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燃油直噴簡介
圖1 燃油直噴
目前，一些汽車制造商正在將GDI技術投入實際的制造應用過程。例如Mercury Marine公司就針對其大型發(fā)動機開發(fā)出了一個采用雙重空燃直噴燃燒系統(tǒng)的發(fā)動機。從1996年起日本的三菱公司也開始了GDI發(fā)動機的開發(fā)工作，西門子和雷諾兩公司也聯(lián)手致力將GDI技術應用于雷諾的Megane汽車上。同時，Delphi也宣布將和Orbital發(fā)動機制造公司共同投資開發(fā)一種火花塞和燃油直噴混合的發(fā)動機系統(tǒng)，這個系統(tǒng)只需要一個通往汽缸燃燒室的孔。開發(fā)直噴技術的最初想法是由于在大多數(shù)的情況下，發(fā)動機的空燃比可以調(diào)節(jié)到比用化學計算法得出的14.7:1更稀薄的狀態(tài)，而不會對發(fā)動機性能造成負面的影響。然而其局限性卻是這樣的，稀薄混合氣體很難點燃，而且還會隨之產(chǎn)生相應的排放物，其主要成分是氮氧化合物（NOX）。
采用直噴技術后，燃油以細微滴狀的薄霧方式進入汽缸，而不是以蒸汽的方式。這也就意味著當燃油霧滴吸收熱量變?yōu)榭扇颊羝麜r，實際上對發(fā)動機的汽缸起到了冷卻的作用。這種冷卻作用降低了發(fā)動機對辛烷的需要，所以其壓縮比可以有所增加。而且正如柴油一樣，采用較高的壓縮比可以提高燃料的效率。
采用GDI技術的另一個優(yōu)點是它能夠加快油氣混合氣體的燃燒速度，這使得GDI發(fā)動機和傳統(tǒng)的化油器噴射發(fā)動機相比，可以很好地適應廢氣再循環(huán)工藝。例如，在三菱的發(fā)動機上，當?shù)∷龠\轉(zhuǎn)過程中如果發(fā)動機燃燒不穩(wěn)定，則發(fā)動機可以以40:1的空燃比很平穩(wěn)地運行（如果采用了廢氣再循環(huán)EGR技術，那么發(fā)動機的空燃比可以提高到55:1）。
決定一種非常稀薄的混合氣體的關鍵是能否找到一種可靠的點燃它的途徑。這就要求在火花塞間隙附近混合氣的濃度足夠大，以便能點燃。由于火焰的焰心要比火花塞的間隙尺寸大得多，一旦燃燒之后火焰就會向燃燒室內(nèi)的稀薄氣體區(qū)域擴散。早期的GDI的開發(fā)工作著重于研究能夠在炙熱狀態(tài)下，長時間工作點燃可燃物的兆點點火系統(tǒng)。雖然這個系統(tǒng)發(fā)出的炙熱的、較大的火花能夠很容易地將稀薄混合氣體點燃，然而由火花塞發(fā)出的熱量卻大大降低了火花塞電極的使用壽命。
采用計算機來模擬進出燃燒室的燃料和空氣流的情況是一項突破性的技術。燃燒室和活塞的形狀、噴油脈沖的能量和方向、活塞和發(fā)動機熱量的運動情況都會影響油氣混合物霧滴的位置。這項技術采用了關鍵性的計算機技術來確定空燃流的情況以及空燃噴射器的位置以及火花塞的相關參數(shù)。
燃油直噴基本系統(tǒng)
當這項技術應用于GDI時會產(chǎn)生兩個基本的系統(tǒng)，它們分別是HPDI 和 LPDI。HPDI系統(tǒng)依靠高壓（100巴或100個大氣壓力）來迫使燃料進入已經(jīng)充滿空氣的燃燒室。在雷諾的IDE發(fā)動機中，西門子采用了一個三活塞的燃油泵來產(chǎn)生燃料噴射所需的高壓。同時，由于采用了電磁控制的閥門，使得發(fā)動機的控制系統(tǒng)能夠根據(jù)發(fā)動機的運轉(zhuǎn)需要確定進、排氣門的正時時間。
Orbital公司的低壓直噴系統(tǒng)（LPDI）是對兩沖程發(fā)動機應用于汽車制造的技術的進一步*和改進。采用LPDI系統(tǒng)后，一定量的燃油被噴射到位于油氣混合氣噴射裝置頂部的氣室內(nèi)。一個皮帶或凸輪傳動的空氣壓縮機用來向空氣噴射裝置提供大約6.5巴的壓力。當空氣噴射裝置的線圈被啟動后，空氣壓力就會使燃油和空氣進入到燃燒室中。這個系統(tǒng)發(fā)生作用的關鍵是進入到燃燒室中的燃料流應該是呈現(xiàn)易燃狀態(tài)。該系統(tǒng)的一個很主要的特點是由于燃料沒有處在非常高的壓力下，所以也就不需要使用特殊的燃油泵，燃油供油裝置產(chǎn)生開裂和泄漏的危險性也小得多。
HPDI 和 LPDI這兩個系統(tǒng)都面臨著挑戰(zhàn)。一是燃油的噴射模式必須十分精確，以便能夠以成層的方式正確地將燃料進行分配。在HPDI系統(tǒng)中，這意味著需要更高的噴射壓力和更快的噴射速度。西門子公司宣稱它目前正在研究高達200巴壓力的燃油噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有能夠在半毫秒內(nèi)點火的高精度的噴射裝置。
要獲得較滿意的燃空混合氣分層就意味著燃燒室和活塞頂部的形狀都是非常關鍵的。這需要對每臺發(fā)動機使用計算機造型和廣泛的測試來確定其最終的形狀。這也即是說GDI技術并不能簡單地捆綁于現(xiàn)有的發(fā)動機上。汽缸和活塞需要進行變動，發(fā)動機的電子控制系統(tǒng)的硬件也需要改進。
和傳統(tǒng)的發(fā)動機燃油泵相比，HPDI系統(tǒng)所需的燃油泵有很大的區(qū)別。傳統(tǒng)的電動燃油泵需要讓燃油流經(jīng)泵體來保持冷卻和潤滑。而另一方面，高壓HPDI系統(tǒng)的燃油泵卻采用了與燃油流隔離開的液壓泵組件。為了降低在如此高的壓力下運轉(zhuǎn)時發(fā)生泄漏的可能性，將這兩部分的功能隔離開是很有必要的。PSA標致/雪鐵龍公司和西門子公司已經(jīng)組成了一個合資公司來專門為歐洲市場生產(chǎn)這種新型的燃油泵。
讓發(fā)動機燃燒非常稀薄的油氣混合氣體也就意味著其每個燃燒沖程燃燒的燃料量更少，因而產(chǎn)生的功率也就更小。三菱公司的GDI發(fā)動機通過采用雙重模式的燃燒系統(tǒng)突破了這個局限性。對于在正常情況下的諸如城市市區(qū)的低負載駕駛工況，燃油在壓縮沖程延遲噴射，這一點和柴油發(fā)動機一樣。這種方式提供了一種極稀薄的油氣混合物分層，從而提高了發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。當來自不同的發(fā)動機傳感器的信息探測到駕駛員希望在高負載或高車速下操縱汽車時，噴射脈沖就會提前在進氣沖程進行噴射。
這種技術允許發(fā)動機使用正常的空燃比。其關鍵是發(fā)動機的電子系統(tǒng)能夠?qū)崟r確定燃油應在何時以何種方式噴射。
燃油直噴排放影響
GDI技術對發(fā)動機的排放具有很重要的影響。你可以想像得到，當較少的燃料在一個富氧的環(huán)境中燃燒時，HC和CO的產(chǎn)生量肯定會大大減少。另一方面，氮氧化物NOX的產(chǎn)生則是個問題。為了避免這個問題的發(fā)生，三菱的GDI發(fā)動機采用了30%的EGR比率，并采用了一個新型的稀薄NOX氣體催化器。這種催化器是一種儲藏型的設備，它能夠在需要的情況下吸收多余的NOX，然后將HC排放物引入那部分的催化轉(zhuǎn)換器而重新起作用。由于這個裝置位于三元催化器的前面，所需要的用于多余的NOX催化的HC的量在此處應該引起注意。
這項新技術至少需要采用好幾個傳感器才能夠起作用。人們開發(fā)出了一種新型的傳感器來探測多余的NOX的水平，這種傳感器在很多方面與傳統(tǒng)的氧傳感器很相似，只不過它的固體電極采用了不同的材料，而且它采用了兩室的設計結構。傳統(tǒng)的氧傳感器對于采用非化學計量法得出混合汽體不起作用，所以在這里還需要一些其它的東西。一種被開發(fā)用于ULEV發(fā)動機的被稱為UEGO分線性氧傳感器在這種空燃比的情況下能夠良好地工作，并被用于三菱公司的發(fā)動機系統(tǒng)中。
正如你所知道的那樣，GDI發(fā)動機與目前車輛上廣泛裝備的傳統(tǒng)的進油口燃油噴射的發(fā)動機有很大的不同，而且這種新型的發(fā)動機毫無疑問將在不遠的將來得到應用。事實上，豐田公司的混合動力轎車Prius上已經(jīng)裝備了一臺這樣的發(fā)動機，而且福特、通用和克萊斯勒公司都正在對這種新型發(fā)動機進行研制。一個積淀了70年的概念正在逐步變?yōu)閷嵱玫漠a(chǎn)品，這就是讓人值得稱道的地方。而所有這一切都要歸功于車載的傳感器和電子控制系統(tǒng)，以及最終使該項技術浮出水面的計算機建模系統(tǒng)。
燃油直噴原理探析
自從100多年前，汽油機被發(fā)明出來后，工程師們絞盡腦汁，想盡了各種各樣的方法，試圖提升其性能。100多年過去了，從鑄鐵到鎂鋁合金的材料科學進步，從機械控制到電子控制的控制理論進步，從功率需求到環(huán)保需要的意識進步，充分展現(xiàn)了工程師們的想象力和不懈追求,從燃油的計量、空氣的混合、氣門的開閉，將活塞式汽油機的性能推至前人不敢想象的高度。
然而，從汽油機的發(fā)展歷，實現(xiàn)技術上重大飛躍的歷史事件只有一個，那就是電子系統(tǒng)的引入，將以往粗糙的機械控制系統(tǒng)改由精確的電子化控制。然而，另一個里程碑式的技術正在克服重重困難，來到我們面前，那就是“FSI”燃油直噴技術。
單從技術出發(fā)點和原理上來講，這一技術了100多年來汽油機的燃油供應方式，甚至了之前一直認為過于稀薄的混合氣在氣缸內(nèi)不可能被點燃的理論。
本文力圖用簡潔的語言，從原理角度去探析，為什么說“FSI”燃油直噴技術屬于里程碑式技術。
首先，我們要溫故而知新，回憶一下一般汽油發(fā)動機的燃油供應。左上角綠色部分為燃油噴嘴，在進氣門還沒有打開的時候，就開始往進氣管噴油，與進氣管里的新鮮空氣混合，待進氣門打開后進入氣缸，經(jīng)過氣缸壓縮后變成成分均勻的混合氣點燃。
然而，將燃油在缸外噴射，面臨著永遠無法解決的兩個問題。
個問題稱為“混合氣濃度問題”。我們知道，純空氣或者純汽油，都是不可燃燒的，能夠在氣缸內(nèi)點燃的，是這兩種物質(zhì)的混合體。我們通過一般常識會想到，油太少，氣太多，肯定是點不著的，其實反之亦然。工程師在大量試驗的基礎上得知：以質(zhì)量為計算單位，14.7份的空氣和1份的汽油，能夠充分燃燒，當空氣大于18份或者小于9份時，不好意思，點不著，在這個范圍內(nèi)，混合氣濃度大，發(fā)動機就有勁，其實當你踩下油門的時候，發(fā)動機電腦就是在配這個空氣和油的比例。需要更省油，就要更多的空氣，更少的油，但人家就是不點火，你能怎么著？
第二個問題就是“壓縮極限問題”。我們知道，汽油隨著新鮮空氣進入氣缸，首先是經(jīng)過活塞的壓縮才點燃的。如果把10份的汽油和空氣混合的氣體壓縮成1份，那么我們就把這臺發(fā)動機的壓縮比稱為10.無論是理論還是實際都證明了，提高發(fā)動機的壓縮比是提高效率的方式。但問題是，隨著壓縮比的提高，氣缸內(nèi)的溫度會過高，混合氣不用火花塞點火就會自燃。請網(wǎng)友想象一下，當活塞還沒有運動到點的時候，就有一股*的力量把活塞往反方向推，這也就形成了一般所說的爆震。隨之而來的還有一系列的排放問題。
圖1
為了解決這兩個問題，工程師先從理論上嘗試。如果在火花塞附近的混合氣體的濃度是適合燃燒的，而其他地方的混合氣是很稀薄的，通過火花塞附近的混合氣燃燒，加熱膨脹其他空氣，可不可行呢?如果能在發(fā)動機完成了壓縮后在噴油，那么發(fā)動機壓縮的是純空氣，應該能把壓縮比再提高吧？答案是令人興奮的。在試驗中，曾經(jīng)將空氣配置到100份去燃燒1份的汽油，發(fā)動機依然能工作，壓縮比也可以提升到12以上。于是，就出現(xiàn)了我們現(xiàn)在常聽說了“稀薄燃燒”和“分層燃燒”概念。很多人會混淆“燃油直噴技術” ，“稀薄燃燒”和“分層燃燒”三者。其實，“稀薄燃燒”的意思是指在氣缸內(nèi)汽油遠遠少于空氣的意思，“分層燃燒”是指氣缸內(nèi)的混合氣不是均勻的，有些地方濃，有些地方稀，兩者都是燃燒理論。而因為理論在試驗中得到了驗證，就開發(fā)出了“燃油直噴技術”，為的就是實現(xiàn)前兩個燃燒理論圖1的汽油噴嘴是直接伸入氣缸，噴出的燃油是在靠近火花塞位置的。細心的網(wǎng)友可能會發(fā)現(xiàn)這么一個問題：圖1中的發(fā)動機明明是在吸氣，噴油器就已經(jīng)開始噴油了，發(fā)動機在下一步運動中，就要壓縮混合氣體，和前文所述的只壓縮純空氣不相符合啊。這就引出了FSI發(fā)動機的控制復雜性。由于汽車發(fā)動機不是勻速運轉(zhuǎn)的，時而怠速，時而加油，時而又要巡航，其實針對不同的工作狀況，發(fā)動機的燃燒控制都不相同。而在FSI中，只有在油門小的情況下才會實現(xiàn)“稀薄燃燒”和“分層燃燒”，在大油門的時候，發(fā)動機依然采用，或者說必須采用傳統(tǒng)的油氣混合方式，以保證功率的輸出。
其實，F(xiàn)SI燃油直接噴射技術的復雜性遠遠不止我們今天討論的原理那么簡單，要實現(xiàn)“稀薄燃燒”和“分層燃燒”，就猶如牛頓知道只要速度夠快，就能把物體送上天不會掉下來，直到前蘇聯(lián)宇航員加加林上天遨游，經(jīng)歷的時間是多么漫長。而目前在民用車領域，運用較多的也就是奧迪和凱迪拉克，并且在很大程度上還沒有實現(xiàn)正真意義的“稀薄燃燒”和“分層燃燒”。但是，作為活塞式發(fā)動機已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在這個階段，其他提升性能的手段已經(jīng)用到的情況下，改變汽油機混合氣的形成方式，真不乏釜底抽薪的勇氣，對這種不斷進取開拓的工程師精神，是值得我們敬佩的。
參考資料
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