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1 新一代汽油直接喷射系统的要求

全球可使用的燃料中，汽油机以低廉的制造成本、较高的升功率、良好的废气排放性能，以及较高的可靠性已成为最适用于当今轿车的动力装置。2015年，汽油车保有量约为7 000万辆，到2025年有望达到7 800万辆(图1)。当今广泛应用的进气道喷射(PFI)汽油机到2025年的销售量预计将有所下降，同时直喷式(GDI)汽油机的预期销售量将翻倍。到2025年，配备PFI汽油机和GDI的新车销售量将有望分别达到390万辆。

图1 博世公司预测轿车和6 t以下轻型载货车的销售量

随着废气排放法规日趋严格，汽车制造商将持续不断地降低气态有害物和颗粒物的排放，特别是加州低污染排放三阶段(LEVⅢ)法规对降低气态有害物排放提出了很高的要求(表1)。降低非甲烷有机气体(NMOG)和氮氧化物(NOx)，到2025年要满足超低污染物排放车(SULEV-30)平均限值。中国和印度市场的废气排放法规快速接近欧盟和美国标准，如国六和印度BS6排放标准与欧6和美国LEVⅢ/Tier 3标准相近(图3)。除此之外，欧盟、中国和印度未来将要求在道路行驶运行时检验实际行驶排放工况(RDE)，同时提高对汽车制造商在使用寿命期间满足废气排放和燃油蒸发排放(EVAP)限值的要求。根据相关法规要求，为降低CO2排放，需要采取更有效的降低油箱-车轮CO2排放量的措施。从用户角度出发， 购买的车辆应该具备更多性能的优势，如发动机功率、行驶性能、燃油耗，以及舒适性和噪声-振动-平顺性(NVH)特性。

增压直喷式汽油机有助于汽车制造商实现以上功能，此外汽油缸内直喷系统还能在提高压缩比的同时获得较高的升功率，并提供优化催化转化器的加热策略以补偿废气涡轮增压器涡轮散失的热量。直喷式(DI)汽油机绝大多数使用电磁线圈控制的多孔喷油器。该喷油器主要被布置于侧面或气缸盖中央，喷孔采用激光加工，使得在喷雾设计方面能获得较大的自由度，并以高达25 MPa的系统压力运行。靠近火花塞的喷油器能采用最小喷油量并点火，使催化转化器最快速地起燃，有效提升催化转化器的加热运行效率，并降低废气排放[1]。

为此，除了恰到好处的喷雾设计和喷油策略之外，还需要一种可控阀动作的软件功能(CVO)，它能确保喷油器特性曲线在针阀弹道运行范围内，喷油器可以以最小喷油量稳定运行[2]。直喷式汽油机颗粒物(PM)排放的其中一个重要来源是喷射期间粘附在燃烧室壁面上无法完全净化的燃油[3]。通过喷雾设计优化与缸内充量运动相结合，以及应用多次喷射的喷油策略，已能明显减少活塞或气缸壁面的润湿，并降低PM排放。通过进一步开发直接喷射系统能够显著降低PM排放[4]。

在市场开发、废气排放法规和最终用户的三方共同制约下，博世新一代汽油直接喷射系统的开发具有下列目标：

(1)通过将系统压力提高到35 MPa，在改善NVH特性的同时优化混合气形成,进一步降低PM排放；

注：WLTC：全球统一轻型车试验循环；MIDC：印度排放标准；FTP：美国联邦汽车排放测试标准。

(2)与CVO相结合扩大喷油器运行工况；

(3)通过缩小喷射间隔以改善多次喷射能力；

(4)优化喷油器顶端的几何形状，减少油膜附着，有助于降低PM排放；

(5)确保高的紧凑性、模块化和灵活性，以满足最终用户的需求，并保证在EVAP、使用寿命和燃油品质方面的可用性。

同时，包括软件功能在内的零部件技术方案，在采用整个系统后达到优良的性能。

2 用高压燃油泵HDP6产生系统压力

将系统压力提高到35 MPa就需要开发新一代高压燃油泵(图3)。高压燃油泵HDP6扩大了工作范围，并提高了燃油接头、角度位置和高压燃油泵安装等方面的灵活性，这种模块化设计方案能选择使用两种柱塞直径。在采用小直径柱塞时可将泵油体积流量减小至0.9 cm3，驱动功率降低到最小。而在采用大柱塞直径时泵油体积流量凸轮轴每循环可高达1.3 cm3。燃油泵HDP6空转时的NVH特性是系列产品中最好的。

3 高压喷油器HDEV6的变化范围

新型的高压喷油器HDEV6是为匹配35 MPa系统压力而设计的。其变化范围具有较高的灵活性(图4)，其中包括短型和长型喷油器、不同的插座接头及旋转的灵活性。并且喷油器可布置在侧面或中央，喷油器顶端直径从7.5 mm减小到6.0 mm，使设计更为紧凑。而燃油接头O形圈直径从11.6 mm减小到9.4 mm，减小了所需的结构空间，喷油器质量减轻了20%。

图4 博世新型高压喷油器HDEV6

4 高压喷油器HDEV6的燃油喷射和软件功能

图5示出的HDEV6喷油器喷油量特性曲线表明，在整个运行范围内动态喷油量仅与控制针阀时间有关。为了充分使用HDEV6喷油器，对CVO软件功能再次进行了开发，在整个喷油器的工作范围中，第三代CVO都发挥了作用(图5)。

图5 HDEV6喷油器特性曲线

在整个喷油特性曲线范围内,使用CVO显著降低了实际喷油量相对于额定值的偏差,从而为满足使用寿命要求作出了贡献。而采用目前尚处于开发中的匹配软件，有望获得额外的性能优化，这种软件功能对于稳态流量具有重要意义。HDEV6喷油器的多次喷射能力已通过喷油器内部优化得到了显著改善，以致于能实现小于1 ms的喷射间隔。

为了改善在整个使用寿命期内对于EVAP具有重要意义的阀座密封性，对HDEV6喷油器的阀座性能进行了优化，运行后显著改善了密封性，从而有效地达到了在10 MPa压力下1.5 mm3/min的密封座泄漏限值要求。

5 燃油准备和PM排放的降低

在高温和稀薄空气同时存在的条件下,发动机燃烧时可能会形成碳烟。在汽油缸内直接喷射并以总体化学计量比过量空气系数进行预混合燃烧的情况下，当液态燃油与燃烧室壁面之间相互作用而形成壁面油膜时就可能形成碳烟。正常的化学计量比条件下进行的燃烧在刚抵达燃烧室壁面时很可能就会结束。如果在高温和较低含氧量的条件下，当所形成的壁面油膜直到火焰初步抵达燃烧室壁面时尚未气化，那么就会形成碳烟。通过在燃烧室内应用光学分析方法，能非常好地显示碳烟的形成。通过喷油器和火花塞的合理布置以及合适的喷雾设计，就不会出现因润湿进排气门、燃烧室顶面和火花塞而形成碳烟。同时，通过喷雾设计和喷油策略就能使活塞顶面和气缸套壁面的润湿程度降到最低，但是运行条件的限制是不可完全避免的。

图7 20 MPa压力下喷油器顶端的PM

图6 火花点火发动机的PM来源

此外，在冷机状态向热机状态的过渡过程也会形成PM排放(图6)，甚至喷油器顶端也会产生附加PM排放。在燃油喷射期间，由于喷油器内部流动、喷束裂变、喷束与喷孔之间的相互作用及其与周围空气的相互作用,喷束会出现径向波动,这会导致燃烧喷油器顶端润湿。该处的燃油在正常火焰初步抵达时因高温和稀薄空气从而形成碳烟，其中一部分留存在喷油器顶端形成积炭，并与其他燃油粘合，在PM数量排放快速增加的同时这种效应会自行增强，直至喷油器顶端上的积炭形成和消失达到平衡为止，因此尽量减少喷油器顶端润湿是有效的补救措施。

优化喷油器内部流动性和顶端几何形状能显著减少润湿现象，从而明显减少积炭形成(图7)。为此，应用了诸如计算流体力学(CFD)模拟，以及在发动机试验中进行高频率的喷雾测量等各种方法。通过这些优化措施明显降低了来自喷油器顶端的PM排放。图7示出了在20 MPa系统压力下所达到的状况，并与基准和没有积炭的清洁喷油器状态进行比较。应用HDEV6喷油器能将系统压力提高到35 MPa，并显著提高抗PM排放的稳定性[1]。

此外，提高喷油压力能使燃油更好地雾化，减小油滴平均尺寸(SMD)，从而能增大液态燃油用于蒸发的表面积(图8(a))，同时明显增强了周围空气在喷雾中的卷吸现象(图8(b))，为燃油蒸发输入更多的热焓。于是雾化的燃油更好地跟随空气流动，因而明显减少了在活塞顶面和气缸套壁面上形成的油膜，从而降低了这些部位的PM形成，这已通过基础试验研究证实(图8(c))[5]。

图8 系统的SMD、PN、质量流量以及油膜基础试验

所有硬件措施与标定优化技术相结合能使在环境温度20 ℃和RDE条件下的PM排放量降低约80%(图9)。由于燃油蒸发延迟、燃烧室壁面较冷，以及气缸中气体温度较低，低温边界条件对于降低PM排放是一项特别的挑战。除了采用所有可用的机内措施、进一步开发标定准备λ传感器调节之外，使用汽油机颗粒捕集器是必不可少的，以便支持RDE一致性系数等于1.0(图9)。

图9 环境温度20 ℃和实际行驶排放条件下的PN排放

为了能充分挖掘直喷式喷油器的潜在性能，必须将喷油器集成到各种发动机设计方案和燃烧过程中。为此，在博世公司汽油系统业务范围内设立了项目设计机构，从部件至整车的喷油器及喷雾和燃烧开发过程中组合应用分析和开发工具(图10)。在发动机开发的早期阶段就与发动机制造商紧密合作，以达到最佳总体效果。

图10 喷油器、喷雾和燃烧过程中用于分析和开发的工具

6 结论

从市场开发、法规和最终用户等方面的要求出发，博世公司开发出了新一代的汽油直接喷射系统，其技术性能是在改善NVH特性的同时将系统压力提高到35 MPa，并采用第三代CVO软件功能和稳态流量匹配，扩大运行范围以及获得更优越的多次喷射能力,为更低的PM排放提供最佳的混合气。最佳的喷油器顶端几何形状因减少了在该部位形成油膜的可能性并为降低PM排放作出了贡献。新一代喷油系统的突出特点是具有较高的紧凑性、模块化和灵活性能满足用户特定的要求，它是针对EVAP、使用寿命和燃油品质等方面而设计的。

采用新一代喷油系统，经过喷油器优化和标定后，在RDE条件下的PM排放可降低约80%。在要求特别苛刻的低温条件下，除了采取所有可供使用的机内措施，进一步开发标定和以及进行λ传感器调节准备之外，还必须使用汽油机颗粒捕集器，以便能支持制造商力求的RDE一致性系数等于1.0。为了尽可能将博世直喷式喷油器最佳地集成到各种发动机设计方案和燃烧过程中，在博世公司汽油系统业务范围内设立了项目开发机构，可用于分析和开发人员进行充分应用到部件至整车的喷油器、以及喷雾和燃烧过程开发中。新一代汽油直接喷射系统应当尽早量产，逐步推广到全球，并要充分利用工业4.0制造。