論電控汽油發(fā)動機直噴技術(shù)的應用

蔣南希

摘 要：近年來，隨著汽車產(chǎn)量的不斷增加，能源、環(huán)境、安全問題的日益嚴峻，人們對汽車發(fā)動機技術(shù)的研究在不斷探究，汽油發(fā)動機直噴技術(shù)就是將汽油升為高壓后直接噴入氣缸內(nèi)與空氣混合的技術(shù)。其工作效率得到了很大提高，并有效降低油耗、提高發(fā)動機功率。汽油在氣缸中混合的更加均勻，點火燃燒將更加充分，達到更高效率的能量轉(zhuǎn)化，進一步達到提高功率、節(jié)能、環(huán)保的目的。：該文主要從結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計技術(shù)、維修技術(shù)上對汽油發(fā)動機直噴技術(shù)進行分析，并導入大眾汽車TSI發(fā)動機為案例進一步詳細闡述。

關(guān)鍵詞：直噴技術(shù) 發(fā)動機 TSI

中圖分類號：U464 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0129-02

目前人們對汽車的使用性能要求越來越高，已經(jīng)不滿足于進氣歧管多點噴射技術(shù)，為了進一步達到節(jié)能、高效、環(huán)保，工程師研制出了更加精準的燃油噴射技術(shù)，這種技術(shù)就是缸內(nèi)直噴技術(shù)。

缸內(nèi)直噴就是將高壓燃油噴嘴安裝于氣缸蓋上，直接將燃油噴入氣缸內(nèi)與空氣混合。其特點主要是油耗低、升功率大，且壓縮比高達12，功率與扭矩大大提高，與同排量的一般發(fā)動機相比，它的功率與扭矩提高了10%。為了增加效率，更加準確的控制燃油與空氣的結(jié)合，缸內(nèi)直噴技術(shù)在進氣歧管噴射基礎(chǔ)上優(yōu)化了燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，噴射壓力也得到相應提高，燃油顆粒霧化更細，除此之外還消除了缸外噴射各種的缺點。各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，以及對于壓力、位置、進氣流的精確控制，使油氣混合更加精確，也進一步提高了效率，此技術(shù)借鑒了柴油機的特點，故有人認為缸內(nèi)直噴式汽油發(fā)動機是將柴油機的形式移植到汽油機上的一種創(chuàng)舉。

1 結(jié)構(gòu)

直噴式汽油發(fā)動機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)主要有以下部件：氣缸蓋、進氣管、高壓油泵、噴油器、活塞。

發(fā)動機最為關(guān)鍵的部分是氣缸蓋，缸蓋中最關(guān)鍵的部分燃燒室對混合氣體以及氣體流動和火焰的燃燒作用最大。

進氣管為發(fā)動機進氣部分，對采用分層燃燒模式的發(fā)動機來說，需要嚴格控制進氣管的直徑、長度以及諧振腔的容積，而且可變滾流量和可變管長等結(jié)構(gòu)也要進行增加，以達到增加氣流量和滾流量的效果。因此，進氣管的設(shè)計難度大幅增加，結(jié)構(gòu)以及制造成本都會上升。由于進氣增壓的作用，渦輪增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機進氣歧管大部分情況下壓力都為正值，一般壓力可達0.2 MPa左右，為滿足系統(tǒng)的真空度要求，進氣管的強度要求更加嚴格，而且發(fā)動機本身還要額外增加真空泵。

高壓油泵是由安裝在進氣凸輪軸尾端的凸輪來進行驅(qū)動，最為重要的就是升程的選擇，這直接影響機器冷啟動直噴建壓時間，一般在2～4ms之間。而升程則需要根據(jù)凸輪的的型線、發(fā)動機的使用要求以及制造所需工藝等條件來進行綜合考慮。

直噴系統(tǒng)的核心部件是噴油器，噴油器對發(fā)動機的各種性能影響最大，其在缸內(nèi)的位置、結(jié)構(gòu)形式、形狀以及方向都對燃油的霧化和混合程度以及燃燒的充分度產(chǎn)生最直接的影響。另外噴油器受油品質(zhì)量影響，質(zhì)量差的油品，由于摻雜其它物質(zhì)或者純凈度不夠，極易形成積碳對噴油器造成堵塞，進而影響發(fā)動機性能，并對噴油器的壽命造成極大的影響，故直噴發(fā)動機對油質(zhì)要求較高，一般使用97號汽油，且需要定期保養(yǎng)，維護費用較高。

直噴發(fā)動機一般將活塞當做關(guān)鍵部件來進行研究和設(shè)計，因為其對缸內(nèi)的氣流以及氣體的形成等方面影響巨大。但是為達到油氣充分混合，油氣的濃度進一步均勻分布，從而使燃燒更加充分和徹底，達到更高效率，無論是使用哪種引導方式，都需要特殊的活塞頂面凹坑適應。

2 工作原理

不同于進氣歧管，多點電噴只是通過電腦采集曲軸、凸輪軸位置等發(fā)動機各信號從而控制噴油嘴將汽油噴入進氣歧管后形成可燃混合氣再送入氣缸。缸內(nèi)直噴又被叫作FSI（Fuel Stratified Injection），是一種燃燒分層噴射技術(shù)，這種技術(shù)代表著傳統(tǒng)汽油引擎發(fā)展的一個方向，目前已被廣泛運用。傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機噴嘴與燃燒室有一定距離，這段距離由進氣歧管導入，因此汽油不能與空氣很快混合徹底，并且一些燃油會吸附在進氣管壁上，時間一長甚至造成積碳，直噴系統(tǒng)可以較大的改善這種現(xiàn)狀。FSI就是開發(fā)用來改善傳統(tǒng)汽油發(fā)動機供油方式不足的缸內(nèi)直噴技術(shù)，其采用一種類似柴油發(fā)動機的技術(shù)，通過一個能提供高達100bar的活塞泵，用電磁噴射器以接近毫秒的精度將汽油直接噴入氣缸內(nèi)部的燃燒室中，并在燃燒室中形成漩渦，使油氣充分混合、燃燒。

大眾汽車公司的TSI發(fā)動機所采用燃油直噴技術(shù)是當今行業(yè)中技術(shù)最為先進、也是最為成熟的直噴技術(shù)，在同等排量的發(fā)動機中，TSI動力性與經(jīng)濟性得到超強的結(jié)合，尤其是與DSG變速箱的搭配號稱“黃金搭檔”，價格相對也比較經(jīng)濟，在汽油發(fā)動機的發(fā)展中起著引領(lǐng)作用，TSI即在FSI的基礎(chǔ)上增加了進氣渦輪增壓裝置。

3 設(shè)計技術(shù)

直噴技術(shù)的精髓所在，是通過使用一個活塞泵來提供燃油充分混合所需的高達100 bar以上的巨大壓力，用電磁噴射器將高壓汽油噴入氣缸。由于燃燒室內(nèi)形狀的特殊設(shè)計，噴油嘴在極短時間內(nèi)，通過巨大壓力，直接將燃油注入燃燒室中，這一時間的把控必須最恰當，此時燃燒室內(nèi)由于壓力以及特殊形狀的設(shè)計，將會使油氣產(chǎn)生巨大漩渦，進一步對油氣進行混合，以達到燃燒更加充分的目的。一些高濃度的混合氣體充分散瘀在火花塞附近，而一些稀薄油氣則分散在高濃度混合氣周邊外圍區(qū)域，這樣一來，點火系統(tǒng)工作時，火花塞周圍濃郁氣體極易點燃，在點燃的同時，周邊區(qū)域的稀薄氣體同時也被迅速點燃，如此一來便可實現(xiàn)稀薄燃燒。

我們?nèi)砸源蟊奣SI發(fā)動機為例，TSI發(fā)動機與目前其他傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機有以下區(qū)別：與歧管噴射的原理不同，在噴油方面，TSI發(fā)動機配備了更為高級的供油系統(tǒng)，進排氣凸輪軸連續(xù)可調(diào)裝置可以改變配氣相位，由于單活塞高壓泵的共軌高壓噴射系統(tǒng)可以提供極為精確的燃油，而且生成非常適合發(fā)動機點火的工作壓力，汽油則通過噴油器直接以高壓噴入氣缸內(nèi)部，缸內(nèi)的特殊設(shè)計以及極為精準的計算使其壓縮比得到了大大的提高，從而造就了這種先進的能夠在市場獨領(lǐng)風騷的新型發(fā)動機。在進氣方面，大眾的新型TSI發(fā)動機使用先進的進氣控制翻板閥來控制氣體的需求量，進一步增加了發(fā)動機充氣的效率，對功率也進一步進行提升，使得發(fā)動機的性能更加先進。

4 維修技術(shù)

汽油直噴系統(tǒng)的主要故障集中在三個方面：（1）燃油系統(tǒng)壓力不正常故障（包括偏高或偏低）。故障現(xiàn)象又包括發(fā)動機無法啟動、動力不足及輸出轉(zhuǎn)速受限和發(fā)動機的運轉(zhuǎn)聲音大等，其原因主要是有低壓油路壓力不足，高壓油路壓力偏低或偏高等引起的；（2）噴油嘴噴油不良的故障。故障現(xiàn)象有怠速不穩(wěn)，加速時汽車偶爾發(fā)沖，其原因主要是由噴油嘴噴油不暢而導致噴油量不足、不噴油和噴油嘴卡滯滴漏等問題引起；（3）汽油品質(zhì)差導致的故障。故障現(xiàn)象有怠度不穩(wěn)、加速不暢、尾氣排放燈亮。由于直噴發(fā)動機對油品的要求較高，使用汽油的品質(zhì)不良而造成發(fā)動機早燃、爆震等故障。

5 結(jié)語

該文以大眾TSI為例，從結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計技術(shù)、維修技術(shù)上對汽車發(fā)動機直噴技術(shù)作了簡要分析。目前，石油等非再生資源由于發(fā)掘開采過多，已經(jīng)越來越稀少，人們對汽車充分燃燒率的要求也越來越高，在這種環(huán)境下，直噴技術(shù)也得到越來越廣泛的發(fā)展。這種技術(shù)的發(fā)展，對國內(nèi)外的發(fā)動機也帶來一場革命性的風暴，代表著未來發(fā)動機的方向，在以后一段時間內(nèi)將得到蓬勃發(fā)展，并將廣泛應用于汽車行業(yè)。

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