现代缸内直喷式汽油机(十三)

(接上期)

Fiat-GM-Opel动力总成公司(以下简称欧宝公司)在开发其2.2-Ecotec进气道喷射汽油机时就十分重视降低发动机的摩擦，因此要进一步降低其燃油耗必须借助于汽油直接喷射通过改善热力工作过程来实现。在2.2-Ecotec进气道喷射汽油机的基础上开发出的该公司第一台全铝2.2-Direot Eootec直喷式汽油机，标定功率提高6％，最大扭矩提高8％，低速扭矩提高6％～10％，燃油耗降低6％，并达到欧4废气排放标准。这种新型2.2-Direct Ecotec直喷式汽油机首先搭载于欧宝(Opel)公司的Signum和VectraCaravan轿车。

本文介绍该机的创新发展及其与进气道喷射机型的比较，特别是阐明了放弃分层燃烧而仍沿用均质燃烧的缘由。同时，该机还采用了喷油器分组。并借助于宽带λ传感器测量各缸过量空气系数来实现“汽缸平衡功能”。

7　技术方案的选择及其性能比较

车用汽油机可能的节油措施已众所周知，对于2L左右排量的发动机配装中级轿车而言，为了降低燃油耗，汽油直接喷射是一种较适用的方案。

借助于新型高压燃油喷射系统，并与针对性地组织进气空气运动相结合，能实现稳定的充量分层，有可能燃烧过量空气系数λ>2的稀混合汽。虽然按机动车排放测试循环(MVEG)试验的燃油耗降低了25％以上并不是单靠分层燃烧实现的。但汽油直接喷射在宽广的稳定运转工况范围内还是能获得两位百分数的节油潜力。同时，在稀燃排气后处理领域内已取得重大进展，通过采用NOx吸附式催化器进行间歇式的NOx排气后处理，在稀燃工况下NOx排放降低了90％以上。在这种NOx排气后处理系统中吸附储存和再生过程的控制是由发动机电控系统在驾驶员察觉不到的情况下进行的。

德国Opel公司原本打算在2.2L全铝进气道喷射汽油机基础上推出一种分层燃烧的直喷式汽油机型。当时按照欧洲测试循环确定的功率、扭矩和燃油耗目标值均已全面达到，但是分层燃烧方案的主要缺点是实际的节油效果十分依赖于驾驶者，并且使用NOx吸附式催化器及其温度控制成本相对比较昂贵，同时当初欧洲的无硫汽油(这是使用NOx吸附式催化器的前提)供应又受到限制，以及分层燃烧运转不良的噪声特性有损于舒适性等。对该系统的成本／效益比和有关的风险重新进行了评价，同时对当时开发结果的分析表明，直喷式汽油机采用均质燃烧在怠速、部分负荷和瞬态运转工况下，已可达到相当显著的节油效果。因此，最终决定目前直喷式汽油机在批量生产中暂不采用分层充量燃烧的技术方案而采用均质燃烧方式。这两种技术方案的性能指标及其与进气道喷射机型的比较列于表7。

8　结构简介

新的2.2L全铝直喷式汽油机的立体剖视图及其侧面和前端的布置图分别示于图103和图104，其主要技术规格列于表8。

该机与基本型的主要差别(图105)：

(1)汽缸盖中的两个进气道相互分开；

(2)连杆和活塞；

(3)带有涡流阀进气模块；

(4)高压喷油系统；

(5)用于直喷式汽油机的电控系统。

该机的排气后处理系统可直接沿用原进气道喷射发动机。虽然该机型是为商用无铅汽油而设计的，但由于采用了高压缩比12，因此不能使用91号(研究法辛烷值)汽油。

汽缸盖

新的2.2L直喷式汽油机的主要创新在于汽缸盖组件。因负荷较高，汽缸盖由GK-AISi9Cu3铝合金用金属模铸造而成，每缸具有两个完全分开的进气道：切向气道和充气气道(图106)。借助于集成在进气道中的涡流阀能将充气气道连续关小直至完全关闭，从而产生相应大小的涡流(图107)。在部分负荷工况就是以此来提高发动机对EGR的相容性和完全燃烧的速度的。全负荷工况时启用充气气道以改善空气供应。为获得高功率，当然两个气道要全部打开，此时得到与进气道喷射汽油机相同的空气流动特性。按照预先确定的脉谱图，电控系统根据运转工况调节涡流阀。喷油器安装在两个进气道之间，与水平成47度夹角。

活塞和连杆

为了适应由于发动机提高功率而产生的较大活塞负荷，连杆小头做成梯形，这样可使两个活塞销座靠得较近一点，活塞销也较短，整个活塞结构更坚固。活塞火力岸高度由3mm增大到4mm，与此相应连杆长度缩短1mm，由146.5mm改为145.5mm。活塞顶做成平顶，从热力学观点来看是有利的，不易出现裂纹。图108表示2.2DirectEcotec直喷式汽油机均质燃烧活塞与分层燃烧机型活塞的对比。

进气模块与发动机控制

2.2Direct EcotecA喷式汽油机的电控和混合汽形成系统与传统的进气道喷射机型相比，在发动机电控单元、汽油直喷专用软件功能、燃油系统部件以及对进气模块的要求等方面有很大的差别。该机电控单元具有一个16位微处理器，并带有10位A／D转换器，在11kB内部RAM带有CAN总线接口情况下的脉冲频率为20MHz。由于工艺上的原因。电控单元安装在发动机上(图109)。电控单元在振动加速度高达30g和环境温度高达110℃的极端条件下成功地实现了最小的结构尺寸。喷油器的驱动放大器已被小型化并集成在电控单元中。

2.2Direct Ecotec直喷式汽油机的进气管用溶芯法由塑料制成，具有必需的进气管长度和横截面，使得在较高转速时具有良好通流特性的同时又能提高低速扭矩，达到了功率和扭矩特性的开发目标。

把进气道分成切向气道和充气气道就能将喷油器安装在两个气道之间。借助于充气气道中可连续调节的涡流阀能按照脉谱图改变进气涡流的强度，根据燃油耗、排放和驱动性的要求进行最佳的调节。

由于EGR再循环废气集中导入进气总管，因此必须确保塑料的耐热性，经广泛试验后选用允许温度高达170℃的尼龙6.6作为进气总管的材料。

燃油系统

2.2Direct Ecotec直喷式汽油机的高压喷油系统由高压燃油泵和带4个喷油器的燃油共轨组成，由集成在燃油共轨上的压力调节器和压力传感器共同调节系统压力(4～12MPa)(图110)。

高压燃油泵是3缸轴向柱塞泵，它被分成密封的机油腔和由可动膜片隔开的燃油腔两部分。由凸轮轴驱动的摆盘使机油腔中的柱塞在导向套筒中作往复运动，将液压力传递到膜片上，在进排油单向阀的共同作用下将燃油输送到燃油共轨中。借助于压力调节器将共轨中的燃油按脉谱图调节到形成最佳混合汽所要求的压力。高压泵的输油流量为每转0.58cm3，这样即使在极端条件下，例如冷启动和全负荷时也能确保燃油供应。

无回油的低压系统按输油压力0.42MPa设计，即使燃油温度达到极限情况也能确保顺利地热启动。

燃油喷束的几何参数是直喷式汽油机混合汽形成的一个重要因素。诸如喷束锥角(52度)、贯穿度、流量(8.86g／s)和油滴大小(索特平均直径SMD

9　开发成果

9.1怠速工况

与部分负荷不一样，怠速工况的点火时刻不是按最低燃油耗调整的。为了补偿突然的负荷需求，例如接通电器，点火时刻设定得较晚，以便可通过提前点火时刻就能够迅速地满足额外负荷的需要(扭矩储备)，但此时必须保证即使在点火提前的情况下仍能获得稳定的燃烧。由于怠速工况的混合汽浓度较低，燃烧室中的着火条件较差，怠速运转点特别关键，因而此时关闭充气气道，使得切向气道所产生的进气涡流能改善怠速的着火条件。图111表示缸内直喷式汽油机(BDE)能将点火角提前大约5度CA，而且即便如此，它到着火界限的距离仍比进气道喷射汽油机(MPFI)的大。怠速工况的燃油耗可由0.66kg／h降低到0.53kg／h，相当于节油20％。

即使在点火时刻相同的情况下，缸内直喷式汽油机的燃油耗也比进气道喷射汽油机低12％，其中4.5％是由于压缩比从10提高到12而使热效率提高得到的，其余的节油效果是由于较小的滞燃期和较短的燃烧持续期而使燃烧率图的重心位置前移(与进气道喷射汽油机相差约8度CA)。

在欧洲测试循环中大约有8％～10％的燃油耗消耗在怠速运转阶段，因此上述怠速节油20％就能使欧洲测试循环燃油耗降低1.5％-2％。(未完待续)