1、現(xiàn)代缸內(nèi)直噴式汽油機 （十五 ）（接上期 ）梅塞德斯一奔馳公司在其 M272 KE V6-3.5L 進氣道噴射 汽油機的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了新型的 M272DE V6-3.5L 直噴式 汽油機，搭載于奔馳 CLS 350CGI 轎車上，它是世界上首次 應(yīng)用壓電控制噴油器并采用噴油器中央布置的油束引導(dǎo)燃 燒過程的直噴式汽油機。該機在更大的部分負(fù)荷范圍內(nèi)實現(xiàn) 了充量分層運轉(zhuǎn)，并以非常低的燃油耗而著稱，同時其零部 件與進氣道噴射機型有很高的通用性，能在同一條流水線上 進行生產(chǎn)。該機型的開發(fā)目標(biāo)是在提高行駛功率的同時降低燃油 耗。熱力學(xué)分析表明，與所有其他的方案相比，充量分層運 行的直噴式汽油機顯示出單一

2、措施最大的節(jié)油潛力，并且與 壁面引導(dǎo)和空氣引導(dǎo)燃燒過程直噴式汽油機相比，油束引導(dǎo) 燃燒過程的節(jié)油潛力最大。因此，新型的M272 V6-3.5L 直噴式汽油機 （ 圖 118）采用了油束引導(dǎo)的燃燒過程， 主要的特點 在于壓力高達 20 MPa 的噴油系統(tǒng)，主要包括供油量可調(diào)節(jié) 的高壓燃油泵和壓電直接控制的噴油器。為了充分利用這種 新型的油束引導(dǎo)燃燒過程降低燃油耗的潛力，該發(fā)動機在部 分負(fù)荷時采用充量分層（入1）運行，并借助于靠近發(fā)動機布 置的三元催化器和布置在地板下的存儲式 NOx 催化器來實 現(xiàn)廢氣凈化。為了在空氣過量情況下調(diào)節(jié)廢氣后處理系統(tǒng)， 在存儲式 NOx 催化器前采用了溫度傳感器， 而

3、在存儲式 NOx 催化器后采用了 NOx 傳感器。 不言而喻， 應(yīng)用這種系統(tǒng)完全 能夠滿足當(dāng)前所有的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)限值的苛刻要求。在歐洲，這種新型的缸內(nèi)直接噴射汽油機已完全替代了 迄今為止搭載于奔馳 CLS 350 轎車上的進氣道噴射汽油機。10.1 基礎(chǔ)發(fā)動機梅塞德斯一奔馳公司在改進設(shè)計成缸內(nèi)直噴式汽油機 時，采用進氣道噴射的 V6 汽油機的基礎(chǔ)部件作為模塊化技 術(shù)改進的基礎(chǔ)。例如曲柄連桿機構(gòu)、曲軸箱和熱管理系統(tǒng)等 在這兩種機型上是相同的，而進氣系統(tǒng)則按照提高的標(biāo)定轉(zhuǎn) 速來匹配，但是在缸內(nèi)直接噴射機型上，由于良好的燃油霧 化和進氣道的優(yōu)化，不再使用滾流閥。同樣，在這兩種機型的發(fā)動機電子控制系統(tǒng)

4、中采用了相 同的控制軟件結(jié)構(gòu)，并為了滿足燃油系統(tǒng)中進油計量式高壓 泵的控制、修改點火以及用于充量分層運轉(zhuǎn)和廢氣后處理功 能的要求進行了擴展。10.2 結(jié)構(gòu)特點以下介紹梅塞德斯一奔馳缸內(nèi)直接噴射 V6 汽油機與采 用進氣道噴射的基本機型的區(qū)別。汽缸蓋方案 采用進氣道噴射的基本機型的結(jié)構(gòu)特點示于圖119（左 ）： 金屬模鑄造的鋁合金汽缸蓋； 四氣門； 火花塞中央布置； 氣門夾角 28.5； 兩根組合式凸輪軸，裝有凸輪相位調(diào)節(jié)器、滾輪式搖 臂和固定式液壓挺柱； 凸輪軸的上軸承座集成在壓鑄鋁合金汽缸蓋罩殼中； 壓縮比為 10.7。新型的缸內(nèi)直接噴射機型的結(jié)構(gòu)特點示于圖 119（右） ，與 采用進氣道噴

5、射的基本機型相比，有以下區(qū)別。 壓電噴油器中央布置： 火花塞向排氣門方向偏移； 壓縮比為 12.2； 外部雙路廢氣再循環(huán)； 20 MPa 高壓燃油系統(tǒng)，采用油量可調(diào)節(jié)的高壓燃油汽缸蓋中的橫流式冷卻系統(tǒng)有利于降低排氣側(cè)的火花 塞和中央布置的噴油器周邊的溫度。由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段提 前考慮了這種技術(shù)擴展的可能性，因此確保了這兩種機型能 夠在同一條自動裝配流水線上生產(chǎn)，可以根據(jù)市場的需求隨 時調(diào)整這兩種機型的生產(chǎn)批量。燃油系統(tǒng)這種新型的 M272 DE V6-3.5L 直噴式汽油機采用三柱塞 的徑向柱塞高壓燃油泵， 而其供油量則按 3.5L 汽油機較高的 冷起動要求進行匹配。其燃油系統(tǒng)的構(gòu)成示于圖 1

6、20 上。燃 油由發(fā)動機附近的汽車燃油裝置供應(yīng)，并在那里直接與從燃 油冷卻器回流的已被冷卻的燃油混合。高壓燃油泵由右排汽 缸的進氣凸輪軸驅(qū)動， 可將燃油壓力最高提高到 20 MPa,并 輸送到高壓系統(tǒng)中的燃油分配器，其平均供油量差不多是平 均噴油量的兩倍，因而即使在噴油時共軌壓力仍然能升高， 這樣就能達到一個均勻的共軌壓力，在向所有汽缸噴油時幾 乎是相同的。在燃油分配器旁邊裝有一個燃油壓力調(diào)節(jié)器，用于在高 壓燃油泵泵油量恒定不變的情況下調(diào)節(jié)共軌中的燃油壓力。 一旦高壓燃油泵轉(zhuǎn)換到泵油量調(diào)節(jié)方式供油時，燃油壓力調(diào) 節(jié)器就關(guān)閉，僅僅起到一個安全閥的作用。高壓燃油泵的油 量調(diào)節(jié)閥將過剩的燃油旁通到低

7、壓側(cè)，并從那里輸往燃油冷 卻器。噴油器中的壓電執(zhí)行器要求限制這種無回油系統(tǒng)中所 允許的最高燃油溫度。為了在所有運轉(zhuǎn)條件下使燃油溫度都 不超過允許的溫度范圍，必須要有一個燃油冷卻器，將多余 的燃油引入其中進行冷卻。根據(jù)可預(yù)料到的市場上燃油品質(zhì)的兼容性，所有與燃油 接觸的零件都用不銹鋼或黃銅制成，而燃油共軌和高壓燃油 泵殼體都是機加工的模鍛件。除了燃燒過程和燃油系統(tǒng)的開發(fā)之外，發(fā)動機 NVH 特 性的優(yōu)化也是一項重要的開發(fā)任務(wù)，其中大部分又涉及到噴 油器及其在汽缸蓋上的安裝條件。與電磁閥控制相比，壓電 控制的主要優(yōu)點在于其噴油嘴針閥極迅速的開閉時間，但是 噴油器的迅速開啟和關(guān)閉對汽缸蓋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了強

8、烈的沖擊， 其加速度最大可達到 1000g 。為此，除了在噴油器中及其周 邊范圍內(nèi)采取各種措施之外，對燃油共軌和汽缸蓋之間的固 定夾緊條件也進行了優(yōu)化，盡可能減少其機械噪聲傳人發(fā)動 機結(jié)構(gòu)中去。 除此之外， 所采用的 O 型圈解決方案能夠使共 軌一噴油器組件獲得特別有利的裝配連接。壓電噴油器 雖然壁面引導(dǎo)和空氣引導(dǎo)燃燒過程相比，油束引導(dǎo)燃燒 過程的節(jié)油潛力最大，但是市場上用于壁面引導(dǎo)和空氣引導(dǎo) 燃燒過程的噴油器并不適用于油束引導(dǎo)的燃燒過程，因為后 者的噴油器布置在汽缸中央，與火花塞比較接近，要求噴油 嘴具有較高的高溫工作和抗結(jié)焦能力。因此，梅塞德斯一奔 馳公司與博世公司合作共同開發(fā)專門適用于油

9、束引導(dǎo)燃燒 過程的噴油系統(tǒng)部件的新型噴油器，其針閥是向外開啟的， 即所謂的 A 型噴油嘴，并用壓電執(zhí)行器直接控制。壓電噴油器基本上由 3 個主要部件組成：噴油嘴部件、 壓電模塊和補償元件 （圖 121）。向外開啟的噴油嘴位于噴油嘴 部件內(nèi)，它噴出的錐形油束的錐角為85，針閥行程約為35 i m。圖 122 示出了采用米氏攝影法拍攝的在充量分層運轉(zhuǎn)背 壓下形成的噴霧束照片，這樣的噴霧束在各次噴油之間只有 非常微小的波動，極有利于在火花塞附近形成穩(wěn)定的分層混 合汽和火花塞的可靠點燃，確保油束引導(dǎo)的燃燒過程的穩(wěn)定 運行。為了確保噴霧束的品質(zhì)，測試檢驗了各種特性參數(shù)， 其中包括描述噴霧束隨時間和空間擴

10、展 （在水平方向上的油 束擴展和在垂直方向上的貫穿度 ）的特性因數(shù)。由于在 20 MPa 燃油壓力下， 向外開啟的噴油嘴噴出的油束具有高的動 量，在所有運轉(zhuǎn)條件下都能夠形成穩(wěn)定的油束錐角，因此可 以確?；鸹ㄈ词乖诳臻g位置上就在其附近，但不會碰到油 束核心，也不會被液體燃油潤濕。由于油束與周邊環(huán)境有很 大的速度差，因此在壓縮行程噴射的情況下能夠形成局部穩(wěn) 定的邊緣渦流區(qū)，而幾乎與重要的噴射參數(shù)無關(guān)。同時，這 種由噴射產(chǎn)生的油束感應(yīng)流動引起了非常有利的空氣摻入， 因此在邊緣渦流區(qū)內(nèi)形成了易于著火的混合汽。在空心錐形 油束內(nèi)部，也以相似的方式產(chǎn)生了空氣摻入效應(yīng)。不同混合 汽形成裝置之間燃油汽化速度

11、的比較示于圖 122 下右圖。顯 然，在 20MPa 系統(tǒng)壓力下用向外開啟噴油嘴噴射的燃油的汽 化速度要比在 10 MPa 系統(tǒng)壓力下用多孔噴油嘴噴射的燃油 的汽化速度快四倍。顯而易見，由于向外開啟噴油嘴噴射的 燃油流量較大，噴射相同油量所必需的時間也要短得多，這 與壓電直接控制噴油嘴針閥迅速開閉的特點相結(jié)合，將顯示 出油束引導(dǎo)燃燒過程直噴式汽油機更多的燃燒過程優(yōu)點。上述介紹的試驗結(jié)果證實， 向外開啟的噴油嘴和 20 MPa 系統(tǒng)壓力相結(jié)合能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的噴射油束，汽缸中的主流流 動和渦流對其的影響是微不足道的，這是確保這種油束引導(dǎo) 燃燒過程的直噴式汽油機在各種轉(zhuǎn)速和負(fù)荷工況下都能穩(wěn) 定運行的關(guān)鍵所在。10.3 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)在充量分層運轉(zhuǎn)時采用廢氣再循環(huán)來減少 NOx 的生成 廢氣從車廂前圍板以后的左右兩側(cè)排氣管路（參見圖 123） 中取出，并分別