能改善熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性的汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)

【日】　高根英幸

燃油系統(tǒng)

能改善熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性的汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)

【日】高根英幸

摘要：影響汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的重要因素是燃油的噴射方式。取代傳統(tǒng)進(jìn)氣道噴射方式的缸內(nèi)燃油直噴技術(shù)現(xiàn)已越來越普及。缸內(nèi)燃油直噴是在燃燒室中央設(shè)置噴油器，因此能降低燃油耗。對進(jìn)氣道噴射與缸內(nèi)直噴這兩種噴油方式進(jìn)行比較，并介紹汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)，以及其具體應(yīng)用實(shí)例，同時也指出其今后的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī)缸內(nèi)燃油直噴燃油經(jīng)濟(jì)性應(yīng)用

0前言

空氣和燃油被吸入汽油機(jī)后經(jīng)壓縮實(shí)現(xiàn)燃燒。即使燃油供給裝置從原先的化油器進(jìn)化為電控噴油器，這一根本的燃燒理論并未改變。

在傳統(tǒng)的進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)中，燃油和空氣是在進(jìn)氣歧管內(nèi)預(yù)混合，然后在最佳的點(diǎn)火定時點(diǎn)燃壓縮后的混合氣，以維持發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。如提高發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，則須提前點(diǎn)火定時，以在膨脹行程內(nèi)產(chǎn)生更大的扭矩，實(shí)現(xiàn)更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

大部分汽油機(jī)都是在壓縮上止點(diǎn)前利用火花塞點(diǎn)火，在膨脹行程內(nèi)擴(kuò)散混合氣中的火焰。然而，如果以提高熱效率為目的而提高壓縮比，則燃燒室內(nèi)部及混合氣的溫度會升高，在高負(fù)荷工況下容易導(dǎo)致汽油機(jī)爆燃(異常燃燒)，因此必須延遲點(diǎn)火定時。

1進(jìn)氣道噴射方式的局限性

如果發(fā)生上述情況，不僅無法實(shí)現(xiàn)最佳的燃燒，而且以爆發(fā)壓力為驅(qū)動力所能獲得的效率也會大幅降低。為了解決這一問題，可以采用將排出的廢氣再次導(dǎo)入燃燒室的廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)。將惰性氣體導(dǎo)入燃燒室內(nèi)，可以獲得抑制燃燒溫度的效果。然而，由于無法將混合氣充滿整個氣缸，因此必然會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)效率降低。在低負(fù)荷工況下，EGR對于減輕節(jié)流閥的泵氣損失是非常有效的，但在高負(fù)荷工況下雖然可以防止爆燃的發(fā)生，但同時也會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率降低。

此外，為了降低燃燒溫度，也可以利用燃油的汽化熱達(dá)到冷卻效果，但這樣就要求噴射比燃燒所需更多的燃油，從而導(dǎo)致燃油耗增加。

綜上所述，汽油機(jī)曾在很長的一段時間內(nèi)無法獲得良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。汽油機(jī)在熱效率方面存在的問題在很大程度上是由汽油燃料自身的特性及往復(fù)式發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)上的制約所決定的。能解決上述問題的技術(shù)就是現(xiàn)已進(jìn)入實(shí)用化階段的缸內(nèi)燃油直噴發(fā)動機(jī)(表1，圖1)。所謂“缸內(nèi)燃油直噴”，就是向燃燒室內(nèi)直接噴射燃油，因此，必須將傳統(tǒng)設(shè)置在進(jìn)氣道內(nèi)的噴油器改為安裝在燃燒室內(nèi)。

表1　發(fā)動機(jī)燃油噴射方式的比較

圖1　直噴發(fā)動機(jī)的噴油原理

2利用直噴提高燃油經(jīng)濟(jì)性

在采用進(jìn)氣道噴射方式的情況下，進(jìn)入燃燒室內(nèi)的氣體是已混合了燃油的混合氣，因此能在發(fā)動機(jī)寬廣的轉(zhuǎn)速范圍及各種運(yùn)轉(zhuǎn)條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行(圖2)。此外，由于是在進(jìn)氣道內(nèi)的負(fù)壓下噴射燃油，因此對噴油器的性能要求相對較低，其安裝環(huán)境也較為穩(wěn)定。并且，在噴油器已成為標(biāo)配產(chǎn)品的今天，其零件成本也較低。

圖2　進(jìn)氣道噴射發(fā)動機(jī)的噴油原理

為了提高燃油噴束的霧化效果，須使噴嘴噴出的燃油碰撞進(jìn)氣道壁面。近年來，雖然也有通過增加噴孔數(shù)以實(shí)現(xiàn)噴霧高效霧化的噴油器，但無論采用哪種方式，噴射的燃油都會附著在進(jìn)氣道及達(dá)到高溫的進(jìn)氣門處，由此導(dǎo)致不完全燃燒，并使燃油最終堆積在這些部位，這不僅會導(dǎo)致進(jìn)氣效率低，而且會阻礙進(jìn)氣門的正常開啟和關(guān)閉。

為此，燃燒室內(nèi)的未燃燃油會使空燃比發(fā)生波動，在發(fā)動機(jī)上，可利用排氣系統(tǒng)內(nèi)的氧傳感器計(jì)算空燃比，以此修正燃油噴射量，實(shí)施反饋控制。稀混合氣會導(dǎo)致燃燒溫度上升，在實(shí)際使用中，包括堆積的沉積物在內(nèi)，為安全起見，可將燃油濃度設(shè)置較高。

與此相反，缸內(nèi)燃油直噴方式是向燃燒室內(nèi)直接噴射燃油，因此噴入缸內(nèi)的燃油比率(噴射燃油中進(jìn)入燃燒室的燃油比率)更高。雖然由于進(jìn)氣門延遲關(guān)閉等原因會導(dǎo)致氣體逆流，但與進(jìn)氣道燃油噴射方式相比，燃油的通過量較少，進(jìn)氣道和進(jìn)氣門處的燃油附著較少，因而沉積物也較少。

此外，由于進(jìn)氣道中不設(shè)噴油器，有利于設(shè)計(jì)出能提高進(jìn)氣道附近氣體流速以產(chǎn)生渦流的氣道形狀。與進(jìn)氣道噴射時吸入混合氣相比，在只吸入空氣的缸內(nèi)燃油直噴方式下，由于氣體密度不同，因而進(jìn)氣阻力也會發(fā)生變化。

進(jìn)而，由于缸內(nèi)燃油直噴是向燃燒室內(nèi)直接噴射燃油，因此可將噴油分為多次，階段性地提高混合氣濃度。只是，由于直噴基本上是在壓縮行程內(nèi)噴射燃油，與進(jìn)氣道噴射相比，可用的噴油時間受到一定限制，因此要求必須精確地控制噴油，對燃油系統(tǒng)的性能要求也相應(yīng)提高了。

由于直噴噴油器必須在壓縮行程和作功行程的高壓下進(jìn)行燃油噴射，因而與進(jìn)氣道噴射相比，要求具備更高的壓力。此外，還要求燃油噴霧更精細(xì)。如果燃油附著于氣缸壁面，容易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)機(jī)油被汽油燃料稀釋的問題。而且，對直噴發(fā)動機(jī)噴油時間精度的要求也更高(圖3)。與進(jìn)氣道噴射相比，不僅燃燒時的壓力和熱量更高，而且由于燃油附著等原因，其所處環(huán)境也更加苛刻?；跍囟葌鞲衅鳌⑾辔粋鞲衅?、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及節(jié)氣門開度等信息，由電控單元(ECU)控制燃油噴射量和噴油定時。與進(jìn)氣道噴射相比，必須在更短的時間內(nèi)完成噴油。系統(tǒng)中具備高壓燃油泵和高響應(yīng)性的噴油器等。由于必須精確地控制燃油噴射量和噴油定時，因此對傳感器和ECU的性能要求也很高。

圖3　直噴發(fā)動機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)

除了從油箱向發(fā)動機(jī)艙壓送燃油的傳統(tǒng)燃油泵外，增加由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的高壓泵，可實(shí)現(xiàn)5～20MPa的高燃油壓力(圖4)。

圖4　直噴發(fā)動機(jī)的高壓燃油泵

從另一方面來看，也正是因?yàn)榱悴考?yīng)商成功開發(fā)出能滿足上述條件的噴油器及燃油泵等產(chǎn)品，并提供給汽車制造商，才成就了缸內(nèi)燃油直噴發(fā)動機(jī)的成功問世。

3直噴式柴油機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

向燃燒室內(nèi)直接噴射汽油具有眾多優(yōu)點(diǎn)。由于提高了噴油定時的自由度，因此解決了以往氣道噴射時不得不降低效率來避免爆燃問題。

雖然最初是為了實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒而開發(fā)了缸內(nèi)燃油直噴技術(shù)，但由于存在排氣凈化方面的問題，因此在現(xiàn)階段，只能暫時放棄稀燃方式，而以理論空燃比為目標(biāo)實(shí)施均質(zhì)燃燒控制。

實(shí)際上，汽油機(jī)直噴技術(shù)的實(shí)現(xiàn)在很大程度上受到了柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的影響。具有高熱效率的直噴式柴油機(jī)排氣凈化技術(shù)的發(fā)展及燃油經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步改善，都對實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)的缸內(nèi)燃油直噴作出了極大貢獻(xiàn)。為柴油機(jī)開發(fā)的噴油控制技術(shù)及零部件被最終反饋在直噴汽油機(jī)上。

向燃燒室內(nèi)直接噴射燃油以實(shí)現(xiàn)燃燒雖已成為可能，但存在極高的技術(shù)門檻。如前文所述，對于由噴射燃油的噴油器、壓送燃油的高壓泵，以及實(shí)施控制的ECU構(gòu)成的系統(tǒng)部件，都要求其具備比進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)更高的性能。

作為高性能直噴噴油器，首先有壓電式噴油器(圖5)。利用基于電子信號實(shí)現(xiàn)伸縮的壓電元件，可高精度且準(zhǔn)確地控制燃油噴射，但由于其價格昂貴，因此只有部分高級車輛的直噴汽油機(jī)采用該技術(shù)。

圖5　直噴發(fā)動機(jī)的壓電式噴油器

傳統(tǒng)的噴油器采用電磁閥驅(qū)動方式，線圈通電后從產(chǎn)生磁力到運(yùn)行需要一定的響應(yīng)時間(圖6)。然而，隨著電磁閥式噴油器響應(yīng)速度的不斷提高，現(xiàn)在也能應(yīng)用于直噴發(fā)動機(jī)。因此，已有多家汽車制造商在小型車及K-car上配裝具有電磁閥式噴油器的直噴發(fā)動機(jī)。

圖6　直噴發(fā)動機(jī)的電磁閥式噴油器(噴油器上部設(shè)有電磁線圈，電磁線圈通電后產(chǎn)生磁力，上拉可動芯子。與可動芯子相連的針閥被提升，噴嘴內(nèi)部回路被打開，開始噴油。可動芯子返回的力由彈簧控制。)

汽油直噴結(jié)合可變氣門正時技術(shù)后，會達(dá)到更高的燃燒效率。如在進(jìn)氣門關(guān)閉后向燃燒室內(nèi)噴射燃油，那么，即使通過延遲關(guān)閉進(jìn)氣門使吸入燃燒室的空氣回流至進(jìn)氣道的阿特金森循環(huán)中，也能盡量減少不必要的燃油消耗。

上述高精度控制在很大程度上依賴于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。以前，通常是利用由玻璃制成的可視化發(fā)動機(jī)來了解具體的燃燒過程，現(xiàn)在則可以利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，更為高效地觀察從進(jìn)氣到壓縮、作功、排氣過程中的混合氣變化。

4汽油直噴技術(shù)的發(fā)展方向

一般而言，直噴汽油機(jī)的噴射方式是由噴油器向燃燒室內(nèi)呈放射狀地噴射燃油，以使混合氣能擴(kuò)散至整個燃燒室內(nèi)。另一方面，還有在最初階段使火花塞周圍保持濃混合氣，并在周圍形成稀混合氣，最終實(shí)現(xiàn)分層燃燒的方式，這被稱為“噴霧引導(dǎo)方式”(圖7，圖8)。采用高響應(yīng)性的壓電式噴油器可實(shí)現(xiàn)這一燃燒過程，目前，這一技術(shù)已被應(yīng)用于德國Daimler公司的Mercedes-Benz車型，以及BMW公司的部分車型。

圖7　Daimler公司Mercedes-Benz車所用直噴稀燃發(fā)動機(jī)(采用壓電式噴油器，在火花塞周圍生成濃混合氣，以實(shí)現(xiàn)分層燃燒?；钊敳吭O(shè)有凹坑，壓縮時可將濃混合氣滯留于此，同時活塞頂部四周增高，實(shí)現(xiàn)高壓縮比。)

圖8　直噴稀燃發(fā)動機(jī)示意圖(在噴霧引導(dǎo)方式的直噴稀燃發(fā)動機(jī)中,預(yù)先噴射少量燃油,形成稀混合氣,然后在點(diǎn)火前再次噴射燃油，在火花塞周邊形成濃混合氣，促進(jìn)燃燒。與傳統(tǒng)的氣道噴射相比，可提高15%的燃油經(jīng)濟(jì)性。)

此外，缸內(nèi)燃油直噴與渦輪增壓器的匹配性很好。由于可利用燃油的冷卻效應(yīng)，因此能夠提高渦輪增壓車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。進(jìn)而，如再結(jié)合發(fā)動機(jī)小型化的縮缸強(qiáng)化措施，不僅能夠解決渦輪增壓發(fā)動機(jī)在高負(fù)荷時燃油經(jīng)濟(jì)性惡化的問題，而且還能進(jìn)一步降低低負(fù)荷工況下的燃油耗(圖9)。德國Volkswagen公司的小型化渦輪增壓發(fā)動機(jī)正是利用了缸內(nèi)燃油直噴的優(yōu)勢。

圖9　結(jié)合了連續(xù)可變氣門升程機(jī)構(gòu)的直噴渦輪增壓發(fā)動機(jī)(BMW公司的第1代直噴渦輪增壓發(fā)動機(jī)，采用Valvetronic這一連續(xù)可變氣門升程機(jī)構(gòu),并利用壓電式噴油器精確控制燃油噴射?，F(xiàn)有的第2代產(chǎn)品以1臺雙流道渦輪增壓器取代原有的雙渦輪增壓，并結(jié)合小型的電磁閥式噴油器和可變氣門升程機(jī)構(gòu)，不僅降低了成本，還降低了燃油耗。)

概括來說，直噴發(fā)動機(jī)因各公司的具體應(yīng)用方式不同而具有不同的效果。根據(jù)發(fā)動機(jī)所配裝車型的不同，或是車輛售價的不同，發(fā)動機(jī)的成本自然也會發(fā)生變化。

充分發(fā)揮直噴發(fā)動機(jī)優(yōu)勢的實(shí)例之一是馬自達(dá)公司的Skyactiv-G汽油機(jī)技術(shù)。雖未采用渦輪增壓技術(shù)，但卻具有自然吸氣發(fā)動機(jī)中極高的壓縮比，與運(yùn)行范圍極廣的可變氣門正時機(jī)構(gòu)相結(jié)合，即使在阿特金森循環(huán)下，也能產(chǎn)生足夠的扭矩。為了提高發(fā)動機(jī)的抗爆燃性能而采用了多項(xiàng)技術(shù)，其中最為核心的仍是缸內(nèi)燃油直噴技術(shù)。

豐田汽車公司的D4-S噴油系統(tǒng)兼具直噴用噴油器和氣道噴射用噴油器。這是將直噴系統(tǒng)的優(yōu)勢與氣道噴射系統(tǒng)的優(yōu)勢相結(jié)合的系統(tǒng)，是一種成本較高的燃油供給系統(tǒng)。在低負(fù)荷工況下能確保穩(wěn)定的運(yùn)行及良好的排放性能，同時在中等以上負(fù)荷工況下，可以發(fā)揮直噴的高效率，實(shí)現(xiàn)降低燃油耗的目標(biāo)。

最近，Volkswagen公司也在高性能發(fā)動機(jī)上應(yīng)用組合了直噴噴油器與進(jìn)氣道噴射噴油器的燃油系統(tǒng)，由此開發(fā)的小型化渦輪增壓發(fā)動機(jī)具有更高的功率輸出性能。與豐田汽車公司的D4-S燃油系統(tǒng)不同，Volkswagen公司的系統(tǒng)是利用進(jìn)氣道噴射預(yù)先混合燃油與空氣，以補(bǔ)償高負(fù)荷時只采用直噴而無法達(dá)到的燃油霧化效果，從而以高增壓實(shí)現(xiàn)高功率輸出。

鈴木公司在K-car的渦輪增壓發(fā)動機(jī)上采用直噴技術(shù)。另外，還為小型車開發(fā)了采用進(jìn)氣道噴射，其性能接近于直噴系統(tǒng)的新型噴油系統(tǒng)(圖10)。該系統(tǒng)被稱為“雙噴油器系統(tǒng)”，與傳統(tǒng)的進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)是將2個具有細(xì)長噴嘴的噴油器分別安裝在進(jìn)氣門正前方。因此，與傳統(tǒng)的進(jìn)氣道噴射相比，直接噴入缸內(nèi)燃油比率更高，同時能實(shí)現(xiàn)低燃油耗和高功率的性能目標(biāo)。

圖10　性能接近于直噴系統(tǒng)的進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)配置(噴油器位置盡可能接近進(jìn)氣門，提高了直接噴入缸內(nèi)的燃油比率。雖然日產(chǎn)汽車公司和本田公司也采用相同的布置，但鈴木公司的噴油器位置最接近進(jìn)氣門，因此其燃油經(jīng)濟(jì)性最高。)

與直噴不同，上述進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)只在進(jìn)氣門打開的狀態(tài)下才噴射燃油，因此與可變氣門正時機(jī)構(gòu)組合使用后，可實(shí)現(xiàn)高效的燃油供給，而且，還能維持進(jìn)氣道噴射所獨(dú)有的在寬廣運(yùn)行范圍內(nèi)穩(wěn)定燃燒這一優(yōu)勢。

5排氣凈化技術(shù)

今后，缸內(nèi)燃油直噴技術(shù)很有可能成為汽油機(jī)的主流技術(shù)。這不僅是出于成本方面的考慮，與直噴相關(guān)的技術(shù)難題被不斷解決也將成為關(guān)鍵的影響因素。

例如，從理論上講，應(yīng)用燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異的直噴技術(shù)時，在實(shí)際車輛行駛中，隨著負(fù)荷及轉(zhuǎn)速的波動，會出現(xiàn)燃油霧化不充分的情況，與進(jìn)氣道噴射相比，排氣中的碳煙成分會增加。因此，隨著日后排放法規(guī)的再次升級，必須尋求降低顆粒(PM2.5)排放的對策，對于汽油車而言也是如此。為此，包括稀燃技術(shù)在內(nèi)，排氣凈化技術(shù)的不斷進(jìn)步值得關(guān)注。

此外，在提高效率方面，火花塞及進(jìn)排氣門與噴油器在空間布置上的矛盾也是須解決的課題。目前，直噴噴油器的布置有2種方式，分別是在燃燒室內(nèi)進(jìn)排氣門之間或進(jìn)氣門外側(cè)(圖11)。

圖11　Porsche公司911車型的直噴發(fā)動機(jī)噴油器布置(噴油器設(shè)置在進(jìn)氣門外側(cè)，而不是燃燒室中央。從燃燒室一角噴射燃油，燃油噴霧更易卷入滾流?；钊螤顝?fù)雜，應(yīng)用高壓縮　的同時，混合氣集中于火花塞周圍。噴油系統(tǒng)布局與馬自達(dá)公司的Skyactiv-G相同。)

圖12　Volkswagen公司1.2L小型化渦輪增壓發(fā)動機(jī)(每缸2氣門，噴油器設(shè)置在燃燒室頂部，使燃油更易被點(diǎn)燃。由于氣門數(shù)少，部件數(shù)也隨之減少，氣缸蓋的成本亦隨之降低。)

雖然將噴油器設(shè)置在燃燒室中央是較為理想的方案，但德國Porsche公司為了保證火花塞和氣門驅(qū)動部件的空間，將噴油器布置在進(jìn)氣門外側(cè)，基于利用滾流帶動混合氣的設(shè)計(jì)，將噴油器布置在燃燒室一角，并斜向噴射燃油。

Volkswagen公司利用增壓來提高進(jìn)氣效率，開發(fā)了每缸2個氣門(進(jìn)氣門與排氣門各1個)的小型化渦輪增壓發(fā)動機(jī)(圖12)。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是燃燒室形狀可為半球形，噴油器布置的自由度更高。

今后可能會出現(xiàn)3氣門的縮缸強(qiáng)化渦輪增壓器，即1個進(jìn)氣門用于渦輪吸氣，2個排氣門來保證排氣順暢高效的被送入渦輪。另外，為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的高熱效率，推進(jìn)均質(zhì)充量壓燃技術(shù)的開發(fā)，使汽油機(jī)能像柴油機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)自著火。這些技術(shù)都可能成為汽油直噴技術(shù)的衍生產(chǎn)品，并具有進(jìn)一步發(fā)展的巨大潛力。

胡瑞娟譯自NikkeiAutomotive，2015,3

朱曉蓉校

朱曉蓉編輯

(收稿日期：2015-05-26)