阉割了分层燃烧,缸内直喷还有啥优势?

http://www.qipei.hc360.com2017年04月05日11:32 来源:车域无疆T|T

    【慧聪汽车配件网】说到缸内直喷发动机,大家第一想到的应该就是大众的黄金动力组合TSI+DSG。近几年大众凭借这一套黄金动力组合和成功的造型设计,登顶了国内市场的销量排行榜。

    可是,大家只是知道缸内直喷,却不知道大众在国内的车型,阉割掉了缸内直喷的孪生兄弟——分层燃烧。今天疆哥就带大家了解一下缸内直喷和分层燃烧纠缠不清的关系。

    1.什么是缸内直喷

    传统的发动机一般采用多点电喷技术,是指喷油嘴安装在进气岐管中,汽油在进气歧管内与空气混合,形成混合气后再进入气缸燃烧。多点电喷沿用了十几年,被一代又一代的优化和改进,有成本低,制造维护方便,性能稳定等优点。

    而缸内直喷,顾名思义就是指喷油嘴安装在发动机缸体上,汽油在火花塞点火前直接喷进发动机气缸。这种供油形式,汽油不需要先与空气在岐管中混合,而是直接进入气缸中,在很短的时间内就要与空气混合,做好点火前的准备。因此,缸内直喷对发动机的技术要求比较高。

    1)需要一套高压油轨系统,这套系统能保证喷油压力足够高,能够在需要的时刻将足够量的汽油在非常短的时间内精确的喷入到气缸。

    2)需要一组精密的多孔喷油嘴,使汽油能够在高压作用下迅速雾化,满足点火条件。

    3)活塞顶部的燃烧室形状也必须要经过多次的设计优化,使得喷入气缸中的汽油利用燃烧室的特殊形状,形成滚流,提高燃烧速率。

    可见,缸内直喷无论是在设计层面、制造层面以及电控方面,都要比多点电喷要求更高。

    2.缸内直喷与分层燃烧的关系

    普通的发动机在正常工作状态下,气缸内的汽油与空气混合充分,均匀地分布在气缸中的,这种燃烧方式为正常的均质燃烧。正常均质燃烧时,空气和汽油的比例大概是14.7,这就是我们所说的标准空燃比。当汽油比较稀时,实际空燃比就大于标准空燃比,也就是空气相对较多了。当汽油稀到一定的程度时,混合气就无法被点燃,这就是点火的边界条件。

    想象一下,如果有一种技术,能在点火的那一瞬间,让火花塞附近的混合气较浓,满足点火边界条件,而远离火花塞的混合气较稀,点火时火花塞附近的混合气先燃烧,火焰再传播到远离火花塞的燃烧室空间。这样一来,虽然整个燃烧室内混合气的平均浓度远低于燃烧边界条件,但是混合气依然可以被点燃。这种思路就是分层燃烧的核心原理。

    那么,要怎样才能实现在点火的一瞬间,火花塞附近的混合气较浓,其余地方的混合气较稀呢?多点电喷肯定不行,因为汽油喷射在进气岐管中,在进入气缸前就已经充分混合了,混合气进入气缸时就是均匀的了。基于此换个思路,如果把喷油嘴直接安装在气缸内,在点火前的一瞬间朝着火花塞附近的方向喷油,让汽油没有充分足够的时间跟气缸内的空气完全混合,火花塞附近的混合气较浓,而远离火花塞的混合气较稀,这样不就可以实现分层燃烧了!

    于是,缸内直喷和分层燃烧就像是一对孪生兄弟一样,被设计和制造出来。用一句话概括两者的关系就是(请容我用辩证唯物主义的台词装个逼):缸内直喷是分层燃烧的实现基础,而分层燃烧是缸内直喷能够省油的重要手段。

    3.大众在国内为什么要阉割掉分层燃烧

    由于分层燃烧在单位循环内的喷油量要远低于均质燃烧(空燃比接近40:1),因此采用了分层燃烧的发动机会比较省油。

    那么,为什么大众在国内的车型要阉割掉分层燃烧呢?答案是:跟排放有关!

    我们都知道,如果空气和汽油按标准空燃比混合,并且完全燃烧的情况下,有如下反应:

    燃料(碳氢化合物)+空气(氧和氮)=二氧化碳+水+未受影响的氮

    而在分层燃烧的过程中,由于空气远多于汽油,因此空气是富余的,而在高温高压的环境下,空气中的氮气和氧气则会相对反应,生产可恶的氮氧化物(NOX)。而且,其生产速度远超过三元催化器的催化速度。

    为了解决排放的氮氧化物,厂商在排气系统的三元催化器后面增加了一个叫氮氧化物存储催化器的东西,在分层燃烧工况时,它把平时多余的来不及催化的氮氧化物转化为硝酸盐的形式存储起来,在均质燃烧的工况下慢慢催化分解。

    这看起来解决了问题,但是,由于化学反应原因,氮氧化物存储催化器不仅仅会存储氮氧化物,还会将汽油中的硫存储起来,硫的存储会占据大量了反应物,降低转化效率。

    因此,使用分层燃烧的前提条件是要使用硫含量低的汽油。而目前国内的油品硫含量较高,见上图黄色曲线,不满足使用分层燃烧对汽油的要求,这就是大众在国内取消掉分层燃烧的原因。

    4.取消了分层燃烧后,缸内直喷还有什么优势?

    有人会说,取消了分层燃烧,缸内直喷就没有意义了。

    对于这个观点,疆哥认为,不完全错误,也不完全正确。分层燃烧的确是缸内直喷发动机很重要的一项技术,但纵使取消了分层燃烧,缸内直喷发动机依然有很多多点电喷发动机不可比拟的优点。

    1)缸内直喷将雾化的汽油直接喷入燃烧室内,由于汽油的相变(蒸发吸热),对燃烧室内的混合气有一定的冷却作用。因此,发动机的充量系数会相应增加,动力性有所提升。

    2)降温后的混合气在燃烧的过程中,爆震倾向降低,相应的,发动机的压缩比可以设计得更高,热效率也因此能得到提升,油耗下降。

    3)采用缸内直喷的发动机,喷油可以更精确。另外,由于喷油嘴和活塞顶的精密设计,使喷油形状和混合气在缸内的滚流控制得更细致,可以使燃烧更充分,热效率和排放都能有更好的提升。

    总结:

    缸内直喷和分层燃烧是一对孪生兄弟,虽然大众在国内取消掉了分层燃烧技术很可惜,但是没有分层燃烧的缸内直喷发动机在技术上依然是有一定优势,其动力性和燃油经济性相较于多点电喷发动机还是有所提高。最后,希望随着国内油品质量的逐步提升,分层燃烧的发动机能够早日在国内上线。

责任编辑:师洋洋

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