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单刀直入--汽油直喷发动机技术解析

发表时间:2023-09-01 12:44:20 来源:电喷共轨系列

  创刊于1992年的《汽车与驾驶维修》杂志,是国内最早专注于中国汽车行业的专业媒体之一,也是最早服务于...

  任何事情,如果拐几道弯儿,似乎都意味着效率的降低,单刀直入显然会提高效率。汽车工业已发展了百多年,但是传统的进气技术却始终统治着发动机领域,直到人们发现单刀直入同样适合于发动机,才出现了“汽油直喷”这样一个革命性的技术,更为直接的喷射方式使得汽油直喷发动机的工作效率能够大大增强。目前,比较知名的汽油直喷发动机技术主要有2种——大众的FSI和三菱的GDI。但随着全新凯迪拉克CTS在国内的上市,同样使用直喷技术的SIDI系列发动机也初次进入国人的视线。下面,我们就针对直喷发动机的技术特点以及优势,以大众的FSI和三菱的GDI作为具体实例进行阐述。凯迪拉克的SIDI由于进入时间比较短,在这里只是简单介绍。

  简单地讲,汽油发动机的工作原理是把油气混合体吸入气缸,然后由火花塞进行点燃,燃烧膨胀的气体推动活塞进而达到运转的效果。既然都是把汽油和空气的混合体吸入气缸,为何还会有这么多种不同技术的存在呢?为什么这么多厂家都要研发燃油缸内直喷技术呢?在这之前,我们先来了解一下汽油发动机的几种不同的供油方式,即化油器式、电控喷射式和本文将要阐述的直喷式。

  化油器发动机是在进气管道的化油器位置上吸出汽油,与空气混合,雾化形成混合气后,经气门进入气缸进行燃烧。化油器式燃料供给装置结构相对比较简单、工作可靠、价格实惠公道、维修方便。但它的最大缺点是不能精确控制混合气的浓度,造成燃烧不完全,废气中有害成分增加,不符合当今环保的严格要求。所以自上世纪80年代开始,出现了电子控制燃油喷射系统的发动机技术,而化油器式发动机也逐渐被淘汰。

  电控汽油喷射发动机是通过种种传感器把发动机的各项参数以及车辆行驶状况等信号输入电子控制装置,电子控制装置依据这一些信号,计算并控制发动机各气缸所需要的喷油量和喷油时刻,将汽油在很多压力下通过喷油器喷入到进气管中雾化,并与进入的空气气流混合后,进入燃烧室燃烧。电喷发动机按喷油器数量可分为多点喷射和单点喷射,分别被称为MPI和SPI。电喷发动机与化油器式发动机相比,突出的优点是能准确控制混合气的质量,保证气缸内的燃料燃烧完全,使废气排放物和燃油消耗都有效下降,同时它还提高了发动机的充气效率,增加了发动机的功率和扭矩。目前大多数的汽油发动机采用此种供油方式。

  顾名思义,汽油直喷就是直接将燃油喷入气缸内,在气缸内与空气进行混合后进行燃烧。直喷技术能使汽油发动机像柴油发动机那样具备较高的燃烧效率,使燃油燃烧更充分,进而达到尽可能的节省燃油的目的。汽油缸内直喷技术是实现汽油在气缸内分层燃烧的一种特有技术,而汽油分层燃烧又是实现汽油稀薄燃烧的手段。所谓稀薄燃烧就是让发动机运转时的空燃比高于理论空燃比,采用较少的燃油量,使燃油充分燃烧,并将废气中的可燃气体也进行燃烧,将其转化为热能,降低尾气中有毒气体的排放,提高发动机的燃烧效率,达到节省燃油和提升动力的目的。为做到燃油的稀薄燃烧,供油系统会向气缸内喷入浓度较稀的燃油,在气缸内实际空燃比要比理论空燃比高,此时单纯利用火花塞放电的能量是无法使混合气发火燃烧的。而采用分层燃烧技术后,在燃料相对较浓的地方进行点火,利用较浓区域的燃料发火燃烧的能量引燃较稀区域的燃料,降低了点火能量,又实现了稀薄燃烧。

  在凯迪拉克2008款CTS把SIDI发动机首次引入国内之前,我们对于直喷发动机的了解更多地集中在大众的FSI和三菱的GDI上。

  由于大众集团旗下的各大汽车品牌均采用了FSI发动机技术,而大众在国内的合资品牌所产,奥迪的A4和A6、大众的迈腾、斯柯达的明锐都采用了具备FSI燃油缸内直喷技术的发动机。所以,国人对于汽油直喷技术的了解多来自于大众的FSI系列发动机,因此人们都会认为燃油缸内直喷技术是大众最先发明的。其实不然,最早使用这一技术的是日本三菱的GDI发动机。三菱的GDI发动机技术不像大众的FSI发动机技术被广为人知,由于三菱在国内发展的策略,三菱GDI发动机并没有在国内通过官方渠道引进过,知名度自然较低。作为两大主流的燃油直喷技术,FSI和GDI都是为实现汽油的分层燃烧,但实现它的技术方法却是截然不同的。二者具体的工作原理如下所述:

  为了实现利用气体高速流动形成的涡流来增加火花塞附近混合气浓度的目的,大众的FSI发动机具有独特的燃烧室和活塞顶的结构。发动机工作时,在一个工作循环过程中进行两次喷油,当发动机进入进气行程时,喷油器第一次向气缸内喷入较少的燃油,这与普通的电喷发动机在进气管内喷油类似,但由于喷油量较小,气缸内混合气浓度也相对较稀,在进入压缩冲程后,较稀的混合气甚至不能在火花塞发出的电弧下发火燃烧,这样就避免了汽油在高压缩比下产生爆燃。当进入压缩行程末段,活塞还未运动到上止点时,喷油器在气缸内进行第二次喷油,此时,高速喷出的燃油在高压下,借助活塞顶部的特殊凹陷结构在气缸内形成的强涡流,运动到燃烧室顶部,在火花塞附近形成一个混合气浓度相比来说较高的区域,此处混合气的浓度足以保证火花塞放出的电弧能将其引燃。在涡流的作用下,火焰也很快的从混合气浓度较高的区域扩散到浓度较低的区域。利用这一过程,较高的压缩比和强大的涡流就使稀薄的混合气可以在气缸内充分燃烧,提高了汽油的燃烧效率,达到增大功率的同时又节省了燃油的消耗量。

  GDI发动机采用了更为主动的方法实现分层燃烧。利用喷油器主动地向火花塞附近喷油,这一过程就像是个人会使用的香水瓶,喷出的燃油会形成喇叭状,越靠近喷油嘴的区域,混合气浓度就越高,越远离喷油嘴的区域,混合气的浓度也就越低,利用这一原理将喷油器布置在火花塞附近,就更利于形成混合气浓度较高的区域了。GDI发动机和FSI发动机都是采用一个工作循环两次喷油的供油方式,GDI发动机在第一次喷油时,其过程和所实现的目的与FSI发动机是完全相同的,而在第二次喷油时,GDI发动机则不需要利用涡流来形成混合气浓度相比来说较高的区域。GDI发动机活塞和常见的汽油发动机活塞外观上没有本质的区别,在喷油器喷油时向火花塞附近喷油,就我们上面所说到的,故而能主动地形成混合气浓度相比来说较高的区域以供火花塞点火。采用了这种供油方式后,无论是在发动机高速运转时,还是发动机工作在低速或是怠速工况时,都能最有效地实现分层燃烧。这就是GDI发动机的优势所在。

  环保、高效、节能……汽油直喷技术在任何层面都代表了将来汽油发动机的发展趋势。但是高技术也代表着高要求,而最根本的要求来自于燃油的品质。

  已经引入中国市场的大众FSI发动机,由于其所采用的是先进高压稀燃技术,高压缩比带来的是对汽油高辛烷值的需求,目前国内标号最高的97#汽油,在品质不能得到保障的同时,辛烷值也不能完全满足高压缩比的需求,内含的杂质甚至会对车辆本身产生伤害。针对这一些状况,大众公司在中国地区销售的汽车取消了分层燃烧技术,而只是单纯的采用了燃油直喷技术,这样一来就降低了对燃油品质的要求,虽然发动机技术水平略有下降,可靠性却得到了很大的提升。但中国消费者也就由此失去了享用真正可以在一定程度上完成稀薄燃烧的直喷发动机技术了。

  相比FSI技术,GDI发动机要适应国内的油质就更为容易,只需要对喷油器做调整就能轻松实现,因为GDI发动机的喷油器是布置在靠近火花塞的位置,其实现分层燃烧的方式更为直接,降低压缩比以适应低抗爆性的燃油对实现分层燃烧没有影响,这与FSI技术在降低压缩比后降低涡流形成的强度,从而对发动机的燃烧产生较大的影响截然不同。由此能够看出采用GDI技术的发动机实现燃油分层燃烧比采用FSI技术的发动机更容易。但由于一些复杂因素的影响,三菱GDI发动机并没有郑重进入中国市场。

  同样,比起FSI发动机,SIDI发动机对中国市场的适应能力要好很多了,据说为进入中国市场,该款发动机已随全新CTS在中国结合实际油品进行了一年半的测试。测试发现,虽然它对油品也有一定的要求,不过由于其使用的并不是超高压缩比技术,所以对燃油辛烷值的要求并没有FSI发动机这么高,也不会因为压缩比不够而导致发动机无法运行。而且,凯迪拉克的SIDI发动机在实现分层稀薄燃烧的基础上,还能轻松实现燃油的均质燃烧,双模式的燃烧方式对于油品的适应能力会更强。虽然进入中国市场较晚,但凯迪拉克SIDI发动机应该才算是中国消费者真正享用到的“原汁原味”的直喷发动机。

  无论是三菱GDI,大众的FSI,还是凯迪拉克的SIDI,采用缸内直喷技术都是为实现燃油稀薄燃烧,降低发动机燃油的消耗,减少污染物排放。但其对燃油质量的依赖性仍然是不可忽视的,在国内要推广新的发动机技术就要对燃油质量有严格的要求,需要我国的燃油品质达到国际水平,这才能适应与国际同步的新发动机的胃口。


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