现代缸内直喷式汽油机九).docx

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1、现代缸内直喷式汽油机(九)(接上期)第三篇主要机型介绍(一)三菱滚流一壁面蒸发分层燃烧直喷式汽油机1前言三菱汽车公司经过10年的潜心研究。开发出了以gdi(gasolinedirectinjection)作为注册商标的4g93型gdi直喷式汽油机,并于1996年8月开始批量生产。这是世界上第一款量产的现代缸内直喷式汽油机,首先搭载于galant轿车和legnum旅行车上,曾在1997年北京国际汽车、摩托车及工艺装备展览会上展出过。三菱gdi直喷式汽油机的问世在当时引起了世界汽车工业界的高度关注,被认为对未来汽油机技术的发展与变革具有划时代意义,开创了汽油机节能减排的新篇章。1998年2月,三菱

2、公司又研制成功了第二款4g15型gdi直喷式汽油机。它是为顺应废气排放法规的加严,在4g93型直喷式汽油机基础上改进了喷油和燃烧混合控制技术,使发动机的排气净化水平得到了进一步提高,并于1999年2月搭载于mrdc轿车推向市场。2控制策略三菱4g93型gdi直喷式汽油机是以批量生产的4g93型进气道喷射汽油机为基础开发而成的。图65是发动机纵、横剖面图,图66是其系统示意图,表1是两种发动机主要技术参数的比较。三菱gdi直喷式汽油机为了在部分负荷时能获得比柴油机更好的燃油经济性,而在高负荷时又能达到比传统多点进气道喷射汽油机更好的动力性能,在混合汽形成和燃烧过程组织方面采用了如下的控制策略(见

3、表2):(1)在部分负荷时采用在压缩行程后期的晚喷油模式,以获得稳定而明显分层的充量,实现超稀薄混合汽(空燃比3040)分层燃烧,可显著地降低燃油耗。虽然发动机能够在超过100的空燃比下完全无节流地稳定运行,但是在这个区域为了在节气门后形成一定的真空度而能引入大量egr有效地降低nox排放,发动机仍略被节流,空燃比被控制在3040范围内,因为在空燃比超过30的情况下,燃油经济性的改善效果与空燃比的关系并不明显,因此选择这样的空燃比完全能够达到足够的节油效果。在三菱gdi直喷式汽油机问世之前,早期的直喷式汽油机为实现分层混合汽燃烧大多采用紧凑的空间布置,即火花塞跳火间隙离燃油锥形油束较近,主要依

4、靠点燃喷射油束外围浓混合汽的“油束引导燃烧”方式。虽然已经证实这种布置形式能够实现稳定的燃烧,但是由于存在难以实现完全燃烧而hc排放高、火花塞容易结焦、稳定燃烧的运行范围受到限制以及高负荷运行工况性能不良等弊病,阻碍了这种混合汽形成和燃烧机理的推广,曾一度使得直喷式汽油机的发展停滞不前。为此,三菱公司首次采用喷油器与火花塞远距离布置型式(图67),燃油喷束不是紧靠着而是远离火花塞,向活塞顶面喷射,并在撞击到活塞顶球形燃烧室凹坑后在滚流的带动下再转向火花塞,使得喷油终了与火花点火之间的时间间隔较长,足以促进燃油的蒸发,并实现与周围空气的有效混合,因此早期直喷式汽油机因液体燃油或火花塞周围过浓混合

5、汽所引起的那些问题得以解决。控制油气混合的基本要素是,油束或气态混合汽在油束撞击的活塞顶凹坑壁面上的转向。与用涡流控制油气混合的方法不同,这种方法几乎不受发动机转速的影响,这就保证了在宽广的转速范围内都能获得满足要求的油气混合。(2)当负荷超过50时,即使在无节流运行的情况下,分层燃烧也会像柴油机燃烧一样生成碳烟,因此这时就应及时地转换到早喷油模式,形成预混合化学计量比均质混合汽,这样就能获得与进气道喷射一样的燃烧特性,即高动力性能,无碳烟,并能通过传统的三元催化转化器充分地降低nox排放。在该区域的绝大多数负荷下,发动机均以化学计量比均质混合汽运行,但在全负荷时则以略浓的均质混合汽运行,以充

6、分发挥汽油机高升功率的优势;而在这个区域的低负荷区段,为了进一步改善燃油经济性,发动机以空燃比为2025的稀均质混合汽运行。三菱gdi直喷式汽油机为了有效而稳定地实现上述混合汽形成和燃烧过程的控制策略应用了以下的新技术(图68和表3):(1)直立式进气道产生强烈的反向滚流,即旋转方向与传统的卧式(水平)进气道产生的滚流方向相反的滚流;(2活塞顶小型球形燃烧室凹坑;(3)高压燃油泵和电控旋流式电磁喷油器。3主要技术3.1直立式进气道如图69所示,进气道喷射汽油机采用的是传统的水平进气道,而gdi直喷式汽油机采用的是从汽缸盖顶部进气的具有独特形状的直立式进气道(图65b)。在进气行程中吸入的空气通

7、过直立式进气道被强制沿同侧的汽缸壁面向下流动,形成与传统进气道汽油机反向的旋转气流,这样缸内气流就能将喷射的燃油束和燃油蒸汽输送到位于汽缸中央的火花塞周围,这是gdi直喷式汽油机成功的关键。由于直立式进气道的固有特性是具有较高的流量系数,因此能改善发动机在最高转速范围内的动力性能,并有助于在汽缸盖上为布置喷油器提供空间。如果选择传统的水平进气道布置方案,则燃油束的方向要朝向活塞顶凹坑就会变得较困难,因为喷油器与活塞顶面之间的角度取决于水平进气道下方可利用的空间。为了在流量系数与反向滚流强度之间寻找到最佳的折中,对直立式进气道进行了优化设计。如图70所示,在气门座的排气侧壁面上设计了一个凸起,而

8、在汽缸套侧的壁面上设计了一个凸台。前者削弱了通过气门座向排气侧的流动,而后者可使得气门座上游的气流层状化并向下引导流动,因此向排气侧的流动减弱,而同时增强了向汽缸套侧的流动,从而使得滚流比(滚流旋转速度与发动机转速之比)能增加到1.8,而流量系数比传统进气道喷射汽油机的水平进气道高10。高的流量系数是增加发动机最高转速范围内扭矩所必需的,而强烈的反向滚流对分层充量燃烧的稳定性起着重要的作用。3.2活塞顶形状及其球形燃烧室凹坑活塞顶小型球形燃烧室凹坑(图71)的形状设计得使油束撞击到其壁面后能转向火花塞运动,而球形凹坑排气侧的壁面形状使得沿汽缸套壁向下运动的空气流在撞击到凹坑壁面后折转向上流动,

9、因此这样的设计有助于增强反向滚流,同时也适合于将反向滚流的旋转动量一直保持到压缩行程终了。同时,活塞顶面排气侧的形状使得在活塞向上运动到上止点附近时,活塞挤流从排气向进气侧流动,促进了凹坑内的燃烧,而燃烧后期活塞向下运动时活塞反向挤流使得火焰向排气侧扩散,有助于整个汽缸中充量的完全燃烧。3.3高压燃油泵三菱gdi直喷式汽油机采用具有较高容积效率的摆盘式轴向柱塞高压燃油泵(图72)。为了简化燃油系统,选用了无进油计量功能的柱塞泵,喷油压力由高压燃油的溢流来调节,这增加了燃油消耗的压缩功。为了减少压缩功,选用了相对较低的5mpa喷油压力。喷油压力的降低也有助于泵油装置的可靠性。这种燃油泵被安装在汽缸盖上,并由一根凸轮轴直接传动。发动机直接驱动燃油泵最主要的缺点是在发动机启动,即发动机转速最低时的燃油供应不足。为了补偿其不足,就像在传统的进气道喷射汽油机上的情况一样,系统中还采用了供启动用的油箱内电动输油泵。并用高压调节器中的一个压力转换电磁阀来实现(图66和73)。在进气道喷射汽油机情况下,发动机的启动会受到因在进气道壁面上形成燃油薄膜而导致燃油输送滞后的影响,而在直喷式汽油机上燃油是直接喷入汽缸的,因此其启动性能极佳(如图73下图所示),在诸如发动机长时间运转后的热态再启动和低环境温度等较为严酷的条件下发动机能够在1.5s内启动。(未完待续)

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