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1、第五章 直喷发动机和直喷稀燃发动机 第一节 直喷稀燃发动机理论 第二节 国内投入批量生产的直喷发动机 第三节 投入批量生产的直喷稀燃发动机下一页返回第五章 直喷发动机和直喷稀燃发动机缸内燃油喷射发动机分为直喷均质发动机和直喷稀燃发动机两种。 均质即汽缸内的油气浓度各处都相等，怠速用浓混合气，部分负荷空 燃比为.的混合气，全负荷用浓混合气。这样的直喷发动机为均 质直喷发动机。均质直喷发动机相对缸外喷射而言，直喷发动机的高 压雾化会更好。现在的所谓直喷发动机大多停留在这个阶段。 非均质即汽缸内各处的油气浓度不都相等，火花塞附近较浓，其他部 分较稀，整个汽缸内的混合气总体浓度还是很稀。这样的直喷发动
2、机 为非均质直喷发动机或直喷稀燃发动机。仍有待研究，至少至本书结 稿（年月） 时国内还没批量生产，不过国外日本三菱公司 已在年开始生产直喷稀燃发动机，进口国内的有三菱太空的 发动机。上一页返回下一页第五章 直喷发动机和直喷稀燃发动机关于缸内喷射，世纪年代前做过较多的研究，但因对实现缸 内均匀混合气而言，这种结构形式在当时没有显示出特别的优点，而 且造价高，控制和调节困难。但因为其潜在的优越性，各国没有放弃 研究。直接喷入汽缸的喷射方式总体上有以下七种优点，特别值得 注意的是混合式发动机可以利用其中的部分优点。 脉冲增压可以实现 通过凸轮轴的配气相位的调节，全负荷特性的曲线在很大范围内能满 足要
3、求。这样可提高最大扭矩或最大功率。通过进气系统、排气系统 、配气相位、转速的协调设计来实现脉冲增压在这种喷射发动机中是 可以实现的。上一页 下一页返回第五章 直喷发动机和直喷稀燃发动机 采用更大的气门叠开角 增压四冲程喷射式发动机可采用更大的气阀叠开角以增强扫气和冷却 效果。 进气管内无燃料沉积 因为在进气管内只提供空气，燃料不会在进气管系统中沉积，不存在 尤其是作为油膜层形式附于进气管壁面的燃料的沉积。因此，一方面 可以降低油耗，另一方面对于加速过程也不需要考虑混合气加浓的进 气管黏附沉积。 进气管造型不受制约 不需考虑燃料及混合气的输送而自由地进行进气管造型设计，可利用 空气波动效应以提高
4、供气效率，在全负荷时相应地提高了功率。上一页 下一页返回第五章 直喷发动机和直喷稀燃发动机 可以提高压缩比 进气管不加热和汽缸内燃料蒸发时的冷却效应使得缸内温度降低，从 而减弱了爆振趋势，这使得采用高压缩比成为可能，因此可以达到更 高的平均压力和更高的热效率，即更低的油耗。 可以实现混合气分层 可以在缸内实现混合气的分层，即在缸内形成所需要的非均匀混合气 ，有利于点火，改善燃烧，降低油耗，特别是在部分负荷时放弃了进 气节流，使经济性更好。 冷却燃烧室部件 将燃料直接喷入燃烧室的热区，借助于燃料蒸发时的吸热使得燃烧室 内气体侧的热区得以冷却。上一页返回第一节 直喷稀燃发动机理论 一、直喷稀燃的两
5、种方法传统汽油发动机一般都设计成在均匀的空气和燃油混合气中工作，分 层进气必然会使燃烧过程产生明显的变化。分层进气发动机的设计方 法是在火花塞附近提供浓混合气以保证可靠的点火，而以后的大部分 反应过程都在稀混合气中进行。尽管混合气很稀，在以前的发动机理 论中很容易造成燃烧中断，但浓混合气已形成的火球会推动燃烧在稀 混合气中进行。 一种很有效但较复杂的方法是把燃烧室分成主室和副室两个区域，向 装有火花塞的副室喷入浓混合气，主室喷入稀混合气。这种方案的优 点是副室喷入的浓混合气能确保可靠地点火。下一页返回第一节 直喷稀燃发动机理论主室的稀混合气在整个燃烧室中占了主要地位，但仍然由于在整个燃 烧过程
6、中，主室的混合气浓度是变化的，要么很浓，要么特别稀，因 此这种方法能显著地减少的排放。 但是，这样的两燃烧室发动机与传统的一体燃烧室相比，其燃烧室表 面积较大，因此未燃碳氢化合物排放较高。 另一种方法是直接把汽油喷进燃烧室，在火花塞附近形成一个浓混合 气区，周围较远的地区形成稀混合气区，造成混合气分层。从总体看 在燃烧室中的混合气是稀的。这种直接喷射也有一些明显的缺点，如 输出功率低、设计复杂等。现在使气流以一种精确计算的“涡流模式” 进入燃烧室也有可能达到一定程度的进气分层，这种“分层效应” 目前 还不是很清楚，而且难于控制，导致发动机瞬时扭矩变化非常大。上一页 下一页返回第一节 直喷稀燃发
7、动机理论对于汽油机来说，缸内直接喷射形成的高压雾化混合气相对于传统的 缸外喷射发动机可减少大约燃油消耗，对减少的排放也 会有很大作用。为了发挥缸内直喷的优异性能，有必要精确确定部分 负荷时的分层充量形成过程和全负荷（） 时均匀混合气的形成 过程，以及它们之间的转换。 到目前为止，执行上述直喷稀燃喷射方式的装置中仍存在的问题，未 来可以通过下述方法解决： 分层稀燃运行时，发动机功率的控制可以靠现代先进发动机管理 技术来解决现代发动机管理系统可做到：精确计量所需的喷油量；形 成所需的喷油压力；确定正确的喷油时刻；精确地、直接地将汽油喷 入到发动机燃烧室内。上一页 下一页返回第一节 直喷稀燃发动机理
8、论发动机管理系统还必须协调对发动机提出的千差万别的转矩要求，对 发动机做必要的控制。发动机指示转矩是重要的系统参数。转矩控制 结构可以细分为转矩需求、转矩协调和转矩执行三个部分。 ）转矩需求 最重要的转矩需求是由驾驶者踩加速踏板输入的。发动机管理系统根 据加速踏板的位置，来识别驾驶者对发动机输出转矩的希望。 此外的转矩需求可能来自变速箱换挡控制器位置确定的模式，牵引控 制系统（或）和电子车辆稳定系统（），巡航控 制，发动机的反拖控制，发动机的转速控制，车辆行驶速度限制，启 动控制，怠速控制，催化器预热控制，发动机零部件保护控制共 项。上一页 下一页返回第一节 直喷稀燃发动机理论）转矩协调 “转
9、矩需求”确定后，转矩协调是对确定的“转矩需求”再根据是否进行 “发动机瞬时损失扭矩修正”， “发动机瞬时损失扭矩” 如打空调、打 方向盘、打大灯、挂挡等，所以转矩协调是发动机管理系统确定最终 转矩需求的最后一关。 ）转矩执行 经过转矩协调后输出发动机控制扭矩的三种方法。发动机控制扭矩的 三种方法如下： （）电脑通过电子节气门控制进气量，从而确定喷油量，最终确定 混合气量。 （）电脑通过控制喷油器的喷油时间，控制喷油量。这个过程需要 一个必须是宽带型的氧传感器反馈空燃比。上一页 下一页返回第一节 直喷稀燃发动机理论（）电脑通过改变点火提前角来控制扭矩。 稀燃期间的处理可以靠先进催化转换工程技术来
10、解决 现在的发动机管理系统是按满足欧标准设计的，更为严格的欧 标准将会实施。 目前，直喷稀燃发动机实现批量生产的关键，在于对处理的催 化转化工程技术的开发。 分层充量时，会生成大量的成分，借助高废气再循环率可达到 减少废气中的约的含量。余下的不作处理是 不能满足废气控制法规。三元催化转化器（）不能减少稀薄的 废气中的成分，余下的只能用新型的针对的 一元催化转换器。上一页 下一页返回第一节 直喷稀燃发动机理论减少废气中含量的方法是采用吸藏型催化转化器。利用稀 薄废气中的氧气，它能将氮氧化物以硝酸盐的形式存储在催化转化器 的表面，当转化能力耗尽时，催化转化器前部的宽带型氧传感器和后 部的窄带型氧传
11、感器会对转换器的转换能力是否达到极限作出判断， 电脑暂时地切换到加浓的均匀充量工况，硝酸盐与加浓时生成的 结合还原成氮气，从而完成催化转换器的再生。这种浓稀混合气的切 换是在不导致汽车动力突变的情况下进行。现阶段，部分地区的汽油 中的硫含量超标严重，导致这种催化器失效。所以在使用这种催化转 化器之前，先减少汽油中的硫含量。 注：我们说上述两个问题可以解决，但事实上“直喷稀燃发动机”还未 批量生产。不过“直喷发动机”已经在我国生产。“直喷发动机”在控制 元件上与“直喷稀燃发动机” 几乎相同，但电脑内管理系统和缸外喷射 的管理系统相差不多，催化器仍然是三元催化器。上一页 下一页返回第一节 直喷稀燃
12、发动机理论 二、设计和构造高压喷射系统设计成可在任意时间由电磁控制的高压喷油器直接喷入 缸内。在缸外喷射中油压是由压力调节器调节，但在缸内喷射中压力 是由电脑控制的压力控制阀。与缸外喷射相比，缸内喷射为了 触发压力控制阀而增加了额外的执行器，即压力控制电磁阀。为了保 证压力控制阀调节正确，在高压油导轨上又加了高压传感器，所以相 对缸外喷射又多了压力传感器，事实上在缸内喷射系统中，不仅加高 压传感器，在低压管路，也要加低压传感器。上一页 下一页返回第一节 直喷稀燃发动机理论吸入的空气量可由电子控制节气门（ ，） 自由调整。热线式空气质量流量 计用来精确测量进气量。混合气空燃比的正确性是由通用的和
13、 型（宽带型氧传感器和后部的窄带型氧传感器）氧传感器监测 ，这两个传感器分别安装在催化转化器前部和后部的废气流中。这些 装置不仅适用于运行时的闭环控制，也适用于稀燃运行的控制 和催化触媒再生。废气再循环率的精确调整是很重要的，特别是在过 渡工况时。因此必须安装压力传感器，以测量进气管压力。上一页 下一页返回第一节 直喷稀燃发动机理论 三、运行方式（一）燃油供给和燃油喷射 低压油路 低压油路位于系统的油箱一侧。它由电子燃油泵及与之并联的压力调 节器组成，并产生. 的压力。通过该油路将燃油供给发动 机驱动的高压泵。 高压油路 （）高压泵的功能：将油压从.升高到；使 油轨的压力波动最小；防止燃油和发
14、动机的润滑油混合在一起。上一页 下一页返回第一节 直喷稀燃发动机理论（）蓄压器油轨。蓄压器油轨必须有足够的弹性，来对付喷油 形成的周期压力脉动及高压泵泵油压力脉动所同步产生的压力波冲击 。另外它必须有足够的刚度，以便油轨压力对发动机的燃油要求能快 速做出反应，所以油轨的弹性是根据燃油的压缩性能和油轨容积来选 定的。油轨压力由压力传感器测定。 （）压力传感器。压力传感器识别油轨的压力。 （）压力控制阀的任务是在发动机全部工况范围内，根据其脉谱图 来调整主压力。主压力不受喷油量和油泵输送量的影响。压力控制阀 下游的过量燃油是负荷状态决定的。它不返回油箱，而是回到高压泵 进口。这样可避免油箱中的燃油
15、被加热和油箱的活性炭罐清洁系统过 载。上一页 下一页返回第一节 直喷稀燃发动机理论（）喷油器与喷射方式有关，并且必须能满足安装环境、极短的喷 射持续期和高度线性等严格要求。喷油起始点和喷油量均由喷射阀触 发信号确定。 （二）混合气的形成和点火 要充分发挥汽油直喷的优越性，需要极其复杂的发动机管理系统。 两种基本工况 （）低负荷范围。在低负荷范围，为了使油耗最低，发动机是在汽 缸进气高度分层和高稀薄混合气的条件下运行。在火花塞点火前，通 过延迟燃油喷射，燃烧室分成两个区：第一个区在火花塞周围的高易 燃性混合气团；第二区是包裹高易燃性混合气团的新鲜空气和残余废 气隔离层。燃烧室壁的空气隔离层使传热损失减少，提高了热效率。上一页 下一页返回第一节 直喷稀燃发动机理论（）高负荷范围。随着发动机负荷的增加，分层进气的喷油量会增 加，造成火花塞附近局部混合气变浓，这将导致废气的数值恶化，特 别是废气的烟度。因此在大负荷范围内发动机以汽缸内均匀混合气状 态工作，不再加浓。基本上沿用进气管喷射控制方法实现。空燃比协 调控制使空燃比在和稀燃工况之间。 为了提高燃油和空气的混合效果，燃油在进气过程中就已被喷入。与 现在普遍使用的进气管喷射类似，
