现代缸内直喷式汽油机(五)
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(接上期)
2.3.6 电控喷油器
电控喷油器是现代缸内直喷式汽油机喷油系统中的关键的核心部件，一方面必须满足喷油器在结构紧凑的汽缸盖上的装配条件，另一方面喷油器必须满足对较短的喷油持续时间和较大的喷油量线性动态流量范围等方面特别高的要求，同时燃油喷束特性对于调节分层混合汽燃烧过程又具有特别重要的作用。
2.3.6.1 喷油嘴型式的选择
选择喷油嘴型式的评判标准，除了应具有良好的雾化品质之外，还必须不易积炭，并能够实现倾斜于喷油器轴线的喷射油束(这对于空气滚流分层燃烧过程特别重要)，以及易于加工和适合于大批量生产。图30示出了三种喷油嘴型式的综合评价，其中喷油嘴针阀的开启方式存在着原则的区别，对其性能产生重大的影响。图31相应示出了这三种喷油嘴的喷射油束形状。
A型喷嘴由于针阀向外开启，具有较好的抗积炭能力，但喷射油束形状是一个透明的空心圆锥体，其雾化品质略差，呈现有限的伞状油束，较为适合于喷射油束引导的分层燃烧过程。
I型旋流喷嘴的针阀向内开启，并能在密封座面上方产生燃油的横向旋流，因而能形成非常良好的雾化品质，并能产生倾斜于喷油嘴轴线的喷射油束，便于喷油器在汽缸盖上的布置，特别适合于空气滚流引导和壁面引导的分层燃烧过程。这种雾化方法及其油束方位的灵活性和不易积炭的特点，使其具有明显的优势，从而获得了广泛应用。
多孔喷嘴与当今直喷式柴油机使用的十分相似，其特点是可通过每一个喷孔喷射出界限分明的单个油束，虽然其雾化品质不如旋流喷嘴，但是它可通过有针对性地设计各个喷孔的长度与孔径比。调整油束在燃烧室中的位置和单个分支锥形油束的贯穿度，能灵活地适应燃烧室的几何形状。
图32示出了旋流喷嘴和多孔喷嘴的结构及其喷射油束的形状，应根据缸内直喷式汽油机所采用的燃烧过程的要求来选择。
2.3.6.2 喷油器结构及其特点
现代缸内直喷式汽油机喷油系统应用的喷油器，按针阀控制的方式可分为电磁阀控制式喷油器和压电控制式喷油器两种：
(1)电磁阀控制式喷油器
通常，当今的缸内直喷式汽油机一般采用电磁阀控制式喷油器。图33示出了其工作原理的示意图，针阀的运动质量较小，能达到高频率喷油必需快速开关的时间要求，从而在最大喷油持续时间5ms情况下获得了喷油量1：12的线性动态流量范围。已能够满足一般缸内直喷式汽油机的要求。这种汽油喷油器的头部细长(直径7.7mm，长度20mm)，并选用尽可能小的喷油器套直径(21mm)，有利于在发动机汽缸盖上的布置，这样使得汽缸盖可以有足够的冷却水套。
但是，随着现代缸内直喷式汽油机升功率的提高，对喷油器最小和最大喷油量之间的喷油量跨度，也即喷油量的线性动态流量范围(最大喷油量／最小喷油量)的要求已有明显提高。为此，西门子威迪欧(Siemens VDO)公司开发了新一代Deka-D1-XL2型电磁阀控制式喷油器，其喷油量动态范围>20(图34)。这种新一代喷油器具有的喷油量跨度能适用于升功率高达95kW／L的涡轮增压汽油机。
为了达到如此大的动态流量范围。应对喷油器的磁回路进行优化，使得存储在电磁线圈中的能量最少。从而使喷油器针阀能够迅速地开启和关闭。然而，燃油压力高时，喷油器磁回路中应具有比燃油压力低时更多的能量，这样喷油器才能开启。但是当喷油器中的磁能存储得太多时，就会延缓关闭过程，为此在发动机电控单元中集成了一个控制喷油器的可变驱动器，能够根据燃油压力的大小，通过改变软件参数为喷油驱动器预先确定不同的驱动电流波形，以控制磁回路存储的能量恰好等于喷油器开启所，必需的能量。因此在任何时候喷油器开启和关闭的动作时间是最短的，从而大大改善了这种喷油器针阀的动态性能，扩大了其动态流量范围。
这种新一代电磁阀控制式喷油器具有较大的工作能力，其静态流量高达17g／s(在10MPa和70度时)，并且在4MPa燃油压力和0.35ms喷油持续期时的最小动态喷油量
这种新一代电磁阀控制式喷油器还具有非常灵活的结构型式：可以安装在汽缸侧面位置，也可以安装在汽缸中央位置。而喷油嘴经过优化后，旋流喷油器的油束锥角可达到35～80度，其油束偏转角可为0～25度；多孔喷油器的分支油束可多达6～8支，油束锥角可为35～90度，其油束偏转角可为0～30度，因而几乎能够形成各种各样的喷雾油束。这种可变性对于在现代缸内直喷式汽油机上的应用而言是一个非常重要的因素。因为油束的几何形状适应燃烧室中的情况具有非常重要的意义，可避免润湿壁面、形成炭烟和稀释机油。
(2)压电控制式喷油器
近几年，常规的电磁喷油器越来越多地被高速开关的压电喷油器所替代，其更迅速的针阀开关特性能够获得更精确的燃油计量和更小的喷油量，非但能够降低噪声和燃油耗，而且还能减少有害物排放。图35所示的是西门子威迪欧(SlemensVD0)公司开发的压电喷油器。这种喷油器最重要的特点是压电执行器以及由其直接操纵的向外开启的针阀和机油阻尼热补偿器等，具有高的抗结焦能力和非常短的开关时间(200 u s)，并能够实现多次喷射以及喷嘴针阀的全升程和部分升程，其最短的喷油时间可达0.1ms，同时具有高的静态流量值(在20MPa喷油压力下最多可达约30g／s)，大大拓展了喷油器的动态流量范围。因此特别是对于喷油量跨度较大的涡轮增压直喷式汽油机在喷油策略方面可获得很大的自由度，可根据发动机负荷、转速和温度将喷油量在整个进气和压缩行程期间任意分成多达3次喷射。在小负荷工况时只需进气行程期问的单次喷油脉冲就足以获得均匀的油气混合汽，而在低速高负荷运转工况时，将喷油量分成2次或3次喷射，这样就能够尽可能减少燃油湿壁和机油稀释现象。此外，高精度的喷油量计量为现代缸内直喷式汽油机满足越来越严格的废气排放限值提供了必要的前提条件。
这种压电喷油器的最重要的元件是压电执行器。目前汽车上使用的压电元件都由陶瓷薄片堆(铅一锆一钛，PZT)组成，并带有由银一钯(AgPd)或铜(cu)制成的内触点。这种结构适合于多层陶瓷薄片的机械串联，而在电路上是并联的，这样能够在低电压下获得必要的伸长量。图36示出了这种压电元件的基本结构。这种结构类型的压电执行器要求只承受压应力，为了避免在快速收缩时产生拉应力，用一个管状弹簧从外部给压电堆施加预压应力。当发动机电控单元给压电执行器施加一个电压，它就会膨胀。并向图示的方向伸长。由于其最大伸长量很小。大约只有其总长度的0.1％。因此现在的压电喷油器都包含有用于加大行程的机械和液压传动元件，有的还有液压伺服回路、补偿元件和增压装置。
这种压电喷油器具有重复性较好的高计量精度、稳定的锥形油束和高的抗结焦能力，特别适合于油束引导燃烧过程。能够在很大的运行范围内实现充量分层运转，从而使汽车获得特别好的行驶经济性。(未完待续)