電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)直噴技術(shù)探究

汽車技術(shù)誕生的120多年來，發(fā)動(dòng)機(jī)作為核心一直在不斷改進(jìn)，但其技術(shù)更新不是那樣簡便，往往十?dāng)?shù)年都難以有大的進(jìn)展。而近年來，歐美的缸內(nèi)直噴技術(shù)開始從實(shí)驗(yàn)室走向市場，由此帶來的發(fā)動(dòng)機(jī)第三次革命（化油器—電噴—直噴）也誕生了迄今最牛的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)——缸內(nèi)直噴。

一、化油器時(shí)代

化油器最早誕生于1892年，由美國人杜里埃發(fā)明?；推鞯膬?yōu)點(diǎn)：能夠?qū)?nèi)燃機(jī)的油氣比控制在理想的水平上，不論天候、溫度，永遠(yuǎn)進(jìn)行著一成不變的工作。而且化油器的成本低、可靠度高，維修、保養(yǎng)容易。當(dāng)然化油器也存在許多弱點(diǎn)：比如，在冷車啟動(dòng)、怠速運(yùn)轉(zhuǎn)、急加速或低氣壓環(huán)境等，這樣固定的供油方式實(shí)際上并無法全面滿足引擎的運(yùn)轉(zhuǎn)需求，甚至可能因而產(chǎn)生黑煙、燃燒不全與馬力不足等狀況。因此，我國政府規(guī)定：從2002年起，不準(zhǔn)生產(chǎn)、銷售化油器汽車。

二、電噴時(shí)代

電噴技術(shù)最早出現(xiàn)于1967年，由德國博世公司研制的D型電子噴射裝置，隨后被用在大眾等德系轎車上。這種裝置是以進(jìn)氣管里面的壓力做參數(shù)，1973年博世公司又開發(fā)了一種稱為L型電子控制汽油噴射裝置，它以進(jìn)氣管內(nèi)的空氣流量做參數(shù)，1981年博世公司又開發(fā)了一種稱為LH型電子控制汽油噴射裝置，用新穎的熱絲式空氣流量計(jì)測量進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的空氣質(zhì)量，來確定發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量；這些奠定了今天電子控制燃油噴射裝置的雛形。

總體而言，電噴供油系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)就是燃油供給的控制十分精確，讓發(fā)動(dòng)機(jī)在任何狀態(tài)下都能有正確的空燃比，不僅讓發(fā)動(dòng)機(jī)保持運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，其廢氣也能合乎環(huán)保法規(guī)的規(guī)范。然而，電噴供油系統(tǒng)并不是最科學(xué)的。由于內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造的先天限制，電噴噴嘴安裝在氣門旁，只有在氣門打開時(shí)才能完成油氣噴射，因此噴射會(huì)受到開合周期的影響，產(chǎn)生延遲，因而影響電腦對(duì)噴射時(shí)間的控制。不過好在這一問題已經(jīng)被缸內(nèi)直噴技術(shù)解決了。

三、缸內(nèi)直噴時(shí)代

1.突破瓶頸

缸內(nèi)直噴又稱FSI(Fuel Stratified Injection)，這種缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)最早是由日本三菱汽車公司創(chuàng)制的，安裝在三菱HSR-V型概念車上，并在96年6月北京國際車展上廣泛做了宣傳，但當(dāng)時(shí)許多人認(rèn)為這種發(fā)動(dòng)機(jī)只是一種“概念”而已，沒有引起足夠的重視。

后來，主流廠商在試過VVT技術(shù)、渦輪增壓或者機(jī)械增壓技術(shù)之后，將發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門數(shù)提升至五個(gè)，而對(duì)于V8發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力提升也未必有明顯幫助。因此紛紛將注意力投向了缸內(nèi)直噴技術(shù)。認(rèn)為這種發(fā)動(dòng)機(jī)很可能會(huì)成為21世紀(jì)初汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的主要機(jī)型，人們又重視起來缸內(nèi)噴注汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r了。缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)潛力的證明是在2001年7月的勒芒24小時(shí)耐力賽上獲勝的奧迪R8，它匹配著帶雙增壓的V8FSI直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，出色的表現(xiàn)使它領(lǐng)先一圈，良好的燃油經(jīng)濟(jì)性使它延長了加油的間隔，不僅動(dòng)力強(qiáng)勁，還節(jié)油8%，與多點(diǎn)噴射系統(tǒng)相比較，缸內(nèi)直噴擁有不受限于傳統(tǒng)機(jī)械構(gòu)造的進(jìn)氣方式，而且能夠依照發(fā)動(dòng)機(jī)需要隨時(shí)調(diào)整空燃比例等特點(diǎn)。

不過真正將這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)在量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上，是2002年的事情，其中以凱迪拉克和奧迪為代表的豪華品牌在旗下車型上都逐步采用了這項(xiàng)新技術(shù)。

2.直噴的特點(diǎn)

缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油嘴被移到了汽缸內(nèi)部，因此缸內(nèi)油氣的量不會(huì)受氣門開合的影響，而是直接由電腦自動(dòng)決定噴油時(shí)機(jī)與份量，至于氣門則僅掌管空氣的進(jìn)入時(shí)程，兩者則是在進(jìn)入到汽缸內(nèi)才進(jìn)行混合的動(dòng)作。由于油、氣的混合空間、時(shí)間都相當(dāng)短暫，因此缸內(nèi)直噴系統(tǒng)必須依靠高壓將燃油從噴油嘴壓入汽缸，以達(dá)到高度霧化的效果，從而更好的進(jìn)行油氣混合。其中混合油氣的壓縮比越高的發(fā)動(dòng)機(jī)，它的動(dòng)力表現(xiàn)越強(qiáng)大，相應(yīng)的節(jié)能效果越明顯。奧迪3.2升FSI缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比達(dá)到了10.3：1；凱迪拉克3.6升SIDI雙模缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比達(dá)到了11.3：1。

此外，缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的燃燒室、活塞也大多具有特殊的導(dǎo)流槽，以供油氣在進(jìn)入燃燒室后能夠產(chǎn)生氣旋渦流，來提高混合油氣的霧化效果與燃燒效率。

眾所周知，車輛起步和低檔位加速是行車中最費(fèi)燃油的。直噴發(fā)動(dòng)機(jī)則能夠利用分層燃燒技術(shù)以較少的燃油獲得更大的扭矩。

而當(dāng)車輛進(jìn)入勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在智能控制組件的作用下，將分層燃燒自動(dòng)調(diào)整為均勻燃燒。均勻燃燒則能充分發(fā)揮動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，扭矩和功率高的特點(diǎn)。進(jìn)而保證了車輛在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力輸出的平順性和燃油經(jīng)濟(jì)性。分層燃燒和均勻燃燒的智能適時(shí)轉(zhuǎn)化，由此帶來的功率提升、燃油消耗減少、排放更環(huán)保也是缸內(nèi)直噴技術(shù)的魅力所在，比如SIDI雙模直噴發(fā)動(dòng)機(jī)要比同排量的多點(diǎn)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)，其功率提升15%、扭矩提高8%，綜合油耗卻明顯下降，并減少25%的CO2排放量，尾氣排放可以輕松達(dá)到目前最苛刻的歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)，因此帶來了更高的環(huán)保品質(zhì)。

3.直噴的基本原理

分層燃燒：在部分負(fù)荷時(shí)，少量的燃油由噴射器噴出，形成的可燃混合物只分布在火花塞周圍，換句話說，空燃比是14.7：1的混合氣集中在火花塞周圍，在燃燒室的其他部分則是純凈的空氣。混合氣層的大小范圍精確地反映了瞬時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的需求。在分層燃燒時(shí)，直到壓縮行程時(shí)才噴射燃油，油霧直接進(jìn)入燃燒室中的空氣，而噴油就發(fā)生在點(diǎn)火前瞬間。分層燃燒時(shí)lambda值達(dá)到4，可見發(fā)動(dòng)機(jī)在中、低速時(shí)燃油是多么節(jié)省。

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在燃燒時(shí)空氣層隔絕了熱，減少了熱量向汽缸壁的傳遞，從而減少了熱量損失提升了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

均勻燃燒：在全負(fù)荷時(shí)，燃油噴射與進(jìn)氣同步，燃油得到完全霧化，使混合汽均勻地充滿燃燒室，自然會(huì)得到充分的燃燒，使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力得到淋漓盡致的發(fā)揮。在均勻燃燒時(shí)有著和傳統(tǒng)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)相同的空氣與燃油混合比，即空燃比是14.7：1，此時(shí)的lambda值是1。而燃油的蒸發(fā)又使混合汽降溫，去除了爆震的產(chǎn)生。也就是說在均勻燃燒情況下，在獲得高動(dòng)力輸出和扭矩值的同時(shí)付出了較低的燃油消耗。勒芒耐力賽就可證明，因?yàn)楸荣愔锌偸窃诰鶆蛉紵隣顟B(tài)。

單模直噴：從原理上說，奧迪的FSI發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，由于其所采用的是高壓稀燃技術(shù)，這種技術(shù)通過壓燃方式使發(fā)動(dòng)機(jī)工作，這就必須使發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比達(dá)到15.5：1左右，這樣才能使汽油在高壓下被自動(dòng)點(diǎn)燃燒。高壓縮比帶來的是對(duì)汽油高辛烷值的需求（奧迪在國外普遍需要使用97號(hào)以上甚至清潔汽油），而目前國內(nèi)能加97號(hào)汽油的加油站并不多，并且國內(nèi)成品油質(zhì)量也無法得到保障，長此以往，無疑對(duì)車輛本身的使用壽命造成一定影響。

除此之外，發(fā)動(dòng)機(jī)如果所選用的油品無法達(dá)到足夠辛烷值，可能會(huì)造成汽車行駛中無故熄火，而宿短產(chǎn)品壽命?？紤]到在國內(nèi)引入分層燃燒的風(fēng)險(xiǎn)，奧迪最終放棄了雙模設(shè)置，而僅保留了均質(zhì)燃燒技術(shù)，這便是單模缸內(nèi)直噴。

雙模直噴：目前國內(nèi)唯一能夠克服油品問題，擁有“分層燃燒”和“均勻燃燒”的雙模技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)是來自通用凱迪拉克的SIDI缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。

相較的FSI單模直噴，SIDI發(fā)動(dòng)機(jī)擁有分層燃燒和均質(zhì)燃燒兩種模式，真正實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒。所謂稀薄燃燒，也就是降低發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣中的汽油含量。以較低的油氣混合維持發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到降低油耗和排放的效果。由于較低的燃油濃度其點(diǎn)燃的難度就較大，因此采用分層燃燒能夠更好的解決這一問題，方法是：先點(diǎn)燃較濃的混合氣團(tuán)，通過這個(gè)現(xiàn)行點(diǎn)燃的能量繼續(xù)點(diǎn)燃所有的混合氣，從而達(dá)到燃油稀薄狀態(tài)下正常的點(diǎn)火。以達(dá)到在較小的點(diǎn)火能量下，稀薄的燃油混合物能夠充分的燃燒，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

總之，通用的凱迪拉克SIDI發(fā)動(dòng)機(jī)能夠使用93號(hào)汽油，而奧迪FSI發(fā)動(dòng)機(jī)只能使用97號(hào)汽油。相信對(duì)于消費(fèi)者而言，這一差異表現(xiàn)在長期成本上將十分明顯。一場由奧迪FSI和凱迪拉克SIDI等帶來的席卷全球的新一輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)革命，從人類技術(shù)應(yīng)用的加速度趨勢來判斷，缸內(nèi)直噴技術(shù)的普及化風(fēng)潮或許就在不遠(yuǎn)的明天，讓我們拭目以待。

[1]舒華,姚國平.汽車電子控制技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2]孫長錄.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修[M].天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社,2010.