最新型的缸内多次喷射的直喷式汽油机(二)

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口逸锋４０缸内多次喷射的直啧式汽油机（二）

压电式喷油器

压电式喷油器基本上由

３个主要部件组成：喷油嘴部

件、压电模块和补偿元件（图

４）。喷油嘴喷出的锥形油束的

锥角为８５。，针阀行程约为

３５ｕｍ。

图５示出了采用米氏摄影

法拍摄的在充量分层（ｏ（＞１稀

薄燃烧）运转背压下形成的喷

雾束照片。这样的喷雾束只

有在各次喷油之间的波动非

常微小的情况下才能提供。

为了确保喷雾束的品质，测

试检验了各种特性参数，其

中包括描述喷雾束随时间和

空间扩展的特性因数△。

由于在２０ＭＰａ燃油压力

下，向外开启的喷油嘴喷出

的油束具有高的动量，在所

有运转条件下都能够形成稳

定的油束锥角，因此可以确

保不会碰到油束核心（火花塞

即使在空间位置上就在其附

Ⅸ汽车与配件》技术与市场ＡＰＴ（№８）２００７—１６　万方数据

近）也不会被液体燃油润湿。由于油束与周边环境有很大的速度差，因此在压缩行程喷射的’隋况下能够形成局部稳定的边缘涡流区。同时，这种由喷射产生的油束感应流动引起了非常有利的空气掺入，因此在边缘涡流区内形成了易于着火的混合气。在空心锥形油束内部，也以相似的方式产生了空气掺入效应。

不同混合气形成装置之间燃油汽化速度的比较。显然，在２０ＭＰａ系统压力下用向外开启喷油嘴喷射的燃油的汽化速度要比在１０ＭＰａ系统压力下用多孔喷油嘴喷射的燃油的汽化速度快四倍。同样，显而易见，由于向外开启喷油嘴喷射的燃油流量较大，喷射相同油量所必需的时间也要短得多。这可以结合压电直接控制来予以解释，并且由此将显示出更多的燃烧过程优点。

上述介绍的试验结果证实。向外开启的喷油嘴和２０ＭＰａ系统压力相结合能够产生稳定的喷射油束，气缸中的主流流动和涡流对其的影响是微不足道的。

废气再循环系统

在充量分层运转时采用废气再循环来减少ＮＯｘ的生成。废气从车厢前围板以后的左右两侧排气管路中取出，并分别各由一个伺服电机或旋转电磁铁操纵的圆盘阀来计量和调节。伺服电机上的霍尔传感器采集废气再循环阀的位置信号，该信号用于发动机电控单元对废气再循环阀进行位置调节。这两个废气再循环阀被一起装配在一个共用的水冷却的壳体中。再循环废气经过废气再循环阀后，在节气门后面被引入进气管（图５）。

燃烧

热力学分析表明，与所有其它方案相比，采用过量空气运行的油束引导燃烧过程具有最大的降低燃油耗的潜力。

１．热力学

与进气道喷射或壁面引导缸内直接喷射燃烧过程相比，奔驰公司开发的油束引导燃烧过程在热力学上具有

２００７－１６（Ｎｏ８）ＡＰＴ技术与市场Ⅸ汽车与配件》明显的优越性。

与入＝１运行的进气道喷

射汽油机相比，缸内直喷式

汽油机在充量分层（入＞１）运

行时，在绝热过程控制或等

容燃烧情况下具有明显大的

潜力。这主要是由于充量稀

释大大降低了气体温度，这

样在快速燃烧和减少壁面热

损失的情况下能够提高热效

率，而不像在量调节运转的

汽油机上那样主要是会导致

废气损失的增大。

除了实际的气体效应和

换气损失降低之外，还由于

良好的一次雾化改善了燃油

的转化效率，并且在喷油策

略和点火时刻方面具有较大

的自由度，气缸壁面和活塞

顶的润湿现象减少，燃烧也

更快速更完全，因此能够获

得有利的热力学燃烧重心位

置，低的ＨＣ排放，同时发动

机还能在更大的特性曲线场

范围内实现充量分层运行。

２．多次喷射

首先，压电式喷油器的开

闭十分迅速，能够在发动机

一个工作循环内以非常小的

间隔时间实现多次喷射，因

此为各种喷射策略的转换提

供了全新的可能性（图６）。

（１）充量分层运行

在直喷式汽油机燃烧过

程开发中应用了三维流动模

拟计算。在图７左图上的纵

剖面示出了在火花塞范围内

的油束油滴、用过量空气系

数表示出的混合气油雾和用

温度描述的点火后形成的燃

烧火焰。由于在点火部位的

混合气成分最易着火的时刻

点火，因此在多次喷射情况

下火焰传播得比单次喷射时

快。

对多次喷射进行的着火和

燃烧模拟计算所表明的这种

有利的效应已在试验中得到

了证实。图７右图示出了喷油

结束和点火时刻之间时间间

隔对不着火频率的影响。在

无断火范围内，在保持喷油

结束时刻不变的情况下可以

改变点火时刻。采用三次喷

射的无断火范围要比采用双

次喷射时明显大。喷油终了

时的喷油量越多，三次喷射

对混合气形成的有利作用就

越大。在大负荷工况分层运

行时，与双次喷射相比，借

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助于三次喷射能够明显地改善发动机运转的粗暴度，而且采

用三次喷射还能改善混合气油

雾的均质化，加快燃烧速度，

从而提高燃烧效率。由于在三

次喷射情况下主燃烧结束得较

快，因此在燃烧重心位置相同的情况下能够采用较晚的喷油

终了和点火。

（２）均质运行

在均质运行时，在高达

４０００

ｒ／ｍｉｎ的空负荷转速范围

和需要６５％以上的负荷范围内采用进气行程期间的双次喷

射，如图６中的第①喷油策略情况。借助于这种双次喷射易于达到较高的充气效率和较低的噪声。在其余的特性曲线场

范围内，则采用进气行程期间

的单次喷射来实现均质运行。

（３）起动和暖机

起动阶段对发动机满足废

气排放限值要求具有重要意

义。为此，采用Ｍ２７１ＤＥ直喷式汽油机上已应用过的起动时

在压缩行程喷油的方式能够获

得相对较低的排放，并附带开发出了一种对催化转化器迅速

加热特别有效的喷油策略。在这种情况下能够取消补充二次

空气，并能在最短的时间内应

用上压电式喷油器的特性，诸如重复性较好的锥形油束的分层充量能力和多次喷射等。

在直喷式汽油机上所应用的催化转化器加热策略被称之为“均质分段运行”，即一部分喷油量在进气行程期间喷

射，而另一部分喷油量在压缩行程期间喷射。

采用图６所示出的第⑧种喷油策略使混合气的着火性得到了明显的改善。此时。喷油量分成三次喷射：第一次喷

射在进气行程期间进行，第二

次喷射在压缩行程期间进行，

而第三次喷射只有非常小的燃

油量，直接送到火花塞附近，

因而能够采用极其晚的点火时

刻，并再次改善了噪声。采用这种喷油策略能够用较少的燃油量，在降低ＨＣ排放的同时获得较高的排气歧管和催化转化器温度。

因此，开发成功了一种用于直喷式汽油机催化转化器加热的方法，采用这种方法使直喷式汽油机能够满足目前所有的排放标准，并提供了达到未来废气排放限值的潜力。

（未完待续）

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