马儿吃得少还能跑得快 发动机缸内直喷技术解析

随着发动机技术的不断进步，缸内直喷这个词不断进入我们的视线。越来越多的车企也将汽油缸内直喷技术运用在自己的产品之上。那么这项技术究竟源于何时，又具有哪些独特的技术优势，使得厂商对他趋之若鹜？对于车主来说，能给我们带来什么样的实惠和弊端呢？今天我们就来聊聊关于缸内直喷的技术知识。想必不少朋友都了解汽车能够跑起来的基本原理，汽车依靠发动机产生动力，无非就是将空气和汽油混合后进行燃烧，做功后推动活塞带动整个机械结构进行运转。但如何将每一滴油“物尽其用”，就耗费了无数工程师毕生的精力。说缸内直喷发动机，谁也绕不过缸内直喷的前辈――化油器发动机和电喷发动机。  不少90后00后听到化油器应该是一脸懵逼了。传统的化油器技术是根据经过化油器空气量的多少来进行油气混合，也就是根据节气门的开度来进行油气混合的，精准度相对较差。对于传统化油器发动机而言，空气流经喉管因横截面减小而流速增加，因而形成负压将汽油从喷油口中吸出，汽油进入喉管后被高速气流蒸发，形成油气混合气。早期的化油器发动机因为没有任何电子控制系统和执行系统，无法对混合器浓度进行精密控制，导致排放性和经济性都不理想，加上喉管本身对气流也有阻碍作用，车辆的动力性也被限制住了。相比之下，电子控制能够精确控制燃油喷射的时间和数量，化油器逐渐被电喷系统所取代。目前主流的多点电喷系统，是将喷油器区别设置在各缸进气歧管或者进气道内，从而实现对各缸的独立供油。  但电喷系统也存在种种不足。首先是喷油压力比较低，电喷的汽油颗粒直径约为150-300微米，汽油喷出后，大部分是被直接喷射到了进气道内形成液态油膜。其次是冷车启动时，只能通过多喷油来满足工况需求（其实这也是冬天不必热车的原因），导致大量未经燃烧的汽油随尾气排出，同时冷车工况下三元催化尚未达到工作温度，排放问题也更加突出。 缸内直喷系统的工作流程为：汽油被油泵从油箱抽出，被凸轮轴带动的油泵加压，然后经过高压油管达到油轨，再被送入喷油器喷出。1955年，首款搭载缸内直喷技术的四冲程汽油发动机的奔驰300SL诞生，这款车使用了博世提供的机械喷射系统，搭载的3。0升六缸发动机能够达到217匹马力的最大功率。虽然这个成绩在今天看来不怎么样，但与同排量的化油器车相比，这样的动力水平已经整整高出了一倍还多，并且油耗只有化油器车辆的90锏捎诘缈丶际醪环⒋铮ü崆母哐褂捅靡坏└加图友咕突崤缛肫住６獯吹奈侍饩褪牵⒍ɑ鸬酵耆Ｖ乖俗恼舛问奔洌⑷肫椎钠退匙鸥妆诹魅胗偷卓牵拖∈停跃菟狄恍┍汲?00SL每行驶1600公里就需要更换机油。随着电子控制技术的不断发展，缸内直喷的电控技术难题随之突破。1996年，三菱汽车首次在旗下型号为4G93的1。8L发动机中加入了电控缸内直喷系统。并将“GDI”（Gasoline Direct Injection）注册商标。随后两年间，丰田和日产两家车厂陆续推出自己的缸内直喷技术发动机（日产称“NEO-Di”、丰田称“D4”）。而同期的欧洲企业则采取了技术购买的方式弥补产品上的差距：PSA集团向三菱购买了GDI技术用于旗下EW10发动机，并命名为“HPi”技术，而广为人知的大众FSI技术，也是在研发过程中寻求了丰田的合作。熟悉发动机技术的朋友应该知道，提高发动机热效率的方法有很多，提高压缩比是最简单有效的途径之一。但提高压缩比，随之而来的是可能发生的爆震问题。所谓爆震，远光君在之前汽油标号的文章里也和大家提到过，这里只简单说两句。爆震是指在压缩行程中，燃烧室温度过高导致汽油被压燃，爆震往往会导致发动机功率下降等不良工况出现。  相对于进气歧管喷油，缸内直喷可以有效解决这个问题：这是因为汽油喷入汽缸迅速蒸发的同时可以带走大量的热，使得压缩行程结束时混合气的温度有效降低，发动机的压缩比进一步提高。 理论上讲，只有空燃比达到14。7:1时，汽油才会被充分燃烧。但经过研究，空燃比大于14。7:1时，混合气也能燃烧，这种燃烧方式被称为“稀薄燃烧”。稀薄燃烧可以显著提高发动机的燃油经济性。但太稀薄的混合器并不容易被点燃，于是工程师们想到了先点燃局部的浓混合器，然后接着点燃周围的稀薄混合气的燃烧方式。而缸内直喷技术的成熟也为分层燃烧理论提供了实现的可能。  除了改变活塞形状之外，多次喷射也能达到分层燃烧的效果：喷油器在汽缸吸气时进行第一次喷油，在压缩时第二次喷油，压缩行程时，第一次吸入的燃油已经和空气混合成较稀的混合气，这时第二次喷油使燃烧室中央混合气变浓，同样能实现分层燃烧。这种技术活塞无需特殊设计，被很多车厂使用。说了那么多缸内直喷的优势，是不是这项技术就完美无缺了呢？不然，缸内直喷也会带来一些负面影响。  首先是在低负荷工况下，会产生大量的氮氧化合物，对三元催化器的要求很高。其次是在用车方面，理论上讲，缸内直喷发动机更容易在进气门形成积碳。在保养时，车主需要定期清理积碳或者添加引擎添加剂。而有些车厂已经要求搭载缸内直喷发动机的车辆在保养时必须添加引擎添加剂。  除此之外，油品适应能力差，也是缸内直喷发动机无法迅速普及的一个重要原因。  总结：虽然存在不少问题，但这都无法阻碍缸内直喷技术成为发动机百年发展史上浓墨重彩的一笔。而随着各国环保要求的不断提升，缸内直喷技术势必会像现在的电喷车一样大大普及。而人们在追求发动机动力性、经济性、排放性的路上还远远没有到达终点。