汽车发动机直喷原理解析

文章来源:容济机电 点击数:46 发布时间:2018-01-02
随着对能源和环保的要求日趋严格,发动机也要不断升级进化,才能满足人们的需求。如时下的“缸内直喷”、“分层燃烧”、“可变排量”等名词相信大家并不陌生,到底它们的工作原理是怎样的?下面我们一起来了解一下吧。
汽车发动机直喷原理解析

随着对能源和环保的要求日趋严格,发动机也要不断升级进化,才能满足人们的需求。如时下的“缸内直喷”、“分层燃烧”、“可变排量”等名词相信大家并不陌生,到底它们的工作原理是怎样的?下面我们一起来了解一下吧。

活塞、曲轴是最“累”的?

发动一运转,活塞的“头上”就要顶着高温高压,不停地做高速上下运动,工作环境非常严苛。可以说活塞是发动机“心脏”,因此活塞的材质制作精度都有着很高的要求。

而被活塞踩在“脚下”的曲轴也不好受,要不停地做高速旋转运动。曲轴每分钟要旋转数千次,肩负着带动机油泵、发电机、空调压缩机、凸轮轴等机构的艰巨任务,是发动机动力的中转轴,因此它也比较“壮”。

直线运动如何变旋转运动?

我们都知道,气缸内活塞做的是上下的直线运动,但要输出驱动车轮前进的旋转力,是怎样把直线运动转化为旋转运动的呢?其实这个与曲轴的结构有很大关系。曲轴的连杆轴与主轴是不在同一直线上的,而是对立布置的。

这个运动原理其实跟我们踩自行车非常相似,我们两个脚相当于相邻的两个活塞,脚踏板相当于连杆轴,而中间的大飞轮就是曲轴的主轴。我们左脚向下用力蹬时(活塞做功或吸气向下做运动),右脚会被提上来(另一活塞压缩或排气做向上运动)。这样周而复始,就有直线运动转化为旋转运动了。

发动机飞轮为什么这么大?

都知道活塞的四个行程中,只有一次是做功的,进气、压缩、排气三个行程都需要一定的力量支持才能顺利进行,而飞轮在这个过程中就帮了很大的忙。

飞轮之所以做得比较大,主要是为了存储发动机的运动能量,这样才能保证曲轴平稳的运转。其实这个原理跟我们小时候的陀螺玩具差不多,我们用力旋转后,它能保持相当长时间的转动。

发动机的排量、压缩比

活塞从上止点移动到下止点所通过的空间容积称为气缸排量;发动机所有气缸排量之和称为发动机排量,通常用升(L)来表示。如我们平时看到的汽车排量,1.6L、2.0L、2.4L等等。其实气缸的容积是个圆柱体,不太可能正好是整升数的,如1998mL、2397mL等数字,可以近似标示为2.0L、2.4L。

压缩比,即发动机混合气体被压缩的程度,气缸总容积与压缩后的气缸容积(即燃烧室容积)之比来表示。为什么要对气缸的混合气体压缩呢?这样可以让混合气体更容易、更快速的完全燃烧,从而提高发动机的性能和效率。

什么是可变排量?如何改变排量的?

通常为了获得大的动力,需要把发动机的排量增大,如8缸、12缸发动机动力就非常强劲。但付出的代价就是油耗增加。尤其是在怠速等工况不需要大动力输出时,燃油就白白浪费掉了,而可变排量就可以很好地解决矛盾。

可变排量,顾名思义就是发动机的排量并不是固定的(也就是说参加工作的气缸数量是发生变化的),而是可以根据工况需要而发生改变。那发动机怎么来实现排量的改变的?简单的说,就是通过控制进气门和油路来开启或关闭某个气缸的工作。比如一台6缸可变排量发动机,可以根据实际工况需要,实现3缸、4缸、6缸三种工作模式,以降低油耗,提高燃油的经济性。

如大众TSI EA211发动机采用了可变排量(气缸关闭)技术,主要是通过电磁控制器和安装在凸轮轴上的螺旋沟槽套筒来实现气门的关闭与开启。

什么是缸内直喷?有什么优势?

我们知道,传统的发动机是在进气歧管中喷油再与空气形成混合气体,最后才进入到气缸内的。在此过程中,因为喷油嘴里燃烧室还有一定距离,微小的油粒会吸附在管道壁上,而且汽油与空气的混合受进气气流和气门关闭影响较大。

而缸内直喷是直接将燃油喷射在缸内,在气缸内直接与空气混合。ECU可以根据吸入的空气量精确地控制燃油和喷射量和喷射时间,高压的燃油喷射系统可以是使油气的雾化和混合效率更加优异,使符合理论空燃比的混合气体燃烧更加充分,从而降低油耗,提高发动机的动力性能。

所谓“均质燃烧”可以理解为普通的燃烧方式,即燃料和空气混合形成一定浓度的可燃混合气,整个燃烧室内混合气的空燃比是相同的,经火花塞点燃燃烧。由于混合气形成时间较长,燃料和空气可以得到充分的混合,燃烧更均匀,从而获得较大的输出功率。

而分层燃烧,整个燃烧室内的混合气的空燃比是不同的,火花塞附近的混合气浓度要比其他地方的要高,这样在火花塞周围的混合气他可以迅速燃烧,从而带动较远处较稀的混合气体的燃烧,这种燃烧方式称为“分层燃烧”。均质燃烧的目的是在高速行驶、加速时获得大功率;分层燃烧是为了在低转速、低负荷时节省燃油。

如何是实现分层燃烧?

如TSI发动机是怎样实现分层燃烧的?首先,发动机在进气行程活塞移至下止点时,ECU控制喷油嘴进行一次小量的喷油,使气缸内形成稀薄混合气。

在活塞压缩行程末端时再进行第二次喷油,这样在火花塞附近形成混合气相对浓度较高的区域,然后利用这部分较浓的混合气引燃汽缸内的稀薄混合气,从而实现气缸内的稀薄燃烧,这样可以用更少的燃油达到同样的燃烧效果,进一步降低发动机的油耗。