发动机缸内直喷技术解析

我们在选购汽车时,会发现很多轿车发动机使用了燃油缸内直喷技术,销售顾问也会极力的向我们推荐这样的发动机,说它如何的省油,动力强劲,安全环保等等,听起来是各种的高大上。那么,这种缸内直喷技术到底是怎么回事呢?它有什么优缺点呢?老侯今天简单的给大家介绍一下。

汽车之所以能够自动行驶,是因为有发动机为它提供动力;而发动机之所以能产生动力,是因为空气与汽油混合后在气缸中燃烧,产生高温高压的气体,进而做功推动活塞来带动整个机械结构进行运转。这就是发动机的简单工作过程。

随着人们对环保要求的日益提高,以及能源的日渐枯竭,人们对发动机的要求越来越高,要求它既要节油环保,还要能够满足人们对动力的需求。在这种环境下,各种新技术在汽车发动机上应用,汽油缸内喷射技术就是其中之一。

在汽油发动机上,汽油与空气的混合经历了三个阶段,分别是化油器、电控燃油喷射、缸内直喷。

化油器

对于化油器式发动机而言,被吸入发动机进气管的空气流经喉管时因横截面积减少而流速增加,因此产生负压将汽油从设在此处的化油器喷口中吸出,汽油进入喉管后被高速气流雾化随之蒸发,由此形成油气混合气。化油器式发动机无法对混合气浓度进行调整和修正,从而导致经济性和排放性能均不太好。

尽管其间还出现过电控化油器,但也只是通过对阻风门和节气门的电子控制来实现特定工况下的混合气大致调节,并不能实现精确控制。

电控燃油喷射

汽油喷射是用喷油器将一定数量和压力的汽油直接喷射到气缸或进气歧管中,与进入的空气混合而形成可燃混合气。电控燃油喷射系统根据喷油器形式区分,可分为电控汽油喷射和机械汽油喷射两种,而根据喷油器数量和位置区分,则分为单点式和多点式。它有一系列的传感器接受发动机工作过程中的各种信号,并将它们传入发动机电控单元,由电控单元控制喷油器喷油。与化油器比较起来,它对燃油系统控制的精确程度大大提高。

无论是化油器发动机也好,还是现今广泛采用的电喷发动机也好,汽油发动机的燃料供给方式一直都是采用“缸外混合”的方式。也就是汽油先通过化油器(已被淘汰)或者喷油嘴喷出,在进气歧管内与新鲜的空气混合而成为“混合气”。在发动机气缸进气门还没有打开之前,这些混合气都储存在进气歧管内,直到气门打开后混合气才能够因为燃烧室的负压而进入到燃烧室内,然后在活塞压缩行程的末端通过火花塞点燃剧烈燃烧。即使是现今极为普遍的电控燃油喷射系统,其先进之处也只在于由电脑控制喷油嘴喷油的时机和数量,还是没有改变“缸外混合”的基础。

“缸外混合”的缺点是显而易见的,进入燃烧室的混合气只能够通过气门的开闭来被动控制,对发动机不同工况的适应程度未如理想。而且喷油嘴离燃烧室有一定的距离,汽油与空气的混合情况受进气气流的影响较大,并且微小的油颗粒会吸附在管道壁上,不能充分使用。

为了克服缸外混合的缺点,工程师发明了缸内直喷技术。

汽油缸内直喷

缸内喷注式汽油发动机与一般汽油发动机的主要区别在于汽油喷射的位置,普通电喷汽油发动机上所用的汽油电控喷射系统,是将汽油喷入进气歧管或进气管道上,与空气混合成混合气后再通过进气门进入气缸燃烧室内被点燃作功;而缸内直喷式汽油发动机顾名思义是在汽缸内喷注汽油,它将喷油嘴安装在燃烧室内,将汽油直接喷注在气缸燃烧室内,空气则通过进气门进入燃烧室与汽油混合,形成混合气被点燃作功,这种形式与直喷式柴油机相似,因此有人认为缸内直喷式汽油发动机是将柴油机的形式移植到汽油机上的一种创举。

汽油缸内直喷技术就可以很好的规避电控燃油喷射系统的缺点。汽油缸内直喷发动机的喷油压力普遍在100bar以上,甚至可高达200bar,喷射出的燃油颗粒直径明显缩减,仅为20μm或更小。这种微小油滴可在极短时间内得到迅速蒸发,因此大大加快了油气混合气的生成速率,冷启动排放问题得以改善,同时还避免了进气道喷射中那种依靠壁面油膜蒸发导致混合气浓度不能精确控制的状况,在车辆瞬态工况改变时可做出及时响应,即油门响应性更好。

缸内直喷技术需要一台额外的供油装置

汽油缸内直喷技术,就是将汽油像柴油那样直接注入汽缸,这是相对于前面所说电喷等缸外喷射而言的。相比缸外喷射系统,缸内直喷系统主要增加了一套高压供油装置,同时喷油器也因为要适应极高油压以及汽缸内恶劣工作环境而做出调整。

汽油缸内直喷系统的供油过程为:汽油被低压油泵从油箱内抽出,经低压油管进入被凸轮轴驱动的高压油泵进行加压,加压之后的高压汽油经高压油管到达高压油轨,经过压力调整之后送入各缸喷油器,然后根据各缸工作需要从伸入燃烧室内部的喷油器末端喷出,而这整个过程的一切指令均由发动机电控管理单元发出。

缸内直喷进一步提升了发动机的效率

缸内直喷发动机热效率相对更高

众所周知,提高压缩比是提升汽油机热效率的有效途径,但限制这一途径的一个重要原因就是爆震。爆震是指在压缩行程中,燃烧室温度升高导致火花塞尚未点火混合气就已自燃,燃烧火焰异常传播致使发动机出现功率下降、油耗上升以及异常抖动等不良工况的现象。

对于高压缩比汽油机而言,压缩行程末端温度更高,更容易促使爆震现象的产生,而汽油缸内直喷技术恰好可以有效解决这一问题。这是因为注入汽缸的液态汽油汽化蒸发的过程可以大量吸热,使得压缩行程结束时的混合气温度显著降低,所以压缩比将有进一步提升的潜力。

缸内直喷的优点

1油耗量低,升功率大

2空燃比达到40:1(一般汽油发动机的空燃比是15:1),能实现稀薄燃烧和分层燃烧

3压缩比高达12,与同排量的一般发动机相比功率与扭矩都提高了10%。

缸内直喷的缺点

1压缩行程末端喷射的燃油由于时间太短并不能得到充分汽化,导致碳氢化合物及碳颗粒排放会增加

2燃烧室处于富氧环境,易产生氮氧化物

3燃烧温度较低,三元催化器并不能达到很好的工作温度,对有害介质的转化不完全;


4废气中大量残存的氧气会降低氮氧化物的转化效率

5对于油品适应能力差,汽油中的硫会毒害氮氧化物催化装置。

6缸内直喷由于不能像进气歧管喷射一样通过汽油对气门背部进行冲刷,时间长后会导致发动机积碳严重,气门背部留有厚厚一层积碳,影响ECU对进气量的判断,严重时可导致启动困难。

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