XIAOZHONGMING

   摘 要: 近年来,随着汽车产量的不断增加,能源、环境、安全问题的日益严峻,人们对汽车发动机技术的研究在不断探究,汽油发动机直喷技术就是将汽油升为高压后直接喷入气缸内与空气混合的技术。其工作效率得到了很大提高,并有效降低油耗、提高发动机功率。汽油在气缸中混合的更加均匀,点火燃烧将更加充分,达到更高效率的能量转化,进一步达到提高功率、节能、环保的目的。该文主要从结构、工作原理、设计技术、维修技术上对汽油发动机直喷技术进行分析,并导入大众汽车TSI发动机为案例进一步详细阐述。


      关键词: 直喷技术 发动机 TSI




      目前人们对汽车的使用性能要求越来越高,已经不满足于进气歧管多点喷射技术,为了进一步达到节能、 高效、 环保,工程师研制出了更加精准的燃油喷射技术,这种技术就是缸内直喷技术。


      缸内直喷就是将高压燃油喷嘴安装于气缸盖上,直接将燃油喷入气缸内与空气混合。其特点主要是油耗低、升功率大,且压缩比高达12,功率与扭矩大大提高,与同排量的一般发动机相比,它的功率与扭矩提高了10%。为了增加效率,更加准确的控制燃油与空气的结合,缸内直喷技术在进气歧管喷射基础上优化了燃油系统结构,喷射压力也得到相应提高,燃油颗粒雾化更细,除此之外还消除了缸外喷射各种的缺点。各种结构的优化设计,以及对于压力、位置、进气流的精确控制,使油气混合更加精确,也进一步提高了效率,此技术借鉴了柴油机的特点,故有人认为缸内直喷式汽油发动机是将柴油机的形式移植到汽油机上的一种创举。


      1 结构


      直喷式汽油发动机关键结构主要有以下部件:气缸盖、进气管、高压油泵、喷油器、活塞。


      发动机最为关键的部分是气缸盖,缸盖中最关键的部分燃烧室对混合气体以及气体流动和火焰的燃烧作用最大。


      进气管为发动机进气部分,对采用分层燃烧模式的发动机来说,需要严格控制进气管的直径、长度以及谐振腔的容积,而且可变滚流量和可变管长等结构也要进行增加,以达到增加气流量和滚流量的效果。因此,进气管的设计难度大幅增加,结构以及制造成本都会上升。由于进气增压的作用,涡轮增压缸内直喷发动机进气歧管大部分情况下压力都为正值,一般压力可达0.2 MPa左右,为满足系统的真空度要求,进气管的强度要求更加严格,而且发动机本身还要额外增加真空泵。


      高压油泵是由安装在进气凸轮轴尾端的凸轮来进行驱动,最为重要的就是升程的选择,这直接影响机器冷启动直喷建压时间,一般在2～4ms之间。而升程则需要根据凸轮的的型线、发动机的使用要求以及制造所需工艺等条件来进行综合考虑。


      直喷系统的核心部件是喷油器,喷油器对发动机的各种性能影响最大,其在缸内的位置、结构形式、形状以及方向都对燃油的雾化和混合程度以及燃烧的充分度产生最直接的影响。另外喷油器受油品质量影响,质量差的油品,由于掺杂其它物质或者纯净度不够,极易形成积碳对喷油器造成堵塞,进而影响发动机性能,并对喷油器的寿命造成极大的影响,故直喷发动机对油质要求较高,一般使用97号汽油,且需要定期保养,维护费用较高。


      直喷发动机一般将活塞当做关键部件来进行研究和设计,因为其对缸内的气流以及气体的形成等方面影响巨大。但是为达到油气充分混合,油气的浓度进一步均匀分布,从而使燃烧更加充分和彻底,达到更高效率,无论是使用哪种引导方式,都需要特殊的活塞顶面凹坑适应。


      2 工作原理


      不同于进气歧管,多点电喷只是通过电脑采集曲轴、凸轮轴位置等发动机各信号从而控制喷油嘴将汽油喷入进气歧管后形成可燃混合气再送入气缸。缸内直喷又被叫作FSI(Fuel StratifiedInjection),是一种燃烧分层喷射技术,这种技术代表着传统汽油引擎发展的一个方向,目前已被广泛运用。传统的汽油发动机喷嘴与燃烧室有一定距离,这段距离由进气歧管导入,因此汽油不能与空气很快混合彻底,并且一些燃油会吸附在进气管壁上,时间一长甚至造成积碳,直喷系统可以较大的改善这种现状。FSI就是开发用来改善传统汽油发动机供油方式不足的缸内直喷技术,其采用一种类似柴油发动机的技术,通过一个能提供高达100bar的活塞泵,用电磁喷射器以接近毫秒的精度将汽油直接喷入气缸内部的燃烧室中,并在燃烧室中形成漩涡,使油气充分混合、燃烧。大众汽车公司的TSI发动机所采用燃油直喷技术是当今行业中技术最为先进、也是最为成熟的直喷技术,在同等排量的发动机中,TSI动力性与经济性得到超强的结合,尤其是与DSG变速箱的搭配号称“黄金搭档”,价格相对也比较经济,在汽油发动机的发展中起着引领作用,TSI即在FSI的基础上增加了进气涡轮增压装置。


      3 设计技术


      直喷技术的精髓所在,是通过使用一个活塞泵来提供燃油充分混合所需的高达100bar以上的巨大压力,用电磁喷射器将高压汽油喷入气缸。由于燃烧室内形状的特殊设计,喷油嘴在极短时间内,通过巨大压力,直接将燃油注入燃烧室中,这一时间的把控必须最恰当,此时燃烧室内由于压力以及特殊形状的设计,将会使油气产生巨大漩涡,进一步对油气进行混合,以达到燃烧更加充分的目的。一些高浓度的混合气体充分散瘀在火花塞附近,而一些稀薄油气则分散在高浓度混合气周边外围区域,这样一来,点火系统工作时,火花塞周围浓郁气体极易点燃,在点燃的同时,周边区域稀薄气体同时也被迅速点燃,如此一来便可实现稀薄燃烧。我们仍以大众TSI发动机为例,TSI发动机与目前其他传统汽车的发动机有以下区别:与歧管喷射的原理不同,在喷油方面,TSI发动机配备了更为高级的供油系统,进排气凸轮轴连续可调装置可以改变配气相位,由于单活塞高压泵的共轨高压喷射系统可以提供极为精确的燃油,而且生成非常适合发动机点火的工作压力,汽油则通过喷油器直接以高压喷入气缸内部,缸内的特殊设计以及极为精准的计算使其压缩比得到了大大的提高,从而造就了这种先进的能够在市场独领风骚的新型发动机。在进气方面,大众的新型TSI发动机使用先进的进气控制翻板阀来控制气体的需求量,进一步增加了发动机充气的效率,对功率也进一步进行提升,使得发动机的性能更加先进。


      4 维修技术


      汽油直喷系统的主要故障集中在三个方面1)燃油系统压力不正常故障(包括偏高或偏低)。故障现象又包括发动机无法启动、动力不足及输出转速受限和发动机的运转声音大等,其原因主要是有低压油路压力不足,高压油路压力偏低或偏高等引起的;(2)喷油嘴喷油不良的故障。故障现象有怠速不稳,加速时汽车偶尔发冲,其原因主要是由喷油嘴喷油不畅而导致喷油量不足、不喷油和喷油嘴卡滞滴漏等问题引起;(3)汽油品质差导致的故障。故障现象有怠度不稳、加速不畅、尾气排放灯亮。由于直喷发动机对油品的要求较高,使用汽油的品质不良而造成发动机早燃、 爆震等故障。


      5 结语


      该文以大众TSI为例,从结构、工作原理、设计技术、维修技术上对汽车发动机直喷技术作了简要分析。目前,石油等非再生资源由于发掘开采过多,已经越来越稀少,人们对汽车充分燃烧率的要求也越来越高,在这种环境下,直喷技术也得到越来越广泛的发展。这种技术的发展,对国内外的发动机也带来一场革命性的风暴,代表着未来发动机的方向,在以后一段时间内将得到蓬勃发展,并将广泛应用于汽车行业。