现代缸内直喷式汽油机(十)
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(接上期)
3.4 电控高压旋流式喷油器
GDI直喷式汽油机的控制策略对喷射油束的基本要求可归纳为：
①可控制的扩散度；
②抑制贯穿度；
③良好的雾化。
为了在所采用的相对较低的喷油压力(5MPa)下能获得满足上述要求的喷射油束，选择了一种旋流式喷油器(图74)，它通过位于喷孔上游的旋流孔板为油束提供旋转动量。对图75所示的3种旋流孔板进行的试验证实，当旋流强度(即燃油的动量。与燃油在旋流孔中的流速和旋流半径的乘积成正比)调整到相同时，这3种旋流孔板可得到相似的燃油喷束特性。根据生产的可行性，选择了切向旋流孔板。
旋流式喷油器产生的喷射油束大体上是空心圆锥体油束，其外表面形成了极佳的雾化，油滴直径小于15gm，被反向滚流携带向火花塞周围，而大干30μm的大油滴存在于油束的中心，在油束撞击活塞顶凹坑壁面时聚集在凹坑中，并没有向火花塞扩散，而是在活塞顶高温壁面上在短时间内被蒸发后再随反向滚流向火花塞附近运动(参见第10期图67)。
同时，由于油束与空气之间的相互作用。一方面在空心圆锥体中心产生了强烈的空气扰动。另一方面油束的旋流运动诱发了油束周围空气的旋转运动，它们促使周围空气和EGR废气掺入到油束中去(图76，图中小白点是用示踪微粒显示出的空气运动轨迹)。从图中可以清晰地看到，在喷油的后期和喷油终了前。在油束上部产生的大幅度漩涡加剧了空气和EGR废气掺入到油束中去。燃油与空气的混合有助于抑制碳烟的形成，而燃油与EGR废气的混合有助于降低局部火焰的温度，从而获得较低的NOx排放。
此外，由于油束受到周围空气的阻力，其贯穿速度随着距离而衰减。但是周围空气的阻力对于油束的旋转运动的影响并不明显，因为周围空气与油滴一起旋转，因而旋转速度大体上保持不变。在保持油束旋转运动动量的同时，贯穿度却被抑制是旋流式喷油器固有的特性，因此这种喷油器特别适合于满足直喷式汽油机对燃油喷束的基本要求。在以早喷油模式运行时，燃油在进气行程期间喷入汽缸，环境压力近似等于或略低于大气压，而以晚喷油模式运行时，燃油在压缩行程后期喷入已被压缩到0.3～1MPa压力的空气中，作用在油滴上的阻力随着周围空气密度的增加而增大。图77示出了环境压力对油束的影响。在环境压力较低时，油束具有扩散较大的空心锥体结构。而在环境压力较高时，较高的阻力使得油束变成了扩散较小的实心锥体且贯穿度被抑制，正好满足了为早喷油均质混合汽模式获得广泛扩散的油束，而为晚喷油分层混合汽模式获得紧凑形状的油束的目标要求。
这种旋流式喷油器具有与传统进气道喷射喷油器近似相同的尺寸。但是，因为后者可以在720°曲轴转角内完成喷油，而在缸内直接喷射的情况下。喷油必须能在发动机最高转速下在大约180°曲轴转角内完成，那么其旋流式喷油器的动态流量范围应是进气道喷射喷油器的四倍，因此在发动机电控单元中采用高电压驱动电路来驱动喷油器，以扩大其动态流量范围。此外，由于旋流对喷孔有自洁作用不易形成积炭，大幅度地提高了这种旋流式喷油器的可靠性。
3.5 空气旁通阀(或电子节气门)
直喷式汽油机应用了早喷油均质混合汽和晚喷油分层混合汽两种不同的燃烧模式，晚喷油模式的混合汽空燃比超过30，而早喷油模式则采用化学计量比(空燃比14.7)或略浓的混合汽运行。为了使得在发动机运行模式转换时能平顺过渡。此时两种运行模式所产生的扭矩必须精确地相同，以避免因运行模式转换前后发动机产生的扭矩不同而引起车辆行驶的冲击，影响驾驶的舒适性。大体上讲，发动机发出的扭矩取决于燃油量，因而在喷油量相同情况下采用晚喷油模式运行时所需要的空气量，至少应是采用早喷油模式运行发出相同扭矩所需要空气量的两倍。因此。应用电控空气旁通阀或电子节气门迅速而精确地进行进气空气量的控制(参见第10期图66)，是直喷式汽油机在任何运行工况特别是瞬态过渡工况实现平稳运转最重要的关键技术之一。
为此，GDI直喷式汽油机采用了与节气门并联的电控空气旁通阀和怠速控制阀组合使用的方法来实现高精度、大流量和高响应性的旁通空气量控制。电控空气旁通阀(含怠速控制阀)的结构如图78所示。并列配置了两个线性电磁阀。其中一个用作高响应的开一关控制，以确保两种混合汽运行模式转换时进气空气量大幅度变化的实时响应；另一个则用作负荷控制(含怠速控制)。随着电控技术的发展。这两种功能与节气门集成于一体，成为现代直喷式汽油机广泛应用的电子节气门。
3.6 电控EGR阀和稀燃NOx催化器
降低NOx排放是任何稀燃发动机必须解决的重要课题。在三菱GDI直喷式汽油机上。主要是利用分层稀燃运行时具有较大的EGR兼容性的有利条件，来实现降低NOx排放。图79示出了EGR降低NOx排放的效果，与以化学计量比混合汽运转的进气道喷射汽油机(EGR率=0)所排出的NOx相比，直喷式汽油机能够在保持改善燃油经济性的同时。NOx排放的降低超过90％。在晚喷油分层混合汽运行区域EGR率为10％～40％(图80)。但必须对大量EGR废气实施快速又精确的控制，为此采用步进电机控制的电动EGR阀(图81)，它能够无滞后和稳定地控制EGR废气量。
虽然引入大量的EGR废气能够充分地降低NOx排放，但是却缩小了稀燃运行的范围，因为引入EGR废气会减少进入汽缸的空气量。三菱公司和日本Shokubai公司新开发了一种稀燃NOx催化器，用来进一步降低NOx排放，以保持稀燃运行范围。稀燃NOx催化器有两种类型：吸附式NOx催化器和选择性还原催化器。前者在第二篇中已介绍过，它能在稀混合汽运行期间吸附捕集NOx，而在短暂的浓混合汽运行期间释放所吸附的NOx进行还原净化转化。三菱GDI直喷式汽油机选用的选择性还原催化器，则是用HC直接还原净化NOx，其基本机理如图82所示，在空燃比为40时N0x还原净化率可保持在60％。吸附式NOx催化器的优势是具有高的还原效率，但是它易发生硫中毒，必须使用低硫汽油。若燃用市场供应的高硫汽油，则车辆行驶较短的里程后就会失效。相反，选择性还原催化器的效率虽然没有前者那么高，但是即使在应用高硫汽油进行道路耐久性试验以后仍能保持其还原效率。
3.7 点火系统
GDI直喷式汽油机采用喷油器和火花塞较大间距的布置型式，不会发生液态燃油碰撞火花塞以及向火花塞供应过浓的混合汽而在火花塞上形成积炭，因而能采用具有中等点火能量(60mJ)的常规点火系统。但是，为了获得稳定可靠的点火，做了如下的改进(图83)：
①火花塞布置在燃烧室中央，中心电极突出7mm，使其处于火花塞周围浓
混合汽区域的中心：
②为了将点火能量高效地供给火花塞，采用每缸配置点火线圈的独立点火系统。放电电流和放电时间也比原来的进气道喷射汽油机增加了，扩大了稳定燃烧范围。提高了抗积炭性；
③采用耐久性好的白金电极火花塞，并将中心电极制成两段断开式，以便在绝缘子与电极间诱发电晕放电，快速烧掉积炭，提高抗积炭能力。
4 性能
4.1燃油经济性
如图84所示，GDI直喷式汽油机与具有相同排量而压缩比为10.5：1的传统进气道喷射汽油机相比，显著地改善了燃油经济性。在最低的转速和负荷状况下，燃油耗可降低40％。在100km／h巡航车速道路负荷状况下，燃油耗也可降低15％。搭载GDI直喷式汽油机的Galant 96款轿车的10-15工况法燃油耗，要比搭载传统进气道喷射汽油机的formar Galant轿车降低35％以上，其手动变速器车型约为5.3L门00km，自动变速器车型约为6.2L／100km。
4.2全负荷性能
在较高的负荷下，直喷式汽油机采用早喷油均质混合汽运行，燃烧特性基本上与预混合进气道喷射汽油机相同，但是通过优化喷油定时，能够改善发动机的性能。图85示出了发动机在1500r／min转速下以化学计量比混合汽在轻微爆震状态运行时，喷油定时对扭矩、充气效率和点火提前角的影响。当喷油定时选择在进气行程的最早期阶段时，油束将碰撞到活塞顶面，在这种情况下其充气效率与进气道喷射汽油机相同，而在选择合适的喷油定时情况下，充气效率可提高5％。同时。由于燃油蒸发潜热对缸内空气的冷却作用，能使空气充量温度降低大约15K，压缩行程终了的充量温度降低大约30K，降低了爆震倾向，可采用较高的压缩比12：1，在较低转速下轻微爆震状态运行时点火提前角大约也可提前5°，因此扭矩可增加12％。图86示出了全负荷性能，几乎在所有的发动机转速范围内，扭矩比传统的进气道喷射汽油机提高了10％。在较低的发动机转速范围内，其主要因素是充气效率的提高和短暂的点火定时提前，而在较高的转速范围内，其主要因素是充气效率的提高、较高的压缩比和进气道流量系数的改善。
5 进一步改进
随着排放法规的加严，1998年三菱公司在4G93型直喷式汽油机基础上又增加了新的排气净化技术，研制成功了第二款4G15型GDI直喷式汽油机，其主要内容是采用二次喷射和后喷射技术等。
5.1二次喷射技术
GDI直喷式汽油机因在分层稀燃运行时的火花塞点火时刻，缸内的分层混合汽只占据缸内的一小部分空间，其它空间只有极微量的燃油存在，而且燃油的蒸发使得缸内温度偏低，点火后火焰在传播过程中逐渐减弱，易熄火，使得混合汽不能充分燃烧而产生积炭。
二次喷射技术是指在晚喷油的分层混合汽运行时，在进气行程中先喷入额定油量的1／4，形成极稀的均质混合汽，在压缩行程后期再次喷入剩余油量，形成分层混合汽。这样，在火花塞点火之前，缸内混合汽的状况是在超稀的均质混合汽背景下。在火花塞周围存在较浓的分层混合汽。在火花塞点火时，首先在较浓的分层混合汽区域形成较强的火焰。再迅速向超稀混合汽空间传播，由于火焰较强，可点燃超稀混合汽，而稀混合汽的燃烧又反过来促进浓混合汽的再次燃烧，使燃油充分燃烧，这就减少了积炭的产生。
采用二次喷射的GDI直喷式汽油机的压缩比可提高到11：1，使发动机的输出功率提高10％。
5.2后喷射技术
新型的GDI直喷式汽油机使用三元催化转化器和稀燃NOx催化器组合的净化装置，它们的起燃温度一般为250℃。通常，发动机从冷车启动到排气温度升高至250℃约需100s，在这段期间内排气中的有害成分较高。为了提高该段期间内HC和NOx的净化效率，采用后喷射技术可有效地加快排气的升温，大大减少排气中的有害成分。
后喷射是指在发动机冷车怠速运转时。除了在压缩行程后期喷射燃油外，在做功行程中再次喷射少量燃油，在缸内高温高压燃气的作用下点燃而二次燃烧，并当排气门打开后可在反应式排气管(相当于小型热反应装置)中补充空气继续燃烧，加快排气温度的升高。二次喷射直至排气温度达到800℃时才结束，这样催化器的起燃时间缩短到了20s，大大减少了发动机启动和暖机阶段的HC排放(图87)。(未完待续)