“打喷嚏”的发动机

一成不变150年的“奥托循环”——四冲程汽油机的原理

1862年的初春，残雪还未消融，31岁的尼考罗斯•奥古斯特•奥托制造出世界上第一台四部冲程引擎工作样机，但是他找不到一个可以匹配这台发动机的点火方式，便将样机扔到了地下室，转而专心改进研究一种以煤气为动力的二冲程发动机“常压引擎”。

虽然二冲程引擎创利巨多，但奥托还是念念不忘他最初设想的四部冲程引擎。他确信四部冲程引擎如果对燃料与空气的混合物先压缩后点火，就会比任何改进的勒努瓦二冲程引擎在效率上都要高得多。1876年，奥托设计出了一个电磁点火系统，造出了世界上第一台具有实用意义的四冲程发动机。就像牛顿定理、瓦特发动机、伦琴射线那样，人们把四冲程汽油发动机的工作原理称为——奥托循环。

奥托循环的一个周期是由吸气过程、压缩过程、膨胀做功过程和排气过程这四个冲程构成，首先活塞向下运动使燃料与空气的混合体通过一个或者多个气门进入气缸，关闭进气门，活塞向上运动压缩混合气体，然后在接近压缩冲程顶点时由火花塞点燃混合气体，燃烧空气爆炸所产生的推力迫使活塞向下运动，完成做功冲程，最后将燃烧过的气体通过排气门排出气缸。

时至今日，虽然现代发动机在、油耗、稳定性等性能都有很大程度提高，但汽油发动机的基本工作原理完全没有变化。

进化，从“打喷嚏”开始——电喷技术给发动机带来的效率提升

顺着时间的推移，到上世纪60年代，随着汽车数量的日益增多，汽车废气排放物与燃油消耗量的不断上升困扰着人们，迫使人们去寻找一种能使汽车排气净化，且节约燃料的新技术装置。电子控制汽油喷射技术（电喷）的发明和应用，使人们这一理想得以实现。

简单来说，电子控制发动机内的燃油喷射，就像是在进气门之前打了一个精确的“喷嚏”过程，用电子控制装置取代传统的机械系统(如化油器)，让每一次进气行程中的燃油和空气配比更合理。电喷系统的行车电脑（ECU）会随时侦测引擎温度、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、燃油经济与排污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，气门数量从两个增加至五个。目前最先进的当属搭载VVT可变气门技术的电喷发动机。

电喷发动机的最大优点就是燃油供给的控制十分精确，让引擎在任何状态下都能有正确的空燃比，不仅让引擎保持运转顺畅，让发动机的废气也更加合乎环保法规的规范。

让爆炸来得更猛烈些吧！——燃油直喷GDi技术解析

不过，电喷发动机的“喷嚏”是在汽缸外打的，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，因此喷射会受到开合周期的影响，产生延迟，影响电脑对喷射时间的控制。能够不能让喷油嘴在汽缸内直接“打喷嚏”？于是，缸内直喷技术应运而生。

发动机燃油直喷技术的基础技术起源于上世纪30年代，但大范围的进入消费者视线却是本世纪的事。

燃油直喷技术的全称是发动机燃油缸内直喷技术，简称就是GDi。直喷发动机所燃烧的空气在进入气门前是纯净的空气，而不是油气混合体，而燃油是在气缸内的喷油嘴直接“打喷嚏”，缸内直喷发动机的喷油嘴在汽缸内部，燃油的取得不需要经过气门的开启，而能够藉由计算机主动控制喷油时间、压力与喷射量。与传统喷射系统相较，缸内直喷不受限于传统机械构造的进气方式，而且能够依照引擎所需随时调整空燃比例。将内燃机的燃料效率提高20%，而二氧化碳排放降低15%。

不过，要做到缸内直接“打喷嚏”可不容易，传统四冲程发动机混合气体靠的是负压让混合气进入气缸，喷油嘴压力不需要多大了。但是直喷就必须有高压喷油嘴在把汽油雾化之后喷进汽缸，所以就必须要有足够的高压了。这正是直喷发动机的核心技术。比如长安福特新福克斯装备的GDi发动机，2.0升 GDi发动机是福特在中国推出的首款应用燃油直喷技术的非涡轮增压发动机，它能以高达200Pa的压力（而国内采用直喷技术压力一般在 150 Pa）精确定量的少量燃油喷入每个汽缸内——油滴的大小一般小于0.02毫米，相当于人类头发丝直径的1/5，这是目前行业领先的兼具燃油直喷(GDi)和双独立可变气门正时(Ti-VCT)两项技术的发动机。凭借燃油直喷技术，发动机能在较高的12:1压缩比下安全运行，提高发动机的效率，从而实现更高的燃油经济性和更大的动力输出。

最后，需要提醒大家的是，现在市场上出现了很多燃油直喷的叫法，看得人眼花，其实万变不离其宗，原理都是一样的。

    当然，燃油直接喷射技术的复杂性远远不止我们今天讨论的那么简单，但是，作为活塞式发动机已经发展到现在这个阶段，其他提升性能的手段已经用到极致的情况下，改变汽油机混合气的形成方式，真不乏釜底抽薪的勇气，对这种不断进取开拓的工程师精神，是值得敬佩的。