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 本田三菱雷诺的稀薄燃烧技术详解

本田飞度1.3匹配的发动机从结构上看起来没有什么亮点,甚至有些落后??每缸两气阀设计,单顶置凸轮轴。但是本田却宣称它的这款发动机的技术是世界同步的,甚至比它1.5的4气阀VTEC发动机还要先进,这是为什么呢?

熟悉飞度的都知道,飞度1.3的这款发动机被本田称作i-DSI发动机,之所以先进,也就是这个i-DSI。那这个i-DSI有什么特殊呢?是不是本田在搞噱头?从参数看,60千瓦的功率也却是没有什么值得夸耀的,这款发动机显然注重的不是高功率输出。

从本田的宣传来看,i-DSI就是双火花塞点火,它可以提高燃烧效率。

其实,这款发动机真正的核心技术是“稀薄燃烧”技术,双火花塞的设计只是为了实现这种“稀薄燃烧”所采用的手段而已。这篇文章,我们就来重点讨论一下“稀薄燃烧”技术。这种技术的最大特点就是燃烧效率高,经济、环保,同时还可以提升发动机的功率输出。因为在稀薄燃烧的条件下,由于混合气点火比理论空燃比条件下困难,暴燃也就更不容易发生,因此可以采用较高的压缩比设计提高热能转换效率,再加上汽油能在过量的空气里充分燃烧,所以在这些条件的支持下能榨取每滴汽油的所有能量。

本田的i-DSI发动机的稀燃技术。

本田这款发动机采用的是比较少见的缸外稀薄燃烧技术,虽然没有缸内直喷先进,但是相对于直喷发动机而言成本低廉。

 

我们还是先来说说什么叫做稀薄燃烧吧。所谓稀薄燃烧,是指通过提高发动机内混合气的空燃比,让混合气在空燃比大于理论空燃比数值的状态下燃烧。说得直白一些,就是让汽油在很稀的混合状态下燃烧。我们知道,理论空燃比是发动机的一个基本参数,普通发动机是不能随便改变空燃比的,那如果要让发动机实现稀薄燃烧,就必须具备两个条件:

首先,稀薄燃烧技术需要很强的点火能量。这一点很好理解,混合气里面汽油的比例小了,混合气被点燃就需要更大的能量,而i-DSI发动机采用双火花塞设计,就能很好的满足这一需求。

其次,稀薄燃烧技术需要空气能跟汽油充分混合。汽油在混合气中的比例减小了,对于空气与燃油的混合要求就更高了。如果燃油不能与空气充分混合,当火花塞点火的时候,遇到混合不均匀的混合气中汽油更少的部分,点火将更加困难。本田给这款发动机采用了传统的2气阀设计,因为2气阀发动机能在混合气进入汽缸以后能较强的涡流,让汽油跟空气有更多混合的机会。

i-DSI发动机就是通过这些手段解决了稀薄燃烧的基本需求,实现稀薄燃烧的。由于i-DSI是在普通缸外喷油发动机的基础上开发的,所以它更注重的是燃油经济性,而对于功率输出,则没有太大帮助。i-DSI发动机通过燃烧“更稀的混合气”达到同等功率输出的情况下,燃烧更少的汽油。换句话说,就是让汽油能够更充分的燃烧,尽可能的让所有的汽油都变成动力释放出来,从而降低燃油消耗。从本田的宣传也能看出,对于飞度1.3,它一直宣称的就是能达到同级别发动机中最低的燃油消耗(而没有宣传过动力输出)。

三菱GDI汽油直喷发动机

国产哈飞赛马有一个很有趣的现象,在国内最北端哈尔滨生产的汽车,却在国内的最南端广东卖得好——与北方的销售不温不火相比,赛马在广东的销量确实不错。除了广东是日系车的天堂以外,还有一个很重要的原因,就是赛马的原型车Dingo在广东的近邻香港口碑非常不错,无论是动力性能还是经济性能,反映都非常好。

其实,虽然外形几乎完全一样,赛马和Dingo还是有本质区别的,最大区别就在发动机。香港市场上出售的Dingo装配的1.5GDI是其最大的卖点。为何赛马没有装配GDI发动机呢?除了成本原因以外,还有没有其他原因呢?

熟悉三菱的人一般都知道GDI,这是三菱缸内直喷发动机技术的英文缩写,全称是Gasoline Direct Injection。三菱很早就开发了GDI发动机,是日系品牌中缸内直喷技术的倡导者。目前,三菱已经将GDI技术普及到不同平台的发动机,无论是小排量的1.5L直列四缸发动机还是大排量的4.5LV8发动机,都有采用GDI技术的机型。

三菱的GDI发动机通过稀薄燃烧技术,让燃料消耗减少20%-35%,让二氧化碳排放减少20%,而输出功率则比普通的同排量发动机10%。这些指标看起来是非常诱人的,缸内直喷真的这么神奇吗?它的原理是什么?下面,我们就来讨论一下这个问题。

缸内直喷技术是稀薄燃烧技术的一个分支。与普通发动机最大的不同之处就在于它的直接喷射系统。其实缸内直喷并不是什么新鲜技术,在很多年以前,许多柴油发动机就采用了这种技术设计,而将它运用在汽油发动机上,才属于几年的事情。

简单的说,缸内直喷技术有两大好处:

1、发动机能在火花塞点火之前把汽油直接喷射到高压的燃烧室,同时在ECU的精确控制下,使混合气体分层燃烧。这种技术可以让靠近火花塞处的混合气相对较浓,远离火花塞的混合气相对较稀,从而更有效的实现“稀薄”点火和分层燃烧。

2、由于汽油是直接被喷射到汽缸内的,与传动的缸外喷射相比,混合气体不需要经过节气阀,因此能减小节气阀对混合气体产生的气阻。

传统的MPi(multi-point injection)缸外喷射发动机,其燃料是被喷射到进气管当中的。为了让汽油被喷射到进气管以后有足够的时间跟空气混合,喷油器需要与气门隔着一段距离,待汽油与空气在这段空间充分混合以后,再被引入到汽缸当中燃烧。对于这种传统的设计,如果将汽油直接喷射到汽缸内,势必会造成空气与汽油没有足够的时间混合,这种没有混合的气体,显然是不能满足发动机点火需求的。缸内直喷发动机首先要解决的就是这个问题。

我们先来看看三菱是怎么样解决的:

这张图就是GDI发动机与传统MPI发动机的不同结构图:

 

从图上可以看出,与普通的缸外喷射发动机不一样,GDI采用的垂直进气歧管设计,并且在活塞头部设计了一个凸起的形状。采用了这种设计以后,当活塞在进行压缩冲程的时候,汽缸内会形成强大的涡流。此时将汽油被直接喷射到燃烧室内,这股强大的涡流就能让汽油跟空气充分混合,从而解决了缸内直喷燃油与空气混合的问题。

当发动机运转在压缩行程的时候,气缸内的压力是非常大的。这对于缸内直喷发动机来说,普通的燃油泵就无法满足需求了。缸内直喷发动机的另一个重要特征就是它的燃油泵的供油压力非常高,这样才能将汽油有效的喷射到高压的燃烧室内。

GDI发动机的喷油过程共分两个阶段,也就是两次喷油。

辅喷油阶段:在发动机运行进气行程时,发动机会进行一次喷油,这次喷油是辅喷油,喷油的数量不大,喷油的主要目的也不是为了点火燃烧。当一定数量的汽油在进气行程被喷射到汽缸内的时候,这部分少量的汽油会汽化挥发,我们都知道,液体的汽化和挥发是会吸收热量的,这样就能降低汽缸内的温度。气缸内的温度低了,气缸内可以容纳的气体密度就会自然增大。所以这次喷油的后果在给气缸降温的同时,还可以提高进气密度,让更多的空气进入到汽缸,而且能确保汽油跟空气均匀的混合。

 

主喷油阶段:第二次喷射是主喷油过程。当活塞即将达到发动机压缩行程的上止点时,在火花塞点火之前,会有一定量的汽油再次被喷出,这次喷射被成为主喷油。此时,活塞的凹面会使混合气在火花塞周围形成一个浓度较高的区域,这种相对较浓的混合气能在火花塞点火的情况下被顺利点燃,而周围混合气较稀的区域是无法被火花塞的火焰直接点燃的,它只能在中心区域成功燃烧以后,利用燃烧产生的能量同时点燃。

由于采用了上述设计,GDI发动机能在40:1的超稀空燃比情况下正常运转,而且它的空燃比能比普通缸外喷射发动机的空燃比更稀。这样的好处是显而易见的,在这种稀薄燃烧的情况下,燃料可以更加充分的燃烧,榨取每一滴燃油的所能产生的动能,与此同时,由于燃烧充分,可以大幅度减少未燃烧的气体从发动机里排出,从而获得更低的排放。

GDI的分两段喷油除了实现上述好处以外,还能有效减小爆震的产生,从而可以采用更高的压缩比,获得更强劲的动力输出。我们都知道,爆震的产生是因为汽缸内温度和压力过高,从而导致混合气自燃导致的,换句话说,就是当活塞行程还未达到点火提前角时,混合气就开始燃烧。由于汽油的燃烧特性,普通发动机的压缩比往往不能设计的太高,否则就很容易产生爆震。由于GDI的喷射是分两个阶段进行的,第一阶段的预喷射能在汽油挥发的作用下带走大量缸内热量,降低汽缸温度,因此能非常有效的减小爆震的机率。所以,GDI发动机可以采用高达12.5:1的压缩比设计,从而有效的提高了功率输出。

GDI的氮氧化物排放:虽然GDI发动机可以降低整体的废气排放污染,但是同时它有一个非常大的缺点,那就是氮氧化物的排放非常高。为了减小这类污染物的排放,需要采用有效的有针对性的三元催化装置才能保证尾气的排放达到环保部门的要求。但是在国内,油品中的含硫量非常高,这种含硫量高的汽油燃烧后很容易产生硫化物,这种硫化物会让催化器中毒,从而导致催化反应失效,这样一来GDI发动机高排放的氮氧化物无法得到还原处理。这也就是为何到目前为止,国内没有一款匹配GDI发动机的车型销售(包括进口汽车)的原因了。

雷诺IDE (Injection Direct ESsence)直喷发动机

对于三菱GDI发动机在排放方面的缺陷,雷诺开发出了更好的解决办法。雷诺的IDE发动机是其首次在欧洲推出的缸内直喷发动机,它使用了另一种不同的设计彻底解决了三菱GDI发动机的问题。IDE仍然采用了空气和燃油稀薄混合,但同时加大了EGR阀废气循环量。EGR是Exhaust Gas Recirculation的缩写,翻译成中文就是废气再循环的意思。这项技术可以减小燃油消耗量,并且有效的降低燃烧温度——这一点,就是它有效解决GDI发动机排放问题的根源。众所周知,空气主要是由氮气、氧气、二氧化碳以及一些其他惰性气体组成的。其中占比例最大的氮气是一种非常稳定的气体,通常情况下很难被氧气直接氧化。但是如果处在高温高压的情况下,平时十分稳定的氮气则很容易与氧气发生反应,从而生成十分有害的氮氧化物。普通的发动机,包括上面提到的GDI发动机,在其正常工作时,气缸内的工作环境正好是处于高温高压状态,这样一来,空气和燃油混合的混合气体燃烧以后很容易生成氮氧化物。这对于缸内直喷的发动机来说,问题尤为突出。由于缸内直喷发动机的压缩比通常会设计得比较高,缸内压力比普通发动机更大,从而更容易产生氮氧化物。我们都知道柴油发动机排放的氮氧化物通常会比汽油发动机高出许多,主要也就是因为柴油发动机的压缩比高的缘故。在无法降低压力的情况下(因为高压缩比是提高发动机效率的必要手段),要减小氮氧化物的排放只能是通过降低气缸内的燃烧温度。IDE发动机的EGR废气再循环系统,就是通过把一部分排出气缸的废气再次引入到进气管内跟新鲜的空气和燃油混合燃烧,来降低燃烧室的温度的。我们知道,燃烧完的废气是不能再燃烧的,这些废气被引入到气缸内以后,会占据一部分气缸内的有效体积,这个效果相当于降低了发动机的排量,这样自然能有效降低燃烧温度,同时排放的废气自然就降低了。

如果你不了解EGR废气再循环系统,可能会不太理解,那我们下面就来详细讨论一下EGR的工作原理。

上面已经说到,EGR是废气再循环系统,它通过将部分排放的废气重新引燃燃烧室中燃烧,来达到一系列功效,如降低排放、提高经济性、降低燃烧室的温度等等。那EGR系统是如何达到这些功效的呢?

众所周知,废气是不能再燃烧的,将废气引入到气缸内,就相当于减小了发动机的排量。

 

比方说,如果EGR引入10%的废气进入气缸,就会占据10%的气缸容积,自然留给混和气的容积就减少了10%,这种状况下,也就相当于发动机的排量也就减小了10%。这种EGR系统是在ECU的控制下工作的,在全负荷工况(例如大力踩下加速踏板)的时候,EGR系统是不工作的。而在普通工况下,EGR系统才会启动。这样一来,匹配了EGR系统的发动机就相当于一台可变排量的发动机,在需要大马力的时候是大排量发动机,可以获得足够的动力;在日常行车,不需要过多动力的时候是小排量发动机,可以获得更好的经济性和更低的排放。

普通发动机配备EGR系统的时候,通常只有10%-15%的废气利用率,因为引入过多的废气会减小混和气的浓度,导致混和气难以点燃。雷诺IDE由于采用了缸内直喷设计,可以引入达到25%的废气循环使用。那么IDE发动机是怎么样利用了25%的废气以后还能保证发动机正常工作的呢?这得益于它的缸内直喷系统。雷诺的 IDE直喷系统与其他直喷发动机最大的不同就是它的喷油器布置在气缸盖的中心,就是平常布置火花塞的位置。这套西门子的喷油器能喷射能喷射出高达100bar的高压汽油,汽油直接进入燃烧室于空气混合。然后在火花塞周围形成一个很浓的混合区域,其浓度足够能被火花塞点燃,这样才能实现25%的废气混合。

除了精确喷射以外,普通发动机在喷油时只能将汽油处理成雾状的小液滴,因此进入燃烧室的汽油的浓度是相同的,其结果是不能在火花塞周围形成较浓的区域。IDE发动机在不同工况下,分三段调节EGR废气再循环量。在全负荷工况下,不引入废气进行燃烧,这样能最大程度的获得功率输出,这种情况下的工况与三菱的GDI是一样的。虽然这个时候发动机也满负荷工作,燃料消耗比较大,但与传统的发动机相比仍然能减少16%的燃油消耗。通过这些技术的采用,一台1998CC排量的IDE发动机能输出140匹的功率和200牛米的扭力。虽然排量相同的没有配备IDE但配备了可变气门正时系统的发动机,也能输出140匹的功率,但是它只能输出188牛米的扭力。也许有人说,为何不把可变气门正时与IDE都匹配在同一台发动机上?这种想法工程师不是没有想到过,但是将可变气门正时匹配在IDE发动机上,会导致动力输出不平顺。

国内生产的车型采用稀燃技术发动机的,除了飞度1.3以外,还有去年刚刚上市的奥迪A6 2.0T FSI发动机,对于大众的FSI技术,我们将在另外一篇文章里专门讨论。

 

 

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