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利大于弊 缸内直喷技术历史溯源及浅析  

2015-05-19 18:43:49|  分类: 汽车 |  标签: |举报 |字号 订阅

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在众多划时代意义的发动机技术中,汽油缸内直喷(Gasoline Direct Injection,简称GDI)是一项值得浓墨重彩的创新技术,经常关注汽车的人相信对这项技术并不陌生,主流车企也在越来越多地将汽油缸内直喷技术运用到自己的全新产品上。那么这项技术究竟源于何时?它又具有哪些独特的技术特点和优势,使得诸多厂商对其趋之若鹜?今天我们就来进行一些简单的回顾与解析。

利大于弊 缸内直喷技术历史溯源及浅析

缸内直喷技术的发展历史

利大于弊 缸内直喷技术历史溯源及浅析

利大于弊 缸内直喷技术历史溯源及浅析

1955年,世界首款搭载具有缸内直喷技术四冲程汽油机的量产车型——奔驰300SL诞生,这部代号为M198的3.0L直列六缸发动机首次运用了博世提供的机械式汽油缸内直喷系统,约160kw的最大输出功率与当时普遍采用化油器的同排量汽油机相比,这样的动力水平几乎整整高出一倍!并且油耗也降低了约10%。

利大于弊 缸内直喷技术历史溯源及浅析

由于燃油加压系统和喷油器并未相互独立(当时电控技术尚不发达,无法实现类似今天这种高压油泵将汽油加压后送入共轨,再由电磁阀或压电式喷油器独立控制喷油时刻和喷油量的方式),通过曲轴驱动的高压油泵一旦给燃油加压就必须随即喷入汽缸,而这种特性带来的直接弊端就是从发动机熄火到完全停止转动的这段时间内,注入汽缸的汽油并不能被燃烧掉,而是顺着缸壁流入油底壳将机油稀释,所以一些300SL每行驶约1000英里(约合1610公里)就需更换机油。

50-70年代,缸内直喷技术基本没有明显进步

利大于弊 缸内直喷技术历史溯源及浅析

可惜在之后的几十年内,车用汽油直喷技术并没有得到进一步的推广,但其间依然有一些厂商曾致力于过此项技术的研究,其中包括AMC(American MotorsCorporation美国汽车公司)和福特。

福特在1958年就提出“PROCO”(Programmed Combustion,直译为编程燃烧)计划,特别70年代石油危机爆发,福特又进一步加快该计划的研究。当时采用的方案是将浓混合气和稀混合气分别喷入汽缸实现顺序燃烧。根据采用此技术的Crown Victoria验证,“PROCO”发动机大约可以实现20%的节油效果,只是这项技术最终由于电控技术尚不成熟、成本过高、氮氧化物排放不达标等一些原因而被搁置下来。

三菱是现代缸内直喷技术的先行者

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得益于电子技术的日新月异发展,汽油缸内直喷技术中关键的电控环节有望得以突破。1996年,三菱汽车在当时现有型号为4G93的1.8L发动机基础上首次加入了电控汽油缸内直喷系统,率先发布了世界首款具有现代技术的缸内直喷式汽油机,并将“GDI”申报为注册商标,而这款GDI发动机被用于日本销售的戈蓝轿车及欧版Carisma。

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由于早期出现的GDI发动机并不完全成熟,其节油优势并未得到明显体现,并且排放方面也存在不足,因此并未能收到良好的市场反应。随后,三菱汽车继续改良其GDI技术,陆续推出了融入此项技术的6G74和4G15等一系列机型。三菱的各款GDI发动机发布五年后产量已达百万台。

日产/丰田等汽车企业相继发布缸内直喷技术

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1997和1998两年间,日产及丰田陆续发布了自家“NEO-Di”和“D4”直喷技术,直到1999年,雷诺才发布欧洲首款具有汽油直喷技术的发动机。相比之下,同期的一些其他欧洲车企则走了捷径:PSA集团向三菱购买了GDI技术用于自家EW10汽油机,并取名为“HPi”技术;与三菱Carisma共享平台的的第一代沃尔沃S40/V40则是直接搭载了具有GDI技术的4G93发动机;而作为当前广为人知的大众FSI汽油直喷技术,据称在当时研发过程中也是向丰田公司寻求了技术合作。由此可见,在现代汽油缸内直喷技术发展上,日本车企无疑充当了先行者的角色。

首台结合涡轮增压和缸内直喷技术发动机源自三菱

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2000年,世界首台结合废气涡轮增压和汽油缸内直喷技术的发动机同样诞生于三菱,这台机型依然基于4G93发动机研发而来,仅搭载于帕杰罗iO五门车型,最大功率118kw/5200rpm,最大扭矩220N.m/3500rpm。相比2005年推出的大众第二代EA888系列1.8TSI发动机,这部面世时间早了五年的首款直喷增压发动机在账面数据上并未弱势多少。

技术特点

简单了解了缸内直喷技术的发展史,很多人肯定会更加想知道为什么主流汽车企业都在积极研发并量产这种发动机技术,它能给车辆带来什么样的变化?要回答这些我们需要先了解一下在发动机燃油系统供油技术的原理,以及它们存在的问题。

原因一:化油器并不能精确控制油气混合气

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很多年轻人估计对“化油器”很陌生,甚至从未听说过,在80-90年代中国道路上绝大部分车型都是使用“化油器”的汽油发动机。最早时候,汽油是通过化油器与空气进行混合。

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。这种早期的化油器式发动机因为没有任何电控反馈和执行系统,所以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,加上喉管本身对进气气流的阻碍,动力性也被限制。

原因二:推出“电控化油器”同样不能实现精确控制

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尽管其间还出现过电控化油器的案例,如丰田22R发动机,但也只是通过对阻风门(一种化油器发动机上才存在的阀门,通过其开闭实现对喉管处真空度的调整进而改变混合气浓度)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。


在燃油喷射技术发展中,电喷技术广泛普及

为了解决化油器的靠负压吸出形式效率不高的弊端,供油技术变为经油泵加压后通过喷油器正压喷出形式。因为取消了化油器中的喉管设计,使得进气更加顺畅,并且一定程度上提升了供油准确性。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。

原因三“供油不均”同样注定单点电喷技术只是一个过渡

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相比之下,能够实现相对精确计量的电控燃油喷射系统则更有优势。早期出现的是一种相对简单的单点电喷系统,这种电喷系统仅在节气门处设有一个电控喷油器,油雾与空气形成混合气之后才分别进入每个进气歧管。由于从喷油器到汽缸之间的距离较长,相当一部分未汽化完全的汽油会附着在进气管壁面上,从而不能及时进入汽缸,而且也无法确保混合气在各缸之间的平均分配。

一汽大众曾少量组装的都市高尔夫、奇瑞最早生产的SQR7160轿车以及南汽曾推出的英格尔均采用了单点电喷系统,早期国产仿丰田4Y发动机也曾匹配过这种电喷系统。

 “顺序多点电喷技术”被当下绝大多数汽油发动机采用

为了改善各缸之间的供油平衡,上述单点电喷系统逐步被多点电喷系统所取代。多点电喷系统是将喷油器分别设置在各缸进气歧管或进气道处,从而实现各缸独立供油。最初诞生的多点电喷系统采用同时喷射策略,接到喷油指令后,无论对应的进气门处于开启或关闭状态,所有喷油器均同时喷油,这样就使得进入各缸的混合气混合程度并不均匀,容易出现某些汽缸碳氢化合物排放过高的情况。为了改善这一情形,后来又出现了两缸一组的分组喷射模式,而最终则是进化到根据点火顺序而决定各缸单独喷油时刻的顺序喷射方案。

利大于弊 缸内直喷技术历史溯源及浅析

尽管位于缸外的汽油喷射技术已经发展到相当成熟和先进的阶段,但其一些固有特性依然无法得到改变。对于进气道喷射方案而言,其喷射压力较低,仅有3~5bar,在此压力下喷射出的燃油颗粒直径约为150~300μm。相对于缸内直喷能达到的150~300μm的燃油颗粒而言,仅有极少部分可以在进入空气的短暂时间内蒸发,更多部分则是被直接喷射到进气道壁面和进气门背面形成液态油膜。这部分液态油膜则主要是通过燃烧室经缸盖传递来的高温以及气门叠开(发动机进、排气门同时开启的现象)时倒灌至进气道的废气带来的高温才得以汽化并与空气形成混合。

利大于弊 缸内直喷技术历史溯源及浅析
冷机启动时会有不少碳氢化合物拍出

这种油气混合模式在热机稳定工况下并无问题,但在车辆突然加速转速迅速攀升时(喷油量加大且燃油蒸发时间缩短)以及冷机启动状况下,则无法保证当前所需的油气混合气供应,此时只能以过量喷油的方式来临时性满足工况需求。这样导致的后果便是大量未经燃烧的碳氢化合物随尾气直接排出,不仅浪费了燃油,同时造成环境污染,特别是冷机启动时三元催化器尚未达到工作温度,因此排放问题更为突出。

缸内直喷技术的原理能解决电喷的诸多不足

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汽油缸内直喷技术就可以规避上述问题的产生,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

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缸内直喷需要高压油轨等一系列附件

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

利大于弊 缸内直喷技术历史溯源及浅析
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。

为什么涡轮增压要与缸内直喷相结合?

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若是在进气过程中进行喷油,进气温度也会随之降低,充气效率则将相应提高。由于经过增压器加压的空气即便在通过中冷器冷却之后依然会有较高的温度,因此直喷汽油机的这一特性对于增压发动机更为适用,事实上我们也能经常见到增压发动机与缸内直喷技术配合使用的案例,如大众TSI、福特EcoBoost、PSA THP等。

缸内直喷的最终目的是实现“稀薄燃烧”

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提到稀薄燃烧首先需要说明空燃比的概念,理论上讲,只有14.7单位质量的空气与1单位质量的汽油混合时,即空燃比14.7:1,才能实现完全燃烧。然而根据研究发现,空燃比大于这个理论值时,通常稀薄燃烧模式下空燃比会高于25:1,也有达到65:1或者更高比值的情况,发动机的燃油经济性会得以提高,其原因在于:

1、燃油在过量空气环境中可以实现充分燃烧;

2、稀薄混合气绝热指数较高,同时燃烧又主要在燃烧室中央进行,通过汽缸壁面散失的热损失较少;

3、稀薄燃烧过程温度较低,热量散失同样因此减少;

4、所需空气量大,节气门开度可相应加大,泵气损失降低。

尽管有着省油的优势,但空燃比太大的过稀混合气并不容易被点燃,于是人们想到了采用先点燃局部浓混合气,再借其火焰引燃周围稀混合气的分层燃烧方式。正是由于汽油缸内直喷技术可在进气及压缩行程内进行任意时刻喷射及多次喷射的特性,因此可实现上述混合气由浓至稀的分层分布,以达到稀薄燃烧的效果。

实现混合气分层两种方法:特殊机械设计或多次喷射

利大于弊 缸内直喷技术历史溯源及浅析

对于直喷汽油机,在燃烧室中形成分层混合气的方法通常有两种:第一种是在压缩行程后段,喷油器开始向汽缸内喷射汽油。由于进气道和活塞顶部的特殊设计,使得空气在活塞上行过程中于燃烧室内形成预定滚流,喷出的油束遇到空气滚流之后,外层迅速形成较稀的油气混合气,而滚流中央包裹的较浓混合气则被推向火花塞,从而形成由内向外的分层混合气,实现稀薄燃烧。这种方式需要对进气道和活塞头部进行特殊设计,90年代的三菱GDI技术以及大众早期用于Lupo的FSI技术均为这种形式。

通过单个工作循环内多次喷油的方式也可实现混合气分层

利大于弊 缸内直喷技术历史溯源及浅析

第二种则是当前采用较多的多次喷射方式。喷油器在进气行程即进行第一次喷油(前文已经说过,此时喷油也可以降低进气温度,提高充气效率);压缩行程,第一次喷出的燃油已经形成均匀的稀混合气,此时进行第二次喷油,使燃烧室中央区域混合气加浓;待活塞临近上止点时,通过加大量喷油量以在火花塞周围形成可燃浓混合气,同样实现了混合气分层分布,而且活塞头部也无需特殊设计。如今奔驰CGI技术以及宝马汽油直喷技术等采用的正是这种形式。

缸内直喷技术弊端制约它的普及

尽管采用汽油缸内直喷的稀薄燃烧技术在提升燃油经济性方面有着显著优势,但同时也存在一些明显的负面效应。

利大于弊 缸内直喷技术历史溯源及浅析

弊端一: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;

弊端二:燃烧室处于富氧环境,易产生氮氧化物;

弊端三: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;

弊端四:废气中大量残存的氧气会降低氮氧化物的转化效率;

弊端五: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。

因为缸内直喷特点导致它在排放等方面存在着需要改进的地方,正是这些短处也导致了稀薄燃烧技术不能在中国地区得大范围普及。

总结:

利大于弊 缸内直喷技术历史溯源及浅析

虽然汽油缸内直喷也存在不少问题,但是在减少特定情况下碳氢化合物排放、降低油耗以及提升动力等方卖弄拥有优势,而且研究表明,增大EGR(废气再循环)程度以及通过VVT系统的调节,同样能够实现接近稀薄燃烧的节油效果,并且尾气处理也会更加容易。

内燃机技术经历百余年发展至今,已经在动力性、经济性、排放性能及运转平顺性等各方面有了质的飞跃,然而现今绝不是内燃技术发展的顶峰和终点。随着油耗及排放法规的进一步严格,各种应运而生的技术方案势必会将未来内燃机热效率及排放水平方面提高到新的层次。

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