圖解汽車（3） 發(fā)動機缸內(nèi)直噴原理解析

隨著對能源和環(huán)保的要求日趨嚴格，發(fā)動機也要不斷升級進化，才能滿足人們的需求。如時下的“缸內(nèi)直噴”、“分層燃燒”、“可變排量”等名詞相信大家并不陌生，到底它們的工作原理是怎樣的？下面我們一起來了解一下吧。

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● 活塞、曲軸是最“累”的？

　　發(fā)動一運轉(zhuǎn)，活塞的“頭上”就要頂著高溫高壓，不停地做高速上下運動，工作環(huán)境非常嚴苛。可以說活塞是發(fā)動機“心臟”，因此活塞的材質(zhì)制作精度都有著很高的要求。

　　而被活塞踩在“腳下”的曲軸也不好受，要不停地做高速旋轉(zhuǎn)運動。曲軸每分鐘要旋轉(zhuǎn)數(shù)千次，肩負著帶動機油泵、發(fā)電機、空調(diào)壓縮機、凸輪軸等機構(gòu)的艱巨任務(wù)，是發(fā)動機動力的中轉(zhuǎn)軸，因此它也比較“壯”。

● 直線運動如何變旋轉(zhuǎn)運動？

　　我們都知道，氣缸內(nèi)活塞做的是上下的直線運動，但要輸出驅(qū)動車輪前進的旋轉(zhuǎn)力，是怎樣把直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動的呢？其實這個與曲軸的結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。曲軸的連桿軸與主軸是不在同一直線上的，而是對立布置的。

　　這個運動原理其實跟我們踩自行車非常相似，我們兩個腳相當于相鄰的兩個活塞，腳踏板相當于連桿軸，而中間的大飛輪就是曲軸的主軸。我們左腳向下用力蹬時（活塞做功或吸氣向下做運動），右腳會被提上來（另一活塞壓縮或排氣做向上運動）。這樣周而復(fù)始，就有直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動了。

 ● 發(fā)動機飛輪為什么這么大？

　　都知道活塞的四個行程中，只有一次是做功的，進氣、壓縮、排氣三個行程都需要一定的力量支持才能順利進行，而飛輪在這個過程中就幫了很大的忙。

　　飛輪之所以做得比較大，主要是為了存儲發(fā)動機的運動能量，這樣才能保證曲軸平穩(wěn)的運轉(zhuǎn)。其實這個原理跟我們小時候的陀螺玩具差不多，我們用力旋轉(zhuǎn)后，它能保持相當長時間的轉(zhuǎn)動。

● 發(fā)動機的排量、壓縮比

　　活塞從上止點移動到下止點所通過的空間容積稱為氣缸排量；發(fā)動機所有氣缸排量之和稱為發(fā)動機排量，通常用升（L）來表示。如我們平時看到的汽車排量，1.6L、2.0L、2.4L等等。其實氣缸的容積是個圓柱體，不太可能正好是整升數(shù)的，如1998mL、2397mL等數(shù)字，可以近似標示為2.0L、2.4L。

　　壓縮比，即發(fā)動機混合氣體被壓縮的程度，氣缸總?cè)莘e與壓縮后的氣缸容積（即燃燒室容積）之比來表示。為什么要對氣缸的混合氣體壓縮呢？這樣可以讓混合氣體更容易、更快速的完全燃燒，從而提高發(fā)動機的性能和效率。

● 什么是可變排量？如何改變排量的？

　　通常為了獲得大的動力，需要把發(fā)動機的排量增大，如8缸、12缸發(fā)動機動力就非常強勁。但付出的代價就是油耗增加。尤其是在怠速等工況不需要大動力輸出時，燃油就白白浪費掉了，而可變排量就可以很好地解決矛盾。

　　可變排量，顧名思義就是發(fā)動機的排量并不是固定的（也就是說參加工作的氣缸數(shù)量是發(fā)生變化的），而是可以根據(jù)工況需要而發(fā)生改變。那發(fā)動機怎么來實現(xiàn)排量的改變的？簡單的說，就是通過控制進氣門和油路來開啟或關(guān)閉某個氣缸的工作。比如一臺6缸可變排量發(fā)動機，可以根據(jù)實際工況需要，實現(xiàn)3缸、4缸、6缸三種工作模式，以降低油耗，提高燃油的經(jīng)濟性。

　　如大眾TSI EA211發(fā)動機采用了可變排量（氣缸關(guān)閉）技術(shù)，主要是通過電磁控制器和安裝在凸輪軸上的螺旋溝槽套筒來實現(xiàn)氣門的關(guān)閉與開啟。

● 什么是缸內(nèi)直噴？有什么優(yōu)勢？

　　我們知道，傳統(tǒng)的發(fā)動機是在進氣歧管中噴油再與空氣形成混合氣體，最后才進入到氣缸內(nèi)的。在此過程中，因為噴油嘴里燃燒室還有一定距離，微小的油粒會吸附在管道壁上，而且汽油與空氣的混合受進氣氣流和氣門關(guān)閉影響較大。

　　而缸內(nèi)直噴是直接將燃油噴射在缸內(nèi)，在氣缸內(nèi)直接與空氣混合。ECU可以根據(jù)吸入的空氣量精確地控制燃油和噴射量和噴射時間，高壓的燃油噴射系統(tǒng)可以是使油氣的霧化和混合效率更加優(yōu)異，使符合理論空燃比的混合氣體燃燒更加充分，從而降低油耗，提高發(fā)動機的動力性能。

　　這套由柴油發(fā)動機衍生而來的科技目前已經(jīng)大量使用在包含大眾（含奧迪）、寶馬、梅賽德斯-奔馳、通用等車系上。

福特2.0L EcoBoost GTDi發(fā)動機采用了缸內(nèi)直噴技術(shù)，可通過以下鏈接了解更多：

● 什么是均質(zhì)燃燒？分層燃燒？

　　所謂“均質(zhì)燃燒”可以理解為普通的燃燒方式，即燃料和空氣混合形成一定濃度的可燃混合氣，整個燃燒室內(nèi)混合氣的空燃比是相同的，經(jīng)火花塞點燃燃燒。由于混合氣形成時間較長，燃料和空氣可以得到充分的混合，燃燒更均勻，從而獲得較大的輸出功率。

　　而分層燃燒，整個燃燒室內(nèi)的混合氣的空燃比是不同的，火花塞附近的混合氣濃度要比其他地方的要高，這樣在火花塞周圍的混合氣他可以迅速燃燒，從而帶動較遠處較稀的混合氣體的燃燒，這種燃燒方式稱為“分層燃燒”。均質(zhì)燃燒的目的是在高速行駛、加速時獲得大功率；分層燃燒是為了在低轉(zhuǎn)速、低負荷時節(jié)省燃油。

● 如何是實現(xiàn)分層燃燒？

　　如TSI發(fā)動機是怎樣實現(xiàn)分層燃燒的？首先，發(fā)動機在進氣行程活塞移至下止點時，ECU控制噴油嘴進行一次小量的噴油，使氣缸內(nèi)形成稀薄混合氣。

　　在活塞壓縮行程末端時再進行第二次噴油，這樣在火花塞附近形成混合氣相對濃度較高的區(qū)域（利用活塞頂?shù)奶厥饨Y(jié)構(gòu)），然后利用這部分較濃的混合氣引燃汽缸內(nèi)的稀薄混合氣，從而實現(xiàn)氣缸內(nèi)的稀薄燃燒，這樣可以用更少的燃油達到同樣的燃燒效果，進一步降低發(fā)動機的油耗。