汽车的“心脏”汽油发动机,经历了3次重大变革,从化油器-电喷-直喷,其进化历程被浓缩在了百年之内。
化油器发动机:英雄迟幕,2002年退出市场
化油器最早诞生于1892年,由美国人杜里埃发明。随着技术的演进,化油器功能愈加完备,直到20世纪中后期,化油器已经分为5部分:主供油系统、起动系统、怠速系统、大负荷加浓系统(省油器)和加速系统。其作用在于:根据发动机在不同情况下的需要,将汽油气化,并与空气按一定比例混合成可燃混合气,及时适量进入汽缸。化油器的优点有:能够将内燃机的油气比控制在理想的水平上,不论天候、温度,永远进行着一成不变的工作。而且化油器的成本低、可靠度高,维修保养容易。当然化油器也存在许多弱点,比如,在冷车启动、怠速运转、急加速或低气压环境下,这种固定的供油方式实际上并无法全面满足发动机的运转需求,甚至可能因而产生黑烟、燃烧不全与动力不足等状况。因此,2002年起,我国已经明令禁止销售化油器轿车,此后所有车型都改用电喷发动机。
电喷发动机:独挑大梁,主力车型均使用
电喷最早出现于1967年,是由德国保时捷公司研制的D型电子喷射装置,随后博世公司又开发了一种L型电子控制汽油喷射装置,以进气管内的空气流量做参数,可以直接按照进气流量与发动机转速的关系确定进气量,据此喷射出相应的汽油。这种装置由于设计合理,工作可靠,广泛为欧洲和日本等汽车制造公司所采用,并奠定了今天电子控制燃油喷射装置的雏形。
目前为止,电喷系统的行车电脑会随时侦测发动机温度、进气流量、转速变化、震动状况,并依照实际需求调整供油量与点火时间,因此在动力输出、燃油经济与排放表现上可以取得相当不错的平衡。同时为了增加发动机进气量,提高燃油效率,发动机从早期的单点喷射,演化至多点喷射,气门数量从2个增加至5个。目前最先进的当属搭载D-VVT双可变气门技术的电喷发动机。电喷供油系统的最大优点就是燃油供给控制十分精确,让发动机在任何状态下都能有正确的空燃比,不仅运转顺畅,其废气也能符合环保要求。然而,电喷供油系统并不是最科学的。由于内燃机构造的先天限制,电喷喷嘴安装在气门旁,只有在气门打开时才能完成油气喷射,因受到开合周期的影响,产生延迟,因而影响电脑对喷射时间的控制。不过好在这一问题已经被缸内直喷技术解决了。
缸内直喷发动机:近年豪华车的主攻方向
近两年,当欧美厂商意识到电喷技术的研发已经进入瓶颈期,于是缸内直喷技术成为了各大厂商的主攻方向。与电喷发动机相比,缸内直喷发动机的喷油嘴被移到了汽缸内部,因此缸内油气的量不会受气门开合的影响,而是直接由电脑自动决定喷油时机与份量,至于气门则仅掌管空气的进入时程,两者是在进入到汽缸内完成混合的动作。由于油、气的混合空间、时间都相当短暂,因此缸内直喷系统必须依靠高压将燃油从喷油嘴压入汽缸,以达到高度雾化的效果,进而更好地进行油气混合。其中混合油气的压缩比越高的发动机,其动力表现越强大,相应的节能效果越明显。比如:奥迪3.2升FSI缸内直喷发动机的压缩比达到了10.3:1;凯迪拉克3.6升SIDI双模缸内直喷发动机的压缩比达到了11.3:1。此外,缸内直喷系统的燃烧室,活塞也大多具有特殊的导流槽,以供油气在进入燃烧室后能够产生气旋涡流,来提高混合油气的雾化效果与燃烧效率。
一般而言,应用了缸内直喷技术的发动机要比同排量的多点喷射发动机的峰值功率提升10%-15%,而峰值扭矩能提升5%-10%。这样的提升,可谓是一种质变,而单靠增加气门数量是难以达到这一效果的。