【正文】 1 TSI 發(fā)動機工作模式圖廢氣渦輪增壓的特點是利用排放廢氣，裝置基本不消耗發(fā)動機動力，增加進氣效率提高動力，缺點是通常要發(fā)動機超過 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。第三章 大眾 發(fā)動機 概述 缸內(nèi)直噴發(fā)動機是一款四缸、雙渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、分層燃燒發(fā)動機，屬于同一世界上最先進的發(fā)動機之一。當前的稀燃 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)。其中后者的發(fā)展對 GDI 發(fā)展影響很大。在 PFI 發(fā)動機中，NOx 排放隨空燃比的變化呈山峰形，而 GDI 發(fā)動機的 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。在 NOx 方面 GDI 怠速排放比 PFI 高，這是因為 GDI 中存在局部當量燃燒和高熱釋放率。小負荷時霧化時間不足、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。在排放方面，GDI 發(fā)動機主要面臨 UBHC 排放及 NOx 排放問題。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)動機的燃燒特性和排放特性 GDI 發(fā)動機采用早噴時，其燃燒特性類似于均質(zhì)燃燒的 PFI 發(fā)動機，當采用最大扭矩點火提前角時，50% 的混合氣在80150N?m 時燒掉；當采用晚噴模式時，與 PFI 發(fā)動機相比，GDI 發(fā)動機顯著縮短點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荷時相同，而 PFI 發(fā)動機在同樣條件下的燃燒速率則非常低。他們在進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。其中豐田公司模式切換時采用了二段噴射。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。噴油定時決定了混合氣的均質(zhì)程度，也就決定了發(fā)動機的工作模式是均質(zhì)模式還是分層燃燒模式。當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行的，對燃燒的控制則是在此基礎(chǔ)上再通過點火定時來實現(xiàn)的。這樣布置結(jié)構(gòu)簡單，但會使進氣門面積受到限制，進而影響充氣效率的進一步提高，同時過近的距離易使火花塞被油霧打濕。當缸內(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行考慮以確保穩(wěn)定點火。此外，GDI 發(fā)動機與傳統(tǒng)汽油機的一個區(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)，還能促進紊流強度的提高，且晚噴與早噴的促進程度不同，通常早噴促進的紊流強度可達晚噴時的 2 倍。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)。但滾流在上止點附近有助于加強紊流強度，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，從而促進壁面油膜的蒸發(fā)。在汽油機中可采用的流場結(jié)構(gòu)有滾流、渦流和擠流三種。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。在早噴時噴霧形狀是適宜均質(zhì)混合的中空擴散型，在晚噴時是適宜分層燃燒的緊湊型。如圖 24 所示，為已開發(fā)的部分高壓旋流噴油器。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。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)。一種是空氣輔助噴油器。判斷霧化質(zhì)量的另一標準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，這是因為大尺寸油滴的質(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。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。此外，噴油器的噴霧特性對GDI 發(fā)動機的燃燒過程影響較大，而對 PFI 發(fā)動機的燃燒過程影響較小。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。試驗結(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?；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。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；汽油需點燃著火，火花塞的固定使初始著火位置也隨之固定。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。從這里也可看到 GDI 在噴油量控制方面與進氣口噴射的區(qū)別。兩者在一定程度上互相抵消。油束穿透深度也與噴油壓力有關(guān)。在低工況、采用分層充量的情況下，對燃油的霧化要求很高，因為噴油很遲，燃油應(yīng)當充分汽化，以便在抵達火花塞之前的短暫時間內(nèi)促進空氣迅速卷入汽化的燃油中。SMD 越小，油滴越細小，霧化程度越高。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。所以，前一種情況要求油束集中，不必穿透很深，但要霧化好；后一種情況要求油束分散，并且穿透深度適中。低工況時實行變質(zhì)調(diào)節(jié)，采用分層充量；高工況時實行變量調(diào)節(jié)，采用均質(zhì)充量。如前所述，兩種控制模式對應(yīng)于兩種不同的混合氣生成方式。在沒有其他情況發(fā)生時，ECU 主要根據(jù)油門踏板的位置確定應(yīng)有的扭矩。實現(xiàn)扭矩的調(diào)整可以有不同的途徑，例如可以調(diào)整電動節(jié)氣門的開度，在稀薄燃燒時還可以改變空燃比，也就是在電動節(jié)氣門全開的情況下改變噴油量。在底盤電子控制中牽引力矩的減少和行駛動力學(xué)的控制都涉及發(fā)動機扭矩。但是，還會出現(xiàn)其他方面對扭矩的需求，例如發(fā)動機本身在起動、怠速時和對催化轉(zhuǎn)化器進行加熱時都會要求對扭矩進行補償。表 21 汽油缸內(nèi)直噴發(fā)動機按工況區(qū)分控制模式表工況 主要目標 空燃比 節(jié)氣 門 扭矩調(diào)節(jié) 充量 噴油正時 噴油壓力 燃油霧化 油束穿透低 經(jīng)濟性 2540 不節(jié)氣 (全開) 變質(zhì)調(diào)節(jié) 分層壓縮沖程的晚期高 好 淺高 動力性 左右 節(jié)氣 變量調(diào)節(jié) 均質(zhì)吸氣沖程的早期低 差 深ECU 在任何工況下都首先要識別對扭矩的需求。由此可見，討論汽油缸內(nèi)直噴發(fā)動進電子控制策略時應(yīng)區(qū)分低工況和高工況兩個不同的區(qū)域，分別采取兩種不同的控制模式，見表 21。采用此方案后，由于噴入缸內(nèi)燃油蒸發(fā)時的冷卻作用， 增加了整機的抗爆性能，可采用較高的壓縮比(ε＝1214)，有助于提高循環(huán)的理論效率，同時充氣冷卻作用還提高了發(fā)動機的充氣效率，提高發(fā)動機的動力性，缸內(nèi)直噴汽油機還具有更為良好的加速響應(yīng)性和優(yōu)異的瞬態(tài)驅(qū)動特性，使汽油機在保持高動力性能指9 / 39標的同時具有很好的燃油經(jīng)濟性。為此，發(fā)動機在不同負荷條件下實行不同的控制策略。缸內(nèi)直噴汽油機主要要達到兩個目標：一是大幅度改善車用汽油機的燃油經(jīng)濟性，二是控制排放。其主要差別在于混合氣的準備過程不一樣。壓縮比高，輸出功率增大，這樣也就彌補了稀燃帶來的功率損失。GDI 活塞頂面的凸起部分類似尖屋頂，又稱“彎曲頂面活塞” ，它縮小了燃燒室的容積，有助于形成強勢渦流。在這里要特別介紹一下活塞頂?shù)男螤顚Ω變?nèi)氣流的作用。但從總體上看，混合比可以達到40∶1（一般汽油發(fā)動機的混合比是 ∶1） ，也就是人們所說的“稀燃” 。圖 23 缸內(nèi)直噴原理示意圖汽油缸內(nèi)直噴發(fā)動機的立式吸氣口代替?zhèn)鹘y(tǒng)的橫向吸氣口，通過來自上方的下降氣流，形成與以往發(fā)動機不同的缸內(nèi)空氣流。高壓泵只提供噴射所需油量的燃油，供油時，發(fā)動機根據(jù)需要油量計算出柱塞泵的供油起始行程，燃油壓力控制閥吸合切斷進油閥，高壓油泵將泵腔內(nèi)的燃油泵入油軌。高壓系統(tǒng)由高壓燃油泵、油壓調(diào)節(jié)閥、油軌、壓力限制閥、高壓燃油壓力傳感器、高壓噴射器（如圖 22 所示）組成，燃油壓力 511MPa。燃油泵控制單元通過脈寬調(diào)制信來控制電動燃油泵，使低壓燃油系統(tǒng)的油壓達到 50500kPa，在冷啟動時使低壓燃油系統(tǒng)的壓力可 650kPa。缸內(nèi)直噴發(fā)動機燃油系統(tǒng)包括低壓系統(tǒng)與高壓系統(tǒng)。 汽油直接噴射（GDI）發(fā)動機的結(jié)構(gòu)缸內(nèi)直噴發(fā)動機機械結(jié)構(gòu)與普通進氣管噴射發(fā)動機結(jié)構(gòu)基本相似，如圖 21所示為汽油機缸內(nèi)直噴發(fā)動機。缸內(nèi)噴射發(fā)動機采用了立式吸氣口、彎曲頂面活塞、高壓旋轉(zhuǎn)噴油器等技術(shù)手段，產(chǎn)生與傳統(tǒng)發(fā)動機不同的缸內(nèi)氣流運動狀態(tài)，使噴射入汽缸的汽油與空氣形成一種多層次的旋轉(zhuǎn)渦流。而且噴油嘴離燃燒室有一定的距離，汽油與空氣的混合情況受進氣氣流的影響較大，并且微小的油顆粒會吸附在管道壁上，不能充分利用。在發(fā)動機汽缸進氣門還沒有打開之前，這些混合汽都儲存在進氣歧管內(nèi)，直到氣門打開后，混合汽才能夠因為燃燒室的負壓而進入到燃燒室內(nèi)，然后在活塞壓縮行程的末端通過火花塞點燃劇烈燃燒。世界范圍內(nèi)正在開發(fā)稀薄燃燒催化器，但目前在整個發(fā)動機工作區(qū)域的 NOx 轉(zhuǎn)化效率仍低于三元催化轉(zhuǎn)化器，小負荷時 HC 排放增加仍待解決。汽油缸內(nèi)直噴發(fā)動機要求復(fù)雜的供油系統(tǒng)硬件，需要高壓油泵和復(fù)雜的控制系統(tǒng)，由于三元催化轉(zhuǎn)化器在汽油缸內(nèi)直噴發(fā)動機上不能有效地使用，目前，汽油缸內(nèi)直噴發(fā)動機面臨重大問題是 NOx 排放控制。相對 PFI 發(fā)動機，汽油缸內(nèi)直噴發(fā)動機噴嘴沉積物和積碳增多，并且由于5 / 39提高了系統(tǒng)壓力，降低燃油的潤滑性，增加了供油系統(tǒng)的磨損；由于使用較稀的混合氣，缸套的磨損增加，進氣門和燃燒室的沉積物也增加。汽油缸內(nèi)直噴發(fā)動機分層充氣稀薄燃燒區(qū)域的穩(wěn)定燃燒控制難度較大，部分部分負荷分層燃燒和大負荷均質(zhì)燃燒模式轉(zhuǎn)變時的控制也非常復(fù)雜；為了降低 N 排放，汽油缸內(nèi)直噴發(fā)動機采用較高的廢氣再循環(huán)率，且噴油嘴沉積物增加，都增加了穩(wěn)定燃燒控制的難度。 缸內(nèi)直噴發(fā)動機的缺點汽油缸內(nèi)直噴發(fā)動機具有柴油機的經(jīng)濟性并保持了汽油機的特點，相對于技術(shù)的成熟的 PFI 發(fā)動機具有顯著優(yōu)點，但在排放、燃燒穩(wěn)定性等方面的問題限制其普遍應(yīng)用，目前，汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)完全替代 PFI 技術(shù)仍然存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)。GDI 方式?jīng)]有 PFI 方式所形成的壁面油膜，燃油計量精確，加速響應(yīng)快，減速斷油及時，冷啟動迅速，冷啟動加濃要求低。燃油直接噴射于氣缸內(nèi)并迅速轉(zhuǎn)化為能量，大大降低傳統(tǒng)發(fā)動機燃油依附于進氣歧管帶來的損害。由于電子控制系統(tǒng)會感知發(fā)動機缸內(nèi)的實際工作情況，并會瞬間完成對噴油量、噴油時間和壓力的微調(diào)，保證發(fā)動機始終處于精確的噴油狀態(tài)。由于缸內(nèi)直噴技術(shù)允許更高的壓縮比，缸內(nèi)爆震情況大大減少，對降低發(fā)動機低速情況下的震動也有明顯效果。冷啟動時的 UBHC 降低，溫室效應(yīng)氣體二氧化碳的減少，稀薄燃燒使發(fā)動機排出的 NOx 降低，并且允許采用更高的廢氣再循環(huán)率來降低 NOx排放。 人類對環(huán)境的重視也造就了環(huán)保發(fā)動機的不斷誕生。（3）由于中小負荷工況采用稀薄燃燒和均值調(diào)節(jié)方式，泵氣損失大大減少（降低 15%左右） ，使發(fā)動機機械效率提高，從而降低油耗。其主要原因是：（1）部分負荷下采用稀薄分層混合氣，比熱容比 k 值增大（有 向 趨近） ，使發(fā)動機循環(huán)熱效率提高，從而降低了油耗。在某些國度工況進行兩段噴射被試驗證明是保證平穩(wěn)過渡的有效方法，如豐田第一代 D4GDI 機型，在從中負荷向大負荷的過渡時采用了兩段噴射技術(shù)，把燃油分兩次分別在進氣和壓縮行程中噴入氣缸，第一次噴入的燃油蒸發(fā)可以提高發(fā)動機的充氣系數(shù)，第二次蒸發(fā)的燃燒可以降低壓縮終了的氣體溫度，抑制了爆震的發(fā)生，可增加功率 2%3%。但時間過短不能較好地霧化蒸發(fā)，導(dǎo)致發(fā)動機不能可靠的霧化蒸發(fā)，導(dǎo)致發(fā)動機不能可靠地點火。速度允許采用較遲的點火時間，進而可進一步推遲噴油時間，有利于油氣在高溫下的快速蒸發(fā)和分層?，F(xiàn)代發(fā)動機的趨勢之一就是節(jié)省燃油，二缸內(nèi)直噴技術(shù)可以大大提升燃油與空氣霧化程度與混合的效率，帶來燃油的節(jié)約。當然，這也是國產(chǎn)化之后處于油品和成本問題的考慮。國產(chǎn)邁騰、速騰等車型最新的 TSI 發(fā)動機實際上跟前面說到的TSI 并不是一回事。需要注意的是，一汽大眾和上海大眾對他們的 和 發(fā)動機的稱呼，二者都稱為 和，這個稱呼是極不負責(zé)的。2022 年，大眾 升直噴汽油發(fā)動機首先搭載了這套系統(tǒng)，它的最大功率達到了驚人的 170 馬力。另外，渦輪增壓器由于廢氣渦輪的慣性，會有發(fā)動機相應(yīng)的遲滯現(xiàn)象。上文我們講到渦輪增壓發(fā)動機在較低和較高轉(zhuǎn)速時都有一個動力的空擋，為了進一步提高發(fā)動機的效率，增加一個機械增壓裝置，并讓它在低轉(zhuǎn)速時加大進氣壓力。TSI（渦輪機械增壓燃油分層噴射發(fā)動機）的設(shè)計非常巧妙，它實際上是把一個渦輪增壓器(Turbocharger)和機械增壓器(Supercharger)一起裝到一臺發(fā)動機里面。不過怎么說還是有點缺陷，這兩個區(qū)間的動力缺失如何解決呢，高轉(zhuǎn)速我們可以換個大點的渦輪，可是低轉(zhuǎn)速的動力空擋也會同時加大。但是，當轉(zhuǎn)速接近額定的時候（約 r/min 或以上） ，發(fā)動機本身的內(nèi)壓超過了排氣壓力，這時的渦輪同樣是不工作的。但在這個時候渦輪還是轉(zhuǎn)動的，只是排氣壓力不夠，達不到增大進氣壓力的效果。渦輪增壓是利用排氣的高溫高壓推動廢