三.车用汽油机的发展及现状

3.1国内汽油机技术发展现状

1.汽油机缸内直接喷射技术

汽油机缸内直接喷射技术,简称缸内直喷,顾名思义,就是把汽油直接喷射到气缸内。随着技术的发展,化油器被淘汰后,开始采用汽油喷射技术,按照喷射位置可以分为进气道喷射和缸内直接喷射两种。进气道喷射可以采用低压的喷射装置,是目前最常用的喷射方式,喷油嘴位于进气歧管的前方,汽油喷入进气歧管与空气混合后再进入气缸。缸内直接喷射则更为先进,喷油嘴位于气缸内部,将汽油直接喷入气缸,与空气形成混合气,不过它需要较高压力的喷射装置以及其它一些专门的零部件,成本要更高一点。

2.缸内直喷的类型及其特点

近年来,缸内直喷的发动机电控技术的研究与开发越来越受到重视,其被认为是内燃机解决能源和环境问题的重要方向之一,国内外许多研究机构和汽车厂商都致力于缸内直喷发动机的研究与开发,并推出了各种装备缸内直喷发动机的汽车。

2.1 FSI

FSI是Fuel Stratified Injection的缩写,它代表大众汽车的缸内直喷发动机。从理论上来说,采用FSI技术的发动机有至少两种燃烧模式:分层燃烧和均质燃烧,从上面3个英文单词来看,分层燃烧应该是FSI发动机的特点。分层燃烧的好处是热效率高,节流损失少,能把喷入缸内的汽油尽可能多的转化成能量。但是,目前大众汽车旗下的FSI发动机,都采用均质燃烧模式,分层燃烧以前在德国曾经用过,现在也取消了。因为分层燃烧采用稀混合气,虽然非常省油,但是却提高了缸内的温度,也提高了氮氧化物这种有害气体的排放。在分层燃烧模式下,普通的三元催化器很难把氮氧化物转换干净,这就需要可以降低氮氧化物排放的催化转换器,由此带来的成本已经超出了分层燃烧省油的好处,而且对排气系统的空间布置要求也更高。取消了分层燃烧后,FSI发动机与传统的进气道喷射发动机相比,仍然具有三大优势:均质燃烧具有非常好的动态响应能力,对车辆的加速性能极有帮助;最大扭矩和功率都要比传统发动机高;可以充分压榨每一滴汽油的能量,燃油经济性仍然十分出色,排放更为清洁。在均质燃烧模式下,燃油蒸发效果更好,同时蒸发的吸热过程降低了混合气温度,使得发动机产生爆震的可能性大幅降低,因此压缩比可以适当增加,这同样可以提高发动机的功率。

2.2 TSI

TSI是德国大众汽车集团旗下涡轮增压汽油直喷发动机的标识,它的字母缩写来源于两个方面,其中T代表的是Turbo,即涡轮增压技术;SI来源于FSI,代表大众汽车旗下采用缸内汽油直接喷射技术的发动机。从字面意思来看,TSI就是涡轮增压与汽油直喷的结合体,也可以把它理解成TFSI。所以TSI是一种极高效率的发动机形式,会是动力性与燃油燃油经济性的完美统一。

2.3 EcoBoost

EcoBoost是福特对于未来使用涡轮增压和缸内直喷两项技术发动机的总称。在传统汽油发动机的基础上,EcoBoost发动机进一步添加了燃油缸内直喷、涡轮增压和双独立可变气门正时系统这三大关键技术优势,不仅保证了澎湃的动力输出,而且优化了燃油经济性高达20%,并降低15%的二氧化碳排放。

2.4 SIDI

通用将燃油直喷技术的代号称为SIDI,是Spark Ignition Direct Injection的缩写,直译为火花点燃直接喷射技术。其实现的原理和一般的直喷发动机并无二致。

2.5 CGI

CGI是Stratified-Charged Gasoline Injection的缩写,它代表梅赛德斯-奔驰的缸内直喷发动机,其中主要包含了缸内直喷技术和涡轮增压技术。与其他车厂的直喷技术相比,CGI技术还有一个最大的特点是采用了压电技术(piezoelectric)。由于目前的直喷发动机都存在分段控制模式,也就是低转速时使用分段多次喷射燃烧,而高转速下就不再使用,其主要原因是目前的喷嘴都是螺线圈电磁控制式,在高转速状态下,喷油时间要求极短,喷嘴响应速度并不适合太高转速。因此,奔驰开发了压电触发的喷嘴,也就是利用活塞在压缩冲程的压力,通过压力变形下的微弱电信号,经过放大电路放大后控制阀门开闭。压电喷射器百万分之一秒的时间反应,为喷嘴提供基本的多点分层喷射成为可能,在每次压缩短时间内,再分为多次喷射,特别是高转速下,也同样有分段喷射,从而得到更理想的稀薄燃烧,这对提高发动机燃烧效率是至关重要的。

2.6 GDI

GDI是Gasoline Direct Injection的缩写,它代表宝马、丰田和三菱的缸内直喷发动机,它与其他一般的直喷发动机也无二致。

3.2国外汽油机技术发展现状

以福特为例，日前，福特汽车公司在美国底特律推出了一项名为EcoBoost的全新发动机技术。未来5年中，每年在北美将有50万辆福特、林肯和安全品牌汽车采用这一新技术，从而使其燃油经济性提升高达20％。

采用EcoBoost技术的4缸和6缸发动机兼具涡轮增压和燃油直喷两种技术。相比更为昂贵的混合动力与柴油发动机，EcoBoost技术建立在现今广泛使用的汽油发动机上，通过改进，使其在无损驾驶性能的前提下提高燃油经济性并降低排放。目前，各国的汽车公司都在大力开发和采用这种技术先进、性能优异的产品。日本三菱汽车公司一直处于领先地位。自1996年8月率先向市场投放第一台GDI发动机以来，三菱公司先后又开发出了多种不同类型的GDI发动机，即2.4L四缸机、3.0L六缸机和3.5L六缸机，它们已分别装用于四种中、大型轿车投放市场。近年来，该公司又推出多种GDI新机型:4.5L的V8机、1.5L的直列四缸机和0.66L的直列三缸机。三菱公司称，其1.8L的GDI发动机不仅可节省燃油20％，降低排放20％，而且还可把发动机的功率和扭矩提高10％。

3.3汽油机所采用的新技术及发展趋势

燃油电子喷射：比于过去采用的化油器，燃油电子喷射系统可以的燃油计量精确度上有较大幅度的提高。因此，采用电子控制燃油喷射的汽油机，其经济性和动力性有很大的提高，使对混合气浓度要求的三效催化转化器降低排放成为可能。

电子控制燃油喷射从单点式发展到多点式。这使汽油机不仅在动力性上仍旧能保持其密度的特点，而且其燃油性几乎可以和柴油机相媲美。有人甚至称汽油直接喷射是汽油机的一次革命。汽油直接喷射技术已经在日本三菱、丰田和日产的一些发动机上应用。欧洲的一些汽车公司如德国大众、法国雷诺等也在发展之中。

点火和管理系统：油机是电火花点燃混合气的点燃式发动机。火花的发生过去是依靠点火系统内的机械式白金断电器来完成的。断电器在高速运转下很容易磨损并烧蚀，从而使发动机出现失火，造成动力性下降和有害排放物激增的后果。

采用电磁式或霍尔式无触点的断电器便彻底解决汽油机运转过程中动力下降的排放增加的难题，也大大地减少了发动机的维修和保养工作。现代的高性能汽油机已经毫无例外地采用了电子控制的无触点点火系统。

可变气门定时和升程系统：机的气门是控制进气与换气过程的基本机构，主要的控制参数是气门定时和升程。对应于一定的运行工况，要求的定时和升程各不相同。但一般发动机一经制造出后，气门机构的定时和升程便不能改变，这势必造成部分工况不能在最优的状态下，动力性、经济性和排放品质达到最优。

汽油机直喷（GDI）技术，就是将汽油通过高压（约100大气压）供油系统将汽油直接喷到燃烧室内与空气混合、燃烧。GDI在电子喷射和控制技术取得长足发展后，于上世纪90年代后期开始进入市场。与传统的多点气道喷射的汽油机相比，GDI有四大显著的优点：能有效降低发动机的未燃碳氢化合物的排放，因为GDI技术避免了气道喷射汽油机在冷起动时燃油在气道壁面沉积的问题，而且极大地提高了燃油与空气的混合程度，更为精确地控制了每个燃烧循环的空气与燃油的比例，从而达到缸内完全燃烧的目的；使汽油在燃烧室内雾化、蒸发，降低了燃烧室内空气的温度，从而增加了燃烧室内空气的质量；因汽油蒸发降低了充气的温度，使发动机设计师有可能提高发动机的压缩比，提高发动机的热效率；GDI使发动机能很容易实现分层燃烧。

燃烧速率控制滑片是另一项节能环保技术，燃烧速率控制滑片就是通过促进燃烧室内在火花塞附近创造稳定的、容易点燃的空气燃油混合比，通过增加燃烧室湍流的强度达到节能环保的目的。发动机在怠速或小负荷时，发动机电子控制器会实时调节滑片在发动机进气道的位置，使滑片挡住进气道部分截面积，从而使新鲜空气燃油混合气在进入燃烧室时有一切向的速度，在燃烧室内形成有序的涡流。在着火及燃烧的早期，有序的涡流碎化成小尺度的涡流，从而大大提高火焰的传播速度。

另一项最近两年开始投入市场的汽油机技术就是切缸工作循环，或称为可变排量。可变排量技术就是根据汽车动力的需求来实时决定发动机的有效排量，使做功的汽缸总是处于大负荷状态，从而达到节能环保的目的。这一技术适用于中大排量、V型布置的发动机，如本田的V6、通用的V8及戴-克的V12汽油机。