淺談汽油發動機的發展趨勢

(江蘇省武進職業教育中心校 汽車工程部，江蘇 常州 213164)

淺談汽油發動機的發展趨勢

黃 磊

(江蘇省武進職業教育中心校 汽車工程部，江蘇 常州 213164)

目前，我國汽車的產量位于世界的前列，但是核心技術并不在中國，總體技術含量不高。如今，節能行動進行得如火如荼，工農業生產中大量使用汽車，針對汽車發動機的特點、結構、以及新技術的應用，本文從提高汽車發動機的經常性，降低燃油消耗方面分析汽油汽車發動機缸內直噴方法和原理。

汽車;稀燃技術;分層;缸內直噴

以往的汽油發動機是通過ECU采集凸輪軸位置傳感器的信號以及發動機各相關工作情況來控制噴油嘴將汽油噴入進氣歧管。汽油在歧管內混合后再被吸到汽缸中燃燒。空氣跟燃油(汽油)的最優比值是14.7/1(也叫理論空燃比)，傳統發動機是燃油和大氣是在進氣歧管內混合形成燃油混合物，要想在經濟性和動力性取得較好的效果，他們只能達到理論空燃，但是傳統的發動機的油嘴離氣缸燃燒室比較遠，導致汽油和空氣的混合受到氣門開關和進氣氣流的影響，從而使理論空燃難達到，這是傳統發動機沒有辦法解決的一個課題。

一 用發展缸內直噴的原因分析

無論是上世紀隨處可見的化油器發動機也好，還是現今廣泛采用的電噴發動機也罷，汽油發動機的油料供給方式一直都是采用“缸外混合”的方式。也就是在進氣歧管內完成。汽油先通過噴油嘴噴出，在進氣歧管內與大氣混合而成為“混合氣”。在發動機進氣門打開之前，這些混合氣全部在進氣歧管內，直到進氣門打開后混合氣才能夠因為汽缸燃燒室的負壓而進入到汽缸燃燒室內，然后在活塞壓縮行程終了時通過火花塞點燃從而快速劇烈燃燒。即使是現今的電控燃油噴射系統，其先進之處也只是由ECU控制噴油嘴噴油的噴油量和時機，沒有改變“缸外混合”的原則。但隨著我們對發動機動力性和環保性的要求逐漸增高，可變氣門技術和增壓技術顯得有點跟不上了。混合氣的增壓壓力可以繼續提高，但對于汽車的機械可靠性以及動力平順性是很大的挑戰;進氣門的數量不能無限地增加，而且氣門正時和氣門升程調節有著不可能克服的物理限制。我們的工程師們就開動腦筋想，我們可不可以像柴油機那樣把噴油直接氣缸里面呢?而實際上，現今的機械制造技術已經可以允許這樣做了，汽油機缸內直噴技術成為了可能。

二 缸內直噴發動機的工作原理

缸內直噴發動機最大地優化了進氣混合效率，使燃油經濟性和動力性不再矛盾。FSI是Fuel Stratified Injection的字母簡寫，中文意思是燃料分層噴射技術，它代表著今后發動機的一個發展方向。發動機稀燃技術中有一種燃油分層噴射技術。發動機的進氣混合氣中汽油含量少，空燃比在25:1以上，這就是稀燃。奧迪FSI增加了火花塞點燃式發動機的動力性，同時經濟性也有所提高，為環保性奠定了基礎。與常規的點燃式發動機相比較，FSI可將燃油混合物直接噴入燃燒室，不再需要節氣門裝置，降低了發動機的熱損失，從而增大了動力性和經濟性。現進的缸內直噴汽油發動機是通過活塞泵來幫助提供所需要的壓力的，將燃油提供給位于汽缸內部的電磁式噴油器。然后通過ECU控制噴油器將汽油在最恰當的時間直接噴入燃燒室，精準度大約為毫秒，其關鍵是噴油器的安裝，必須在汽缸上部留有空間。

三 FSI缸內直噴發動機的特點

(一)油耗低和排放低。大眾所用的FSI發動機的原理是用一個高壓泵，使汽油通過一個軌道(共軌)到達電磁式控制的高壓噴射氣門。它的優點是在進氣道中已經產生可變化的渦流，使進氣流形成最好的渦流形狀和狀態進入燃燒室內，用分層填充的方式來推動，使燃油混合氣體集中在位于火花塞的周圍。分層注油模式可以用在發動機低或中速運轉時。它可以額提高發動機的經濟性能，在低轉速，小負荷的時候，只需在火化塞的周圍形成濃度較高的油氣混合物體，其它空間只需要空氣含量較高的混合氣體，因此FSI使它與理想的狀態十分的接近。當節氣門全開，發動機高速運轉時，大量空氣高速進入汽缸，形成較強渦流并與汽油均勻混合。從而促進燃油充分燃燒，提高發動機動力的輸出。ECU不斷的根據傳感器型號改變噴油模式，始終保持最好的供油方式。燃油的充分利用不僅提高了燃油的利用率和發動機的動力輸出，并且使尾氣排放得到了改善。

(二)提高了發動機硬件和油品質量。FSI直噴發動機既然有這么多的技術優勢，相應的其對發動機質量或者使用油料的品質要求也就必然變高。第一，它的噴油器是裝在燃燒室上的，汽油直接噴射到燃燒室中去，油路管道必須要有比氣缸內更高的壓力才能把汽油有效的噴射到燃燒室中去。這樣，燃油管路和噴油器的制造和設計工藝也要求更高。并且由于噴油器是直接安裝在燃燒室內的，那么噴油器必須要耐高溫高壓。第二，FSI直噴發動機的壓縮比非常高，達到了11.5，在這種情況下對汽油要求就很嚴格。就現在我國的來說，必須要使用高清潔度汽油(98號)。就技術來說，FSI缸內直噴發動機非常適合目前油價容易上漲的市場需要。作為奧迪公司和競爭對手抗衡的一張王牌，這款發動機有它自身強大的生命力，必然會引領發動機的發展趨勢。

(三)增加特殊的三元催化轉換器能夠凈化尾氣，降低泵吸的損失。FSI發動機可以在兩種模式中自動選擇。低負荷時為分層稀薄燃燒，高負荷時為理論空燃比(14.6－14.7)燃燒。在這兩種運行模式中，燃料的噴射時間有所不同，真空作動的開關閥進行開啟/關閉。在稀薄燃燒中，在排放氣體中殘留很多，不能進行氮氧化合物還原反應。為了使氮氧化合物吸儲型催化劑獲得高效功能，其溫度必須保持在250－500℃范圍內。當超過這一溫度范圍發動機會自動轉換到均質理論空燃比燃燒，并通過轉化器進行廢氣的尾氣處理。然而這又與燃油經濟性變差相關，為此，必須增加廢氣冷卻的裝置。NOx吸儲型催化轉化器長時間工作會受到S的侵蝕而中毒，所以必須把汽油中的含硫量盡量降低。但是，含硫低的汽油目前市場上一般很難有加注。在城市內道路上行駛時受到道路情況的影響從而使催化劑的溫度下降不能有效燒出硫。用氮氧化合物傳感器監視催化劑上付著的硫的程度，并根據實際情況提高排出尾氣的溫度。

四 結語

直噴發動機真正運用起來卻是困難的很。缸內直噴發動機首先需要解決的是噴油嘴的安裝位置的問題，由于氣缸頂部已經布置了火花塞和多個氣門，十分緊湊。由于噴油嘴的加入讓氣缸頂部設計和制造的要求都變的相當的高，如果布置不合理、制造精度達不到要求就會導致剛度不夠甚至漏氣。同時油、氣的混合空間、時間都很短暫，所以缸內直噴系統的噴油嘴必須加以高壓，以大幅度提高燃油的噴射壓力和效率，讓其高度霧化。此外，缸內直噴系統的燃燒室、活塞也具有特殊的導流槽，以供油氣在進入燃燒室后能夠產生特定的氣旋渦流，以提高燃油混合物的燃燒效率與霧化效果與燃燒效率。

上海通用別克新君越搭載在新君威車型上使用的ECO 2.4發動機和別克首款直噴發動機3.0 V6 SIDI。奔馳的CGI直噴發動機、凱迪拉克的SIDI雙模直噴發動機、豐田GR發動機系列系列里面的直噴機型、三菱GDI直噴技術、馬自達的DISI直噴系統等。由于篇幅所限，這些直噴技術之間的差異只能在日后再作討論。

［1］魯植雄主編《缸內直噴發動機結構與維修》江蘇科學技術出版社，2009年

［2］凌凱汽車資料編寫組汽車原理出版社:北京郵電大學出版社2005年

［3］于洪水主編《發動機與汽車原理》北京大學出版社2005年

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