文／江苏 范明强
范明强
体刊编委会委员
教授级高级工程师，参加过陕西汽车制造总厂的筹建工作，主管柴油机的产品开发，1984年调往机械工业部无锡油泵油嘴研究所，曾任一汽无锡柴油机厂、第一汽车集团公司无锡研究所高级技术顾问、湖南奔腾动力科技有限公司总工程师。
（接上期）
图37示出了拍摄到的在充量分层运行背压下形成的喷束照片，这样的喷柬只有在各次喷油之间的波动非常微小的情况下才能提供。为了确保喷束的品质，测试检验了各种特性参数，其中包括描述喷束随时间和空间扩展的特性因数△（图37，右上图）。由于在20MPa燃油压力下，向外开启的喷油嘴喷出的油束具有高的动量，在所有运转条件下都能够形成稳定的油束锥角，因此可以确保火花塞即使在空间位置上就在油束附近，但不会碰到油束核心，也不会被液体燃油润湿。由于油束与周边环境有很大的速度差，因此在压缩行程喷射的情况下能够形成局部稳定的边缘涡流区，而几乎与喷射参数无关。同时，由于这种磕束的高动量而引起的空气感应流动产生了非常有利的空气掺入（图37，左下图），因此在边缘涡流区内形成了易于着火的混合气。在空心锥形油束内部，也以相似的方式产生了空气掺入效应。
不同压电控制的A型喷油嘴与电磁阀控制的多孔喷油嘴之间燃油汽化速度的比较示于囤37右下图。显然，在20MPa系统压力下用向外开启喷油嘴喷射的燃油的汽化速度，要比茌10MPa系统压力下用多孔喷油嘴喷射的燃油的汽化速度快四倍。同样，由于向外开启喷油嘴喷射的燃油流量较大，喷射相同油墨所必需的时间也要短得多，这与压电直接控制的喷油嘴针阀开关速度要快得多有关，并且由此将显示出更多的燃烧过程优点。
上述介绍的试验结果证实，向外开启的喷油嘴和20MPa系统压力相结合能够产生稳定的喷射油束，而汽缸中的充量流动和涡流对其影响是微不足道的。
(3)废气再循环系统
在充量分层运转时采用废气再循环来减少NOx的生成。废气从车厢前围板以后的左右两侧排气管路中取出，并分别各由一个伺服电机或旋转电磁铁操纵的圆盘阀来计量和调节。
伺服电机上的霍尔传感器采集废气再循环阀的位置信号，该信号用于发动机电控单元对废气再循环阀进行位置调节。这两个废气再循环阀被一起装配在一个共用的水冷却的壳体中。再循环废气经过废气再循环阀后，在节气门后面引入进气管(图38)。
2.燃烧
(1)热力学
与过量空气系数λ=1运行的进气道喷射或壁面引导燃烧的缸内直接喷射燃烧过程相比，奔驰公司开发的采用过量空气运行的油束引导燃烧过程具有最大的单一措施降低燃油消耗的潜力。这主要是由于充量稀释大大降低了气体温度，这样茌快速燃烧和减少壁面热损失的情况下能够提高热效率，而不像在量调节运转的汽油机上那样会导致废气损失的增大。除了实际的气体效应和换气损失降低之外，还由于良好的一次雾化改善了燃油的转化效率，并且在喷油策略和点火时刻方面具有较大的自由度，汽缸壁面和活塞顶的润湿现象减少，燃烧也更快速更完全，因此能够获得有利的热力学燃烧重心位置（指混合气燃烧放热50%时的曲轴转角），低的HC排放，同时油柬引导的燃烧过程还能使发动机在更大的特性曲线场范围内实现稳定的充量分层运行。
(2)多次喷射
首先，压电喷油器的开闭十分迅速，能够在发动机一个工作循环内以非常小的间隔时间实现多次喷射，因此为各种喷射策略的转换提供了全新的可能性(图39)。
(3)充量分层运行
图40左图示出了三维模拟计算的结果，在火花塞附近的油束油滴、用过重空气系数表示出的混合气油雾和用温度描述的点火后形成的燃烧火焰。由于在火花塞附近混台气成分最易着火的时刻点火，因此在多次喷射情况下火焰传播得比单次喷射时快。 对多次喷射进行的着火和燃烧模拟计算所表明的这种有利的效应已在试验中得到了证实。图40右图示出了喷油结束和点火时刻之间时间间隔对不着火频率的影响。在无断火范围内，在保持喷油结束时刻不变的情况下可以改变点火时刻。采用三次喷射的无断火范围要比采用双次喷射时明显大。喷油终了时的喷油量越多，三次喷射对混合气形成的有利作用就越大。在大负荷工况分层运行时，与双次喷射相比，借助于三次喷射能够明显地改善发动机运转的粗暴度，而且采用三次喷射还能改善混合气油雾的均质化，加快燃烧速度，从而提高燃烧效率。由于茌三次喷射情况下主燃烧结束得较快，因此在燃烧重心位置相同的情况下能够采用较晚的喷油终了和点火。
(4)充量均质运行
在充量均质运行时，在高达4000r/min的空负荷转速范围和65%以上负荷范围内采用进气行程期间的双次喷射，如图39中的第①喷油策略情况，易于达到较高的充气效率和较低的噪声。在其余的特性曲线场范围内，则采用进气行程期间的单次喷射来实现均质运行。
(5)启动和暖机
启动阶段对发动机满足废气排放限值要求具有重要意义。为此，采用在M271 DE直喷式汽油机上已应用过的启动时在压缩行程喷油的方式能够获得相对较低的排放，并附带开发出了一种对催化器迅速加热特别有效的喷油策陪，被称之为“双次喷射均质分段运行”，即一部分喷油量在进气行程期间喷射，而另一部分喷油量在压缩行程期间喷射。在这种情况下能够取消补充二次空气，并能在最短的时间内应用上压电喷油器的特性，诸如重复性较好的锥形油束的分层充量能力和多次喷射等。
采用图39所示出的第③种“三次喷射均质分段运行”喷油策略能使混合气的着火性得到了明显的改善。此时，喷油量分成3次喷射：第一次喷射在进气行程期间进行，第二次喷射在压缩行程期间进行，而第三次喷射只有非常小的喷油量，被直接送到火花塞附近，因而能够采用极其晚的点火时刻，因而能进一步改善燃烧噪声。如图41所示，采用这种喷油策昭能够用较少的燃油量在降低HC排放的同时获得较高的排气歧管和催化器温度，使直喷式汽油机能够满足目前所有的排放标准，并提供了达到来来废气排放限值的潜力。
3．废气后处理方案
这种直喷式汽油机机型，由于具有较高的效率，在无节流充量分层运转和接近怠速运转工况点时的废气温度有可能低于200℃，另—方面对全负荷工况时催化器涂层的高温稳定性的要求应保持不变，同时还应顾及到存储式NOx催化器起作用的温度窗口大约在250—500℃范围之内。
(1)催化器
根据上述这些边界条件确定的废气后处理装置的方案如图42所示。废气后处理从靠近发动机的三元催化器开始，应尽可能快地达到催化器的起燃温度，并尽可能减少催化器前不稳定流动中的热损失。
为了避免存储式NOx催化器(NSK)的温度过高，将其安置在地板下面。为了精确地调节存储式NOx催化器，在其前安装了一个温度传感器，而在其后安装了一个NOx传感器。后者用于对存储茌发动机电控单元中控制NOx存储器再生(NOx吸附满后的卸裁)的模型进行标定，并确保在汽车整个使用寿命期内NOx排放始终满足排放限值的要求。
(2)存储式NOx催化器的控制
茌充量分层运行时，氮氧化物被存储在每排汽缸各自的存储式NOx催化器中，通过短时间的A<1的均质运行，存储在其中的氮氧化物被转化成氮。
用于存储式NOx催化器的运行策略是按照获得最大燃油消耗优势的原则来选用的，因此为了进行存储式NOx催化器的再生，首先要利用均质运行状态，而为了优化发动机运转状态的转换，必须随时了解存储式NOx催化器中吸附的氮氧化物的负载状况。为此，要利用存储在电控单元中的模型，该模型可以从各个运转工况点的NOx原始排放量计算出存储式NOx催化器上累积吸附的NOx质量。在进行再生期间，存储式NOx催化器上要去除的NOx负载量由模型进行计算，达到零点后再生就结束。同时，位于存储式NOx催化器后面的NOx传感器对再生过程进行监测，如果识别出废气中的NOx变浓，即是存储式NOx催化器再生过程应该结束的信号，再生过程同样也会停止。
存储式NOx催化器可以从以下各种不同的背景状况开始进行再生。
①NOx传感器识别到存储式NOx催化器出现NOx“决口”：如果NOx传感器识别到事先确定的NOx外溢量，则表明NOx催化器的负载量已达到极限必须进行再生。因为NOx传感器只有在NOx的数量可以测量到的时候才能作出反应，这样就将NOx催化器开始进行再生的可能性与微小的NOx外溢量联系了起来。
②发动机转换到均质运转状态：如果由于司机对扭矩的要求或者诊断或匹配的需求必须转换到均赝运转，那么就要检验在该运转工况点及其当时NOx催化器负载状况下进行再生是否合理，因为每次发动机短时间采用浓混合气运转进行NOx催化器再生就意味着燃油消耗的微小提高，只有在NOx催化器负载量高的情况下进行再生才是台理的。NOx催化器进行再生的负载量界限是与发动机的运转工况点有关的。
图43示出了在新欧洲行驶循环(NEFZ)中这些运行策略的转换，图中曲线显示出了存储式NOx催化器的温度及其NOx的负载状况。由于存储式NOx催化器具有较高的吸附NOx的负载能力，首次再生在625s以后才开始进行。在均质怠速运转阶段，由于废气富油，存储在三元催化器中的氧和存储在NOx催化器中的NOx有所降低，因此模型中NOx催化器的NOx的负载量衰减。在怠速运转阶段先前由于混合气的短时间加浓（λ＜1）仅仅使存储在靠近发动机的三元催化器中的氧减少，这样就保证了最佳的A=1功能。
下一次NOx催化器的再生在车速加速到70km/h阶段大约830s时进行，此时过量空气系数适应性调节被强制转换到均质运转。由于处于较高的负荷工况点以及随之提高的NOx原始排放，在明显较低的NOx负载量下就已经开始进行再生了。由于紧接着是等速行驶，存储式NOx催化器获得了最佳的NOx存储能力。
在余下的郊外行驶循环(EUDC)加速行驶阶段，由NOx传感器来控制NOx催化器的再生。在该加速行驶阶段NOx的质量流量较大，而使NOx的外溢量较小，它们由NOx传感器来识别，并触发再生。在整个NEFZ行驶循环中NOx催化器所有的再生所增加的燃油消耗是很少的，以至于在转鼓试验台上很难测量出来。
4．技术数据
奔驰CLS 350 CGI轿车装用这种宜喷式汽油机．在充量分层运转模式时的车速可超过120km/h(图44)。在存储式NOx催化器现有工作温度窗口范围以外，发动机就转换到λ=1均质运转，因此有效的废气后处理覆盖了整个发动机特性曲线场范围。这种机型除了具有行驶非常省油的潜力之外，如果需要的话，还有可能使车速最高达到250km/h(稳定车速)，并具备高的加速性。
图45示出了M272 DE直喷式汽油机的万有特性曲线，最低比燃油消耗为235g/kWh．已达到了非常好的水平。在转速n=2000r/min和平均有效压力pme=0.2MPa典型的对比运转工况点上的比燃油消耗为290g/kWh，甚至于最好的轿车柴油机在该工况点上也达不到这样低的燃油消耗值。
基本型进气道喷射汽油机(KE)和缸内直喷式汽油机(DE)的技术数据列于表4中。与基本型进气道喷射汽油机相比，M272-3.5L-V6-DE缸内直喷式汽油机的扭矩增大了15Nm，功率提高了15kW，这主要是由于缸内汽油直接喷射的优越性所致，同时也是在附加存储式NOx催化器后废气背压略有提高的情况下进气装置按较高的标定转速设计的结果。