【文章內(nèi)容簡介】 增大，油滴的運(yùn)動很快受到衰減，使得油束比較集中，并且穿透不深，正好滿足此時的要求；后一種情況，即高工況、采用均質(zhì)充量時，應(yīng)將噴油正時提早到吸氣沖程的前期，這首先是因?yàn)榇藭r噴油可使燃油不沾濕或少沾濕活塞和缸套壁面， 其次是因?yàn)榇藭r缸內(nèi)的環(huán)境壓力還接近或小于大氣壓力，充量密度不高，油束中油滴所受的阻力較小，油滴的運(yùn)動衰減較慢，所以油束比較分散，穿透距離較長，也正好滿足此時的要求。噴油壓力至少與油束的兩個特性參數(shù)有關(guān)，一個是燃油霧化程度，另一個是油束穿透程度。霧化程度用油滴的 Sauter 平均直徑 SMD 表征。SMD 越小，油滴越細(xì)小，霧化程度越高。在油束渦流相同的情況下，提高噴油壓力可改善霧化程度。在低工況、采用分層充量的情況下，對燃油的霧化要求很高，因?yàn)閲娪秃苓t，燃油應(yīng)當(dāng)充分汽化，以便在抵達(dá)火花塞之前的短暫時間內(nèi)促進(jìn)空氣迅速卷入汽化的燃油中。油束穿透深度不是越大越好， 因?yàn)檫^大的穿透深度會導(dǎo)致燃燒室的濕壁現(xiàn)象，增加 HC 排放，但穿透深度必須達(dá)到一定水平，使得在低工況、分層充量的情況下油束能夠撞到活塞凹坑內(nèi)，而在高工況、均質(zhì)充量的情況下穿透深度應(yīng)當(dāng)更大一些， 以便擴(kuò)大油束在氣缸內(nèi)的分布范圍。油束穿透深度也與噴油壓力有關(guān)。噴油壓力升高時，一方面因?yàn)槿加挽F化改善，油滴不能噴到很遠(yuǎn)的地方，油束穿透不深；另一方面因?yàn)閲娪统跛偬岣?，又會增加穿透深度。兩者在一定程度上互相抵消。匹配工程師的任?wù)就是根據(jù)由負(fù)荷確定的噴油量，優(yōu)化噴油速率和噴油壓力。從這里也可看到 GDI 在噴油量控制方面與進(jìn)氣口噴射的區(qū)別。進(jìn)氣口噴射時用燃油壓力調(diào)節(jié)器保持噴油器孔內(nèi)外的壓力差恒定，確保噴油速率恒定，以便通過脈沖寬度控制每循環(huán)噴油量；而在GDI 中噴油速率和噴油壓力都是可控的。提高噴油壓力，則燃油霧化得好一些，但油束穿透深度小一些，正適合低工況、分層充量的情況下混合氣生成的要求；11 / 39降低噴油壓力，則燃油霧化得差一些，但油束穿透深度大一些，正適合于高工況、均質(zhì)充量情況下的要求。柴油機(jī)上采用缸內(nèi)直噴方法在提高熱效率方面取得了良好的效果，但要將該方法應(yīng)用于汽油機(jī)卻會遇到很多困難。柴油是自燃著火，初始著火總是發(fā)生于混合氣中最適宜著火的地方；汽油需點(diǎn)燃著火，火花塞的固定使初始著火位置也隨之固定。故在汽油機(jī)上要達(dá)到類似于柴油機(jī)那樣的工作方式就必須考慮用附加方法控制混合氣的制備?；旌蠚獾闹苽滟|(zhì)量是由燃油噴射系統(tǒng)、缸內(nèi)流場結(jié)構(gòu)以及他們之間的相互作用決定的，下面就從這三個方面加以論述。GDI 通常劃分了負(fù)荷區(qū)，因此要求 GDI 燃油噴射系統(tǒng)至少要能提供 23 種不同的操作模式，以適應(yīng)不同的負(fù)荷要求。試驗(yàn)結(jié)果表明采用電磁噴射閥的共軌噴射系統(tǒng)能滿足這一要求。GDI 比 PFI 對噴油器的要求嚴(yán)格。GDI 要求噴油器霧化水平高，能在較窄的脈沖寬度內(nèi)噴出所要求的燃油，以確保晚噴，實(shí)施分層燃燒，這就對噴油器提出了更高的動態(tài)響應(yīng)要求。另外，由于噴油器位于缸內(nèi)，工作條件惡劣，因此要對嘴端沉積物生成和高溫有更強(qiáng)的抵抗能力。此外，噴油器的噴霧特性對GDI 發(fā)動機(jī)的燃燒過程影響較大，而對 PFI 發(fā)動機(jī)的燃燒過程影響較小。大多數(shù) GDI 發(fā)動機(jī)若要達(dá)到可接受的 UBHC 排放和 IMEP（平均指示有效壓力）的循環(huán)變動系數(shù)，其 SMD（索特平均直徑）應(yīng)小于 25um。由于 SMD 的大小也影響燃油蒸發(fā)時間，故有人提出 SMD 小于 15um 的噴霧才適用于 GDI。因此，目前噴油器研究的一個重點(diǎn)是加強(qiáng)霧化效果。判斷霧化質(zhì)量的另一標(biāo)準(zhǔn)是噴霧中油滴尺寸的分布，其中最重要的是大尺寸油滴的分布，這是因?yàn)榇蟪叽缬偷蔚馁|(zhì)量占燃油總質(zhì)量比例大，同時也是最后仍保持液態(tài)的那部分燃油對燃燒和排放影響大。GDI 采用的噴油器主要有兩種類型。一種是空氣輔助噴油器。其噴油原理是先將燃油供入噴油器油室，再充以高壓空氣從而突破閥座彈力形成噴射。燃油的大部分是在前幾次閥座震蕩循環(huán)過程中噴出，噴霧形狀為錐角較大的中空結(jié)構(gòu)。另一種是高壓旋流噴油器。該噴油器可將油束的一部分動能轉(zhuǎn)化為水平旋轉(zhuǎn)動能，從而降低貫穿速度避免油束撞壁，同時仍保持原有的霧化水平。目前對高壓旋流噴油器的采用和研究最多。如圖 24 所示，為已開發(fā)的部分高壓旋流噴油器。高壓旋流噴油器的噴霧錐角主要依賴于噴油壓力和缸內(nèi)背壓，其中后者的影響較大，因此它能根據(jù)不同負(fù)荷區(qū)的要求提供所需要的噴霧形狀。在早噴時噴霧形狀是適宜均質(zhì)混合的中空擴(kuò)散型，在晚噴時是適宜分層燃燒的緊湊型。噴油壓力主要影響霧化質(zhì)量和貫穿速度，較適當(dāng)?shù)膰娪蛪毫?5kPa10kPa；對霧化過程進(jìn)行優(yōu)化后的貫穿速度能達(dá)到 40m/s50m/s，約 2 倍于典型缸內(nèi)流場速度，因此對缸內(nèi)流場必須仔細(xì)優(yōu)化。圖 24 已開發(fā)的部分旋流噴油器（1）Alidesignal 高壓旋流噴油器（2）Zexal 高壓旋流噴油器（3）三菱公司開發(fā)的高壓旋流噴油器（4）豐田公司的高壓旋流噴油器在進(jìn)氣沖程與壓縮沖程中的瞬態(tài)缸內(nèi)流場是 GDI 的另一關(guān)鍵因素。在 GDI 發(fā)動機(jī)中，流場的三個重要因素是平均流體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性(宏觀流場結(jié)構(gòu)） 、壓縮沖程中紊流的發(fā)展（微觀流場結(jié)構(gòu)）和點(diǎn)火區(qū)域的流場平均速度（宏觀流場結(jié)構(gòu)） ，能較長時間地保持平均流體結(jié)構(gòu)的流場將有利于分層，因此能把與平均速度相關(guān)聯(lián)的動能較晚地轉(zhuǎn)化為紊流動能的流場結(jié)構(gòu)是 GDI 系統(tǒng)所希望的；在火花塞電極間隙具有高紊流強(qiáng)度和低平均速度的流場對 GDI 系統(tǒng)也是有利的。在汽油機(jī)中可采用的流場結(jié)構(gòu)有滾流、渦流和擠流三種。渦流比滾流具有更小的粘性耗散，因此生存時間較長，更易保持分層；由于燃燒室的曲面導(dǎo)向作用，滾流容易衰減成大尺度的二次滾流結(jié)構(gòu)，這使得保持穩(wěn)定的混合氣分層變得困難，因而采用滾流為主的 GDI 發(fā)動機(jī)要比采用渦流為主的 GDI 發(fā)動機(jī)循環(huán)變動大。但滾流在上止點(diǎn)附近有助于加強(qiáng)紊流強(qiáng)度，而且在壓縮沖程中滾流具有加速旋轉(zhuǎn)的特性，能提高近壁面氣流速度，從而促進(jìn)壁面油膜的蒸發(fā)。由于上述流場結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際的 GDI 發(fā)動機(jī)中都被采用或綜合利用。如三菱公司采用反滾流結(jié)構(gòu)，豐田公司采用渦流結(jié)構(gòu)，Yamada 提出斜渦流，即13 / 39渦流和滾流的綜合結(jié)構(gòu)。流場結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和保持主要通過燃燒室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來進(jìn)行，如圖 25 所示是已有的燃燒室設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。此外，GDI 發(fā)動機(jī)與傳統(tǒng)汽油機(jī)的一個區(qū)別是燃油噴束將對缸內(nèi)流場產(chǎn)生影響，噴霧的卷吸作用會影響大尺度的流場結(jié)構(gòu)，還能促進(jìn)紊流強(qiáng)度的提高，且晚噴與早噴的促進(jìn)程度不同，通常早噴促進(jìn)的紊流強(qiáng)度可達(dá)晚噴時的 2 倍。圖 25 實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)直噴的燃燒室結(jié)構(gòu)圖（a）流場結(jié)構(gòu)為渦流、噴油器位于中央的燃燒室（b）流場結(jié)構(gòu)為渦流、 噴油器位于側(cè)面的燃燒室（c）流場結(jié)構(gòu) 為滾流的燃燒室（d）流場結(jié) 構(gòu)為擠流的燃燒室混合的實(shí)質(zhì)是缸內(nèi)流場與噴霧的相互作用。當(dāng)缸內(nèi)流場特性和噴霧特性被確定后，首先要考慮的因素是噴油器的布置，隨之也就要對火花塞位置進(jìn)行考慮以確保穩(wěn)定點(diǎn)火。較早的 GDI 發(fā)動機(jī)通常將火花塞與噴油器布置得很近，均位于燃燒室中心或附近。這樣布置結(jié)構(gòu)簡單，但會使進(jìn)氣門面積受到限制，進(jìn)而影響充氣效率的進(jìn)一步提高，同時過近的距離易使火花塞被油霧打濕。因此近年來將噴油器安裝于氣缸側(cè)面的布置方式得到發(fā)展，三菱公司和豐田公司均采用了該型式的布置，但需要對混合氣向火花塞的轉(zhuǎn)移進(jìn)行仔細(xì)優(yōu)化。當(dāng)噴油器和火花塞位置確定后，對混合的控制是通過噴油定時等噴油控制策略來進(jìn)行的，對燃燒的控制則是在此基礎(chǔ)上再通過點(diǎn)火定時來實(shí)現(xiàn)的。噴油定時對允許的點(diǎn)火提前角有影響，如噴得越晚，允許的點(diǎn)火提前角越大；對容積效率的影響成山峰形變化，即容積效率的提高率隨著噴油定時的提前先增加后減少。噴油定時決定了混合氣的均質(zhì)程度，也就決定了發(fā)動機(jī)的工作模式是均質(zhì)模式還是分層燃燒模式。工作模式的切換通過噴油定時的變換來實(shí)現(xiàn)。切換時要注意切換前后扭矩應(yīng)一致，以防扭矩變化帶來振動。圖 26 是豐田公司的噴油控制策略，圖 27 里卡多公司是的噴油控制策略，圖 28 是三菱公司的噴油控制策略。其中豐田公司模式切換時采用了二段噴射。首藤登志夫等人在缸徑為 135mm 的直噴式分層充氣發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了二段噴射的研究。他們在進(jìn)氣沖程中噴射一部分燃油，以便在燃燒室全空間內(nèi)形成稀薄的預(yù)混合氣，第二次在即將點(diǎn)火之前向火花塞噴射，以保證稀混合氣的穩(wěn)定著火和分層燃燒。試驗(yàn)結(jié)果表明與標(biāo)定工況下的稀燃相比，燃油消耗可降低 30% ，同時也表明影響燃燒的重要因素是點(diǎn)火定時、第二段噴油定時及第二段噴油量所占總油量的比例。26 豐田公司噴油控制策略圖 27 里卡多公司的噴油控制策略圖 28 三菱公司的噴油控制策略15 / 39GDI 發(fā)動機(jī)的燃燒特性和排放特性 GDI 發(fā)動機(jī)采用早噴時，其燃燒特性類似于均質(zhì)燃燒的 PFI 發(fā)動機(jī)，當(dāng)采用最大扭矩點(diǎn)火提前角時，50% 的混合氣在80150N?m 時燒掉；當(dāng)采用晚噴模式時，與 PFI 發(fā)動機(jī)相比，GDI 發(fā)動機(jī)顯著縮短點(diǎn)火延遲期和燃燒持續(xù)期，即使在低速時其最初的燃燒速率仍可與全負(fù)荷時相同，而 PFI 發(fā)動機(jī)在同樣條件下的燃燒速率則非常低。由于 GDI 發(fā)動機(jī)是分層燃燒，且 EGR 帶來的余熱可改善混合氣的形成，使 GDI 發(fā)動機(jī)可采取較高的EGR 率。在排放方面，GDI 發(fā)動機(jī)主要面臨 UBHC 排放及 NOx 排放問題。冷起動時的 UBHC 排放與 PFI 相比有較大的下降，怠速時略有上升，部分負(fù)荷時則顯著上升。小負(fù)荷時霧化時間不足、高 EGR 率使燃燒變差及高壓縮比導(dǎo)致更多的 HC壓入間隙中等因素是導(dǎo)致 UBHC 上升的主要原因。三菱公司采取二段燃燒早期激活催化劑及采用反應(yīng)式排氣管等措施來減少 HC 排放。在 NOx 方面 GDI 怠速排放比 PFI 高，這是因?yàn)?GDI 中存在局部當(dāng)量燃燒和高熱釋放率。部分負(fù)荷時若不采用 EGR，其排放水平和 PFI 差不多。在 PFI 發(fā)動機(jī)中，NOx 排放隨空燃比的變化呈山峰形，而 GDI 發(fā)動機(jī)的 NOx 排放隨空燃比的增大也不斷增加，但削減了變化曲線的峰值。對于 NOx 排放的控制主要靠 EGR 和稀燃 NOx 催化轉(zhuǎn)化器。其中后者的發(fā)展對 GDI 發(fā)展影響很大。因?yàn)?EGR 不能在整個發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)荷范圍內(nèi)減少 NOx 的排放量。當(dāng)前的稀燃 NOx 催化轉(zhuǎn)化器包括富氧條件下的沸石和貴金屬催化轉(zhuǎn)化器，NOx 捕集器，三菱公司的選擇性 deNOx 催化轉(zhuǎn)化器以及等離子系統(tǒng)。此外，把節(jié)氣操作和 EGR 結(jié)合使用可在燃料經(jīng)濟(jì)性和排放之間取得較好的平衡。第三章 大眾 發(fā)動機(jī) 概述 缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)是一款四缸、雙渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、分層燃燒發(fā)動機(jī)，屬于同一世界上最先進(jìn)的發(fā)動機(jī)之一。德國 具有廢氣增壓和機(jī)械增壓兩個增壓裝置。圖 31 TSI 發(fā)動機(jī)工作模式圖廢氣渦輪增壓的特點(diǎn)是利用排放廢氣，裝置基本不消耗發(fā)動機(jī)動力，增加進(jìn)氣效率提高動力，缺點(diǎn)是通常要發(fā)動機(jī)超過 2022r/min 后才介入，不利于起步加速，渦輪的慣性讓加速還有一個響應(yīng)時間的延遲。機(jī)械增壓優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動機(jī)啟動運(yùn)轉(zhuǎn)時開始介入，起步加速有力，沒有渦輪的工作延時，即時響應(yīng)；缺點(diǎn)是通過發(fā)動機(jī)的動力輸出來讓增壓器工作，消耗部分發(fā)動機(jī)動力。兩者的結(jié)合，改善了起步加速，也具有充足的后勁，相對來說動力損耗減低到最小。由于雙渦輪增壓技術(shù)含量高，生產(chǎn)成本高，對油品質(zhì)要求高，所以國產(chǎn)汽車將 中的機(jī)械渦輪增壓取消，屬于單渦輪增壓直噴發(fā)動機(jī)，但仍保留了原 發(fā)動機(jī)許多新技術(shù)，所以仍稱之為 。 發(fā)動機(jī)主要配備的車型有（1）一汽大眾邁騰轎車（2）一汽大眾速騰轎車（3）上海大眾新帕薩特（4）上海大眾途觀17 / 39 采用了全新的 BOSCH 電控系統(tǒng)，發(fā)揮了缸內(nèi)直噴技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。TSI 發(fā)動機(jī)具有燃油經(jīng)濟(jì)性好、發(fā)動機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)改善、啟動時 HC 排放改善等優(yōu)點(diǎn)。TSI 發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)如表 。表 31 大眾 TSI 發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)發(fā)動機(jī)代碼 BYJ適用排量標(biāo)準(zhǔn) 歐 四排量/L 功率 118KW(50006200r/min 時)轉(zhuǎn)矩 250N﹒m(15004200r/min 時)缸徑/mm 行程/mm 壓縮比 每缸氣門數(shù) 4燃油 不低于 RON95電控單元 BOSCH 爆震控制 有空氣過濾系數(shù)控制 1三效催化轉(zhuǎn)化器 有可變進(jìn)氣相位 有二次空氣系統(tǒng) 無電子節(jié)氣門 有增壓 有點(diǎn)火順序 1342總質(zhì)量 144kg 大眾 TSI 發(fā)動機(jī)結(jié) 構(gòu)特點(diǎn)圖 32 大眾 TSI 發(fā)動機(jī)如圖 32 所示為大眾 TSI 發(fā)動機(jī)，在機(jī)械機(jī)構(gòu)上與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)有一定的區(qū)別。氣缸體。TSI 發(fā)動機(jī)氣缸體基本上是德國大眾 EA888 系列發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)，采用整體式鑄鐵曲軸箱。高強(qiáng)度的鑄鐵材料滿足了 TSI 發(fā)動機(jī)高機(jī)械負(fù)荷和高熱負(fù)荷的要求。氣缸套工作表面具有等離子涂膜。（1）氣門組排氣門為充鈉排氣門，進(jìn)、排氣門與氣門座的接觸面具有耐磨涂層，氣門彈簧的彈力較大。凸輪軸通過滾輪和搖臂機(jī)構(gòu)驅(qū)動氣門，液壓補(bǔ)償柱塞的自動補(bǔ)償功能消除了傳統(tǒng)的氣門間隙（零氣門間隙） ，使氣門傳動機(jī)構(gòu)具有低摩擦阻力和低噪聲的優(yōu)點(diǎn)。（2）依納 INA 凸輪軸調(diào)節(jié)系統(tǒng)TSI 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣凸輪軸配備了德國依納公司的依納氣門正時器（下稱正時器）。軸承殼為軸承和正時器供應(yīng)所有的機(jī)油，并對凸輪軸進(jìn)行軸向定位，其上還安裝了凸輪軸正時電磁閥（N205） ，期激活信號為脈寬調(diào)制信號（PWM） 。（圖 33）19 / 39圖 33 曲柄連桿機(jī)構(gòu)1活塞連桿瓦； 2螺栓；3環(huán)