缸內(nèi)直噴技術(shù)的歷史

2021年，我們做了很多關(guān)于發(fā)動機(jī)獎勵、新發(fā)動機(jī)等庫存項目的文章。其中，你會發(fā)現(xiàn)所選或新推出的發(fā)動機(jī)在某些技術(shù)的應(yīng)用上保持了高度的統(tǒng)一性，其中燃油噴射系統(tǒng)就是一個典型的例子。無論是自然吸氣發(fā)動機(jī)還是增壓發(fā)動機(jī)，大部分都會采用缸內(nèi)直噴技術(shù)。經(jīng)過一段時間的認(rèn)知，這項技術(shù)的優(yōu)勢不言而喻，但事物總有兩面性。本文要講的是缸內(nèi)直噴技術(shù)的弊端?？赐曛?，你可能對這項備受推崇的技術(shù)有了新的認(rèn)識。

首先，本文只討論缸內(nèi)直噴汽油機(jī)。此外，本文還將對缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)和普通電噴發(fā)動機(jī)的排氣排放進(jìn)行討論。尾氣中的顆粒物含量是我們關(guān)注的焦點(diǎn)。但與不合格柴油車和工業(yè)排放的環(huán)境影響相比，一輛合格的汽車配備缸內(nèi)直噴汽油機(jī)對環(huán)境的影響可以忽略不計。

●歷史:我生錯了時代。

節(jié)油和動力性能的提高都是缸內(nèi)直噴技術(shù)能給汽油機(jī)帶來的好處。我們在之前的一些文章中提到過。另外，考慮到大多數(shù)讀者對其優(yōu)勢的認(rèn)知，本文就不贅述了。在進(jìn)入正題之前，希望和大家分享一下缸內(nèi)直噴技術(shù)的簡史。相信你看完之后會忍不住感嘆。原來這一切都在中間。

◆最初用于軍事。

1917年，一臺配備缸內(nèi)直噴技術(shù)的汽油發(fā)動機(jī)被組裝成軍用快艇，但高壓縮比導(dǎo)致氣缸工作溫度過高，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重問題。雖然在隨后的改進(jìn)中壓縮比降低到6，但氣缸過熱的問題無法解決。最后，測試結(jié)果并不令人滿意。在接下來的20年里，這項技術(shù)的可行性在不斷完善的過程中逐漸得到驗證。當(dāng)時主要用在航空空領(lǐng)域，我們熟悉的幾家德國公司，比如寶馬、奔馳、博世、西門子等都投入了研發(fā)。

◆首款搭載缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的量產(chǎn)車

在汽車領(lǐng)域，缸內(nèi)直噴技術(shù)出現(xiàn)在汽油機(jī)上并投入批量生產(chǎn)已經(jīng)是半個多世紀(jì)（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）前的事了。最初是由博世和Gutbrod聯(lián)合研發(fā)的缸內(nèi)直噴二沖程汽油發(fā)動機(jī)，最大功率約28馬力，最大扭矩58牛米。這款發(fā)動機(jī)于1951年在法蘭克福車展上亮相，隨后進(jìn)入量產(chǎn)階段。

◆除了鷗翼門，奔馳300SL給我們留下了什么？

在庫爾特·施納弗撰寫的報告中，他明確指出了汽油直噴技術(shù)在四沖程發(fā)動機(jī)中的可行性。與化油器相比，它可以達(dá)到更好的燃燒效果，但二沖程發(fā)動機(jī)不適合使用這種技術(shù)。

基于之前的工作經(jīng)驗和二沖程直噴發(fā)動機(jī)的情況，奔馳在1952年開始研發(fā)三升直噴四沖程汽油發(fā)動機(jī)，這款發(fā)動機(jī)的噴油壓力在45bar左右。經(jīng)過一系列后續(xù)的加載測試，最終進(jìn)入組裝量產(chǎn)階段?？梢哉f，這是汽車直噴汽油機(jī)的第一步。通過對兩款奔馳300SL的對比發(fā)現(xiàn)，搭載缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)的奔馳300SL不僅油耗更低，而且發(fā)動機(jī)最大功率提升了10%左右，發(fā)動機(jī)在低速時具有良好的響應(yīng)能力。

生是死，這是歷史的選擇。

但是，從目前的情況可以看出，在如今的汽車發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)技術(shù)是近幾年才出現(xiàn)在人們面前的，而那段歷史也告訴我們，這并不是一項新生的技術(shù)，可以毫不夸張地說，汽車企業(yè)正在炒歷史的冷飯。缸內(nèi)直噴技術(shù)為什么從誕生之日起就沒有延續(xù)下去？

事實上，在梅賽德斯-奔馳將這種技術(shù)的發(fā)動機(jī)組裝成量產(chǎn)車后的20年里，許多廠商持續(xù)不懈地對發(fā)動機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，使其節(jié)油優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。的確，缸內(nèi)直噴技術(shù)可以降低發(fā)動機(jī)的油耗水平，但成本卻不如同期逐漸發(fā)展起來的歧管噴射汽油機(jī)，而覆蓋灰塵的缸內(nèi)直噴技術(shù)的一個重要原因就是當(dāng)時汽油價格較低。顯然，當(dāng)時的那個使用環(huán)境無法凸顯節(jié)油優(yōu)勢，于是歧管噴射汽油機(jī)開始流行起來。

◆歧管噴霧是什么樣子的？

缸內(nèi)直噴技術(shù)會導(dǎo)致霧霾？

現(xiàn)在，面對汽油價格和排放法規(guī)的壓力，缸內(nèi)直噴技術(shù)又重新回到了人們的視線。然而回歸之后，所謂的新技術(shù)看似美好，但經(jīng)過一段時間的普及使用，人們開始發(fā)現(xiàn)它帶來的一些新煩惱。

●對煙霧的影響

以前霧霾和直噴發(fā)動機(jī)總是有不和諧的聲音。指出缸內(nèi)直噴系統(tǒng)在燃料由霧化向氣化過渡的過程中，沒有足夠的時間和空條件，使得廢氣中含有大量顆粒。

上述說法是從缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)推斷出來的。直觀地說，歧管噴射系統(tǒng)的噴嘴固定在進(jìn)氣歧管上。在噴射燃油時，燃油沿著進(jìn)氣口通過氣門進(jìn)入氣缸，為處于油氣混合狀態(tài)的燃油完成霧化到氣化的過渡提供了一定的時間。

看看缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。噴油器直接固定，將燃油噴入氣缸。雖然燃料的霧化能力在高壓泵的驅(qū)動下更好，但由于燃料直接噴射到高溫氣缸中，留給燃料汽化的時間非常短，這也為更多顆粒的排放創(chuàng)造了條件。

近日，日本環(huán)保機(jī)構(gòu)圍繞這一問題進(jìn)行了一系列對比試驗，最終確認(rèn)采用缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)動機(jī)比采用歧管噴射技術(shù)的發(fā)動機(jī)顆粒濃度更高。換句話說，同級別的兩款車，直噴發(fā)動機(jī)的車比歧管噴射發(fā)動機(jī)的車排放的顆粒物多，所以成為霧霾天氣的一個誘因。

測試共使用了三款車，其中一款是2021年的日系車，搭載了直噴發(fā)動機(jī)，另一款是2021年的同一款車，但搭載了普通的電噴發(fā)動機(jī)。有趣的是，在這次測試中，他們還在2021年發(fā)現(xiàn)了一輛搭載缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)的歐洲汽車。不幸的是，測試組織沒有公布具體的模型。

測試方用“JC08車型”對這三款車的排放質(zhì)量進(jìn)行了分析，包括尾氣中顆粒物的數(shù)量和直徑分布。

“圖中紅線和藍(lán)線分別是2021年和2021年執(zhí)行的歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)”

從圖片中我們可以看到，兩款采用不同噴射技術(shù)的日系車，顆粒數(shù)量有10倍以上的差距。與日本直噴發(fā)動機(jī)車相比，來自歐洲的直噴發(fā)動機(jī)車在這方面的表現(xiàn)更差，達(dá)到日本直噴發(fā)動機(jī)車的5倍。然而，這個結(jié)果是相對于每個階段的排放標(biāo)準(zhǔn)而言的。

通過本次測試，在一定程度上也驗證了與歧管噴射發(fā)動機(jī)相比，直噴發(fā)動機(jī)對霧霾環(huán)境的影響更大。至于日本和歐洲的直噴發(fā)動機(jī)哪一派對霧霾天氣的影響更大，顯然我們不能在兩車測試后就妄下結(jié)論。

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)雖然顆粒物排放比普通電噴發(fā)動機(jī)嚴(yán)重，但遠(yuǎn)不及配備柴油發(fā)動機(jī)的大型貨車，尤其是排放黑煙、排放不達(dá)標(biāo)的柴油車，對環(huán)境的危害更大。

本次測試只是對汽車尾氣中顆粒物的測試，但綜合來看，缸內(nèi)直噴技術(shù)仍能幫助發(fā)動機(jī)優(yōu)化排氣品質(zhì)，與歧管噴射技術(shù)相比在油耗和動力性能上有一定優(yōu)勢，這也是歷史上再次選擇缸內(nèi)直噴技術(shù)的重要原因。

缸內(nèi)直噴技術(shù)會加速積碳的生成？

●缺乏自清潔能力導(dǎo)致進(jìn)氣門積碳嚴(yán)重。

首先，積碳是發(fā)動機(jī)運(yùn)行中不可避免的現(xiàn)象。然而，對于直噴式發(fā)動機(jī)來說，燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也會對積碳的形成產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率下降、油耗增加等問題。

◆積碳在哪里？

正常情況下，節(jié)氣門、進(jìn)氣歧管、進(jìn)氣門、氣缸、噴油器等都會形成積碳。，根據(jù)一定的維護(hù)周期，可以通過不拆卸清洗的方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟鹦?。一方面，我們希望發(fā)動機(jī)在運(yùn)行過程中盡可能抑制積碳的“滋生”，而油品質(zhì)量是一個重要因素。此外，發(fā)動機(jī)能做些什么？

燃油噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化也導(dǎo)致了兩種發(fā)動機(jī)在形成積碳的區(qū)域存在差異。其實汽油也是非常好的積碳清洗劑。當(dāng)歧管噴射發(fā)動機(jī)運(yùn)行時，從噴嘴噴出的汽油通過進(jìn)氣口和進(jìn)氣門進(jìn)入氣缸。在這個過程中，汽油可以順便清洗這些零件，而缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)沒有這種“自清潔”功能，因為噴嘴直接探入氣缸。

◆為什么進(jìn)氣門背面容易形成積碳？

與排氣閥背面相比，進(jìn)氣閥背面積碳相對嚴(yán)重。曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)是主要誘因。機(jī)油蒸汽將被引入進(jìn)氣歧管，然后通過進(jìn)氣門進(jìn)入氣缸燃燒。由于前期油和油蒸氣分離不完全，會混入少量油。在高溫的作用下，附著在進(jìn)氣口和進(jìn)氣門背面的機(jī)油會形成積碳，如果沒有“自清潔”能力，這種情況會更加嚴(yán)重。另一方面，在高溫和排氣流的作用下，排氣閥本身積碳的壓力小于進(jìn)氣閥。

因此，對于缺乏“自清潔”能力的缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)來說，進(jìn)氣門背面積碳的關(guān)鍵問題在于曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，但它是維持發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此只有曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)才能再次優(yōu)化。

◆為什么曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)很重要？

在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，燃燒室中形成的高壓氣體會通過活塞環(huán)沖進(jìn)曲軸箱，導(dǎo)致曲軸箱內(nèi)壓呈上升趨勢。如果不加以控制，這種情況會直接影響發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)。因此，有必要依靠曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)來連續(xù)導(dǎo)出沖進(jìn)曲軸箱的混合氣體。為了符合環(huán)保要求，混合氣體必須送入氣缸重新燃燒。

◆在發(fā)動機(jī)研發(fā)過程中沒有考慮到曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)容易造成進(jìn)氣門積碳嗎？

燃油噴射技術(shù)的改進(jìn)導(dǎo)致發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)略有變化。工程師們一定在R&D和驗證階段考慮過這個問題。噴油技術(shù)的提高對發(fā)動機(jī)的整體質(zhì)量有了更高的要求，所以我們還是把重點(diǎn)放在曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)上。

早期的發(fā)動機(jī)，從曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)回收的混合氣體沒有太多限制，基本都是直接送到氣缸燃燒。后來，為了控制通過這種方式進(jìn)入氣缸的混合氣體的成分，對過濾裝置進(jìn)行了優(yōu)化。從最初的單向閥到迷宮、旋風(fēng)和離心分離器，兩三個分離器組合使用，達(dá)到更好的分離效果，都是為了盡可能分離混合氣體中的機(jī)油。

但是，無論是使用性能更好的離心式油氣分離器，還是將兩種甚至三種分離器組合成一套油氣分離系統(tǒng)，都無法將油和油蒸氣完全分離，這意味著送到氣缸燃燒的混合物中會混入一定量的油。更重要的是，直噴發(fā)動機(jī)缺乏進(jìn)氣門處的“自清潔”能力，這為積碳的形成創(chuàng)造了條件。

◆積碳怎么辦？

從這個角度來看，除了正常情況下產(chǎn)生的積碳，對于缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)來說，進(jìn)氣門背面的積碳確實很棘手。既然是不可避免的，那就只能通過針對性的清洗來去除。正常情況下，我們可以采用不拆卸清洗的方式清洗進(jìn)氣口和進(jìn)氣門。與普通電噴發(fā)動機(jī)相比，積碳的清洗周期可能會根據(jù)具體的使用條件而縮短。之后，我們會有一篇專門介紹積碳清理內(nèi)容的文章。

編輯摘要:

毫無疑問，在新能源技術(shù)尚未成熟的時候，我們只能對現(xiàn)有的成熟技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足當(dāng)前的需求。在油耗和排放法規(guī)的推動下，歷史再次選擇了汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)，其普及對汽油機(jī)的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。通過對噴油量的精確控制和發(fā)動機(jī)工況的管理，缸內(nèi)直噴技術(shù)的汽油機(jī)與歧管噴射發(fā)動機(jī)相比，在燃油經(jīng)濟(jì)性方面具有一定的優(yōu)勢。為了進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)效率，

然而，正如本文中提到的，這兩個缺點(diǎn)。雖然油耗較低，但廢氣中的顆粒物含量高于歧管噴射發(fā)動機(jī)。另外，進(jìn)氣門積碳的問題確實困擾著一些車主。當(dāng)然，人們不會因此而懷疑這項技術(shù)的優(yōu)勢，更全面地了解它也沒有錯。隨著各國排放法規(guī)的逐步完善和發(fā)動機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步提高，相信缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的優(yōu)勢會越來越突出。