现代缸内直喷式汽油机(二)

现代缸内直喷式汽油机(二)

(接上期)

2缸内直喷式汽油机的发展历史

在内燃机出现的早期，即20世纪初，人们就已对汽油喷射方式进行过研究。1900年德国Deutz公司就曾经生产过汽油喷射的固定式发动机。以后，汽油喷射的应用范围逐步转移到活塞式航空发动机上。二战前夕的20世纪30年代，德国已开始用Benz和BMW公司的汽油喷射发动机装备军用飞机。

航空发动机采用汽油喷射技术所取得的成果，自然也引起了人们将其应用到汽车上的兴趣。但是，当时并没有对化油器式汽油机的燃烧方法做重大改动。通常是为了提高汽车发动机的功率，往往仅在现有的汽缸盖结构基础上，为配备直接喷射喷油器而进行相应的修改，因此开发的重点侧重于喷油装置及其调节。1938年德国空军研究所(DVL)和Bosch 公司合作，首先致力于汽车二冲程缸内直喷式汽油机的研究，并完成了装车试验。Daimler Benz公司也于1939年推出了专供赛车使用的四冲程缸内直喷式汽油机。直到1952年汽油直接喷射才首次批量应用于汽车，Gutbrod公司首先使用Bosch公司提供的机械控制式汽油喷射系统批量生产装有

二冲程缸内直喷式汽油机的轿车，因二冲程汽油机采用缸内直接喷射之后可避免扫气过程中的燃油损失，与当时的化油器汽油机相比，其燃油耗节约了25％～40％。1954年Benz 公司首次推出了排量为3.1L的四冲程直立6缸M198缸内直喷式汽油机(图5和图6中)，搭载于300SL型轿车。

虽然1934年德国就开始研究如何通过把燃油直接喷入燃烧室而得到不均匀的混合汽，即分层充量。在20世纪50-60年代，美国Texaco公司也推出了TCP(Texaco Combustion Process)燃烧系统以及1968年Ford公司推出的

PROCO(Ford-Programmed Combustion Process)燃烧系统(图6右)，立足于节能减排，力求通过分层稀薄燃烧方式来提高压缩比，使汽油机在保持本身优点的前提下，在燃油经济性方面达到或接近柴油机的水平。但是，由于缸内直喷式汽油机既有喷油系统又有点火系统，结构较为复杂，成本也较高，同时在燃烧室内实现分层燃烧的调试比较困难，开发费用大，再加上当时尚缺乏供稀薄燃烧用的NOx后处理技术，因此一直到20世纪80年代末，汽油机缸内直喷分层稀燃技术仍未进入实用阶段。

随着内燃机技术的进步，特别是基于微电子技术的计算机技术的迅速发展，为汽油机缸内直接喷射技术的重新发展提供了前提条件。同时迫于节能和环保要求日益严格的压

力，也对汽油机缸内直接喷射寄予新的期望而再次提上议事日程。因而20世纪90年代各国纷纷加强了对汽油机缸内直喷技术的研究，至1996～1997年日本三菱和丰田公司率先相继将其开发的缸内分层稀燃直喷式汽油机投入批量生产。特别是最近10来年，欧洲在Bosch等燃油喷射系统专业生产厂商的汽油缸内直接喷射系统日趋成熟和完善的基础上，各大汽车公司，诸如大众和BMW等，不断推出了动力性能优异、节油效果明显并达到欧4／欧5排放标准的新款缸内直喷式汽油机轿车，标志着汽油缸内直喷技术，无论是在喷油系统、缸内空气运动和燃烧过程的组织及其调试方面，还是在电子控制系统和废气后处理系统方面都已相当成熟。开始进入蓬勃发展的崭新阶段。

与此同时，大众公司已在我国大连设厂开始批量生产缸内直喷式汽油机，供应一汽大众和上海大众轿车，与欧洲同步推出新车型供应国内市场。因此，对于我国汽车维修行业来讲，这种技术含量颇高的节能减排的新车型，既为拓展维修市场空间提供了新的机遇，也对知识的更新和提高维修技术提出了新的挑战。

第二篇基本原理和结构特点

1缸内直喷式汽油机的工作原理

1.1混合汽的形成与调节方面的基本要求及特点

人们在发展现代汽油机缸内直喷技术时，力图综合传统汽油机和柴油机两方面的优点。众所周知。柴油机按狄塞尔(Diesel)循环工作，即采用压燃和混合汽质调节方式工作。其燃油经济性明显优于汽油机。而汽油机则采用奥托(Otto)循环工作，混合汽进行量调节，过量空气系数(实际空气量／燃油按化学计量比燃烧所需空气量=空燃比／14.7)小，实现均质预混合燃烧，其动力性能指标，即升功率要高于柴油机。而在柴油机中进行的是非均质混合汽扩散燃烧，尽管总体上过量空气系数λ>1，但混合汽中仍存在局部缺氧的情况，以至于形成了柴油机特有的碳烟与颗粒排放，这在缸内直喷式汽油机中，特别是在分层混合汽燃烧过程中的浓混合汽区域要尽量避免出现类似的情况。

为了扬长避短，综合汽油机和柴油机两方面的优点，要求在现代缸内直喷式汽油机中，如图7所示。在部分负荷时燃油于压缩行程后期喷入，实现混合汽分层稀薄燃烧(过量空气系数λ≥1.9～2.2)，并采用混合汽调节，以避免节气门的节流损失，力求达到与柴油机相当的燃油经济性；而在中等直至高负荷时，燃油在进气行程中喷入，根据运行工况的需要，实现均质稀薄混合汽燃烧(λ=1.3～1.4)或均质燃烧(λ

=1.0)或均质加浓混合汽燃烧(λ提高6％～10％，燃油耗降低6％，并达到欧4排放标准(将在本文后续中的国内外典型机型章节中予以专门介绍)。大众公司在我国大连生产的直喷式汽油机，也就是因我国市场目前暂时无法供应低硫汽油以及缺乏维修经验的实际情况而将原来的分层混合汽燃烧过程改为均质混合汽燃烧过程。2006年，BMW 公司开发的335i-3.0L轿车上搭载的直喷式汽油机也采用均质混合汽运行，从而在喷油量跨度较大的涡轮增压机型上能够采用每循环多次喷射的策略。在小负荷工况时只需进气行程期间的单次喷油就足以获得均匀的油气混合汽，而在低速高负荷运转工况时，在进气行程期间将喷油量分成2次或3次喷射，这样就能够在尽可能少湿壁的情况下获得非常均匀的油气混合汽，图8示出了其在发动机特性曲线场范围内多次喷射的应用情况，其燃油耗也要比相应的进气道喷射机型低10％，而且废气排放也能得到明显的改善。特别是在冷启动后采用2次喷油策略，第一次在进气行程喷油，第二次在压缩行程喷油，此时只要不损坏发动机的运转平稳性，点火时刻可以明显延迟到点火上止点后。从而使废气温度提高200℃以上，大大加快催化转化器的加热，使NOx和HC排放明显降低，可比采用单次喷油时低大约30％(图9)。

此外，应当指出，分层混合汽运行并不是减少换气过程泵气损失的唯一途径，可变气门正时也可以减少这种损失。