淺析雷克薩斯車系D-4系統工作原理及控制策略(上)

◆文/江蘇 田銳

一、系統說明

汽油直接噴射發動機在燃燒室中形成空燃混合汽，在進氣行程經開啟的進氣門進入的只是燃燒用的空氣。用專門的直噴式噴油器將燃油(汽油)直接噴入燃燒室內。汽油直接噴射系統的特征是在高噴射壓力下將汽油直接噴入燃燒室。像柴油機那樣，空燃混合汽的形成是在燃燒室內進行的(內部空燃混合汽形成)。

如圖1所示，本文以雷克薩斯車系的4GR-FSE發動機的D-4(直噴式四沖程汽油機)系統為例展開闡述。該系統是一種將燃油直接噴射到汽缸中的發動機。低壓燃油泵以4～6bar(1bar=100kPa)的預輸送壓力將燃油輸送到高壓燃油泵，根據發動機工況(要求的扭矩和轉速)給高壓燃油泵建立供油系統壓力約12MPa/1 740.5psi。高壓的燃油流入和儲存在油軌中，燃油壓力傳感器檢測燃油壓力，并通過燃油減壓閥將燃油壓力的可控范圍在8～13MPa/1160.3～1 885.5psi之間(可控范圍因發動機工況而異)。直噴式噴油器安裝在高壓油軌上。發動機ECU不僅精確控制直噴式噴油器的噴射持續時間，還能精確控制其噴射正時，以將燃油噴入燃燒室。圖2、圖3分別為4GRFSE發動機D-4系統示意圖及控制策略示意圖。

二、燃燒過程

在燃油直接噴射時，燃燒過程定義為發生在燃燒室中空燃混合汽形成和能量轉換的過程(它由發動機燃燒室和進氣歧管幾何形狀、燃油噴射正時和點火瞬間決定)。與燃燒過程有關的空氣流動是在燃燒室中發生的。燃油噴射和空氣流動間的關系非常重要，首先是分層充量(分層空燃混合汽)的燃燒過程。為獲得所需的充量分層，直噴式噴油器應將燃油噴入能使它蒸發的空氣流中，隨即空氣流向火花塞方向輸送空燃混合汽云，以在點火瞬間到達火花塞。燃燒過程通常由幾種不同的、隨發動機工況而變的工作模式組成。基本上可分為兩種工作模式，即分層充量燃燒過程和均質充量(均質空燃混合汽)燃燒過程。

1.均質充量燃燒過程

均質充量燃燒過程通常在燃燒室中的空燃混合汽分布脈譜圖上形成化學當量空燃混合汽，也就是保證過量空氣系數λ=1。這樣就可免除稀空燃混合汽工作時需要處理NOx排放的昂貴費用。均質充量方案是降低NOx排放的方案。均質充量燃燒過程常以均質充量工作模式工作。

2.分層充量燃燒過程

分層充量燃燒過程是壓縮行程在發動機的專門工況范圍(或稱脈譜圖范圍)，即小負荷、低轉速時，首先將燃油噴入燃燒室，并將作為分層充量云(分層空燃混合汽云)輸送到火花塞。空燃混合汽云理論上被純的新鮮空氣包圍。這樣，可點燃的空燃混合汽僅在當地的空燃混合汽云中。在燃燒室中普遍存在過量空氣系數λ＞1的空燃混合汽，這保證發動機能在更大的工況范圍無節流工作，從而減少泵氣損失，提高發動機效率。因此，分層充量燃燒過程是降低燃油消耗方案的優先工作方式。分層充量燃燒過程可采用“壁面引導/氣流引導”分層充量燃燒過程模式。

3.壁面引導/氣流引導分層充量燃燒過程

在壁面引導/氣流引導分層充量燃燒過程時直噴式噴油器通常位于兩進氣門之間，燃油噴射壓力為50～150bar。壁面引導依靠燃燒室壁面將燃料輸送到火花塞附近形成空燃混合汽。通常通過一個特殊設計的活塞凹坑來引導濃混合汽到火花塞附近。然而在發動機運行中僅靠活塞凹坑難以達到滿意的混合汽輸送效果，因此，還需要特殊設計氣流運動來支持合理的混合汽形成。氣流運動帶走壁面油膜處的濃混合汽，使之輸送到火花塞周圍。為了避免后燃和不完全燃燒導致的高HC排放，燃油噴霧、活塞形狀和氣流運動需要優化設計。復雜的活塞凹坑設計導致燃燒室形狀不規則，這對于發動機全負荷運行是不利的。而對于冷啟動，分層混合汽也受到限制，因為蒸發過程受活塞頂部溫度的影響顯著。氣流引導依靠氣流運動將燃料輸送到火花塞附近形成可燃混合汽。氣流引導系統中直噴式噴油器和火花塞布置上通常有較大距離。燃油噴射是朝向點火源，但不是直接噴射到火花塞。燃燒室設計需要考慮噴霧形態和氣流運動，燃料輸送到火花塞主要是依靠缸內流動。由于避免了壁面油膜，這種系統在降低HC排放方面有很大的潛力，但在低速時氣流運動太弱，不足以輸送混合汽到火花塞附近。因此，可以通過節流(增加了泵氣損失)來提高氣流運動強度，同時保證三元催化轉換器所需的排氣溫度。雷克薩斯的4GR-FSE發動機通過安裝在進氣道上的電子渦流控制閥(SCV)形成的不同角度的斜向進氣渦流；燃燒室為半球屋頂形，活塞頂部設有唇型深皿凹坑；采用高壓(8～13MPa)單縫噴嘴型噴油器，實現高度微粒化。在燃燒室壁面與渦/滾結合的氣流運動引導下，通過進氣沖程中的扇形噴霧結合缸內強滾流以及燃燒室形狀的完美搭配，引導燃油向火花塞方向運動，在這個過程中全部氣化并與空氣混合，最終在火花塞周圍形成較濃的適于點燃的混合汽區域，而在周圍區域形成極稀的混合汽。同時，為控制分層燃燒時NOx的產生，采用了電控EGR系統，排放控制采用緊湊耦合三元催化轉換器和NOx吸附還原型稀燃催化轉換器。

注：滾流的含義-進氣過程中，繞垂直于汽缸軸線旋轉的滾流可更有效的將燃油噴霧或濃混合汽散布于整個汽缸容積中；在壓縮過程中，滾流的動量衰減較少；在活塞接近于壓縮上止點時，大尺度的滾流被破碎成許多小尺度的渦流和湍流，可大大改善混合燃燒過程。

三、燃燒條件和系統操作

4GR-FSE發動機的D-4系統能夠將燃油直接噴射到汽缸中，支持以下三種燃燒模式。

目前的主流是“化學當量D-4”(化學當量燃燒：理想燃燒的化學當量A/F控制)，其中不進行分層燃燒，如表1所示。

1.分層空燃混合汽工作模式(分層燃燒)

如圖4所示，在分層空燃混合汽工作模式下，發動機在壓縮行程的后半部分首次噴射燃油時，燃油只與一部分空氣制備空燃混合汽，形成完美的，被純新鮮空氣包圍的分層空燃混合汽云。在分層空燃混合汽工作模式下，燃油噴射正時非常重要。在點火瞬間分層空燃混合汽云不僅要充分均質化，而且要位于火花塞位置。因為化學當量空燃混合汽只是在分層空燃混合汽工作模式中的局部區域，所以這部分空燃混合汽總體上是處于稀空燃混合汽包圍中，雖整體上非常稀薄，卻仍可確保高水平的燃燒穩定性。與均質空燃混合汽工作模式相比，分層空燃混合汽工作模式降低了泵送損失，噴射燃油的蒸發可冷卻壓縮空氣并提升充氣效率。然而，在分層空燃混合汽工作模式過程中，廢氣中的氧密度變得非常高，傳統的三元催化轉換器不足以凈化NOx。因此，三元催化轉換器現在被NOx存儲還原催化轉換器所取代，該催化轉換器臨時存儲分層空燃混合汽工作模式階段產生的NOx，并在均質空燃混合汽工作模式階段凈化之前將其還原。分層空燃混合汽工作模式只能在一定的工況范圍工作，因為在較高負荷時，冒碳煙和/或NOx排放急劇增加并失去整個均質空燃混合汽工作模式時燃油消耗低的優點。在較低負荷時分層空燃混合汽工作模式受廢氣焓的限制，也就是廢氣溫度不能達到催化轉換器的工作溫度。在這種工作模式下，發動機轉速不能超過3 000r/min，因為超過這個閾值，可用的時間窗口不再能使分層空燃混合汽云充分均質化。因此被空氣包圍的分層空燃混合汽云外圍區域變稀，在燃燒時該區域的原始NOx排放增加。在這種工作模式下，采用高廢氣再循環率補救措施可降低燃燒溫度，從而降低與溫度有關的NOx排放。

在分層空燃混合汽啟動工作模式下，是在壓縮行程而不是在常規的進氣行程噴射燃油啟動發動機。這種燃油噴射策略的優點是基于這樣的事實，即燃油噴入燃燒室中已壓縮并已變熱的空氣中，它比噴入冷的空氣中有更多百分數的燃油蒸發。在冷空氣條件下噴入燃燒室中的較大部分燃油作為液態的壁面油膜留在壁面而不參與燃燒，所以在按分層空燃混合汽工作模式啟動時噴入燃燒室中的燃油量急劇減少，從而使HC排放大幅度降低。由于在啟動瞬時三元催化轉換器還不能工作，所以分層空燃混合汽工作模式是開發低HC排放方案的一種重要工作模式。為在可用的窄的時間窗口內加速空燃混合汽制備，在燃油噴射壓力為30～40bar時執行分層空燃混合汽啟動工作模式。燃油壓力是依靠啟動機轉動帶動高壓燃油泵達到的。

注：焓的含義——熱力學名詞，單位是焦耳。表征物體吸收的熱量(在等壓過程中)為一個體系的內能與體系的體積和外界施加于體系的壓強的乘積之和。

2.均質分層空燃混合汽工作模式(弱分層燃燒)

如圖5所示，在分層空燃混合汽工作模式和均質空燃混合汽工作模式之間的過渡范圍，發動機可在均質稀空燃混合汽(λ＞1)工作模式下工作。由于無節流發動機泵氣損失較小，所以在該工作模式下工作時燃油消耗要低于在λ≤1的標準均質空燃混合汽工作模式下工作時的燃油消耗，但均質稀空燃混合汽工作模式工作伴隨著NOx排放增加，因為三元催化轉換器在該工作模式下工作不能降低NOx排放。另外，存儲式NOx催化轉換器意味著在其再生階段有更多的轉換效率損失。在均質分層空燃混合汽工作模式時整個燃燒室充滿基本的均質稀空燃混合汽，它是由發動機進氣行程中噴射基本的燃油量實現的。在壓縮行程，在附加的時間再噴射燃油(雙噴射)，使在火花塞區域形成富空燃混合汽。該分層空燃混合汽易于點燃，并靠火焰沿著像火炬點火相同的路線點燃燃燒室中剩余部分的均質稀空燃混合汽。均質分層空燃混合汽工作模式可在分層空燃混合汽工作模式和均質空燃混合汽工作模式之間的過渡范圍多次循環實現。在過度期間為更好的調整發動機扭矩，可采用發動機管理系統實現均質分層空燃混合汽工作模式。由于在λ＞2時基本上是非常稀的空燃混合汽，燃燒能量轉換少，所以NOx排放也降低。兩次燃油噴射之間的分配因數約為75%，也就是第一次燃油噴射占總燃油噴射量的75%，它負擔基本的均質空燃混合汽工作模式的燃油量。在發動機低速時，在分層空燃混合汽工作模式和均質空燃混合汽工作模式之間的過渡范圍(過渡工況)采用雙噴射的穩態工作，其碳煙排放要比分層空燃混合汽工作模式的碳煙排放低，相對均質空燃混合汽工作模式的燃油消耗少。

分開的均質空燃混合汽工作模式是雙汽油噴射的特殊應用。它用于在發動機啟動后盡可能快的將三元催化轉換器加熱到工作溫度。在壓縮行程依靠第二次燃油噴射的穩定作用可較大的延遲點火(在點火TDC后15°～30°曲軸轉角)。大部分燃燒能量不影響發動機扭矩增加，但會提高廢氣熱焓。由于具有高的廢氣熱流，所以只在啟動后幾秒三元催化轉換器就投入工作。

3.均質空燃混合汽工作模式(均勻燃燒)

在均質空燃混合汽工作模式中，要精確計量噴射的燃油量，以保證空燃混合汽的化學當量比為14.7∶1，發動機在進氣行程噴射燃油，以便有充分的時間使燃油和空氣完全、均勻混合。在全負荷時為保護三元催化轉換器或提高功率，發動機應在工作脈譜圖稍許富油(λ＜1)部分工作。由于可利用整個燃燒室，在要求大扭矩時，發動機應在均質空燃混合汽工作模式下工作。因為在均質化學當量空燃混合汽工作模式時原始有害物排放低，而且它們可在三元催化轉換器中完全轉換。汽油直接噴射的均質空燃混合汽燃燒，在很大程度上與進氣管燃油噴射的均質空燃混合汽燃燒相當。在防爆燃的均質空燃混合汽工作模式下，鑒于分層空燃混合汽可阻止爆燃的事實，在全負荷為避免爆燃，在需要時可采用雙汽油噴射措施而不用延遲點火措施。但更有利的點火正時能得到更高的發動機扭矩。雷克薩斯的4GR-FSE發動機進氣行程中，燃油在進排氣上止點后80°曲軸轉角附近進行缸內噴射，過早的噴射容易撞擊活塞表面，而過晚的噴射又不利于油氣充分混合，因此噴油時刻和噴油持續期視不同的工況和噴射壓力而定。油束噴射后受到周圍氣流作用而不斷霧化混合。由于直噴式噴油器通常采用較高的噴射壓力，油束出口速度大，貫穿能力強，有利于燃油霧化，但其大的噴霧貫穿距也容易發生液滴撞擊汽缸壁面或活塞頂面，造成對缸壁的機油稀釋或者HC排放增加，因此在燃油系統設計通常保證缸內形成強的滾流避免噴霧碰壁。進氣門開啟期間缸內形成順時針方向旋轉的滾流，而燃油從進氣側與缸壁成一定角度(約45°)噴出。在滾流的作用下，油束被卷向進氣側缸內壁，從而防止燃油液滴直接撞擊排氣側汽缸壁造成機油稀釋。同時在滾流作用下促使燃油更大范圍的在缸內分布，加快氣化以及與空氣混合速度。到進氣下止點時，缸內空燃混合汽濃度呈現進氣側和活塞頂較濃，排氣側和燃燒室頂較稀的分布。進氣門關閉后活塞上行壓縮，燃油與空氣仍在滾流的作用下在缸內繞順時針方向旋轉并不斷趨于宏觀均勻。隨著活塞繼續壓縮，缸內滾流被壓扁、破碎，最終形成湍流，而湍流促進了燃油與空氣的微觀混合。在點火時刻前，缸內形成基本均勻的理論空燃比混合汽，如圖6所示。

4.4 GR-FSE發動機的電子SCV(渦流控制閥)系統運行

電子SCV系統主要由渦流控制閥、SCV位置傳感器、SCV執行器和發動機ECU組成。電子SCV系統根據發動機狀況關閉汽缸兩個獨立進氣口中的一個。關閉可最佳控制燃燒室中氣流的進氣口，以提高進氣和燃燒效率，從而降低燃油消耗。SCV系統內置于進氣歧管，如圖7所示。

每個汽缸各采用一個渦流控制閥(SCV)，每個汽缸有兩個獨立的進氣口，一個進氣門。SCV可打開或關閉其中的一個進氣口。渦流控制閥的打開和關閉受發動機ECU控制。左、右列進氣口的SCV通過連桿機構連接，由單個SCV執行器(小型直流電動機)激活。發動機ECU根據發動機轉速、發動機冷卻液溫度和行駛狀況來激活SCV執行器，從而打開或關閉渦流控制閥。關閉其中一個進氣口將加快流經另一個進氣口的進氣速度，增強燃燒室內的渦流，從而可在發動機冷卻液溫度低時提高燃油霧化效率，以使燃燒穩定。發動機低負荷低速運轉時，SCV保持全閉。此時僅一個進氣口進氣，以促進油氣混合。此外還加快了進氣速度，使燃燒充分且提高了燃油經濟性。發動機高負荷運轉時，SCV打開，使汽缸通過兩個進氣口進氣，加大了進氣量，提高了進氣效率。同時燃燒室內產生的縱向渦流(滾流)促進油氣混合，提高了燃燒性能，如圖8所示。