现代缸内直喷式汽油机_三_

直喷式汽油机 FEV滚流燃烧过程
图15 FEV公司直喷式汽油机的正向滚流
排气凸轮轴
进气凸轮轴
滚轮式摇臂
滚流阀板
火花塞 排气门
活塞
喷油器 进气门
连杆
图17 奥迪A3轿车2.0L-FSI直喷式汽油机进气 道及其滚流阀在汽缸盖上的布置
15所示的FEV滚流燃烧过程采用的可变 充量滚流运动，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。
(至ECU)
燃油箱/按需调节的电动燃油泵
NOX催化器
图14 缸内直喷式汽油机系统布置图
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Motronic MED7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入汽缸，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
燃油泵 (12～35MPa)
燃油泵 (5～10MPa)
燃油共轨
调压阀
喷油器 电磁阀
调压阀
电磁 喷油器
电磁 喷油器 燃油泵 (０.6～0.8MPa)
进气阀
压缩空气 (0.5MPa)
燃油箱
电控单元
燃油箱
燃油箱
电控单元 图13 缸内直喷式汽油机的燃油喷射系统
电控单元
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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。
(至ECU)
冷却水温 度传感器
EGR管
前置催化器(2个)
(至ECU)
加速踏板模块
温度传感器
跃变式氧传感器 (LSU)(2个)
诊断灯
诊断接口
防盗锁
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。
⑴ 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，
而喷入汽缸。 ⑵ 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
滚流阀真 空膜盒及 其位置传 感器
共轨压力 传感器
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现代缸内直喷式汽油机(三) 文/江苏 范明强
范明强 (本刊专家委员会委员)
教授级高级工程 师，曾任中国第一汽车 集团公司无锡研究所发 动机研究室主任、湖南 奔腾动力科技有限公司 轿车柴油机项目部总工 程师、无锡柴油机厂高 级技术顾问和多所高校 客座教授。他有着四十 余年车用发动机研发经 验，曾先后主持过多种 机型的开发工作和国家 “八五”重点科技攻关 项目——“汽车发动机 电子控制技术”，荣获 国家重大科技成果奖、 国家科技进步二等奖和 汽车工业科技进步二等 奖，并出版《汽车发动 机电控汽油喷射技术》 和《现代汽车电子控制 技术和装置》等专著。
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
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(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。
活性炭罐 热膜空气质量
流量计
电控单元
高压燃油泵
燃油箱通风电磁阀
进气管压力 /温度传感器
凸轮轴相位调节器
燃油共轨/ 高压喷油器
燃油压力传感器
电子节气门/位置传感器 EGR阀
滚流阀
EGR管
爆震传感器 (2个)
转速传感器
点火线圈 火花塞
(至ECU)
凸轮轴相 位传感器
(至ECU)
连续变化式氧传感器(LSU)(2个)
火花塞
直立式进气道
逆
喷油器
向
(喷油压力3～10MPa)
滚
流
压缩行程
汽油喷束
图16 PSA-H Pi-2.0 L直喷式汽油机壁面引导燃 烧过程的逆向滚流
如图17所示的奥迪A3轿车2.0L-FSI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18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
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。例如：图
NOX传感器
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λ传感器来实现，用于进 行λ=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
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。
⑴ 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-管-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(12～35 MPa)，将喷油嘴打开
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10µm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
120
100
10%
80
流量系数 ak [%]
30° FSI汽油机进气道
60
40
2.014V FSI
20
1.815V MPI
0 -70 -50 -30 -10 0 10 30 50 70
图18 奥迪A3轿车2.0L-FSI直喷式汽油机滚流进气道的几何形状及其流量系数
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