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扬州圣丰:汽油机,从柴油机上“偷”了哪些技术?

发布日期:2017-03-30 09:22:36

          稍微对发动机有所了解的人都明白,汽油机和柴油机有着天壤之别,最显著的区别当然是汽油机烧的是汽油,柴油机烧的是柴油。对于燃烧方式,两者也是明显不同的,汽油机是点燃的,而柴油机是压燃的。相比而言,汽油机的压缩比较低,一般在9-11之间,而柴油机的压缩比高,一般为15-22。柴油机的燃烧效率也比汽油机高,一般为34%--45%,而汽油机只有30%左右。汽油机的主要排放物是HC和CO,而柴油机的主要排放物还有NOx和颗粒物(PM),因此后处理装置也是不一样的,汽油机主要是三元催化剂,而柴油机主要有DPF(颗粒捕集器)和SCR(选择性催化还原)。

  柴油发电机的功率大、热效率高,汽油机就眼红了,于是就从柴油机上“偷”了不少技术,经过工程师的调试与优化,不断地提高汽油机的性能,提高热效率,从而达到节能减排的目的。

 

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NO.1 缸内直喷


   由于柴油机用的燃料是柴油,它的粘度比汽油大,且不容易蒸发,而其自燃温度却比汽油低。柴油发动机工作时,进入气缸的是空气,气缸中的空气压缩到终点的时候气体处于高温高压的状态(T=500-700°C,P=40-50 bar),活塞接近上止点时,供油系统的喷油嘴以极高的压力(一般为2000bar)在极短的时间内向气缸燃烧室喷射燃油,柴油形成细微的油粒,与高温高压的空气混合,可燃混合气自行燃烧,猛烈膨胀产生爆发力,推动活塞下行做功。
而汽油粘性小,蒸发快,进气道喷射的发动机的喷射系统将汽油喷入进气道中,通过与空气混合,形成可燃混合气,经过压缩达到一定的温度和压力后,用火花塞点燃,使气体膨胀做功。


   而缸内直喷(GDI)技术则是汽油机从柴油机“偷”来的,缸内直喷发动机的喷射系统直接将汽油喷射到燃烧室内,形成油气混合气。这样缸内直喷的发动机就可以根据进气门开启和关闭的时刻,来精确知道进入汽缸燃烧的空气量的多少,从而根据进气量来决定喷出的燃油量。而进气量可以通过整车的负荷来决定,在怠速或者低负荷时,进气门开度小,喷油量少。高负荷时,进气门全开,进气量大,喷油量也大,保证发动机的功率能满足需求。这样,既能保证发动机功率,又能实现节能环保的目标。但需要强调的一点是,即使是缸内直喷的汽油机,压缩的仍然是油气混合气,只是将喷油的位置从进气道变到了燃烧室内,而柴油机压缩的是空气,这是缸内直喷的汽油机和柴油机显著的不同。而且缸内直喷汽油机虽然也是高压喷射(20bar左右),但是相比柴油机的高压来还是小巫见大巫。


NO.2 涡轮增压


   涡轮增压技术最早是在船用柴油发动机上开始采用的,随后在军用飞机以及军舰上逐步采用。在汽车用涡轮增压动力早期的发展史中,卡特彼勒是率先将涡轮增压技术推广到乘用车发动机上的企业之一。直到上世纪七十年代,涡轮增压技术才因为石油危机的原因迎来了大发展的时期。1973年爆发的石油危机直接导致了汽油和柴油价格在全球范围内的疯涨,此时在商用车市场中搭载涡轮增压器的柴油车开始热销。随后,涡轮增压发动机开始在赛道上大放异彩,1968年,搭载涡轮增压发动机的STP-Paxton赛车获得了Indy500赛事的冠军。由于涡轮增压先是搭载在柴油机上,随后才搭载在汽油机上,因此也能认为是汽油机从柴油机上“偷”过来的。


涡轮增压原理


   涡轮增压都是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮,涡轮带动同轴的叶轮,叶轮压缩输送由空气滤清器管道来的空气,使之增压之后进入气缸。当发动机转速增快,废气的排出速度与涡轮转速也同步增快,叶轮又压缩更多的空气进入气缸,空气的压力和密度增大可以使更多的燃料充分燃烧,相应的增加燃料量和调整一下发动机的转速,就可以实现增加发动机的输出功率了。
大众宣传的高科技神器——TSI DSG的黄金组合中的发动机,便是采用了缸内直喷和涡轮增压技术的组合,其实两者都是从柴油机上“偷”来的,不过在欧洲,乘用车中,柴油车的比例本来就不比汽油车低,有着丰富的研究和 制造柴油机经验的大众,将柴油机的优势移植到汽油机上也是情理之中的事。


NO.3 高压缩比


   内燃机气缸总容积与燃烧室容积的比值,是内燃机的重要结构参数。活塞处于下止点时气缸有额定容积,用Va表示;活塞处于上止点时气缸内的容积称为燃烧室容积,用Vc表示。内燃机的压缩比ε=Va/Vc,它表示活塞从下止点移动到上止点时气缸内气体被压缩的程度。汽油机一般为9-11,柴油机为15-22,由此可见,柴油机的压缩比远远高于汽油机。
压缩比对内燃机性能有多方面的影响。压缩比越高,热效率越高,但随压缩比的增高,热效率增长幅度越来越小。压缩比增高使压缩压力、最高燃烧压力均升高,故使内燃机机械效率下降。但总体来说,提高压缩比可以提高发动机的效率。这也是柴油机的效率大于汽油机的关键原因。


   既然如此,汽油机为什么不提高压缩比呢?这是由于汽油机如果压缩比过高的话容易产生爆震。当发生爆震时如果爆震程度较为严重时,对发动机是极为有害的。此时,气缸内的燃烧反应极为剧烈,压力变化异常,由此所产生的冲击波会使得燃烧室内的气体产生震动,甚至可以听到发动机气缸内产生金属敲击声,严重情况下会损坏发动机,将缸体击穿,产生不可逆转的损坏。


   因此提高压缩比的制约因素是爆震,一般的汽油机压缩比在11左右,能到12已经算是很高了,而马自达对外宣称其创驰蓝天技术的发动机能达到13:1的压缩比,但是这个“压缩比”却大有文章。这台发动机可以看做是阿特金森循环(或者米勒循环),从压缩比的定义上我们可以理解为活塞上下止点时气缸容积之比。但是,米勒循环的主旨在于追求“膨胀比大于压缩比”,所以在压缩冲程的开始阶段,进气门并没有关闭,而是偷偷的放走刚刚吸进的空气,这样看来,实际压缩冲程就被缩短了,实际压缩比也远远没有达到13:1。这就解释了为什么如此高压缩比的发动机可以不使用高标号燃油了。其实,广义上来说,这类发动机统称为“阿特金森-米勒循环发动机”,原理相同,目的都是提高热效率。


   由此我们可以发现,高压缩比是柴油机的法宝,汽油机努力了这么些年,也才升高了一点点,远不及柴油机的压缩比,可谓是“偷”也“偷”不走,但是汽车工程师仍在不懈的努力,通过各种手段在不发生强烈爆震的前提下提高汽油机的压缩比,从而提高汽油机的热效率。


NO.4 压燃


  “汽油是点燃的,柴油是压燃的”这是一个关于发动机的常识,但是这个常识也在逐渐被打破,汽油机正在“偷”柴油机压箱底的法宝——压燃。
均质充量压缩燃烧(HCCI, Homogeneous Charge Compression Ignition)是一种以往复式汽油机为基础的一种新型燃烧模式,简单来说就是汽油机的一种压燃方式,兼有传统汽油机均质混合气与柴油机高燃烧效率的优点,具有实现高效、低排放燃烧的巨大潜力。HCCI发动机和传统的汽油发动机一样,都是向汽缸里面注入比例非常均匀的空气和燃料混合气。传统的汽油发动机通过火花塞打火,点燃空气和燃料混合气产生能量。但HCCI发动机则不同,它的点火过程同柴油发动机相类似,通过活塞压缩混合气使之温度升高至一定程度时自行燃烧。


   实现HCCI必须对发动机进行改造,可变压缩比、EGR和VVT都是实现HCCI的手段,但是实现HCCI具有很大的局限性,只有在中、低负荷转速的工况下的HCCI才能达到最佳的燃烧效率和排放。而在起动阶段和高转速高负荷工况还必须采用传统的点燃方式。目前被主流所接受的方式是用在混合动力车型上和电动机配合或者HCCI/SI双模发动机。


   在理论研究方面,同济大学的李理光教授已通过改变EGR率和VVT实现了HCCI/SI的切换。在实际运用研发上,奔驰和GM走在了前列,其设计的HCCI发动机可以比传统发动机节油15%左右。相信随着技术难关的逐渐攻克,HCCI技术将会快速普及到大众当中,作为一种新的节能增效技术,为地球的蓝天作一份贡献。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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