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岐管喷射、多点电喷、缸内直喷、混合喷射究竟是什么意思——说说发动机燃油供给系统
老侯解车 6482浏览 2019-05-20

我们在去4s店选购汽车时,销售顾问向我们介绍汽车的性能及结构特点时,通常都会说这个发动机是传统而成熟的多点电喷、那个发动机是先进的缸内直喷,更有被他们吹得神乎其神的混合喷射,作为汽车小白的我们听得一头雾水。那么他们说的这些都是什么意思呢?下面老侯来给大家说一说这些名词的真实含义——汽油发动机燃油供给系统的类型及优缺点。

其实这些所有的所谓岐管喷射、缸内直喷、混合喷射,他们都有一个共同的名字:汽油机燃油供给系统。大家知道,汽油发动机在工作时,需要消耗两种物质——汽油和空气。汽油就是由燃油供给系统提供的,它可以根据发动机运转工况的需要,向发动机供给一定数量的、清洁的、雾化良好的汽油,以便与一定数量的空气混合形成可燃混合气;而空气就相对简单多了,从外界的大气中直接取用就行了,通过节气门来控制进入发动机中空气量的多少。由于二者相辅相成的关系,通常把空气供给系统也看做是燃油供给系统的一部分,统称为发动机燃油供给系统。

汽油和空气根据发动机不同工况下的使用需求,以一定的比例在进气道或气缸中混合,配制出一定数量和浓度的可燃混合气,定时、定量的供入气缸,然后在气缸中燃烧、爆炸,产生高温高压的气体,推动活塞运动做功,最后把燃烧后产生的废气排出发动机外。这就是汽油机的工作原理。那么二者是如何形成可燃混合气的、又是如何调配可燃混合气的浓度和数量的呢?

汽油发动机可燃混合气的形成过程是非常复杂的,并且时间极短,一般只有0.01~0.02s的时间。在这个过程中,空气的流量、流速、行程与通道基本都是固定的,可以变化的只有汽油的供给方式以及与空气混合的区域。也可以说,可燃混合气的形成过程就是汽油雾化、蒸发以及与空气配比和混合的过程。可以想象,进入发动机中的汽油颗粒越小、压力越高,汽油的蒸发速度就会越快,与空气混合的就越均匀,形成的混合气质量就越好,越有利于燃烧。

那么可燃混合气又是如何适应发动机不同工况的需求呢?在这里向大家引入一个概念:空燃比(或者过量空气系数)。我们通常使用它来表示可燃混合气的浓度。所谓的空燃比就是可燃混合气中空气质量与燃油质量之比;所谓的过量空气系数就是指燃烧1kg燃油实际供给的空气质量与完全燃烧1kg燃油的化学计量空气质量之比。在实践中空燃比比较直观,应用的较多。标准状态下,燃烧一克汽油需要14.7克的空气,即空燃比为14.7:1,在这个比例下,汽油和空气正好能完全燃烧殆尽,生成二氧化碳和水,既不会有浪费,尾气也更环保,称为标准可燃混合气,燃油供给系统的工作目标就是尽可能的把空燃比控制在这个比例。如果低于这个数值称为浓混合气,高于这个数值称为稀混合气,都不是理想的环保混合气。

但是发动机在使用过程中工况是不断变化的,对可燃混合气浓度的需求也不同。比如起动工况,需要的是极浓的混合气;怠速工况需要少而浓的混合气;中小负荷需要逐渐变稀的经济混合气;大负荷工况需要较浓的功率混合气;急加速时需要额外被加浓的混合气。燃油供给系统为了适应这种工况变化的需要,就要不停的调整汽油和空气的供给量,并使二者的混合方式满足燃烧需求。空气的供给量是由节气门控制的,变量不大;而汽油的供给量和供给方法却有很多种型式,对可燃混合气的形成有非常重大的影响,这就是所谓的岐管喷射、缸内直喷、混合喷射等。

最早期的汽油供给方式是化油器,相信很多老司机都听说过这个东西。它曾经在相当长的时间内占据中绝对的统治地位,老侯在上学时化油器还是主流,教材里对化油器做了大篇幅的讲解,它是汽油机上技术最复杂的总成,安装在进气道上,结构上有主供油装置、冷启动装置、怠速装置、加浓装置、加速装置,等等。随着技术的发展,又出现了双腔化油器,结构上更为复杂;同时在上面也加装了一些电控装置,比如电控阻风门、怠速电磁阀,等等。

但是化油器中的汽油并不是以一定压力喷入进气道的,而是被气缸中活塞下行产生的真空吸力吸出来的,属于被动式的燃油供给方式,即使是在加浓和加速工况下,喷出的汽油也几乎没有压力,这样就导致汽油的雾化与蒸发不好,与空气的混合不均匀,同时供给的汽油数量也很难精准控制,这样配制出来的可燃混合气浓度非高即低,越来越难以适应越发严格环保要求和发动机动力需求,因此它逐渐的被淘汰了,现在只在一些摩托车、油锯、剪草机等小型汽油机上使用。

用来替代化油器的,就是汽油喷射系统。所谓的汽油喷射就是用喷油器将一定数量和压力的汽油直接喷射到气缸或进气歧管中,与进入的空气混合而形成可燃混合气,它是主动式的燃油供给方式,可以主动控制燃油的数量和压力。它具有空气流动阻力小、充气系数高、汽油雾化与蒸发好、混合气配置质量较好、混合气分配均匀性好、可以采用较高的压缩比、可以使发动机燃烧稀薄可燃混合气、冷起动性和加速性能好、可随工况及使用场合变化而配制最佳混合气成分、过渡性能较好等优点,并可以降低油耗以及减少废气中的有害成分,有利于节能减排以及大气污染的防治。

在汽油喷射系统发展的初期,工程师就是想用一个可以控制的喷油器来代替化油器,这就是所谓的单点喷射系统。它的特点是在发动机上只有一个喷油器,它安装在节气门的前方,将燃油喷向节气门随空气流入进气歧管内混合,然后再进入气缸燃烧,在结构上和化油器很相似,又称做节气门体喷射,或者进气道喷射。早期的单点喷射是机械控制的,后期随着电子技术的发展,在发动机上增加了更多的传感器,并且使用电控单元来控制喷油器的喷油,这就是电控单点喷射系统,英文简称SPI。

与化油器相比,单点喷射是一个巨大的进步,不论是汽油的压力、流速、蒸发与雾化质量,还是汽油供给数量的控制,都要精确很多。但是它也有不可克服的缺点,最主要的是难以实现在所有工况下都能保持理想的混合气分配,不利于降低油耗和尾气排放,因此逐渐的退出了市场。我们能见到的奇瑞风云系列、金杯等就是搭载的电控单点喷射发动机,还有早期的奔驰系列发动机等。本质上单点喷射是对化油器的一种修正与改进。

后来,汽车工程师开始改良燃油喷射系统,将喷油器从进气道节气门前转移到了进气歧管上,数量从一个变成多个,每一个气缸对应一个喷油器,这就是缸外多点喷射,也叫做岐管喷射。相对于单点喷射系统,多点喷射对汽油用量控制的更加精准,因此油耗和尾气排放也更加理想,发动机的动力也有所提升,因此现在的车型基本都是使用多点喷射系统。

早期的多点喷射系统是机械式的,由节气门开度、空气流量计、进气歧管真空度等共同控制和调整汽油的喷射量。当年的奥迪100五缸发动机,就是这种机械喷射的。但它的故障率实在是太高了,控制的也不是十分精准,喷射系统又过于精密,维修非常困难,因此逐渐的被淘汰了。后来我曾经看到过一辆五缸奥迪被改成化油器式的,这个修理工真是神人,想见识见识他一直没有机会。

随着电子技术的飞速发展,越来越多的电子元件在汽车上应用,汽车发动机也进入了电控时代。燃油喷射系统也从原始的机械控制进化成了电子控制,这就是电控汽油喷射系统。它是以电控单元(ECU)为控制中心,并利用安装在发动机上的各种传感器测出发动机的各种运行参数,再按照电脑中预存的控制程序精确地控制喷油器的喷油量,使发动机在各种工况下都能获得最佳空燃比的可燃混合气。所谓的多点电喷、缸内直喷、混合喷射都属于电控汽油喷射系统的一种。

多点电喷是现在应用最为广泛、也是技术最成熟的一种电控汽油喷射系统,它是将喷油器安装在进气歧管上,将汽油以一定压力直接喷射在进气门的前方。喷射的控制逻辑有同时喷射、分组喷射以及顺序喷射这三种,现在应用最多的是顺序喷射,就是每一个气缸的喷油器都是单独控制,在进气冲程时开始喷油,通过控制喷油时间的长短来控制喷油量。这种汽油喷射方式已经能非常好的控制可燃混合气的浓度了,也能够适应汽车在各种工况下的使用要求。

但是这也是汽油机热效率的天花板,如果想更进一步的提高热效率,就必须另辟蹊径,研制能更加精准控制喷油量和让每一滴汽油都能充分燃烧的喷射方式,这就是缸内直喷技术。它是将喷油器的喷嘴直接伸入到燃烧室中,将汽油直接喷射到燃烧室内,与空气混合形成可燃混合气点火做功。它的喷射压力极高,可以达到3~5Mpa,因此喷射出的燃油颗粒非常小,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,可以有效的改善汽车的冷启动和油门响应速度,对可燃混合气的浓度控制也更加精准。

但这并不是缸内直喷的主要优势,它更主要的优势在于两点:一是可以实现分层燃烧和稀薄燃烧,可燃混合气的空燃比可以高达20:1,这样就可以较大幅度的降低发动机的燃油消耗率;二是可以提高发动机的压缩比,一些缸内直喷发动机的压缩比可以高达13:1甚至14:1,这样可以有效的提高汽油发动机的热效率。另外,向气缸内直接喷射汽油还可以有效的降低气缸内的温度,防止爆燃的发生。因此,现在越来越多的发动机开始使用缸内直喷技术。

但是缸内直喷发动机也有不可克服的缺点,比如燃油适应性较差,低速时尾气排放较高等,但最主要的是进气门背面积碳严重。这主要是因为缸内直喷不能像歧管喷射一样通过汽油对进气门背部进行冲刷,时间长了进气门背部就会留有厚厚一层积碳,影响发动机进气量,导致发动机出现抖动严重、加速不良等故障,这一点在很多缸内直喷发动机上都有明显的体现,比如大众的EA888、本田的地球梦、马自达创驰蓝天等等。另外,缸内直喷发动机的优势在高速时才能体现出来,在低速时体现的并不明显。因此,融合岐管喷射和缸内直喷的优点,并能有效弥补各自缺点的混合喷射就应运而生了。

所谓的混合喷射,就是在汽油发动机上既有岐管喷射系统,又有缸内直喷系统,二者同时受发动机电控单元控制。在低速时使用岐管喷射系统,可以有效的防止和清除进气门上的积碳,而在高速时使用缸内直喷系统,可以提高发动机的动力性和降低油耗。二者的切换是由发动机控制单元根据汽车的具体工况适时调控的,这样的发动机性能更加优越,积碳也较少。只是这样的系统过于复杂,成本也比较高,目前只应用在一些比较高端的发动机上,比如大众的EA888 2.0T、丰田的D4ST、三菱的4B40等等。

以上就是汽油发动机燃油供给系统的主要型式和发展历程,总体来看从被动供油到主动供油、从机械控制到电脑控制、从缸外喷射到缸内喷射这样的趋势在发展,发动机的热效率在逐渐的提升,而油耗却在不断的下降,这就是技术进步带给人类的丰硕成果。不过现在来看,燃油发动机已经发展到了一个技术瓶颈期,很难再有实质性的进步了,热效率在40%左右已经很多年没有提升了。所以,下一步的混合动力汽车、燃料电池汽车以及纯电动汽车才是汽车的发展方向,燃油汽车事实上已经走上了夕阳之路。


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