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传统动力的自我救赎 解析燃油喷射技术

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-04-28 浏览次数:66
传统动力的自我救赎 解析燃油喷射技术   在如何改善提高燃油经济性这个问题上,工程师们想尽了一切办法,其中最为直接的是改变燃油喷射系统的结构或者控制逻辑,他们的目标只有一个,在满足驾驶需求的基础之上做到尽可能的省油,怎样做到开源节流,的确是门艺术。
  
  如果你经常看我们的技术文章,那你一定会对我的行文套路了如指掌,没错,这次还是一样,我会先跟大家聊一些有关燃油喷射的理论知识,最后,围绕着燃油喷射再来说说那些保养的事儿,当然,还会揭露点店家的小伎俩。
  
  本文将会以汽油发动机的电喷系统为背景来讲述燃油喷射那些事,至于早些时候的化油器以及机械喷射系统暂不做介绍。在我看来,虽然年代久远,但那些古老的燃油喷射技术讲起来不见得会逊色于依靠电子控制的喷射技术,不过,对于大多数网友来说,显然这些看得见摸得着的东西更受关注。
  
  ●汽油是怎么从车尾送到车头的?
  
  这个问题一定是基于一辆发动机前置的车型来讨论的,而这类车的油箱大部分又会被安置在后备箱下方附近,当然,对于一辆发动机后置或者中置的车而言,把问题改为“汽油是如何从车头送到车尾的”会更贴切。不管怎样,我们先要讨论的就是汽油的输送问题。其实这很简单,是问题的关键,但有些细节你关注过吗?
  
  ☆“嗡嗡”声是从哪来的?
  
  在你转动点火开关之前,汽油会静静地待在油箱之中,几乎没有一丝波动。而在接通电源之后,很多人都会注意到从车后方传来的一阵“嗡嗡”声,有些精神大条的人对此并不关注,但这个声音一定会吸引那些心思缜密的人,经过多次的观察,他们还会发现规律,即在接通电源时,“嗡嗡”声仅会持续大约2秒钟左右的时间,之后便销声匿迹。或许你已经知道了,这个“嗡嗡”声是由藏在油箱中的汽油泵发出的,那它为什么会在接通电源时候出声而不是启动的时候?
  
  ☆汽油压力决定启动质量
  
  如果不能及时将汽油供到发动机气缸内,那启动时间势必会长些,甚至多次点火才能完成发动机的启动过程。燃油系统管路内的油压是发动机正常启动的重要条件,在通过点火开关将电源接通后,汽油泵开始工作,利用电源接通到启动之间的这段时间来建立燃油系统内部的压力,以便做好在启动过程中的供油准备。而随着汽车配置的不断提高,有越来越多的车型都配备了一键启动功能,虽然一键启动功能还是会遵循先通电后点火的原则,但从驾驶员的操作习惯来看,这两个步骤相隔的时间差基本可忽略不计(如果不踩制动踏板则仅是接通电源不启动发动机,而大多数人的习惯都是一上来就在踩住制动踏板的同时按下启动按键),然而,发动机的启动质量并没有因此而打折扣,这是为什么?
  
  --对于配备一键启动功能的车来说,时间差仍是建立油压的关键。
  
  汽油泵为燃油系统建立可供发动机正常启动的油压是需要时间的,但由于配置的升级,导致驾驶员的操作方式出现变化,但工程师还是为油压的建立挤出了时间,这个过程就发生在车主按下车门解锁按键或者是拉开车门后(大多数配备了一键启动功能的车也都具备无钥匙进入的功能,因此,开启车门也会诱发汽油泵工作,而不同的品牌会有不同的控制逻辑),这样,在按下点火开关之前,燃油系统管路内的油压便早已建立完毕。
  
  ☆启动时,该不该在通电挡停止片刻,待仪表自检灯熄灭后再启动?
  
  这个问题隔三差五的就会被身边的朋友提起,有些持肯定答案的朋友会站在对保护的角度来看待这个问题,但有些朋友则认为不必过于在意它,在他们看来,配备一键启动功能的车就很少在电源接通这一过程里耽搁时间。如果站在建立油压的角度来看待这个问题,那还是最好等上一段时间为好,至少也要等“嗡嗡”声停止后再启动,以保证启动质量。
  
  ●汽油泵HOLD不住会怎样?
  
  在正常情况下,熄火后,燃油系统管路内的油压并不会被立即泄掉,而是利用汽油泵的保压能力来维持一段时间,这对于短时间熄火后再次启动发动机是个关键,因为,从驾驶员的操作习惯来看,大多数驾驶员会直接将点火开关旋置启动挡,如果此时的燃油系统管路内的油压达不到启动标准,以至于影响到车主的用车感受。凭借这样的“印象”到了4S店检查,除了常规测试汽油压力的步骤外(在不同工况下测试汽油压力),最重要的一项测试项目就是看熄火后,燃油系统管路内的保压能力,如果在一定时间内,油压数值下降超出了标准范围,则可证明汽油泵的保压能力下降,而车主若想彻底改善这一“缺陷”,就可以考虑更换汽油泵了。
  
  保压能力下降不仅仅会影响到短暂熄火后的启动,也会关乎到凉车启动的表现,例如,你在接通电源(转动点火开关至接通电源挡或遥控开启车门,触发汽油泵开始工作)后,车主可能并不会马上启动发动机,由于汽油泵的保压能力不足,即便此前已经建立了满足启动条件的汽油压力,等到了车主要启动发动机时,油管内的汽油又不能充分满足发动机所需,因此造成启动质量下降。
  
  ●输送到发动机处的汽油是如何被分配的?(为了方便理解,以下均已四缸发动机为例)
  
  在发动机启动及运转过程中,源源不断的汽油从油箱中被汽油泵抽出来,经过滤芯的过滤后被送至油轨。等等,配置表单中的多点喷射是什么意思?有没有单点的?多点和单点区别在哪?
  
  ☆什么是单点喷射?
  
  所谓“点”指的其实就是有几个燃油喷射点,那“单点”无疑就是只有一个燃油喷射点,你也可以理解为有一个喷油嘴,这个喷油嘴位于节气门的前方,驾驶员在踩下油门踏板时,节气门的翻板打开,发动机电脑根据相关传感器收集来的信号决定喷油嘴的开启时间,喷出的燃油经过节气门进入进气歧管,随后,各气缸间各取所需(进气门打开时,汽油就会被吸入气缸),这样的喷射类型在控制上显然过于粗放,燃油经济性必然较差,因此,没时兴多久便被多点喷射所取代。
  
  『由于有关单点喷射技术的图片资料较少,所以也只好找来教材上的图片做示意,从中可以看清楚地看出单点喷射与多点喷射在结构上的差异』
  
  任何新事物的出现都有它存在的理由,单点电喷也不例外,它是化油器时代向电喷时代进化时的产物,受生产成本羁绊,厂商希望在原有化油器发动机的基础上完成燃油喷射系统的改造,待过度完成后,便纷纷推出多点电喷。
  
  ☆歧管喷射的自我救赎(多点喷射)
  
  多点喷射从诞生至今已历经多重衍变,从最初的同时喷射到顺序喷射,随后因在很多人看来歧管喷射已发展至瓶颈,再加之缸内直喷技术在汽油发动机上的推广,歧管喷射甚有被取代之势,然而在未来技术前瞻中,我们又看到了它,不由得为之顽强而感叹。
  
  --同时喷射
  
  多点喷射的结构让每个气缸都有了属于自己的喷油嘴,在燃油喷射的控制上显然有了质的飞跃,不过,在发展的初期,它们并没能很好的将这种结构上的优势完全发挥出来,由于控制逻辑单一,发动机电脑并不能精确地计算出哪个气缸需要喷油,因此,曲轴每转动360°,发动机电脑就会发出一次喷油指令,命令所有喷油嘴同时进行喷油动作,也就是说,为了满足单一气缸的喷油需求,喷入其它气缸的汽油就白白浪费掉了,这必然不利于燃油经济性,淘汰只是时间的问题。
  
  --分组喷射
  
  没过多久,燃油喷射系统的控制逻辑就得到了升级,改善后,4个喷油嘴被分为两组,即曲轴每转动360°就会有其中的一组(2个)喷油嘴进行喷油,燃油经济性提升了一倍,但这并不能被人们所接受。
  
  --顺序喷射
  
  歧管喷射发展到现在已经可以做到根据气缸的工作进程以及配气正时的节奏来对各喷油嘴的喷油动作进行精确控制,我们把它称之为顺序喷射。在很多厂商都转投于技术更先进的缸内直喷技术时,日产仍旧希望可以在歧管喷射领域再做些文章,2011款骐达所搭载的1.6升HR16型号发动机则采用了DIS双喷油嘴技术,在喷油量的控制上,相比于传统的一个气缸对应一个喷油嘴来看,精准度会更高。
  
  --缸内直喷系统
  
  优势:可实现稀薄燃烧,提高燃油经济性;允许更高的压缩比,发动机功率得以提升。
  
  燃油直喷系统的出现为多点喷射的发展带来了新的契机,它的意义在于可以把一滴燃油打得更散,以增加其燃烧效率,在此之前,多点歧管喷射也曾力图在这方面做得更好,它所采用的办法是在喷油嘴的喷油头出多开几个孔,以增强其雾化的能力,只不过,在燃油压力有限的前提下,这种方式很快就发展到了瓶颈之处。
  
  高压泵部件、喷油嘴的安装位置是缸内直喷系统与歧管喷射在结构上的不同,如果要简单来理解缸内直喷系统则可以把这套系统分为高、低压两部分,低压部分与歧管喷射系统相同,也是汽油泵将汽油从油箱中抽出,经过滤芯过滤后送抵发动机处,此时油管内的压力几乎与歧管喷射系统相同,质的改变出现在高压油泵之后,它可以将汽油压力推到上百Bar甚至更高(是歧管喷射系统燃油压力的三四十倍),随后燃油将通过油轨抵达列属于各气缸的喷油嘴,只待发动机电脑一声令下,顷刻间,直径仅相当于头发丝十分之一的油滴便会倾巢而出的直接喷入气缸内。高压油泵通常是由凸轮轴带动,内部则有双头或者三头凸轮进行加压(如福特ECOBOOST系列发动机的“9号凸轮”)。
  
  --取其长补其短的混合喷射
  
  当燃油压力被提升至100Bar甚至更高的时候,燃油喷射的新时代来了,但工程师并没有因新技术的逐渐成熟而放弃传统的喷射方式,在它们看来,歧管喷射依旧有着很大的利用价值。
  
  ○丰田研发的混合喷射技术
  
  早在1998年,装备丰田D4技术的SZ和NZ发动机首次现身日本市场,几年以后,被GR系列发动机取而代之,其中3GR-FSE 3.0L发动机应用了D4直喷技术,其只有一组伸入气缸的喷油嘴,实现均质燃烧。
  
  2GR-FSE发动机上配备了更为先进的D4-S技术,它除了一组伸入气缸内部的喷油嘴外,还安装了一套传统的进气歧管喷油嘴。在低负荷工况时,歧管喷油嘴在进气行程时喷油,混合气进入气缸,再配合压缩行程时气缸内喷油嘴喷油,从而实现分层燃烧;高负荷工况时,只在压缩行程进行缸内直喷。从而提高发动机动力和经济性。
  
  此设计的优点在于油气混合能够更为完全,也就是说发动机电脑会根据发动机的负荷以及所处的工况主动切换供油方式,同时再配合11.8的高压缩比,可以进一步提升油气混合与燃烧效率,达到更为出色的动力和油耗表现。这也是2GR-FSE连续三年获得沃德十佳发动机的关键因素。
  
  ○奥迪的混合喷射系统
  
  缸内直喷系统所运用的分层燃烧技术实现了稀薄燃烧,相比于普通的燃烧技术,其优势在于它可以让混合气在空燃比更高的状态下(燃油少,空气多)完成燃烧,提高燃油效率,不过,这种燃烧技术也会产生一定的副作用,在稀薄燃烧(氧气过量)的工况下,气缸内多余的氧气与气缸内存留的氮比较容易发生强烈的反应形成氮氧化物,它对尾气排放的影响很恶劣,此前,提高三元催化器的能力是弥补这一弊端的重要方式,随之而来的便是制造成本的提升,这种得不偿失的技术在一些人眼中已被划分到鸡肋范畴。但这样的声音并没有动摇工程师们继续研发分层燃烧技术的决心,他们面临的最重要的问题就是如何从根本上解决分层燃烧技术的劣势,从目前来看,加入歧管喷射系统是个不错的方案,它专门用于发动机低负荷的工况,这样,尾气质量以及三元催化器的工作压力都能得到改善。
  
  ●喷油量是如何进行调整的?
  
  针对不同的工况,发动机电脑会对各气缸的喷油量进行控制,比如,在凉车阶段,会对混合气进行加浓,而随着发动机温度的回暖,混合气中的燃油和空气的比例逐渐向最佳状态靠拢(喷油量逐渐减少),直至发动机怠速转速回落至正常范围。
  
  在正常驾驶过程中,驾驶员通过油门踏板来控制车辆的加速,即油门踏板踩的越深,车速越快,而在理想的状态下,踩下踏板的节奏会直接影响到车辆的提速时间,这其中,自然是依靠进气、喷油、点火等其它辅助元件相配合才能使得发动机输出更高的动力,至于车辆的加速响应如何,也要看变速箱的心情。既然本文的主题是喷射,那还是言归正传,喷油量是如何增加的?
  
  --歧管喷射系统
  
  先来说说歧管喷射,安装在油箱内的汽油泵会随着发动机转速的变化在一定范围内调整其自身工作状态,从而改变供油压力,一般情况而言,它会与发动机的转速成正比,当然,这里讨论的不包括厂商设定的断油转速。
  
  喷油量的大小与内部阀针开启的时间以及油轨内的压力有关,可以这样理解,在同等汽油压力的条件下,阀针开启的时间越长,喷射出的汽油量就越多,反之则喷油量变少,而如果油轨内的压力升高,那么,在单位时间内,由喷油嘴喷射出的汽油量就会更多。喷油嘴阀针的开启/关闭以及汽油泵的工作状态都由发动机电脑进行调整。
  
  --缸内直喷系统
  
  缸内直喷在低压阶段亦是如此,而到了高压部分则全权交由高压油泵掌控,此类高压油泵为柱塞式结构,通过凸轮轴上专用的凸轮进行驱动,看到这,你或许会产生这样的疑问,既然依靠凸轮进行驱动,那柱塞泵的加压过程便无法依据发动机转速来进行调整,即便,发动机电脑可以控制喷油嘴阀针的开闭时间来把控喷油量,但显然,这样的控制存在一定的局限性。的确如此,凸轮的角度是不可调整的,更不能像奥迪的AVS技术一样去切换不同角度的凸轮来达到调整柱塞泵活动行程的目的,所以,柱塞泵本身无法完成调整汽油压力的工作。在想到这个问题之后,你一定会再去翻过头来琢磨一下,其实,如果你注意图中所示就会明白。
  
  在高压泵壳体上有个线束插头,其所连接的正是一个电子控制阀,它可以对汽油压力做出调整,当然,这里更多的是对燃油喷射到气缸内后的雾化效果的考量,而在加速过程中,更高的汽油压力也可帮助喷油嘴喷出更多的汽油,而这对喷油嘴的执行能力提出了不小的要求,因为,在如此压力之下,阀针的动作频率以及稳定性十分关键。正因如此,缸内直喷系统所使用的喷油嘴与歧管喷射所使用的喷射元件大不相同。
  
  ●什么时候该清洗喷油嘴?
  
  如果你去问一个4S店的服务顾问,绝大多数情况下他们会以行驶里程为依据来建议你是到了该清洗的时候了,于是,你半信半疑的在维修单上签字画押,还特意嘱咐了一句“要快啊,我赶时间”,孰不知,这句话正是说到了他们的心坎儿里。他们是怎么想的?
  
  喷油嘴脏了会怎么样?自然是会被堵住,其引发的后果便是,汽油无法以正常的流量从喷油嘴喷出,这显然可以影响到发动机的工作状态,但车主对此似乎又毫无察觉,这又是为什么?
  
  安装在排气管上的氧传感器会实时监测尾气质量,发动机电脑以它为依据可计算出混合气的浓度,当混合气过稀时,发动机电脑会向喷油嘴发出增加阀针开启时间的指令,以此来弥补流量不足带来的影响,反应在数据上便是喷油脉宽的数值变大,利用这一特性,我们可以通过喷油脉宽来判断喷油嘴的清洁程度,并接合行驶里程来决定是否要对喷油嘴进行清洗。
  
  最后,回到上面那个问句上,服务顾问为什么喜欢听到客户赶时间的抱怨。清洗的时间决定着清洗的质量,按照正常的工序,负责施工的人员要将一整瓶药水全部用于清洗才算一次完整的保养作业,但这会耗费不短的时间,而车间内的工位是有限的,只有将维修车辆尽快的交接到客户后,才能迎来下一位客户,所以,如果客户在清洗喷油嘴这项上表现出担心时间很紧,那这一定会得到多方的满足,如果你要问我有没有可能爱车被“拖”到车间后根本不进行清洗就被交接到车主手中,我劝诸位还是多长点心吧。
  
  编辑总结:
  
  发动机的喷射方式是门艺术,从纯机械结构的喷射系统发展到电子控制的燃油喷射系统,之后经多重衍变,其效率逐渐被提高,直到在歧管喷射这一阶段发展至瓶颈,随后因科技的突破而又为燃油喷射迎来了新纪元,而在燃油喷射系统的技术前瞻中,你又会发现即将被革新的歧管喷射又出现在了喷射系统中并且还发挥着优化排气质量的重要作用,这样多舛的命途的确值得好好研究一番,在了解过后,想必对于日后的用车养车也会有所帮助。

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