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缸内直喷发动机为什么逐渐取代了歧管喷射发动机
发布时间:2019-09-16
 
缸内直喷发动机为什么逐渐取代了歧管喷射发动机

随着汽车工业的不断发展,内燃机的供油系统完成了由早期的化油器到歧管喷射,缸内直喷及混合喷射的过度,而化油器的淘汰标志着电控内燃机时代的来临;严谨的说歧管喷射与缸内直喷都属于电喷,只不过因为电控歧管喷射率先出现,所以就形成了歧管喷射为电喷的叫法,其实缸内直喷也是电喷(电控缸内直喷),而这么多年来关于歧管喷射,缸内直喷到底谁更好的争议从未有过停止;当然在有些朋友看来歧管喷射早已属于该淘汰的技术,而未来应当以缸内直喷为主,这种说法并不算错,但歧管喷射并非一无是处,也有它独到的地方;而缸内直喷也并非无所不能,可以说这两种供油方式各有各自的优点,但残酷的现实就是采用歧管喷射供油方式的发动机越来越少,而缸内直喷虽然同样有着很多缺点但却成为了主流,那么制约歧管喷射的主要原因是什么?下面鄙人谈谈对歧管喷射,缸内直喷的看法。

化油器为什么被电喷取代?

过去的化油器供油方式可以简单理解成狼吞虎咽的模式,不管空气有多少,燃油是绝对足量的供应,由于缺乏电控单元,具体吸入多少空气,供应多少燃油没有具体的判定,只要脚下给油燃油就可劲的供应而根本不会去考虑进气量有多少,够不够把这些燃油充分燃烧,这样一来就导致很多燃油由于进气量不够而没法完成燃烧或充分燃烧,也就导致了浪费;而进入了电控内燃机时代,喷多少油完全由ECU结合氧气含量来做出决定,而脚下的油门仅仅是控制节气门的开度,也就是说电控内燃机的油门控制的是进气量而并非喷油量;由于喷油量是ECU根据进气量大小来做出精确的控制,所以电喷机器的到来最大程度的避免了化油器时代的燃油浪费;以前开过化油器的朋友都知道,有的时候需要加速,结果油门踩下去,速度却没起来,这就是因为油量喷足了,但进气量不够导致的,而电喷的出现就能从根本上解决这个问题,因为具体喷多少油是根据进气量多少来决定的,从逻辑上看电喷的出现更为合理。

缸内直喷发动机为什么逐渐取代了歧管喷射发动机

歧管喷射,也叫进气道喷射

歧管喷射逐渐边缘化的原因是什么,谁制约了歧管喷射的发展?

想让内燃机拥有更低的功耗,提高压缩比是很好的办法,但过高的压缩比并不适合歧管喷射供油方式;歧管喷射供油方式的燃油喷射在进气歧管内,在空间足够大的歧管内完成于空气的混合及雾化,进入气缸之后即可视为均质,之后混合气体被压缩,点火,燃烧;整个过程看上去都没有什么问题;但一定要知道压缩气体是会放热的,由于进入气缸后已经是混合均匀比例的气态,所以在发动机进入压缩时候一定会放热,而一旦歧管喷射发动机的压缩比过高(或者燃油标号过低),被压缩的混合气体释放的热量很容易将早已混合均匀的气体压燃(汽油也是可以被压燃的),尤其是在发动机处于高负荷的情况下,缸内温度本身就极高,混合气体很容易在压缩行程还没有结束时就在缸内的高温以及被压缩释放的热量的双重作用下完成早燃甚至爆燃,所以歧管喷射发动机的压缩比都偏低,能做到10.5都不错了;我们当然能靠提高燃油标号的方式利用更高的辛烷值来减缓燃烧速度从而规避爆震,但如果将歧管喷射发动机的压缩比做到12以上,很可能连98号汽油都压制不了爆震,况且高标号汽油的价格也并不亲民,所以想要获得更高的压缩比,还能烧低标号的燃油,就必须引入缸内直喷技术。

缸内直喷发动机为什么逐渐取代了歧管喷射发动机

缸内直喷,喷出的液态燃油可以有效的吸收缸内温度

缸内直喷发动机为何能实现更高的压缩比?

发动机能否采用更高的压缩比关键点就在于对爆震的抑制;而爆震的产生则由于点火前的缸内压力,温度过高,上文也提及了歧管喷射的原理,送入燃烧室的混合气体已经混合均匀等同于均质,所以已经没有任何办法去调节缸内的温度了,所以歧管喷射发动机的压缩比都不高,就是为了降低混合气体被压缩的程度,为缸内减压,降温;而缸内直喷则不然,缸内直喷发动机的燃油直接喷射在气缸内(通常在进气冲程快要结束的时刻),而燃油在燃烧室内完成从液态到气态的转化,要知道液体气化是需要吸收热量的,所以直接喷射在缸内的液态燃油在气化的过程中吸收了缸内的热量,降低了点火前缸内的温度,从而避免了高压缩比所带来的点火前高温,高压产生的爆震;所以采用缸内直喷技术的发动机可以从容的实现更高的压缩比;除此之外缸内直喷可以更好的控制分层燃烧,增加稀薄燃烧的边界。

缸内直喷发动机为什么逐渐取代了歧管喷射发动机

缸内直喷发动机为何可以提高稀薄燃烧的边界?

首先说明一下何为稀薄燃烧,通常我们将空燃比14.7:1定为理想的比例,而如果增加空气的比例则形成稀薄燃烧,比如空燃比达到了20:1时就属于稀薄燃烧了;而稀薄燃烧的好处就是可以使每次燃烧所使用的燃料更低,燃烧的极其充分(可以理解成燃油处于富氧的环境下,可以最大程度的提高燃烧效率),所以稀薄燃烧可以让发动机更省油,更环保(燃烧的更充分积碳也会少);但我们要清楚更高的空燃比的确可以让燃油燃烧的更充分,但如果空燃比过低很可能导致点不着火,而歧管喷射其实也能实现稀薄燃烧,但边界太低,通常歧管喷射发动机的空燃比达到27:1的时候就已经接近极限了,这个时候已经很难将其点燃;而缸内直喷系统超过空燃比27:1这一界限却很轻松,因为缸内直喷可以实现分层燃烧,而利用分层燃烧技术就可以保证在极高的空燃比状态下,保证所有的燃料都可以被点燃;其实歧管喷射也可以实现分层燃烧,但它的控制策略太过于单一,粗糙,而且相应速度极慢,道理也很简单燃油与空气已经在进气歧管内完成了均匀的混合,被送入气缸后该如何分层?所以歧管喷射发动机只能实现很粗糙的分层,而缸内直喷则可以实现更细化的分层;所谓的分层燃烧其实就是指从气缸内的火花塞开始由上至下形成不同浓度的混合气体(浓度从上到下依次递减);燃烧从火花塞附近开始,依次向浓度更低的外层扩散,分层燃烧;原理就是火花塞附近的混合气体浓度高(可以理解成标准的14.7:1),火花塞放电点燃正常比例的高浓度层混合气,之后已被点燃的高浓度层混合气体火团会依次逐级的点燃外层低浓度层的混合气体,就这样一层燃烧点燃下一层直至点燃最外层的极高空燃比的稀薄混合气(最外层混合气空燃比理论上可达到65:1,当然这并非实际的状态下),这种分层燃烧方式就避免了火花塞点不着过稀混合气的问题;这样也就提高了稀薄燃烧的边界(稀薄程度);要想提高稀薄燃烧的边界,唯一的可行性就是分层燃烧而且是分很多层,想分很多层歧管喷射是指望不上了,所以只能依靠缸内直喷技术来完成,因为缸内直喷可以通过高压油轨的多次不同时机的喷射,在燃烧室内形成不同浓度分配的混合气体,这样一来就很容易实现分层了,而歧管喷射想分多层几乎没可能。

缸内直喷发动机为什么逐渐取代了歧管喷射发动机

直喷发动机,燃油喷不到这里,就没办法起到清洁的作用

所以缸内直喷虽然有着很多缺点,但它是实现更高的压缩比以及提高稀薄燃烧的边界最可行的方式,而提高稀薄燃烧边界是未来内燃机发展的主攻方向,所以缸内直喷的那些缺点比如无法清洁进气道,低温状态下燃油雾化程度低,低负荷时的燃烧不理想,湿壁现象等等也都显得微不足道了;而歧管喷射也并不是一无是处,低温状态下燃油雾化效果高,低负荷是燃烧优秀都是它的优点,所以歧管喷射也并不会淘汰,至少短时间内不会淘汰,很多车企研发的混合喷射就是歧管喷射与缸内喷射的互补,当发动机冷启动,低负荷运转时依靠歧管喷射,而当发动机中,高负荷时采用缸内喷射,这样就弥补了直喷的劣势,不过生产成本也提高了。

缸内直喷发动机为什么逐渐取代了歧管喷射发动机

混合喷射发动机,两套喷油系统,高压,低压