现代缸内直喷式汽油机(四)
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(接上期)
2.3.喷油系统
现代缸内直喷式汽油机对喷油系统提出的主要要求是，必须将燃油的压力产生过程与计量喷射过程完全脱钧，使其能够自由选择喷油时刻和可变的喷油压力。如上所述，蓄压共轨式喷油系统具有很大的控制自由度，可以最好地满足这些要求，能够在任意一个时刻通过电控喷油器将存储在共轨中达到运行工况所要求压力的燃油精确计量直接喷人燃烧室。图14(见上期)示出了这种燃油系统的基本组成。首先由燃油箱内的低压电动燃油泵供油模块产生0.35～0.40MPa的初级输油压力。按需要向由发动机直接传动的高压燃油泵供油，它可将燃油共轨中的燃油压力最高提高到12MPa。喷油器直接连接在燃油共轨上，由电控单元发出的控制信号(喷油脉冲，其宽度即通电持续时间)来确定喷油始点和喷油量。共轨中的燃油压力由燃油压力传感器采集。并由同样安装在共轨上的燃油压力调节器调节到喷油脉谱图所规定的压力值。燃油压力调节器根据负荷状况调节共轨通往回油管路的通道截面，以控制回油量。但这些多余的燃油量并不是返回到燃油箱，而是直接返回到高压燃油泵的进油口。这样就能够尽可能减少高压燃油泵的能量消耗。有利于降低燃油耗。并能减少对燃油箱中燃油的加热，以避免加重燃油箱通风系统的负担。
图22示出了现代直喷式汽油机喷油系统的高压燃油泵、共轨和电控喷油器等三大高压部件。
2.3.1.低压输油泵
现代缸内直喷式汽油机的低压输油泵通常采用与进气道喷射汽油机一样的电动燃油泵，在此不再详述。
大众公司新的1.4L/1.6L-FSI直喷式汽油机采用了一种可调节供油量的电动燃油泵。为此在低压进油油路中安装了一个压力传感器，根据此压力信号发动机电控单元控制电动燃油泵只供应实际所必需的燃油量，以保持0.40MPa的初级输油压力。而不再有多余的燃油回流到燃油箱。这不仅避免了油箱中燃油温度的升高，而且减少了电功率消耗(约50％)，有利于降低燃油耗。同时，还具有改变低压进油压力的可能性。在易发生汽阻危险的运转范围内(例如热启动)，低压进油压力能够在短时间内从0.4MPa提高到0.5MPa。以有利于消除可能发生的汽阻现象而顺利热启动。
2.3.2.高压燃油泵
现代直喷式汽油机高压燃油泵的任务是将燃油压力由0.35～0.40MPa的初级输油压力提高到12MPa，甚至最高达20MPa。并要求泵油流量变化小，以减小共轨中的压力波动。并应避免燃油与机油混合。
首先应根据发动机的要求合理确定高压燃油泵的排量。高压燃油泵应具备比发动机全负荷喷油量要求的最小供油量更大的泵油量。以满足实际运转中动态压力变化的需要。例如：就排量为2.2L的缸内直喷式汽油机而言，经计算高压泵排量大约为0.4cm2/r左右。现代缸内直喷式汽油机所应用的高压燃油泵的结构类型如图23所示，大致有轴向柱塞泵、径向柱塞泵和直立式柱塞泵三种。仅仅从功能角度来讲，只要采用柱塞泵就能满足要求，但是从各方面综合评价的结果，显然径向柱塞泵更为有利，由于其中3个柱塞径向均匀布置，对驱动轴的径向作用力可部分抵消，而且结构长度较短，特别是可由发动机凸轮轴直接驱动，因此在使用寿命和工作效率方面均具有优势，为此也是现代直喷式汽油机应用最广的一种高压燃油泵。
这种径向柱塞泵的供油量波动性主要取决于柱塞的数目。为了获得较小的供油波动，至少需要3个柱塞交替泵油。采用单缸泵、3缸泵和5缸泵进行的对比试验研究证实，3缸泵在性能和成本方面具有最有利的综合优势。此外。与用电机驱动方案相比，径向柱塞泵由发动机凸轮轴直接驱动在装配、效率和成本等方面更为有利。图24示出了这种径向柱塞式高压燃油泵的基本结构，其主要特点是：柱塞经滑动底座支承在凸轮上。同时由于进油阀直接集成在柱塞副上方，因此泵油室的有害容积最小。图25示出了高压燃油泵在发动机怠速、部分负荷和全负荷3种典型运转工况时不同共轨压力下的驱动功率。
与这种传统的三缸径向柱塞泵相比，大众轿车新的1.4L/1.6L-FSI分层直喷式汽油机和奥迪A3轿车2.0L-FSI分层直喷式汽油机都采用了Bosch公司新开发的可按需要调节供油量的HDP2型单柱塞高压燃油泵(图26)。这种高压燃油泵不仅具有较轻的质量、较小的外形尺寸和较高的效率，而且泵油量能按需调节，降低了高压燃油泵的驱动功率(约40％)，特别是在发动机需要燃油量较少的运转工况。具有明显的节油效果。图27示出了这种按需要调节供油量的高压燃油泵的工作原理，其泵油量的调节是由集成在油泵上的电控油量调节阀(MSV)来实现的。发动机电控单元根据燃油共轨压力传感器的信息来计算该油量调节阀的关闭时间，仅仅将为达到喷油压力所必需的燃油量泵入燃油共轨中去，一旦燃油共轨中的燃油压力达到所需的额定值，油量调节阀即被打开，多余的燃油被剩下的柱塞行程泵回到高压燃油泵的进油油路中去，这样不仅节省了高压燃油泵的功率消耗，具有明显的节油效果。而且避免了油箱中燃油温度的升高，使得即使在20MPa共轨压力下也无须燃油冷却器。进油阀上方低压进油腔的弹簧一膜片式低压燃油稳压器能够减小进油油路中的压力波动，提高泵油量精度。这种单柱塞高压燃油泵悬挂安装在凸轮轴相位调节器的旁边。由位于进气凸轮轴轴端的凸轮传动。该凸轮上的两个凸起相差180°，由于两次相邻的喷射只有一次泵油行程，在第一次喷射后燃油共轨中的压力会降低(参见图28)，因此第二次喷射的喷油时间由发动机电控单元进行修正，以使第二次喷油仍能喷射出相同的燃油量，因而大大提高了喷油精度。
2.3.3.燃油共轨
燃油共轨是一种管状铸铝件，并具有与高压燃油泵、喷油器、燃油压力调节阀和燃油压力传感器连接的接头(参见图22)。考虑到燃油的可压缩性和填充共轨容积所需要的时间，其蓄压容积的设计应遵循这样的准则：一方面要求具有较大的蓄压容积。以便能抑制向喷油器周期性供油而引起的压力波动以及高压泵供油的波动性，尽量保持共轨燃油压力的平稳；另一方面又要求具有尽量小的蓄压容积，以便共轨压力能够足够迅速地建立起发动机运转所需要的燃油压力。一般来讲，就排量为2.2L的直喷式汽油机而言，共轨蓄压容积为45cm3较为合适，图28示出了共轨压力对应于喷油脉宽动态变化关系曲线的模拟计算和实测结果。
2.3.4.共轨压力调节器
共轨压力调节器的基本结构示于图29，其任务是在发动机整个运转范围内按照脉谱图的规定值来调节共轨压力，而与高压燃油泵的供油量和喷油器的喷油量无关。这是通过调节其节流阀和阀座之间的横截面积控制回油体积流量来实现的。由于作用在节流阀上的电磁线圈激励的电磁力与液压力保持着动态平衡，所以共轨压力和励磁电流之间存在着直接关系，可采用脉宽调制信号来控制电磁线圈中的励磁电流。从而达到调节共轨压力的目的。由于这种方式产生的磁性衔铁的强迫振动没有摩擦力，并且能几乎无滞后地动作，因而具有非常高的燃油共轨压力调节精度。
2.3.5.共轨压力传感器
共轨压力传感器(如图22所示装在燃油共轨的侧面)用于测量共轨中的燃油压力，其中焊有一片贵金属簿膜作为传感元件，在它上面应用薄膜技术制有测量电阻，通过传感器壳体中的专用集成电路上集成的平衡电路、补偿电路和计值电路，即可输出与共轨燃油压力相对应的电信号。这与众所周知的直喷式柴油机共轨喷油系统用的共轨压力传感器极为相似，只是工作压力范围不同而已，在此不再详述。(未完待续)