汽车发动机新技术的论文

汽车发动机新技术---缸内直喷式

近年来，当代汽车汽车飞速发展，汽车新技术不断涌现和应用，带动汽车性能不断改善。下面就现代缸内直喷式汽油机进行简单介绍。

汽油机的发展经历了100多年的漫长历史，其中具有里程碑意义的发展阶段无不是以油气混合方式和机理的变迁为标志的。

早期的化油器式汽油机依靠化油器喉口气流流速增加所产生的真空度将汽油吸出被高速进气空气流雾化以及汽油油滴本身的蒸发而与空气形成可燃混合汽。油气混合比(空燃比=进气空气质量/燃油质量)取决于化油器喉口的设计和量孔直径，负荷的调节是由节气门的开度来调节进入汽缸的油气混合汽量来实现的，因此属于混合汽外部形成的量调节方式，且没有任何反馈控制。由于汽油-空气混合汽能在相当宽的空燃比范围内点燃，这种不太精确的控制对早期汽油机的正常运行并不存在什么问题。

但是，随着世界工业化的发展，汽车成为不可或缺的主要交通工具，而作为汽车主要动力的这种化油器式汽油机废气中的有害成分(C O、H C和N O X等)对大气造成了污染，而燃烧产物二氧化碳又产生“温室效应”导致全球气候变暖。随着汽车数量的与日俱增，对人类生存环境的危害日趋加剧，因此汽车的节能减排已成为全球刻不容缓需要解决的重要问题。

汽油缸内直接喷射从油气混合机理上可以解决变工况(如车辆加速时)和冷启动时油气混合不足的问题。早期的缸内直喷式汽油机因喷射技术水平的限制，喷雾油滴的直径约为80μm。计算表明，一滴这样大小的油滴在200℃空气中需要大约55ms才能完全蒸发。如果发动机的转速为1500r/min的话，这段时间相当于495°CA(曲轴转角)。显然，蒸发时间过长，在这种情况下油气混合不能主要依靠喷雾来实现。随着汽油喷射技术的进步，现代缸内直喷式汽油机应用的汽油泵的供油压力已达到5～12MPa，又采用带旋流的喷油嘴，雾化性能得以提高，喷雾的油滴直径约为20μm，喷雾锥角可达50～100°，常压下的贯穿度约为100mm 。此时一滴20μm 的油滴在上述同样情况下仅需 3.4 ms或31°CA就能完全蒸发，因而汽油的蒸发和与空气的混合可主要依靠喷雾来实现，再加上缸内空气运动的辅助，变工况(如车辆加速时)和冷启动时不再需要过量喷油，冷启动喷油量得以大大减少(图1)，有害物排放也将大为降低。同时，由于汽油直接喷入汽缸内，消除了进气道喷射时形成壁面油膜的弊病，特别是在发动机尚未暖机的状态下，因而能改善变工况时对空燃比的控制，不但能改善车辆的加速响应性，而且还能降低此时的有害物排放。

此外，缸内直接喷射还可带来很多其它好处，从而有利于降低燃油耗，达到节能和减少温室气体二氧化碳排放的目标。例如：汽油在缸内直接喷射时油滴主要依靠从缸内空气中吸热而非从壁面吸热，因而能使混合汽的温度降低和体积减小，从而有利于提高充气效率，降低爆震倾向和提高压缩比。计算表明，在汽油油滴蒸发完全依靠从空气中吸热或者完全依靠从壁面吸热这两种极端情况下，缸内混合汽的体积在空燃比为12.5时将相差大约7％，而混合汽的温度在上止点前将相差大约50℃。因此，与进气道喷射汽油机相比，缸内直喷式汽油机的充气效率提高了10％，同时爆震倾向也大为降低，表现在受爆震限制的点火时刻可提前若干曲轴转角，因而压缩比可提高1.5～2，有利于提高汽油机的热效率，降低燃油耗(约2%)。特别是有利于汽油机采用增压，并应用较高的压缩比，克服了由于增压汽油机压缩比较小而对部分负荷燃油耗所带来的不利影响，同时提高了增压汽油机在2500r/min以下低转速范围内的增压压力，1200r/min时的扭矩能够提高25%，大大改善汽油机的低速扭矩特性和车辆的行驶性能。此外，由于汽油直接喷入汽缸内，可实现稀薄混合汽分层燃烧，使得低负荷工况时的空燃比可提高到40以上，从而无需关小节气门来限制进气量，采用像柴油机那样的质调节方式，基本上避免了发动机在换气过程中的泵气损失，有利于降低燃油耗。同时，在高空燃比情况下，由于混合汽物性的改变、绝热指数的增加以及混合汽分层致使热损失减少，使得发动机的热效率进一步提高。由于汽车发动机经常在低负荷工况下运行，因此分层混合汽燃烧的直喷式汽油机可使平均燃油耗降低15～20％。在欧洲机动车排放组合循环(MVEG)行驶试验中，其燃油耗明显低于进气道喷射汽油机已达到了相当于非直喷式柴油机的燃油耗水平(图2)

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图3示出了现代汽油机各种技术改进措施的节油潜力。可以清楚地看出，作为单一措施汽油缸内直接喷射蕴藏着最大的节油(即降低CO2排放量)的潜力。这种效果一方面是由于发动机的无节流运行降低了换气损失，另一方面由于充量分层运行，燃烧在燃烧室中央进行，周围有隔热的空气层而减少了壁面热损失，同时全负荷时的爆震倾向降低，因而发动机能够以较高的压缩比运行。这些措施在发动机整个特性曲线场范围内对燃油耗都起到了有利的作用。而燃烧室内的充量运动也使得在以化学计量比混合汽运转的范围内具有较高的EGR兼容性，因而在该运转范围内也能够获得节油效果。

综上所述，无论是从节能和减排的角度，还是从提高汽油机动力性能的角度来看，

现代缸内直喷式汽油机在进气道喷射技术的基础上，又将汽油机技术向前推进了一大步，从而成为世界汽油机发展历史上又一个重要的里程碑，不言而喻同样是我国汽车汽油机的重要的发展方向。

以上海大众EA888发动机为例，说起EA888，可谓大众的明星发动机。大众在中国一直以来背负着“桑塔纳发动机用30年”的王八壳子，就是EA888给揭掉的。先进的直喷涡轮增压技术，全球最佳发动机的头衔让大众从一干自然吸气引擎（NA机）中脱颖而出，扬眉吐气。值得一提的是，在外国大众汽车中搭载的EA888引擎还带有稀燃技术以进步降低油耗，但在引入中国后被大众阉割。EA888的身上具备了多种大众潜心研究多年的核心高科技，其核心的核心就是缸内直喷技术。普通自然进气发动机，燃料和空气的预混合是在进气歧管内的，油压（汽油）只有3bar左右。等到活塞冲程下行吸气，预混合的混合气进一步混合，在燃烧室的高温下进一步雾化，以达到更好的空混比，最后被火花塞引燃推动活塞。这样产生的油气混合物的浓度，气缸各个不同部位的油气混合比很难做到精确的控制，燃烧效率无法提高的很多。而缸内直喷顾名思义就是把燃油以极高的压力使其雾化喷入缸内，它不同于自然吸气发动机，将汽油直接喷入缸内，这里没有进气道的预混合，且进气压力比非涡轮的要大，能达到更精确的混合比，更好的控制气缸内的混合物的浓度和分布，提高燃油效率和扭矩。但是普通油泵3bar喷油压力是无法直接喷入缸内的，就算喷进去，也来不及混合无法点燃，换句话说就是无法工作的。这中间就需要一个特殊的部件——共轨高压油泵。所谓高压油泵主要的作用就是产生高压油；采用三个径向布置的柱塞泵油元件产生高压油。低压燃油泵（3-6bar)将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压至 100-150bar送入高压油轨，最后由共轨油嘴喷入气缸，完成一个燃料的传递和加压工作，根据大众EA888引擎官方设计文档，高压共轨泵的正常工作压力为725.1 psi (50 个大气压) 到2175.5psi (150 个大气压)，极限承压200个大气压！事实上，最早把燃油加压喷入，以获得油气混合物实现充分燃烧的设计，并非出现在汽车上。而是来自于美国波音公司幻影工作室——这个专为国防部设计炸弹的工作室发现，普通炸药之所以威力总比设计时候的小，原因就在于炸药无法和空气充分燃烧。如果在炸弹爆炸瞬间，先释放出高压油气混合物（被称作云爆剂），再点燃，那就就能获得比常规武器威力大得多的炸弹。1公斤云爆剂就相当于3.2公斤TNT炸药的威力。根据这一原理，美军设计出了被称作炸弹之母(MOAB)的“掩体粉碎机”云爆弹。1991年2月13日下午4点，伊拉克巴格达阿米里亚防空洞。幻影工作室设计的“掩体粉碎机”穿透几十米的地面和钢筋水泥墙体，将防空洞炸出一个大洞，火光伴着爆炸产生的巨大压力把人体撕成碎片甩到墙壁上。五分钟后，第二颗“掩体粉碎机”从炸开的大洞直接钻进防空洞内，剧烈的爆炸产生冲天大火，将烧焦的尸体在墙壁上形成人形图