)展方向。發(fā)動機稀燃技術中有一種燃油分層噴射技術。發(fā)動機的進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增加了火花塞點燃式發(fā)動機的動力性，同時經(jīng)濟性也有所提高，為環(huán)保性奠定了基礎。與常規(guī)的點燃式發(fā)動機相比較，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)動機的熱損失，從而增大了動力性和經(jīng)濟性。現(xiàn)進的缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機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?shù)臅r間直接噴入燃燒室，精準度大約為毫秒，其關鍵是噴油器的安裝，必須在汽缸上部留有空間。

三 FSI缸內(nèi)直噴發(fā)動機的特點

(一)油耗低和排放低。大眾所用的FSI發(fā)動機的原理是用一個高壓泵，使汽油通過一個軌道(共軌)到達電磁式控制的高壓噴射氣門。它的優(yōu)點是在進氣道中已經(jīng)產(chǎn)生可變化的渦流，使進氣流形成最好的渦流形狀和狀態(tài)進入燃燒室內(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)動機低或中速運轉(zhuǎn)時。它可以額提高發(fā)動機的經(jīng)濟性能，在低轉(zhuǎn)速，小負荷的時候，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。當節(jié)氣門全開，發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時，大量空氣高速進入汽缸，形成較強渦流并與汽油均勻混合。從而促進燃油充分燃燒，提高發(fā)動機動力的輸出。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)動機硬件和油品質(zhì)量。FSI直噴發(fā)動機既然有這么多的技術優(yōu)勢，相應的其對發(fā)動機質(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計工藝也要求更高。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)動機的壓縮比非常高，達到了11.5，在這種情況下對汽油要求就很嚴格。就現(xiàn)在我國的來說，必須要使用高清潔度汽油(98號)。就技術來說，F(xiàn)SI缸內(nèi)直噴發(fā)動機非常適合目前油價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)動機有它自身強大的生命力，必然會引領發(fā)動機的發(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)動機可以在兩種模式中自動選擇。低負荷時為分層稀薄燃燒，高負荷時為理論空燃比(14.6－14.7)燃燒。在這兩種運行模式中，燃料的噴射時間有所不同，真空作動的開關閥進行開啟/關閉。在稀薄燃燒中，在排放氣體中殘留很多，不能進行氮氧化合物還原反應。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)。當超過這一溫度范圍發(fā)動機會自動轉(zhuǎn)換到均質(zhì)理論空燃比燃燒，并通過轉(zhuǎn)化器進行廢氣的尾氣處理。然而這又與燃油經(jīng)濟性變差相關，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)實際情況提高排出尾氣的溫度。

四 結(jié)語

直噴發(fā)動機真正運用起來卻是困難的很。缸內(nèi)直噴發(fā)動機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氣門，十分緊湊。由于噴油嘴的加入讓氣缸頂部設計和制造的要求都變的相當?shù)母?，如果布置不合理、制造精度達不到要求就會導致剛度不夠甚至漏氣。同時油、氣的混合空間、時間都很短暫，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流槽，以供油氣在進入燃燒室后能夠產(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)動機和別克首款直噴發(fā)動機3.0 V6 SIDI。奔馳的CGI直噴發(fā)動機、凱迪拉克的SIDI雙模直噴發(fā)動機、豐田GR發(fā)動機系列系列里面的直噴機型、三菱GDI直噴技術、馬自達的DISI直噴系統(tǒng)等。由于篇幅所限，這些直噴技術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)動機結(jié)構與維修》江蘇科學技術出版社，2009年

［2］凌凱汽車資料編寫組汽車原理出版社:北京郵電大學出版社2005年

［3］于洪水主編《發(fā)動機與汽車原理》北京大學出版社2005年

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