关于汽油直喷技术

在近几年的汽车市场上,人们不再像以前,过分注重一个车外在的东西了,而渐渐转入对新技术的追求。无论购车者还是生产商,都致力于一部车新型技术的开发。曾有一项统计表明,一部车最大的成本是在于它的研发成本,而不是原料成本,研发一辆车就像一次赌博一样,也许真正生产它并不需要多少银子,但是想把它带到世上,却是一笔惊人的支出。

内燃机的新纪元:关于汽油直喷技术

图:运用汽油直喷发动机的大众高尔夫R20。

正如上述,人们对新技术的探索从未因为资金的问题而止步过。当第二代发动机:电子燃油喷射发动机走向成熟和末路的时候,第三代发动机其实已经悄然诞生,而这一革命,其实便是我们熟知的汽油直喷发动机。

内燃机的新纪元:关于汽油直喷技术

图:大众FSI汽油直喷发动机。

说道汽油直喷发动机的历史,算是历经坎坷而后行。这是一项改变内燃机主体运作方式的革命,它起源于德国,最早的二冲程直喷发动机在50年代就运用到著名的奔驰SL车型上。但因对生产要求过高所限,该发动机并未得到大批量生产,并且运转差,可靠性不佳,废气严重,这项技术得以暂时告终。直到1996年日本三菱公司研发出一款可以量产的汽油直喷(Gasoline Direct Injection--GDI)发动机,并运用到Galant(戈蓝)车型上,这项技术才被又一次重新被人重视。

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图:运用汽油直喷技术的三菱Galant(戈蓝)。

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图:三菱GDI汽油直喷发动机。

提到汽油直喷发动机,就不得不说两家公司:三菱和大众。三菱算是现代汽油直喷发动机的鼻祖,而大众,才是真正把其发扬光大的领头羊。在此我们重点讲解下现在最常见的汽油直喷发动机:代号EA888的大众TFSI(Turbo Fuel Stratified Injection)分层燃烧汽油直喷发动机,从而了解现代汽油直喷技术。

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图:著名的大众EA888 2.0TFSI汽油直喷发动机(带分层喷射)。

EA888,一款已大量运用在大众和奥迪车系上的发动机,排量2.0并带有涡轮增压(国内1.8TSI发动机同样是这一构架,但取消了汽油分层燃烧技术)。直观来讲,这款车的升功率早在电喷横行的年代里已经达到惊人的100ps/L,并且扭矩280Nm,综合油耗在6L/100km的理论值,这些数字在当时算是首屈一指的水平,同等级的电喷发动机所难以超越的水准。

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图:直喷发动机工作原理。

从结构上讲,汽油直喷发动机和电子喷射发动机是有本质上的区别的。目前一般汽油发动机上所用的汽油电子喷射系统,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;而汽油直喷发动机,顾名思义,直接喷射,喷油嘴被安装在燃烧室内,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成油气混合雾被点燃作功。简而言之,电子喷射是通过进气管时以电子混合方式先与空气混合再将其喷入气缸引燃,而直喷发动机是直接将油喷入气缸并在冲压过程中行程涡流与空气混合,进而引燃。这种形式与直喷式柴油机相似,因此有人认为缸内喷注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。

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图:直喷发动机气缸结构。

这种结构上的改变,从图中我们可以看到,气缸缸盖不再是平的,而多出一个弧面下凹空间来为直接喷射的汽油提供与空气涡流混合的场所,电子喷射系统不复存在,节气门不再有,取而代之的是直接将喷油嘴安装在燃烧室内。既然是将喷油嘴直接安装在了气缸上,必然会存在两个问题:喷油嘴要承受比以前大很多的压力,这就对喷油嘴压力和其制作工艺有了更高的要求;并且汽油直接喷射的方式,也必然需要对油品的要求更高,不然什么油都直接喷进气缸岂不是会让车主成为维修厂的常客?

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图:迈腾上的EA888结构图

这样的一个结构,比起电喷发动机来说,它大大降低进气燃油损失,并且在气缸内直接混合,通过电磁喷射器产生涡流使油气充分混合,并通过电脑可以很直接的在燃烧室内混合油气到最佳比例(14.7:1也称理论空燃比),使得发动机达到理想化的动力油耗平衡。而电喷发动机由于汽油跟空气是在进气管内混合,那么他们只能均匀的混合在一起,但由于喷油嘴离燃烧室有一定的距离,汽油同空气的混合情况受进气气流和气门开关的影响较大,并且微小的油颗粒会吸附在管道壁上,这就的理论空燃比很难达到。

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图:燃油分层喷射技术。

谈到FSI发动机,就不得不谈一下其中的第二项技术:燃油分层喷射技术(Fuel Stratified Injection)。燃油分层喷射技术是发动机稀燃(即油气混合雾中油占比重少的一种燃烧)技术的一种。大众将这一技术建立在汽油直喷发动机之上,达到更为高效的动力输出和更为节油的效果。通过直喷发动机中电磁喷射器产生可变涡流,使得油气混合雾在燃烧室内外层比例不同,达到缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气,空燃比达到12:1左右,外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后,燃烧迅速波及外层。
       至于缺点,当然是直喷发动机对制作工艺和喷油泵上密封的要求很高,发动机要承受更大的压力,并且需要更高质量的油品(国内FSI需要97号以上汽油,增加燃油分层的TFSI则需要98号汽油)。另外因新技术另空燃比不断变化,导致三元催化器已经满足不了尾气净化的需求。简单讲,可变的空燃比导致尾气中各成分比重也在变化,对环境污染有害无益,大众公司采取的做法是将三元催化反应温度提高到650℃以上,把残留的硫引燃再催化,达到净化尾气效果。

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图:运用V10汽油直喷发动机的奥迪R8 Spider。

综上,汽油直喷发动机通过改变传统发动机结构,最大优化进气混合效率,达到高节油和大功率大扭曲的并存效果。作为第三代发动机,它代表了未来汽油引擎的一个方向,是现今有效而又现实的一项量产技术。

2013年03月07日

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