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(dòng)機(jī)獎(jiǎng)勵(lì)、新發(fā)動(dòng)機(jī)等庫(kù)存項(xiàng)目的文章。其中，你會(huì)發(fā)現(xiàn)所選或新推出的發(fā)動(dòng)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(gè)典型的例子。無(wú)論是自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)還是增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，大部分都會(huì)采用缸內(nèi)直噴技術(shù)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的認(rèn)知，這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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。看完之后，你可能對(duì)這項(xiàng)備受推崇的技術(shù)有了新的認(rèn)識(shí)。

首先，本文只討論缸內(nèi)直噴汽油機(jī)。此外，本文還將對(duì)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)和普通電噴發(fā)動(dòng)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(chē)和工業(yè)排放的環(huán)境影響相比，一輛合格的汽車(chē)配備缸內(nèi)直噴汽油機(jī)對(duì)環(huán)境的影響可以忽略不計(jì)。

●歷史:我生錯(cuò)了時(shí)代。

節(jié)油和動(dòng)力性能的提高都是缸內(nèi)直噴技術(shù)能給汽油機(jī)帶來(lái)的好處。我們?cè)谥暗囊恍┪恼轮刑岬竭^(guò)。另外，考慮到大多數(shù)讀者對(duì)其優(yōu)勢(shì)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(jiǎn)史。相信你看完之后會(huì)忍不住感嘆。原來(lái)這一切都在中間。

◆最初用于軍事。

1917年，一臺(tái)配備缸內(nèi)直噴技術(shù)的汽油發(fā)動(dòng)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(guò)高，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題。雖然在隨后的改進(jìn)中壓縮比降低到6，但氣缸過(guò)熱的問(wèn)題無(wú)法解決。最后，測(cè)試結(jié)果并不令人滿意。在接下來(lái)的20年里，這項(xiàng)技術(shù)的可行性在不斷完善的過(guò)程中逐漸得到驗(yàn)證。當(dāng)時(shí)主要用在航空空領(lǐng)域，我們熟悉的幾家德國(guó)公司，比如寶馬、奔馳、博世、西門(mén)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(chē)

在汽車(chē)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(gè)多世紀(jì)（查成交價(jià)|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(dòng)機(jī)，最大功率約28馬力，最大扭矩58牛米。這款發(fā)動(dòng)機(jī)于1951年在法蘭克福車(chē)展上亮相，隨后進(jìn)入量產(chǎn)階段。

◆除了鷗翼門(mén)，奔馳300SL給我們留下了什么？

在庫(kù)爾特·施納弗撰寫(xiě)的報(bào)告中，他明確指出了汽油直噴技術(shù)在四沖程發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)不適合使用這種技術(shù)。

基于之前的工作經(jīng)驗(yàn)和二沖程直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的情況，奔馳在1952年開(kāi)始研發(fā)三升直噴四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，這款發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油壓力在45bar左右。經(jīng)過(guò)一系列后續(xù)的加載測(cè)試，最終進(jìn)入組裝量產(chǎn)階段。可以說(shuō)，這是汽車(chē)直噴汽油機(jī)的第一步。通過(guò)對(duì)兩款奔馳300SL的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，搭載缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的奔馳300SL不僅油耗更低，而且發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率提升了10%左右，發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)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(chē)發(fā)動(dòng)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(xiàng)新生的技術(shù)，可以毫不夸張地說(shuō)，汽車(chē)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(méi)有延續(xù)下去？

事實(shí)上，在梅賽德斯-奔馳將這種技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)組裝成量產(chǎn)車(chē)后的20年里，許多廠商持續(xù)不懈地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，使其節(jié)油優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。的確，缸內(nèi)直噴技術(shù)可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗水平，但成本卻不如同期逐漸發(fā)展起來(lái)的歧管?chē)娚淦蜋C(jī)，而覆蓋灰塵的缸內(nèi)直噴技術(shù)的一個(gè)重要原因就是當(dāng)時(shí)汽油價(jià)格較低。顯然，當(dāng)時(shí)的那個(gè)使用環(huán)境無(wú)法凸顯節(jié)油優(yōu)勢(shì)，于是歧管?chē)娚淦蜋C(jī)開(kāi)始流行起來(lái)。

◆歧管?chē)婌F是什么樣子的？

缸內(nèi)直噴技術(shù)會(huì)導(dǎo)致霧霾？

現(xiàn)在，面對(duì)汽油價(jià)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(guò)一段時(shí)間的普及使用，人們開(kāi)始發(fā)現(xiàn)它帶來(lái)的一些新煩惱。

●對(duì)煙霧的影響

以前霧霾和直噴發(fā)動(dòng)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(guò)渡的過(guò)程中，沒(méi)有足夠的時(shí)間和空條件，使得廢氣中含有大量顆粒。

上述說(shuō)法是從缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)推斷出來(lái)的。直觀地說(shuō)，歧管?chē)娚湎到y(tǒng)的噴嘴固定在進(jìn)氣歧管上。在噴射燃油時(shí)，燃油沿著進(jìn)氣口通過(guò)氣門(mén)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(guò)渡提供了一定的時(shí)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(dòng)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(shí)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(wèn)題進(jìn)行了一系列對(duì)比試驗(yàn)，最終確認(rèn)采用缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)比采用歧管?chē)娚浼夹g(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒濃度更高。換句話說(shuō)，同級(jí)別的兩款車(chē)，直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)比歧管?chē)娚浒l(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)排放的顆粒物多，所以成為霧霾天氣的一個(gè)誘因。

測(cè)試共使用了三款車(chē)，其中一款是2021年的日系車(chē)，搭載了直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，另一款是2021年的同一款車(chē)，但搭載了普通的電噴發(fā)動(dòng)機(jī)。有趣的是，在這次測(cè)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(dòng)機(jī)的歐洲汽車(chē)。不幸的是，測(cè)試組織沒(méi)有公布具體的模型。

測(cè)試方用“JC08車(chē)型”對(duì)這三款車(chē)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(chē)，顆粒數(shù)量有10倍以上的差距。與日本直噴發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)相比，來(lái)自歐洲的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)在這方面的表現(xiàn)更差，達(dá)到日本直噴發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)的5倍。然而，這個(gè)結(jié)果是相對(duì)于每個(gè)階段的排放標(biāo)準(zhǔn)而言的。

通過(guò)本次測(cè)試，在一定程度上也驗(yàn)證了與歧管?chē)娚浒l(fā)動(dòng)機(jī)相比，直噴發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)霧霾環(huán)境的影響更大。至于日本和歐洲的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)哪一派對(duì)霧霾天氣的影響更大，顯然我們不能在兩車(chē)測(cè)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(dòng)機(jī)嚴(yán)重，但遠(yuǎn)不及配備柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的大型貨車(chē)，尤其是排放黑煙、排放不達(dá)標(biāo)的柴油車(chē)，對(duì)環(huán)境的危害更大。

本次測(cè)試只是對(duì)汽車(chē)尾氣中顆粒物的測(cè)試，但綜合來(lái)看，缸內(nèi)直噴技術(shù)仍能幫助發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化排氣品質(zhì)，與歧管?chē)娚浼夹g(shù)相比在油耗和動(dòng)力性能上有一定優(yōu)勢(shì)，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(huì)加速積碳的生成？

●缺乏自清潔能力導(dǎo)致進(jìn)氣門(mén)積碳嚴(yán)重。

首先，積碳是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中不可避免的現(xiàn)象。然而，對(duì)于直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)積碳的形成產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、油耗增加等問(wèn)題。

◆積碳在哪里？

正常情況下，節(jié)氣門(mén)、進(jìn)氣歧管、進(jìn)氣門(mén)、氣缸、噴油器等都會(huì)形成積碳。，根據(jù)一定的維護(hù)周期，可以通過(guò)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(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中盡可能抑制積碳的“滋生”，而油品質(zhì)量是一個(gè)重要因素。此外，發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)在形成積碳的區(qū)域存在差異。其實(shí)汽油也是非常好的積碳清洗劑。當(dāng)歧管?chē)娚浒l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，從噴嘴噴出的汽油通過(guò)進(jìn)氣口和進(jìn)氣門(mén)進(jìn)入氣缸。在這個(gè)過(guò)程中，汽油可以順便清洗這些零件，而缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有這種“自清潔”功能，因?yàn)閲娮熘苯犹饺霘飧住?/p>

◆為什么進(jìn)氣門(mén)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(duì)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(guò)進(jìn)氣門(mén)進(jìn)入氣缸燃燒。由于前期油和油蒸氣分離不完全，會(huì)混入少量油。在高溫的作用下，附著在進(jìn)氣口和進(jìn)氣門(mén)背面的機(jī)油會(huì)形成積碳，如果沒(méi)有“自清潔”能力，這種情況會(huì)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(duì)于缺乏“自清潔”能力的缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，進(jìn)氣門(mén)背面積碳的關(guān)鍵問(wèn)題在于曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，但它是維持發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，燃燒室中形成的高壓氣體會(huì)通過(guò)活塞環(huán)沖進(jìn)曲軸箱，導(dǎo)致曲軸箱內(nèi)壓呈上升趨勢(shì)。如果不加以控制，這種情況會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)。因此，有必要依靠曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)來(lái)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(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程中沒(méi)有考慮到曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)容易造成進(jìn)氣門(mén)積碳嗎？

燃油噴射技術(shù)的改進(jìn)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)略有變化。工程師們一定在R&D和驗(yàn)證階段考慮過(guò)這個(gè)問(wèn)題。噴油技術(shù)的提高對(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)，從曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)回收的混合氣體沒(méi)有太多限制，基本都是直接送到氣缸燃燒。后來(lái)，為了控制通過(guò)這種方式進(jìn)入氣缸的混合氣體的成分，對(duì)過(guò)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(gè)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(wú)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(wú)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(huì)混入一定量的油。更重要的是，直噴發(fā)動(dòng)機(jī)缺乏進(jìn)氣門(mén)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(gè)角度來(lái)看，除了正常情況下產(chǎn)生的積碳，對(duì)于缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，進(jìn)氣門(mén)背面的積碳確實(shí)很棘手。既然是不可避免的，那就只能通過(guò)針對(duì)性的清洗來(lái)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(mén)。與普通電噴發(fā)動(dòng)機(jī)相比，積碳的清洗周期可能會(huì)根據(jù)具體的使用條件而縮短。之后，我們會(huì)有一篇專門(mén)介紹積碳清理內(nèi)容的文章。

編輯摘要:

毫無(wú)疑問(wèn)，在新能源技術(shù)尚未成熟的時(shí)候，我們只能對(duì)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(dòng)下，歷史再次選擇了汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)，其普及對(duì)汽油機(jī)的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。通過(guò)對(duì)噴油量的精確控制和發(fā)動(dòng)機(jī)工況的管理，缸內(nèi)直噴技術(shù)的汽油機(jī)與歧管?chē)娚浒l(fā)動(dòng)機(jī)相比，在燃油經(jīng)濟(jì)性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。為了進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，

然而，正如本文中提到的，這兩個(gè)缺點(diǎn)。雖然油耗較低，但廢氣中的顆粒物含量高于歧管?chē)娚浒l(fā)動(dòng)機(jī)。另外，進(jìn)氣門(mén)積碳的問(wèn)題確實(shí)困擾著一些車(chē)主。當(dāng)然，人們不會(huì)因此而懷疑這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，更全面地了解它也沒(méi)有錯(cuò)。隨著各國(guó)排放法規(guī)的逐步完善和發(fā)動(dòng)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(shì)會(huì)越來(lái)越突出。