挑战下的潜力 喷雾引导式直喷燃烧技术

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汽车制造商面临着必须降低燃料消耗并减少废气排放两大挑战。而喷雾引导式燃烧过程对于克服汽车发动机面临的这两大挑战具有很大的潜力。

    该技术与壁面引导直喷燃烧相比最值得关注的主要优点就是其具有更高的热效率。燃油被以极高的精密度喷入气缸，并在大量过剩的空气中几乎完全燃烧。燃料完完全全得到了最优利用。

    喷雾引导式燃烧系统被认为是于20世纪90年代初就已完成的研究成果。但是在系列产品中将这一想法付诸实施所必需的喷射技术最近才能得以应用。

    喷油器喷入燃烧室的燃料被极细微的雾化，所以它不需要在燃烧时里混合就可以立即被点燃。Bosch公司也是引领此项开发的公司之一，其开发主管RolfLeonhard博士说:“用压电式喷嘴将汽油直接喷入与近气口燃油喷射系统相比，损耗减少最高可以达到15%。我们预测，到2010年，每年装备有直接喷射系统的汽油发动机产品会超过3百万台。”

    在火花塞周围，喷射阀必须在任何工作条件下都能进行稳定、均匀的燃油喷射。这就使对喷射导入式燃烧系统的技术要求比壁面引导方式更为苛刻。在这里，混和气的形成主要取决于并不一定总是均匀的充气行程。

    要产生一个始终均匀而精确的燃油喷射需要是要利用压电报术。压电技术基于特种陶瓷和金属合金，它们在受到电子脉冲后会在数毫秒内改变它们的形状。

    这些材料特性被法国兄弟PierreCurie和JacquesCurie于1880年发现，但将此发明用于工业还只是近几年的事。在2004年，当第一台带有压电共轨式喷油器的柴油机发动机进入市场后，术语“压电”从此在汽车界变得通用。

    从事直喷式汽油发动机的开发人员更好的利用了压电陶瓷的功率和速度。与驱动机构只是操纵一个阀门的柴油机喷射器不同，汽油机发动机中的一个压电模块直接控制喷油器阀针。

    压电位移直接转化为阀针位移，决定了通过阀的燃料流量。这种直接操作可以提供精细分级的冲程和一个由于对压电驱动器进行充料调解而得到的在全部循环周期内的持续流量，由于其冲程非常均匀的优点，压电技术还确保了作为有效控制燃烧过程基础的喷雾模式的高度可重复性。

    对于喷雾形状，开发者同样颇具匠心。一种新型的喷射器从外部切开以产生一个只有几微米宽的环状间隙。间隙的形状和喷嘴构成了喷雾结构。

    这样，在所有喷射和工作条件下，都能保持一致的中空锥形喷雾模式。当需要高功率输出时，即使电子发动机控制系统改变了进气门凸轮轴的角度或进气管的长度，它也能保持其形状。200bar的高油压同样对持续稳定的燃油喷射起到了非常重要的作用。

    混合气的形成同样具有决定性作用。它在锥形喷雾的内外，利用湍流获得了最佳效果。他们将空气微粒吸入到油雾中，形成了一种理想的易燃性混合气。

    火花塞的正确位置是一个需要通过复杂的流动计算和测试并进一步考虑的问题。为保证点火火花迅速可靠的蔓延，火花塞必须伸入油/气混合雾中但又不能与液体燃油直接接触，否则会慢慢碳化。
    为了满足这两个条件，压电喷射器常常深入到燃烧室的中心。喷射器安在传统的进气口喷射发动机中的原火花塞安装处。火花塞被移到与排气阀更近的位置，在那里它能够在锥形喷雾的湍流边缘到达可燃性混合物。气缸头内一个横向流动冷却系统能够保证火花塞和喷射器总是在最合适的温度范围内工作。

    直喷式汽油发动机能极好地节省燃料主要基于其分层燃烧原理。这意味着发动机要在高压缩比和过量空气的情况下进行工作。燃料在相对滞后的时间喷入受活塞压缩的空气中。

    这种稀薄燃烧以前仅可能在低负载范围实现。由于新的喷雾引导式燃烧系统的出现，工程师现在已经能够将这种稀薄燃烧工作模式扩展到了更高的转速和负载范围，从而进一步降低了燃料消耗。

    Mercedes-BenzCLS350CGI的3.5升V6发动机在速度超过120km/h时还工作在分层燃烧状态，再往后才转换到燃油/空气比为1:14.6的同质运行(lambda=1)。

    可能实现扩展分层燃烧作用的条件是通过极快速的压电喷射器生成的。在每个工作冲程它们连续数次将燃料喷入燃烧室，从而显著的改善了混合气的形成及其可燃性。与单次喷射相比，燃烧更为迅速、均匀和完全。发动机的热效率也得到了明显的提高，碳氢化合物排放减少了一半以上。

    为了模拟燃料混合和燃烧过程，Mercedes-BenzV6发动机上的活塞设计成了特殊的碗形几何结构。这将稀薄混合气集中在了火花塞周围区域并阻止其向气缸壁扩散。这样，为确保近似完全燃烧、低耗油和低排放，活塞形状也发挥了自己的作用。

    发动机的喷射系统与采用共轨技术的现代柴油发动机的喷射系统十分相似。其核心是一个最新开发的高压泵，它向气缸排上的两根不锈钢管分配所需的燃料。压电喷射器与钢管相连接。

    依靠最高达200bar的压力，系统将传统的气口喷射系统内的燃油压力提高约50倍。在每次第二次喷射期间，高压泵将燃料输送到钢管，将压力增至最大。由于只有在每次喷射时才输出燃油，在循环期间压力会稍稍降低，但是所有喷射器在喷射期间的平均压力会保持在200bar。

    一个调解阀可以保证只输送发动机工作点所需的油量。这就减少了高压泵的功率需要。

    过剩的燃油经过一个热水交换器回流，之后与从油箱输入的燃油混合。喷射系统的低温冷却回路也将对直接喷射发动机控制动力部件所有工作过程的电子控制部件进行冷却。

    Mercedes-Benz发动机是为使用无硫无铅汽油燃料设计的，其先进技术使其具有了适用将来的排放标准的潜力。对于使用传统的燃油啧射器的V6发动机，排放控制思想分两个阶段：保证低外排放的机内方法和经过4个催化转化器处理后排放。

    机内方法包括对每个压缩冲程精密排列的喷射。可以改善在预热阶段发动机的排放质量，因为通过用低量的燃油控制喷射和燃烧保证了排气总管内较高的温度并更快的预热了催化转化器。从冷机启动仅10秒后，发动机就能达到700摄氏度以上的排气温度。

    发动机还使用双电控废气再循环装置。
该装置可以使高达40%的废气返回到燃烧室。这样可以减少氮氧化物(NOx)的排放。
    排放物控制从两个紧密耦合的三元触媒转换器开始。它们每一个都受两个氧传感器的监控：一个是控制传感器，一个是诊断传感器。这种氧传感器控制在发动机从冷态启动后立即投入工作，提供关于废气成分的信息，V6的电子控制部件用其来控制预热。

    由于传统的催化转化器需要“化学计量的”燃油一空气混合物(lambda=1)，但分层燃烧作用要使用过量的空气(lambda>1)，所以发动机配有两个存储型催化转化器。在稀薄工作条件下，这些转化器吸附氮氧化物然后于短再生脉冲期间再将其释放，这样它们就与其它废气中的成分反应而生成无害的氮气。NOx存储型催化转化器也受到一个温度传感器和一个氮氧化物传感器传感器的监控.

    直喷式发动机是以Mercedes-Benz公司在2004年制造的气口喷射式V6动力设备为基础的，该设备的特色是具有许多先进的技术。

    可变凸轮轴对进气和排气侧的定时改善了其有效输出。凸轮轴的角度可以在40摄氏度内进行任意调整，以保证在所有驱动情况下阀门都可以在最佳时间开闭。

    一个可变进气模块可以根据需要调整空气的供应量。引向气缸进气管的长度可以通过副翼进行调节。在较低的发动机转速时，副翼关闭以增加进气导管的长度。这会产生支持进气过程的压力波，并对较低发动机速度范围内的扭矩进行持久地改善。从而，在转速为1500rpm时，可以得到约为最高值的87%的317Nm的扭矩。

    燃料燃烧效率也通过一个智能化的热管理系统得以改进。在预热阶段，冷却剂循环被停止，所以发动机可以更快地达到其正常的工作温度。这会导致较好的润滑油流动和机内摩擦的显著降低，同时也降低了废气排放。

    当热机在满负荷下工作时，热管理系统一直将发动机润滑油和冷却剂保持在可能达到的最好的温度。这依靠一个在任何驱动情况下都有效的电子控制恒温器来保证。

    气缸盖和曲轴箱是铝制的。汽缸套用一种低摩擦硅铝合金作为表面。另外，它具有其它优点，例如高尺寸稳定性、良好的热特性和较小的重量。与传统的灰口铸铁缸套相比，每个气缸的重量节省了500克。

    锻造的曲轴箱装备有4个平衡锤。四个宽曲轴轴承和曲轴箱上的横向加强支撑也可帮助减少振动。

    在两列气缸间的平衡轴补偿了V6发动机固有的自由振动力矩，保证了其平稳运转。它可以与曲轴相同的转速反转。