曾經,要問汽油機和柴油機有何不同?你可能會說柴油機是壓燃的,但以后這么說可能就行不通了。
我們都知道發動機是“燒油”的,一般來說,大部分民用車發動機所燃燒的都是柴油或者汽油,但這些油是如何點著的呢?打火機抑或火柴?都不是,其中柴油機依靠的是壓燃,柴油機在壓縮行程時利用壓縮氣體產生的高溫來點燃柴油,相信大家初中或者高中應該都做過壓燃試驗。而汽油機,民用車領域基本都是采用火花塞來點火。
為什么柴油機和汽油機點火方式不同?
雖然通常大家感覺汽油比柴油容易點燃,但事實上,在一般大氣壓下,汽油的燃點為427℃,而柴油機只有220℃,一般來說,燃點定義是指在容器中加熱至燃燒的溫度,在不同大氣壓下燃點也會有所變化,一般氣壓越低,燃點越高。而之所以柴油在生活中不容易點燃,是因為柴油不容易揮發成氣體,你用火柴去點柴油,其實是點燃了的 燃燒的是表面微量的揮發物,但燃燒不容易持續。舉個不太恰當的例子:木屑比一整塊木頭更容易點燃。
而汽油則更容易變成“木屑”,但自燃溫度較高,所以汽油蒸汽不容易壓燃,而更適合外部引火,如果強行增加壓縮比,把汽油壓燃,那么由于汽油燃燒速度很快,容易發生爆震,整個燃燒過程會很難控制。而“看起來老實”的柴油,利用其容易自燃的優點,且燃燒速度慢,所以采用壓燃點火,而且柴油機更注重扭矩,轉速慢,但不能像汽油機那樣利用高轉輸出高功率。
但隨著技術發展,一些問題會發生改變對不對?那就是—— HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) “均質充量壓燃”。
但事實上這項技術早在上世紀就被提了出來,而在當時,HCCI其實一直是被視為柴油發動機革命性技術的,我們先來看看HCCI的燃燒狀態,與普通柴油機或汽油機的非均勻擴散式燃燒不同,HCCI下所有燃料都在同一時間被點燃。
但這項技術雖然發展這么多年,但一直未能量產,重要的一點原因是因為HCCI在點火時間上難以控制,HCCI的壓燃模式與傳統柴油機壓燃模式是有很大不同的,涉及的混合方式、空燃比、壓縮比等等都不一樣。而且HCCI對工況也非常挑剔,低負荷、高負荷狀態下都很難理想工作,冷機啟動難。
由于HCCI覆蓋的工況比較窄,所以百分百HCCI的發動機是很難驅動車輛的,因為轉速區間有限,所以HCCI一直都處在實驗室中。為了確保HCCI燃燒在每個循環都能穩定進行,要利用很多溫度、壓力、氧含量等等傳感器來反饋各種信號,通過種種手段來嚴格控制缸內“燃燒應該開始”的那一刻,從而讓HCCI燃燒按照你預期的那樣循環進行下去。
雖然我們前文中說了,相比之下,柴油更適合壓燃,而汽油的特性似乎是不利于壓燃的。但相比柴油而言,汽油在HCCI中有一個優點——它在必要時依然可以使用火花塞點燃。由此我們可以想到,在合適的工況下實現HCCI燃燒,不合適的活兒自燃就讓火花塞來做。
聽起來雖然簡單,但實現起來并不是那么容易,在HCCI燃燒下的種種都和傳統燃燒要求不一樣,而且都不是“瞬間”變化的,兩種不同模式下的切換控制是一個難題。
十年前奔馳、通用就做過嘗試,也推出了樣機。比如2007年的F700概念車搭載了一臺1.8T直列四缸發動機就采用了HCCI技術,而通用也曾推出過采用HCCI技術的汽油機。
然而最近,又把壓燃汽油機帶進大眾視野的,自燃就是馬自達了。而馬自達帶給我們的解決方式則是——SPCCI(Spark Controlled Compression Ignition)。
該技術會使用火花塞點燃一部分混合氣,爆炸之后會產生一個推力,從而進一步增加缸內壓力,把未能點燃的混合氣實現壓燃。而預先用火花塞點燃的那一部分,就成為了控制活塞在上止點時缸內壓力大小的手段,可以根據不同工況不同需求來出發壓燃,使得壓燃可以在更寬泛的轉速區間中存在,在高轉速區間中切換為傳統的點燃模式,從而保留汽油機高轉的特性。
當然,革新之處絕不僅僅時火花塞而已,燃燒室形狀、噴油方式、EGR控制等等都是解決均值壓燃的關鍵所在。而至于馬自達給我們的解決方案表現如何,那還得等G哥拿到車啊。
說了這么多,似乎忘了講為什么大家要不遺余力的實現汽油機壓燃、實現HCCI了。恩…最大的好處就是這樣做能帶來更好的熱效率,并且能帶來更低的排放,G哥想,這也許是目前汽油車干掉新能源車的唯一機會啊。