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高压迸发的力量!汽油缸内直喷技术详解

发布时间:2012年05月29日 08:49 | 进入汽车论坛 | 来源:Che168 | 手机看视频


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对于一台汽油发动机来说,将汽油送入汽缸,并与空气混合,再使油气混合物充分燃烧才能获得强大的动力,因此油气混合技术也是发动机的关键之一。在经历了化油器、单点电喷、多点电喷技术阶段之后,油气混合技术终于进入了直喷时代,越来越多的车型开始采用直喷发动机,那么直喷发动机的技术关键点都有哪些呢?下面就为大家逐一解析。

高压迸发的力量!汽油缸内直喷技术详解

高压喷油系统可以说是直喷发动机最关键的系统,与以前油气在进气歧管内混合,然后被负压吸入发动机不同,直喷发动机是用高压喷油嘴将燃油喷入汽缸,由于汽缸内压力已经很大,因此需要喷油系统具备更大的压力。

高压喷油系统主要可以分为发动机控制模块(ECM)、高压油轨、高压油泵和喷油嘴四部分,其中ECM主要采集发动机数据,按照预定程序控制喷油时机和喷油量,从而实现最高燃烧效率;而高压油泵则主要负责燃油的加压,高压油轨主要起均衡各喷油嘴喷射压力的作用,而最终的喷油任务则由喷油嘴来执行。此外,还有多个传感器提供燃油压力等信息,确保整个系统的高效率。

高压迸发的力量!汽油缸内直喷技术详解

组成高压喷油系统的四个主要部分

ECM(或称ECU)不仅是直喷发动机的关键部分,也是所有技术较新的内燃机的重要组成部分,这个部分涉及到芯片、执行器、软件等多个环节,其中任何一个环节缺失都无法实现量产装车。目前ECM技术还是为国外企业所把持,在技术上已经比较成熟。部分自主品牌虽然也初步具备了ECM的制造能力,但是在软件的匹配、执行器的可靠性等环节还有不少问题尚待解决,不过就跟变速器技术一样,这样的关键技术一旦取得突破,自主品牌厂商将受益匪浅。

高压迸发的力量!汽油缸内直喷技术详解

一汽展示的动力总成上的ECM(右侧)

高压油泵则是燃油加压的关键环节,在低压油泵将燃油送到高压油泵之后,高压油泵可以将汽油加压到十余兆帕的压力(这是普通汽油泵压力的三四十倍),并将其送入油轨。高压油泵通常是由凸轮轴带动,内部则有双头或者三头凸轮加压(如福特ECOBOOST系列发动机的“9号凸轮”)。在高压油泵上还集成了电子油轨压力调节器(FRP),它是一个由ECM控制的电磁阀,ECM以脉冲宽度调制的方式控制油压调节器,油压调节器控制着高压燃油泵的进口阀,从而控制燃油压力,当驱动线路失效时,高压油泵进入低压模式,发动机仍可应急运行。

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通用Ecotec系列2.0直喷发动机上所用的高压油泵,制造商为博世

高压油泵和油轨这样的部件对工作环境和制造精度要求很高,一些传统的柴油高压设备制造商如博世在这方面具有丰富的经验,因此即便是通用的直喷发动机,其高压油泵也是由博世提供,而作为自主品牌推向市场的第一款直喷汽油机,瑞麒G5上的2.0TGDI发动机同样使用了博世的高压油泵。

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瑞麒G5采用的2.0TGDI发动机同样使用博世的高压油泵

经过油泵加压之后,汽油进入高压油轨,在高压油轨稳定压力后,由于油轨和燃烧室之间存在压力差,高压油泵动作之后汽油即喷入汽缸内。喷嘴内部还有电磁阀,可以实现对喷油量和时机的控制,其控制精度要求很高,同时由于喷嘴的位置从进气歧管移到了汽缸内,工作环境和温度都发生了很大变化,对其可靠性的要求也大大提高。

高压迸发的力量!汽油缸内直喷技术详解

高压油轨基本结构图

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通用Ecotec系列2.0直喷发动机上所用的高压油轨和喷嘴

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高压喷油嘴结构示意图:①高分子密封圈;②喷嘴针阀;③衔铁;④电磁线圈;⑤细滤器

除开喷油系统之外,其他发动机部件也要为直喷做出相应的设计,才能确保发动机的高效,尤其是活塞顶部的设计非常关键。按照可燃混合气形成的控制方式,缸内直喷方式又可分为油束控制燃烧、壁面控制燃烧和气流控制燃烧三类。

在油束控制燃烧系统中,喷油器安置在燃烧室中央,火花塞安置在喷油器附近,油束控制对空气的利用率依靠油束的贯穿深度保证,而后者则受喷油器的喷油压力控制。这种方式可以在低负荷的分层燃烧实现良好的燃油经济性,而当发动机处于中高负荷工况时,ECM调节高压油泵压力,使油束贯穿深度增大,从而实现均质加浓燃烧。

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活塞顶部的凹坑主要起导向汽缸内气流的作用

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活塞顶部曲面形成的涡流可以帮助混合气更为均匀充分地燃烧

在壁面控制燃烧系统中,喷油器和火花塞相隔较远,喷油器把燃油喷入活塞凹坑中,然后依靠进气流的惯性将油气混合送往火花塞。为了避免喷油器的温度过高,一般安置在进气门侧,活塞凹坑开口对向进气门侧,油气混合后直接流向火花塞。这种类型形成混合气的时间较长,易于形成较大区域的可燃混合气。

在气流控制燃烧系统中,利用轮廓特殊的活塞表面形状形成的缸内气流和油束相互作用。此种系统不是把油雾朝活塞的凹坑喷射,而是朝火花塞喷,特殊形状的进气道与喷油器呈一定的夹角,给混合气在汽缸内一定的回旋力,汽缸内形成的气流使油气不是直接喷向火花塞,而是在汽缸内形成涡流围绕火花塞旋转。这样就使大部分工况都能实行恰当的混合气充量分层和均质化。

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铝合金缸体的散热效果更佳,也更容易实现轻量化

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位于气缸下部的机油喷头可以在活塞下降到下止点时对活塞进行冷却

由于直喷发动机的工作温度更高,因此对缸体强度和冷却系的要求也更高一些。在保证强度的前提下,更多的新型直喷发动机采用了散热更好的铝合金缸体,同时还采用了强化的冷却系统,保证发动机更高的热效率。

虽然直喷汽油机的优势明显,但是它也受到制造技术和油品质量的限制,因此短期内得到普及还不现实,不过凭借更为高效、经济的特点,它依然是未来内燃机技术的发展趋势,我们也有望见到更多性能出色、燃油经济性高的直喷发动机面世。

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