打开文本图片集

美国燃油经济标准已经改变了，其要求在一定期限内必须实现显著改进。为了实现新目标，制造厂商纷纷采用了汽油直接喷射技术(GDI)。　　　　全球汽车制造商现今都处在重大的科技变革之中。一年前的燃油价格以及长期以来的金融稳定性问题迫使汽车公司不得不做出相应的调整，他们在员工、资金投入以及最重要的方面。即汽车产品上都进行了巨大的改革。　　长久以来，美国政府一直都在考虑如何制定一个国家能源政策，现在看起来这个方案还是可能的。这一切的技术核心都倚赖于如何提高燃油经济性。不仅是CAFE标准将要从现在的27.5mPg(8.6L/100km)提高到39mpg(6.0L/100km)，实现这一提高的时间表也由原来计划的截至2020年实现35mpg(6.7L/100km)缩短到了如今的2016年。将燃油经济性提高35％是一个非常宏伟的目标，需要很多重大技术改进才能实现。　　很明显，提高燃油经济性最简单的办法就是让车辆更小、更轻，当然还有很慢。但是迄今为止开汽车的人对这种办法没有表现出多大的兴趣。　　如果不能对汽车的大小做太多改变，那么另外两个选择就是使用更轻更贵的材料以及高科技、高效燃油的动力驱动系统。由于我们所面临的挑战很严峻，所以肯定要采用上述方法，还得加上电力驱动。　　如今提高燃油效率的核心技术就是汽油直接喷射(GDI)，并且还可与半混合与完全混合科技结合起来，以实现提高燃油经济性的目标。很明显，全电力驱动的汽车即将面世，但若要成为市场主流则尚需时日。　　那么，什么是汽油直接喷射呢?简单地说，汽油直接喷射就是汽油喷射器的位置改变了。当然其中还包含很多其他内容。为了配合汽油喷射器的新位置，还需要有新的传感器、新型燃油泵、新型变速器零件，还需要改进燃油系统以及大量软件和电脑硬件的升级，这些变化所涉及的内容其实还有很多、很多。　　简单说来，汽油直接喷射的出现已有一段时间了，并不是特别新的技术。但这种说法其实并不正确。从1990年代后期开始，三菱和其他汽车商生产过一些限量车型。现在福特公司宣布，到2013年或在那之前，将在90％以上的汽车上应用其Ecoboost新动力系统和汽油直接喷射(图1、图2)。通用汽车公司现在已在部分车型上应用了汽油直接喷射发动机，而今后会快速将其扩展到其他产品上。其实，所有欧洲和日本的制造商都在积极研发相关产品并计划推向市场，如博世就在研发其第二代汽油直接喷射技术。不久，我们就会发现汽油直接喷射技术会应用得越来越广泛。　　这也就意味着你所从事的行业中的硬件需要做改动……当然还有很多其他东西。在混合动力车和电力驱动车还未普及之前，这个趋势会一直持续下去。所以，如果你想在汽车服务行业继续干下去的话，你需要学习的东西还很多呢。　　能量是在哪里开始被浪费的?　　研究内燃机(ICE)缺陷的科学家很清楚这些发动机的效率并不高。问题出在泵气损失、摩擦损失和废气损失上。关键问题就是，如果要达到一个既定功能，那么一个发动机的形状大小和动力输出应该有多大?只有了解了这些问题，我们才能知道为什么需要研发汽油直接喷射及其工作原理。　　在大部分情况下，小一点及更低燃油消耗的发动机可以满足需求的时候，发动机的大小就会按照最大的预计动力需要来设计。固定排量的发动机就是一一固定的。它的问题就在于，车主认为，发动机所消耗的燃油和空气需要足以拉动一个拖车或一艘船，哪怕实际上没有拖拉任何东西。因此，缺乏灵活性是导致效率损失的重要因素之一。　　在汽缸外准备空气燃油混合物时的一个基本问题就是，它限制了燃油与空气或者空气与燃油之间的比例的选择，使之成为一个或多或少的同质混合物。的确，它在工作上确实有缺陷，但是起码达到了一个标准混合物的要求，比例在1417:1。分层进气发动机使用涡流技术来试图改变这个比例，但是改变范围却被混合物是在发动机外所准备且不得不流进汽缸的这一事实所限制住了。这一事实还导致了在混合物准备好的时间和混合物真正被使用的时间之间产生了一个时间差。　　如果深入研究一下气流学，我们就会发现很多因素会导致最佳可燃混合物控制和设置的损失。空气／燃油混合物存在的惯性必须要克服。发动机的空气吸入以及喷射燃油的运动是由活塞的向下运动所带动的。空气的实际流动是被进气门、节气门以及空气从发动机外部进入汽缸时所产生的惯性所控制和限制的。因为进、排气门会停止和允许气流进出燃烧室，让气流开始或停止的时候会有一个时间差。其结果就是在压缩冲程开始的时候，汽缸内很难会真正充满燃油和空气。　　燃油和空气的充量缺失是被容积效率所衡量的，容积效率在节气门怠速或部分开启的时候是最差的。根据气门重叠情况。怠速时的燃烧混合物实际上会包含一些废气。当然，在其他转速下产生的已考虑到的污染物是通过废气再循环阀EGR完成的。事实是。在黑板上画一个理想的汽缸充量比让其在发动机上实际运行要简单得多。　　当容积效率确实可以告诉我们一个汽缸在每一个冲程被充满的情况时，我们还需要考虑另一点。在现今科技下，空气／燃油传输系统的目标是让每个汽缸在每次运转时都能被空气和燃油的充量所充满，越满越好。如果每次都能工作得很好，这就意味着每次燃烧过程都会释放出相同的能量，无论发动机是在怠速状态还是在全负荷状态。从效率的角度来讲，如果能让每次燃烧过程只产生所需要的能量就更好了。如果依靠原来的喷射技术和电脑控制技术，那么实现这个目标是不太可能的。　　节气门还会导致其他问题。当活塞在每一次工作循环中向下运动时，会在节气门的一边产生空气正压力，而在吸入另一边产生叫做进气歧管真空的部分负压力现象。它会产生阻曳活塞和曲轴运动的阻力。也就是说，发动机必须要浪费掉一些能量才能保证吸入被节气门所限制住的空气。这些所谓的泵气损失会导致发动机内的能量损失。　　真正能够推动活塞运动的能量来自于燃油和空气的燃烧以及在燃烧室里面所产生的热气。随着压力的增大，这些气体推动活塞运动。这个运动以及压力转换为让车辆运动的能量。　　伴随着这个过程会产生两种损失。一种是当发热膨胀的气体接触到汽缸冷却的内壁时所产生的损失。这会抵消掉一些能转换成可以使用动力的热能和压力。　　另外一个因素就是发动机的膨胀比率。发动机能够捕捉的燃烧气体膨胀越多，发动机输出效率就会越高。在一个内燃机里，膨胀比率和压缩比率实际上是一样的。燃烧过程最开始产生的高压会随着排气冲程所产生的低压而递增。这两者之间的压力差越大，发动机的效率就越大。换句话说，压缩比率越高，发动机的输出功率就越大。　　我们知道，内燃机压缩比的数值是有限的。现在大多数发动机的压缩比大概局限在8:1或者9:1。由于使用了压缩力，所以这个限制取决于燃油不会产生提前点火的能力。目的就是

保证最大汽缸压力峰值只出现在发动机工作循环中让能量有效地作用在活塞的那个时刻。提前点火不仅会对发动机造成损坏，还会导致能量、排放以及自身效率的损失。　　关于内燃机技术需要记住的一点就是，任何现有的发动机设计都只能在一个很窄的转速范围内实现燃油效率最高。发动机设计不同，这个转速范围也会有所不同，但是确实会在一个最佳点上实现燃油效率最高、排放最低。为了提高燃油效率，我们还会使用新科技变速器来尽量将这个转速范围缩至最窄，使之燃油效率最高。转速表的范围是在0～6000r/nin，但是实际上在大多数时间里，发动机的转速是在1000-2500r/nin之间。在实际驾驶过程中，转速范围可以比它更窄。随着我们不断努力，这个实际转速范围就会越窄。　　动力需求　　在这里让词汇、短语和缩写混合在一起会很容易。可以将宏观所指的汽油直接喷射更好地理解为另一个宏观概念动力需求(Power On Demand，缩写为POD)的一部分。这个概念是让发动机在任何时间点的动力输出都与驾驶员的需求动力相符合。　　有不少方法都可以改变一个发动机的动力输出而又不会使排放同时上升。将不用的排量关闭是一个实践了很多年且被越来越多的车型所采用的一个方法。通过液压控制进排气门组系是有可能关闭进气门和排气门的，这样就不会有燃油进入不参加工作的汽缸燃烧室。　　这个听上去比实际要简单。当汽缸不处在工作状态的时候，发动机运转环境就必须要随发动机管理系统有所改变，这样驾驶员才不会注意到动力输出的下降。气门不仅必须要处于关闭状态，相应的喷射器也要被关闭，节气门角度发生了变化，发动机运转环境也得进行相应地改变来适应这个“新的”排量。现在所有这些都是由电脑来控制的。　　另一种缩小发动机尺寸的方法就是首先装备一个功率小一点儿的发动机。为了在需要的时候还能得到动力，可能的做法就是用涡轮增压将燃油和空气充满汽缸。涡轮的运转是用排气的废热驱动的。它用压力将汽缸充满以补偿容积效率损失。通过用上面的气体压力将汽缸充满，你实际上可以将比通常更多的燃油和空气送进汽缸以提高动力输出。　　很重要的一点就是不要忽略像涡轮增压这些你已经知道的东西。为了降低涡轮增压滞后以及其他旧式涡轮的缺点，很多技术都已经进行了革新。此外，直到现在涡轮增压都不算是真正的主流产品技术。这些包含新科技的涡轮增压技术只是动力需求技术的一部分，今后我们将会看到很多。　　你还会看到很多的就是电脑控制的可变配气正时技术。这一技术已经在VTEC及其他功能上有所应用，而现在你能看到它将变得更标准。配气相位可以允许电脑来控制凸轮以及配气正时的变化。这一技术已经越来越成熟，并已经与其他发动机管理系统联系在一起了，如燃油喷射、点火以及充电控制。　　汽油直接喷射在动力需求(POD)的应用　　动力需求(POD)的第三部分就是汽油直接喷射。这个概念的核心就是将生成的空气／燃油混合物直接传送到汽缸里。这就意味着只有空气流过吸气系统，而吸气不再有混合燃油和空气的作用了。这就解决了很多上面提到的混合物位置和灵活性的问题。结果就是与之前的喷射系统技术相比，使用汽油直接喷射的发动机可以提高20％的效率。　　但是实现效率提高是需要付出代价的。直接将燃油喷射至燃烧室不是很容易做到的，并需要对发动机和燃油系统做大量的改进。除此之外，它也改变了发动机的功率和扭矩的输出特性。　　在吸气过程中。一般喷射器将燃油喷进那些处于或低于大气压力的吸气系统中。而在汽油直接喷射的情况下，燃油喷射发生在压缩冲程的不同点上。所使用的喷射力需要超过汽缸内的压力。此外，还需要将喷射尽可能地雾化好，将之转换为可以燃烧的气状混合物。典型的汽油直接喷射燃油系统压力是10个大气压。记住。汽油本身是液体所以不会燃烧，但是当汽油蒸汽与氧气混合之后就会变得具有可燃性并产生发动机动力。　　为了更好地发挥汽油直接喷射的全部优势，雾化和雾化方式必须要实现高度控制。取代了单一的燃油燃烧，可能会存在多种部分喷射，这就需要更高水平的电脑控制，即在能量周期中监控每个燃烧步骤，并要求喷射器的开关速度要很快。　　汽油直接喷射是通过使用更高的压缩比实现更高效的燃烧效率，被喷射出来的燃油是液滴式的细雾。虽然这些液滴很细，他们必须要通过蒸发从液体转换为气体。有一个称作热熵的术语，它是指为了实现从液体到气体这个转换过程所需要的热能数量。通过从燃烧室里面吸收这种热量，汽油蒸发可以使活塞降温并减少了爆震的可能性。它还允许调整发动机的时间，以更好地使用上升的燃烧压力。通过汽油蒸发降低燃烧室的温度，可以使压缩比保持在10:1或者11:1这个范围，而无需高辛烷值燃油或者冒着损害发动机的风险。　　我们刚才谈到了由节气门所引发的泵气损失问题，不过在汽油直接喷射发动机里面这些损失会大大降低，原因就在于发动机的速度不是由节气门的位置所控制的，而是由发动机管理系统通过控制喷射和点火时间来控制的。这个由电脑控制的管理系统会控制吸入的空气流，从而降低由此而产生的泵气损失。　　汽油直接喷射还可以让每次的燃烧过程满足发动机的输出需求。由电脑控制喷油方式和时间，可以让那些以前非常靠近火花塞的混合物现在距离汽缸壁更近。这种低动能的燃烧对于怠速转动的发动机是非常好的。同时压缩循环运转中的喷射时间也相应推迟了，这样可以正好在火花出现之前喷射。控制不同类的混合物还要有活塞顶部的杯型设计做辅助。将喷射方式与活塞形状结合起来便可以在汽缸内部更大范围之内创造出可燃环境(见图3、图4)。　　其他的燃烧过程则可能是在正常的空气／燃油比下进行，或当需要更高的输出功率时在更高空燃比之下进行。关键是在汽油直接喷射中将新式计算机平台、软件和硬件结合起来以便可以让动力输出与每一个工作过程更加匹配，从而实现最佳需求动力和最佳燃烧效率。　　汽油直接喷射的软件和计算机平台　　汽油直接喷射发动机对于计算机的要求要远远高于普通的发动机。这里有两个问题：一个是所使用平台要有足够的速度来完成软件的十进制计数法；另一个就是与其他系统的相互配合，如涡轮增压器、燃油系统元件、凸轮相位调节器以及其他动力需求POD系统元件。　　由Delphi(德尔福公司)提供的发动机管理电脑就证明了这一点。Delphi有MT80和MT90计算机平台可以运行所需软件。他们的高档进气口燃油喷射电脑可以处理16位数据。在汽油直接喷射中所使用的MT80/90电脑则是32位的。其内存增大了，处理CAN和TCE这样的网络的能力也提高了。像其他厂商，如博世，在电脑系统里面就有高压电源，这样就可以直接通过电脑控制压电式喷射器。　　汽油直接喷射硬件：高压燃油泵　　在装有汽油直接喷射的汽车里，燃油进出油箱的方式跟通

常情况大不一样。通过一个常规泵的转换作用，燃油从油箱里被吸上来，然后再进入高压泵管路，为了避免让多余的燃油再次回到油箱，油箱里泵的输出是由发动机管理系统控制的，这样才能保证在高压泵输入端的输入量只是需求燃油量。　　高压燃油泵的应用比较多样化。为提高燃油压力，有些使用皮带驱动泵，有些使用凸轮驱动泵。在高压燃油系统中，实际压力就是可变的，高压可达到范围大致是2000psi(1psi=6.9kPa)。这样一个需要制造高压的扭矩对于传统的转动电子泵来说是过大的，因此这些转动电子泵通常放置在油箱里的。　　有些针对早期汽油直接喷射的试验报告指出这些燃油泵对于保养的需求可能会很高。如果发生润滑失败或者润滑不够，在凸轮和泵之间的高压则可能会导致凸轮损坏。其他的报告则指出了皮带驱动泵的一些问题。通过iATN调查的机械学报告同样指出，在早期的三菱发动机上，汽油直接喷射系统会出现由于高压时燃油添加剂不够而导致喷射器阻塞的问题。　　在设计燃油泵、燃油管路、油轨和喷射器的时候，乙醇和其他可替代性燃油的使用实际上是被考虑进去的。制造商会称其产品适用于任何水平的乙醇，甚至甲醇或木醇也是可以接受的，但是实际上水平会有差异。甲基燃油是从木头纤维或者纤维素里面提取制造的，而且，与乙基或特别是从玉米中提取的谷物酒精相比是具有高度腐蚀性的。　　Delphi使用的是单柱塞燃油泵设计，可以在低驾驶扭矩和低成本下提供高容积效率。这些泵有一个内嵌式的电磁控制阀门。通过调节送到阀门的驱动脉冲时间，阀门的控制功能会根据燃油输送量的不同而不同。高压管路内的驱动扭矩和脉冲都会被最小化，因为泵只会按照发动机的需求量提供燃油供给，从而有利于限制由流体管路高压撞击导致的噪音振动等问题。　　高压燃油管路及共轨　　正如你所能想象到的，高压燃油管路比传统管路要重一些，而且为了防止泄漏会有特殊的压力设置。共轨也会有类似的特殊设计。它会接收从泵所传来的高压燃油并将之送到喷射器去。共轨同样会安装和支持高压燃油传感器，该传感器可以将共轨压力信息传送至发动机管理系统。需要注意的是，所有与燃油接触的元件都是由防腐材料制成的，一般是不锈钢材料。　　福特公司称其正在与博世一起研发一个安装了高压共轨的新系统(见图6)。这种交叉设计方式降低了共轨的力臂，原因是共轨要承载2150psi下的燃油压力，为此福特公司不得不研发一种新型的Y形管传送系统来支持燃油共轨。这个系统通过减少管道脉动、改善液压频率分离及提高组装操作来解决相应问题。　　喷射器类型　　汽油直接喷射的喷射器与我们在进气口燃油喷射系统PFI中所见的喷射器有所不同。如前所述，对应于汽缸压缩压力，喷射器的压力要求非常高(2000psi)。电脑通过控制共轨燃油的压力以及喷射器的开闭时间来产生需求的燃油喷射方式和油量。　　至少有两种主要的喷射器可以适应很多类型的过滤器和喷嘴。压电式喷射器里面装有压电磁盘。当其受到高压；中击的时候。压电磁盘会改变形状——就好比从一个扁平的磁盘变成一个薯片的形状。这就延长了整体的磁盘长度。从而打开喷射器阀门。　　压电式喷射器的速度很快。快到足够允许电脑在一个燃烧过程中进行数次喷射。而这正是汽油直接喷射发动机所要求的。但是其弊端就是价格相对昂贵，因为需要特殊控制的电子器件和高压来进行点火。虽然在汽油直接喷射系统里面也可以用电磁阀式的喷射器，但是压电式喷射器的应用更普遍一些。　　在发动机电脑控制下运行的喷射器可以控制喷射方式。根据制造商的选择和操作环境差异。喷射器喷孔的形状可以是单孔／槽的或者多孔／槽的(见图7)。　　涡轮增压是汽油直接喷射的一部分　　在汽油直接喷射系统里面使用的涡轮增压器比在几年前的高性能跑车上使用的涡轮增压器要先进很多。福特公司的Ecoboost经理Brett Hinds先生，谈到了涡轮增压器在福特3.5L V6中的作用(图5)。双Honeywell GT-15涡轮增压器的每个大小都有一个桔子大，在用水冷却轴承的情况下，其运转速度可以达到170000r/min。Hinds先生说，在Ecoboost发动机上装了涡轮增压器之后，“在一个很大的发动机速度范围之内。你可以得到扭矩峰值，它随时都会出现。你不必靠加大发动机功率才能得到它。涡轮增压器的高速度是由电子防喘振活门来控制的，它可以提前释放压力。精准的软件刻度会管理进气管的压力。有了汽油直接喷射的涡轮增压。客户就不会再关注有任何延时问题了。”　　未来发展趋势　　哪怕是最好的汽油直接喷射，其对现今的进气口燃油喷射系统而言也只能在燃油经济性和排放性上面提高20％的效率。由于CAFE标准越来越严，未来的进步发展将取决于新科技。从现在来看，有三种科技可以帮我们实现目标。　　很明显，混合动力的应用将越来越普遍。汽油／电子的概念可以让发动机像一个单一频率的机器那样驱动发电机。可变速度和牵引力需求是由电子马达提供的。增加的效率是由发动机在提供燃油经济性和低排放上效率最高的频率下提供的。甚至更高的“燃油”效率都可以通过在这些车辆停驶时将电池插在输电网上来实现。　　2011年全面电子化的计划还无法铺开。迄今为止没人知道怎么通过制造他们来赚钱，因为大家认为电池还是比其所取代的动力传输系统的成本要更高。但是，它还是具备一些优点的，特别是在排放方面。电子发电动力装置的排放量是只要控制一个单一排放源就可以了，而不是必须在每辆车上分别提供移动的排放控制装备。　　在成本和应用范围上我们还需做进一步改进。当电动车Chevy Volt首次以概念车的方式被推出来的时候，它的续航能力是64km。现今针对续航能力改进的讨论有很多，人们认为车辆在只有一块电池的情况下应该能开160km。很明显。我们希望在这一数字的基础上取得更多进步。　　下一个针对内燃机的重大改进就是引进均质充量压缩燃烧发动机。这个概念包含了使用在柴油动力装置上的压缩燃烧。与柴油相比，汽油要更易挥发且更难控制。然而，它的优点就是，如果像控制燃烧控制过程这样的问题可以解决的话，那么排放量就可以减少了。虽然还有燃料电池，但是我们期冀在成本和性能上所取得的突破却还未能实现。　　所以，我们所处的时代是很有意思的。科技正处于巨大变革之中。很多公司都在进行研发而相关政策规划也在参与其中。或许，当所有事情都解决之后，我们会有一个更好，更稳定，而且更重要的是——燃油效率更高的交通运输系统。