进气道喷射还是直喷?发动机供油方式的选择为何重要
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歧管喷射将燃油喷入进气歧管,而直喷则将燃油直接喷入燃烧室内部;歧管喷射提供更平顺的油门响应和更低的颗粒物排放,直喷则提供更高的效率和更低的二氧化碳排放.因此,希望同时兼顾动力、效率和排放平衡的制造商在同一台发动机上同时使用这两种系统.
亮点
- 直喷的工作压力比歧管喷射 高 50-100 倍 .
- 燃油雾雾 135 英里/小时 的速度;液滴直径 0.000003 英寸.
- 丰田 D-4S 系统在中低负荷下同时使用两种喷油器.
- 福特将双喷射与更高的增压压力相结合,使峰值扭矩 30 磅-英尺 .
- 阿特金森循环混合动力发动机中,两种供油方式可以并存.
什么是歧管喷射?它与直喷有何区别?
液态汽油本身不会燃烧.要燃烧,必须先分解成细小的液滴——即雾化——然后再蒸发.两种喷射方式之间的所有差异都源于这个简单的物理需求:燃油在何处以及以多大压力被喷入,决定了发动机的特性.
歧管喷射(PI,由于每个气缸配有独立的喷油器,也称为多点喷射/MPFI)中,喷油器安装在进气歧管上,在进气门即将开启时将燃油喷向气门背面.燃油在进入气缸之前在进气道中走过很长的路程,有充足的时间蒸发.喷油器远离气门和火花塞、布置在气门上方的位置在机械上也更容易实现;由于系统在低压下工作,既廉价又可靠.
而在直喷(GDI/DI)中,喷油器通过气缸盖上的独立通道直接通向燃烧室.压力层层攀升:达到歧管喷射系统压力的 50-100 倍.这个尺度显示了差异有多么惊人——被加压到 1000 psi的燃油,从 0.006-0.011 英寸 直径的孔中喷出时,产生液滴直径仅 0.000003 英寸 的、 135 英里/小时 速度的雾.由于这种快速相变发生在气缸内部,其效果也在那里得以体现.
歧管喷射:为何仍是一项有效的技术?
歧管喷射最被忽视的优势,在于它利用燃油蒸发时吸收热量的方式.在 PI 系统中,这种冷却效应发生在进气歧管中;冷却进入空气的燃油提高了空气密度,从而在自然吸气发动机中提升了动力潜力.也就是说,歧管喷射为自然吸气发动机提供了内在的微小的充量优势.
第二个优势体现在排放方面.燃油通过接触到气门背面的表面并在较长时间内蒸发,形成均匀的混合气;这降低了燃烧中逃逸的燃油量,并减少了颗粒物(PM)的排放.节气门响应也因此更加平顺:混合气在任何工况下都已准备就绪,系统简单且可预测.许多驾驶者"老发动机更有性格"的印象,在技术上的对应物,部分正是这种可预测性.
它的弱点也很明显.混合气无法像缸内直喷那样被精细雾化;部分喷出的燃油会粘附在进气道壁面上,破坏目标空燃比.由于进入气缸的混合气并非全部在理想条件下燃烧,进气道喷射(PI)发动机在热效率上落后于缸内直喷(DI).
缸内直喷带来了什么,又失去了什么?
带来的优势:压缩比、效率和CO2
缸内直喷的核心优势在于将蒸发冷却带入了燃烧室内部.在压缩冲程期间发生的这种相变,降低了混合气过早且失控点燃——即爆震——的可能性.由于燃烧室表面温度降低,工程师们无论在自然吸气还是涡轮增压发动机上都可以采用更高的压缩比;而高压缩比直接意味着高效率.燃油燃烧更充分,意味着完成同样的功所需燃油更少,CO2排放也更低.正是这一基础性的技术进步,使我们能够将当今大多数汽油机的压缩比与2000年代初的发动机进行比较.
失去的部分:成本、噪音和颗粒物
同样的技术也有代价. 50-100倍 的压力,意味着更昂贵的喷油器和高压泵;而且泵持续产生高压还会带来噪音问题,因此大多数DI发动机都配备两个燃油泵.缸内直喷喷油器在结构上噪音较大,会给发动机增添一种特有的咔嗒声.
排放方面的平衡也是双向的.DI在降低CO2的同时产生更多颗粒物:由于留给蒸发的喷射时间更少,部分燃油会以碳烟颗粒的形式从燃烧室和催化转化器中逃逸.这些颗粒与柴油机排放的相似,只是更小.此外,进气门背面积聚的积碳对某些DI用户来说是真实存在的维修问题——因为燃油不再冲刷气门,残留物会不断积聚.虽然不常见,但举一个严重的例子:一些驾驶者在行驶数万公里后不得不采用核桃砂清洗(walnut blasting)来清理进气门.积碳问题是另一篇文章的主题;这里的关键问题在于,制造商是如何平衡这两个系统的.
对比表:PI与DI并列比较
| 特性 | 进气道喷射(PI) | 缸内直喷(DI) |
|---|---|---|
| 喷射位置 | 进气道,气门背面 | 直接喷入燃烧室 |
| 工作压力 | 较低 | PI的50-100倍 |
| 雾化效果 | 液滴较粗 | 雾化精细至 0.000003 英寸 |
| 压缩比潜力 | 有限 | 得益于冷却而更高 |
| CO2排放 | 更高 | 更低 |
| 颗粒物 (PM) | 更低 | 更高 |
| 油门响应 | 平顺、可预期 | 敏锐但噪音稍大 |
| 成本 | 便宜,单泵 | 昂贵,通常双泵 |
看表格似乎选择很容易:要效率选DI,要简单选PI.但其实性能差异并没有你想象的那么大;即使在论坛层面的技术讨论中,人们也指出两种系统之间的直接功率差距仅停留在几个百分点的水平,而DI的真正贡献在于允许更高的压缩比.也就是说,真正的故事并不是一种技术打败另一种,而是两者在同一台发动机上分工合作.
制造商为什么同时使用两种喷射方式?
双喷射 (dual injection) 在同一台发动机上同时配备进气道和直喷喷油器.ECU根据转速和负荷启用其中一个、两者或预设的混合模式.逻辑很简单:将DI的燃油经济性和抗爆震优势与PI的低排放和清洁气门优势结合起来.在发动机工作区间的每一点都选择最合适的供油方式.
丰田是这一方案最著名的践行者. D-4S 系统早在十多年前就在一台V-6上首次亮相;如今 2.0升 直列四缸 (斯巴鲁制造)、 3.5升 V-6以及 5.0升 V-8发动机都采用该系统.在对应正常驾驶的中低负荷和转速下,两组喷油器同时喷射 - 这既提高了自然吸气进入空气的密度,又让进气道喷射持续冲刷气门,也就是说实际上清洁了积碳.而在爆震风险高的高负荷和高转速下,DI则接管全部供油.
福特的做法有所不同:低压PI伴随高压DI,进气道喷射从不完全关闭.应用范围很广 - 2.7升至5.0升 的涡轮增压和自然吸气V-6/V-8、搭载3.3 V-6的F-150、 2017款F-150 Raptor 以及GT的3.5升EcoBoost V-6和 2018款Mustang GT的5.0 V-8.怠速和低转速下仅PI安静高效地工作;随着转速和负荷增加,两个系统混合供油,PI始终承担至少 5-10%的燃油.福特在新款3.5升V-6上将双喷射与更高的增压压力相结合,使峰值扭矩 30磅-英尺 提升了.奥迪也在3.0升V-6和5.2升V-10上采用了同样的理念.
随着电动机承担越来越多的驱动任务,我们的任务是在每一个机会中提升发动机效率.福特的双喷射技术在这一努力中被证明是一种宝贵且具成本效益的策略.
科学文献也支持这一趋势:双重喷油的优势包括更大的控制灵活性、增强的冷却效果、减少爆震、有利于发动机小型化(downsizing)以及扩展的稀薄燃烧(lean-burn)运行.实际收益虽有限但真实:特别是在怠速和低速城市驾驶时燃油经济性有所改善,在中度加速时两个喷油器共同平衡雾化、气门清洁和油门响应.
需要指出一个细微之处:并非所有双重喷油都能解决积碳问题.在一些高性能发动机中,进气道喷油器仅在高转速和高增压时介入以提供额外燃油;在正常驾驶的大部分时间里,气门仍然只暴露于缸内直喷(DI),因此仍可能产生沉积物堆积.决定系统是否有效的关键,是进气道喷油器在哪个运行区间工作.
阿特金森循环及其与混动系统的关系
阿特金森循环是一种有意牺牲功率密度以追求效率的运行策略;与传统的奥托循环相比,它产生的功率更小,但能改善燃油经济性.因此它的天然归宿就是混合动力汽车:电动机弥补功率缺口,发动机则在最高效的工况点运行.丰田普锐斯以及福特C-Max、Fusion Hybrid等车型是现代阿特金森循环的著名例子;丰田是推动这项技术在量产中普及的先驱品牌.
它与喷油系统的关联在于:采用阿特金森循环的发动机同样可以同时配备两种燃油供给方式——缸内直喷和进气道喷油;根据需要使用其中一种或两者并用.在这种以效率为核心的循环中,每一个百分点都弥足珍贵,因此双重喷油那微小但真实的燃油经济性贡献在这些平台上尤为有意义.
这对购车者意味着什么?
这套系统不仅关乎技术好奇心,还会影响购买和使用决策.如今想找到一台仅有歧管喷射的发动机越来越难;大多数新款汽油发动机要么是纯GDI,要么是双喷射系统.如果您购买纯DI车型,请把进气门积碳清理作为一项长期维护费用纳入考虑;而双喷射发动机在高转速时歧管喷射也会介入,可显著降低这一风险.如果您的驾驶风格需要重载和高转速,DI的抗爆震能力和增压耐受力更占优势;如果您主要在城市内、以怠速为主的工况使用,PI的排放和运转平顺性优势则更为突出.决策的关键不是选出唯一的赢家,而是了解发动机在哪个工作区域内由哪套系统负责.