汽油发动机压燃技术

2020-7-2 20:49| 发布者: Techer| 查看: 58| 评论: 5

摘要: 马自达压燃发动机,可以说是朝着超稀薄燃烧领域迈进了一大步;降压燃、火花塞点燃结合到一起,起到相互辅助作用,因为压燃会受到环境因素的制约,比如说低温环境下、即便压缩比超高,但想完全压燃也很困难,所以在一 ...

马自达压燃发动机,可以说是朝着超稀薄燃烧领域迈进了一大步;降压燃、火花塞点燃结合到一起,起到相互辅助作用,因为压燃会受到环境因素的制约,比如说低温环境下、即便压缩比超高,但想完全压燃也很困难,所以在一些特殊环境下、火花塞点燃起到给燃烧室预热的作用、促进压燃的成功;这款发动机的难点在于控制策略上,因为根据不同的环境、不同的工况,要进行点燃、压燃间的切换,它俩的切换将带来空燃比、等效压缩比(非机械压缩比)在瞬态下的改变,总之马自达挺疯狂……

马自达压燃发动机

提起SKYACTIV-X发动机,很多朋友第一时间想到的则是压燃,这么想也没错、毕竟汽油机压燃颠覆了咱们对内燃机常规的认知;实际上压燃只是表象,而真正的核心却在于超稀薄燃烧,超稀薄燃烧可以理解成空燃比超高的混合气进行点燃,而难点就在于此!要实现超稀薄燃烧,依靠火花塞跳火、进行点燃是根本行不通的,所以马自达迫于无奈、选择了广泛应用于柴油机领域的压燃方式,才能让超稀薄状态下的混合气体正常点燃、并燃烧!所以才有了如今的压燃SKYACTIV-X,所以压燃只是无奈的选择、能点燃马自达绝对不会采用压燃,所以这款机器的灵魂奥义是超稀薄燃烧,其它皆为铺垫!

创驰蓝天

超稀薄燃烧与过量空气系数

在谈超稀薄燃烧前,我们先要了解空燃比是什么?朋友们应该都清楚14.7空燃比吧?实际上这只是理想空燃比、不代表最高空燃比,当空燃比为14.7时,过量空气系数为一,此空燃比下、混合气体燃烧较为完全(注意不是绝对完全的燃烧),该空燃比下、混合气体燃烧进行较好,能同时兼顾动力、燃油经济性;当空燃比低于14.7时、属于加浓燃烧,而当空燃比大于14.7时、则进入到稀薄燃烧范围,空燃比越大、稀薄燃烧边界越大、越难以点燃!

过浓,理想,稀薄三类混合气

当我们日产驾车时,都有给油加速的动作,当我们猛踩油门加速时,系统判断车辆对动力有需求,就会采取加浓喷射的动作,此时空燃比会降低至12.7左右、过量空气系数0.88,此时混合气体浓度上升、火焰传播速度最快,所以此时动力响应最好,所以我们成0.88过量空气系数时的混合气叫功率混合气!所以我们能看出当空燃比逐渐降低时(也不能太低、混合气太浓了也不行),会偏向于动力取向,动力响应好、但却费油!而空燃比大于14.7时,随着数值逐渐提高、燃油经济性会越来越好,但动力响应却会越来越差,差到什么地步?差到火都点不着了、得靠压燃来帮忙!

稀薄燃烧与氮氧化物

马自达的选择

马自达研发SKYACTIV-X,目的就在于开发一款极致省油的发动机,所以坚定地向超稀薄燃烧领域迈进;起手就是二倍空气系数、空燃比也就达到了29.4起(压燃状态、开头已经提到该机器空燃比可以切换),之所以要采用这么高的稀薄燃烧边界,就是因为如果空燃比低于这个数值时,燃烧后产生的氮氧化物很高、排放没有办法通过,所以马自达为了在保证排放的条件下、实现超稀薄燃烧,所以起步就把牙燃状态下的空燃比提升至29.4;而超高的空燃比则带来了点火困难的麻烦(火花塞),所以无奈之下、则采用了压燃!

稀薄燃烧与分层燃烧

稀薄燃烧,并不是想象中那么容易;在实际的控制策略上,通常会采用分层燃烧的方式还实现稀薄燃烧!如下图所示,这就是一个分层喷射、分层燃烧的示意图,一般都是采用直喷发动机来实现分层燃烧,因为直喷机的喷油嘴在燃烧室内,更容易实现分层喷射;而歧管喷射发动机(电喷),喷油嘴在歧管内、所以不容易控制,也能分层、但分的层数很少,不利于提高稀薄燃烧的边界!从下图中我们可以明显地看出,喷油嘴从上至下依次喷出多个混合气层(图片上只画了五层、实际要更多),离火花塞最近的层、浓度最大,依次向下、混合气浓度则越来越稀薄,最底层、混合气体浓度则最低!

分层燃烧原理图

点燃、压燃之间的选择

传统针对稀薄燃烧的方式是点燃,咱们还是先看上图,火花塞跳火、点燃最近混合气层(火花塞附近混合气浓度大、容易点燃),之后利用火焰的不断传播,依次向下引燃其它各个混合气层,这就是传统的点火方式,其它主机厂也是采用这种方式逐渐提高稀薄燃烧边界,可这种点燃方式、当空燃比接近19时,几乎就点不着了,简单点说就是最上层混合气点燃、逐渐向下传播,当火焰传播到空燃比19的混合气层时、火焰熄灭,传播不下去了!所以更不用提马自达起步29.4的空燃比了,所以面对这个困惑,马自达选择了压燃!

各位可以思考下,为什么火花塞跳火、都无法完全引燃,压燃为什么就可以成功?实际上火花塞跳火,终究是一个着火点,之后依次进行传播逐层引燃,但活塞上行、压燃时,所压燃的是一个混合气层,一个混合气层被压燃、其中会有无数的着火点;火花塞跳火、是势单力薄的,但压燃的一个层、拥有无数的着火点实现火焰传播、引燃所有稀薄层,就更加容易实现了;所以这就是马自达必须得采用压燃的关键原因!

火花塞辅助点火

为什么保留火花塞?

实际上压燃,只是在理想状态下、才可以成功实现,而一辆车、必须适合全领域运行,总不能只在台架上运行吧?所以发动机必须得做到在绝大多数环境下、都可以使用;所以问题就来了,如果车子是在极低温条件下,燃烧室温度极低,此时燃油雾化率很低、所以这个时候想压燃也是做不到的,所以在这个时候、还需要火花塞进行辅助点燃、给燃烧室预热,使得之后的压燃变得可能,这就是保留火花塞的理由;其次就是该发动机,在中、高负荷下,依然是采用火花塞点燃的方式运行,因为此时的工况剧烈!

SKYACTIV-X发动机的机械压缩比,已经达到了16,所以这样高的压缩比下、全负荷运行的时候爆震问题很难控制,汽油压燃、本身就是一种爆震,只不过是可控的爆震,而当发动机全负荷运行时,再采用压燃的方式、爆震也将难以控制,所以当发动机全负荷运行时、还是采用了传统的火花塞跳火点燃的方式;所以这款发动机,是可以时刻完成压燃、点燃的瞬态切换的;所以精确的控制策略,就是这款发动机精妙所在,前一个循环可能是点燃、下一个循环就会切换到压燃!

空燃比原理

在机械增压器(与传统的不同,它这个就是一个瞬态充气装置)的帮助下,可以迅速为燃烧室填充气体、迅速提高空燃比,试想一下、超高空燃比状态下点不着火,而想迅速从点燃切换至压燃,就需要这个机械充气装置了,依靠它可以迅速地把点燃时的正常压缩比、迅速提升到29.4时的超高空燃比状态,所以才使得点燃、压燃可以迅速实现切换;总的来说这款发动机是伟大的,别的主机厂也玩稀薄燃烧、马自达肯定不是第一个,但别人是小打小闹的实验阶段、马自达则是真给造了出来!

SKYACTIVE-X性能

所以马自达压燃发动机,从表面上看压燃是最耀眼的成就,实际上压燃、点燃不存在孰高孰低,马自达能点燃汽油机、也绝对不会去采用压燃;只不过即便利用了分层燃烧,但在超高空燃比状态下,还是没办法利用火花塞跳火实现点燃,所以引入了压燃、所以依靠压燃吸引了所有人的眼球,实际上真正耀眼的是超稀薄燃烧!而压燃也不是万能的,它会受到环境的制约,比如低温条件下、燃油雾化差,压燃就难以实现,此时就需要用火花塞点燃、给燃烧室预热、辅助压燃;当车辆全负荷运转时,燃烧室内温度较高,继续压燃就容易让爆震变得不可控,所以此时还是会保持传统的点燃方式运行,所以就必须得有火花塞了!





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最新评论

引用  毛名字去    2020-7-2 22:02
全系列更新二代蓝天发动机,一定有助销量。抓紧吧马自达
引用  珍雄    2020-7-2 22:02
班门弄斧科普一下汽油机加酒精。大家看看就好,很久以前,通用的技术专家研究如何提升汽油的辛烷值,让汽油更耐压燃爆更有劲,实验了很多勾兑原料,筛选出两种,一种是四乙基铅,就是我们现在说的无铅汽油相反的有铅汽油。这个发明让他们出了名,赢得比赛,赚了一大笔,也因为有铅汽油丢了性命,因为铅有毒,所以后来全球禁售有铅汽油。第二种就是酒精,实验结果表明酒精的效果比四乙基铅更好,为啥不用酒精而选择了铅呢,成本,成本,成本,勾兑酒精太贵了。
引用  illiamh    2020-7-2 22:02
说句爱国人士不爱听的话,这发动机要是国产,精度绝对达不到技术要求。
引用  南遇北城    2020-7-2 22:02
估计什么时候能量产呢?
引用  万万都想到    2020-7-2 22:02
创驰蓝天和天籁可变压缩比有啥区别

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