汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)應(yīng)用分析

張東升 武志平

(1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071000;2.保定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071000)

日益嚴(yán)重的環(huán)境和能源問(wèn)題，使得人們?cè)谧非筌?chē)用汽油機(jī)良好動(dòng)力性的同時(shí)，也對(duì)汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放提出愈來(lái)愈高的要求。為此，近年來(lái)世界各國(guó)研究、開(kāi)發(fā)了許多發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)。其中汽油機(jī)缸內(nèi)直噴稀燃技術(shù)無(wú)論在節(jié)能方面還是在降低排放方面效果均十分明顯，已成為車(chē)用汽油機(jī)一個(gè)十分重要的發(fā)展方向。

一 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)及其工作原理

1.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)的概念

FSI是FuelStratifiedInjection的縮寫(xiě)。意指燃油分層噴射，是直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的一項(xiàng)創(chuàng)新的革命性技術(shù)[1]。FSI技術(shù)是指改變傳統(tǒng)的汽油機(jī)通過(guò)從進(jìn)氣管中將燃油與空氣混合的燃油供給系統(tǒng)的供油方式，而采用像柴油機(jī)一樣的，通過(guò)噴油器直接將汽油往氣缸內(nèi)噴射的供油方式[2]。分層燃燒的真正目的是可以實(shí)現(xiàn)較稀混合氣的點(diǎn)燃，而設(shè)計(jì)缸內(nèi)直噴的主要目的則是為了實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，缸內(nèi)直噴技術(shù)伴隨著稀燃技術(shù)是相輔相成、密不可分的。而發(fā)動(dòng)機(jī)的稀薄燃燒技術(shù)就是為了讓氣缸內(nèi)的混合氣更加充分的燃燒，使盡可能多的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，提高熱效率，達(dá)到減低油耗和排放的目的。

2.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)的工作原理

采用直噴稀燃技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)是利用一個(gè)高壓泵，使汽油通過(guò)一個(gè)分流軌道(共軌)到達(dá)電磁控制的噴油器。在進(jìn)氣道中產(chǎn)生可變渦流，使得進(jìn)氣流以最佳的渦流形態(tài)進(jìn)入燃燒室內(nèi)，以分層填充的方式推動(dòng)，使較濃的氣體聚集于火花塞的周?chē)Ｇ闆r下，如此稀薄的氣體時(shí)不可能被點(diǎn)燃的，故采用以中間點(diǎn)火帶動(dòng)周?chē)c(diǎn)火的使整個(gè)氣缸燃燒的方式，濃混合氣點(diǎn)燃后，燃燒迅速波及外層[3]，使其點(diǎn)燃做功。

二 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)特點(diǎn)

1.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

采用燃油直噴稀燃技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在火花塞點(diǎn)火之前把汽油以較高的壓力直接噴射到燃燒室，同時(shí)在ECU的精確控制下，使混合氣體能夠?qū)崿F(xiàn)分層燃燒。這種技術(shù)可以讓靠近火花塞周?chē)幕旌蠚庀鄬?duì)較濃，遠(yuǎn)離火花塞周?chē)幕旌蠚庀鄬?duì)較稀，從而更有效的實(shí)現(xiàn)“稀薄”點(diǎn)火和分層燃燒。并且由于不用加熱進(jìn)氣就可以使汽油得到充分揮發(fā)而提高了進(jìn)氣充量，減小了進(jìn)氣氣阻。采用缸內(nèi)直噴技術(shù)的汽油機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)可以調(diào)節(jié)稀薄的狀態(tài)，從而能夠?qū)?nèi)燃機(jī)的熱效率提高20%[3]。而不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能造成負(fù)面的影響。采用直噴技術(shù)后，燃油以細(xì)微滴狀的薄霧方式進(jìn)入汽缸，而不是以蒸汽的方式。這也就意味著當(dāng)燃油霧滴吸收熱量變?yōu)榭扇颊羝麜r(shí)，實(shí)際上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸起到了冷卻的作用，另外比原有的進(jìn)氣道式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)獲得了更多的進(jìn)氣量，使缸內(nèi)氣體燃燒的更為徹底，減少了大量由于燃燒不充分形成的有害氣體，提高汽車(chē)排放性。

2.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)的缺點(diǎn)

FSI同時(shí)也要面臨PFI(PortFuelInjection的縮寫(xiě)，意指進(jìn)氣口燃油噴射)所沒(méi)有的困難。如在要求的工作范圍內(nèi)如何對(duì)分層燃燒進(jìn)行有效的控制，確定怎樣的噴油控制策略來(lái)保證較好的負(fù)荷切換，以適應(yīng)于FSI發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器設(shè)計(jì)，解決小負(fù)荷時(shí)HC排放過(guò)高，大負(fù)荷時(shí)NOX排放過(guò)高并有碳煙形成，及由于汽油自潤(rùn)滑性差導(dǎo)致的燃油噴射系統(tǒng)和缸壁磨損等，這些是FSI開(kāi)發(fā)中常遇到的困難。此外，原有的三效催化轉(zhuǎn)化器不適用于FSI，需要開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的稀燃NOX催化轉(zhuǎn)化器[5]。

三 應(yīng)用情況分析

1.國(guó)外汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)的應(yīng)用情況

國(guó)外版本的FSI發(fā)動(dòng)機(jī)代表的缸內(nèi)直噴稀燃技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并已廣泛應(yīng)用于各種車(chē)型，而且成了一些廠(chǎng)家的標(biāo)準(zhǔn)配置。汽油機(jī)缸內(nèi)直噴稀燃技術(shù)以其的高動(dòng)力性高燃油經(jīng)濟(jì)性及低的排放在歐美國(guó)家已引起足夠的重視，像以德國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家這項(xiàng)技術(shù)幾乎可以說(shuō)已經(jīng)得到了普及。

2.國(guó)內(nèi)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)的應(yīng)用情況

國(guó)內(nèi)版本的稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)，并沒(méi)有像國(guó)外發(fā)展的那樣成熟，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的稀薄燃燒具有很高的技術(shù)難度。比如，油泵、油嘴、活塞等，在這些方面沒(méi)有過(guò)硬的技術(shù)，稀薄燃燒是不可能實(shí)現(xiàn)的。另外，稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是超高壓縮比技術(shù)，這就對(duì)燃油清潔度提出了極其嚴(yán)格的要求，我國(guó)現(xiàn)階段的煉油水平在一定程度上也制約著稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。即便大眾引進(jìn)了稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)(FSI)，它為了迎合中國(guó)市場(chǎng)的需求，大大降低了壓縮比，嚴(yán)格意義講，它不能算是真正意義上的稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，這不得不說(shuō)是個(gè)遺憾。但是，令人可喜的是我國(guó)有多家發(fā)動(dòng)機(jī)廠(chǎng)已經(jīng)研制出直噴發(fā)動(dòng)機(jī)了。例如，上汽集團(tuán)的榮威950、北京現(xiàn)代索納塔八，只不過(guò)先進(jìn)性上有一些差距，這個(gè)差距主要體現(xiàn)在是否能夠?qū)崿F(xiàn)稀薄燃燒上，國(guó)內(nèi)的直噴主要停留在了均質(zhì)燃燒這個(gè)層次上面，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)分層燃燒，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)分層就不會(huì)實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒。據(jù)可靠調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，沒(méi)有分層稀薄燃燒技術(shù)的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，并不能帶來(lái)多大的燃料節(jié)省。

四 結(jié)語(yǔ)

直噴稀燃技術(shù)是未來(lái)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的方向，前景廣闊。我國(guó)現(xiàn)階段的發(fā)動(dòng)機(jī)直噴稀燃技術(shù)發(fā)展存在諸多瓶頸，如開(kāi)發(fā)技術(shù)落后、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)落后、制造裝備比較落后、這些因素嚴(yán)重阻礙了汽車(chē)稀燃技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)目前迫切任務(wù)是改變現(xiàn)有的不夠先進(jìn)的研發(fā)水平和裝備水平，加強(qiáng)自我研發(fā)的力度，這樣才能使我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)技術(shù)上一個(gè)更高的臺(tái)階。

[1]原田(譯).直噴汽油機(jī)的發(fā)展[M].SAEpaper970540.

[2]黃喜鳴.淺談汽油機(jī)稀燃層燃技術(shù)[J].裝備制造技術(shù)，2006(4):174－175.

[3]蔣堅(jiān)，高希彥.汽油缸內(nèi)直噴式技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2003，(5):39—44.

[4]王志，張志福，楊俊偉等.均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)研究開(kāi)發(fā)新進(jìn)展車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2007(3):1－7

[5]思凡特(譯).FSI發(fā)動(dòng)機(jī)的診斷技術(shù)[R].FISITA 工程師協(xié)會(huì)，2010(5).17 －16

[6]汪云青.汽油發(fā)動(dòng)機(jī)新生—FSI直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)[J].技術(shù)前沿，2006(6):18 －19