为什么部队车的发动机采用柴油缸内直喷技术？，

敞开“心”扉-涡轮增压缸内直喷发动机通俗解读

人的心脏需要血液和氧气的不断注入，才能保持强劲的跳动并维持全身的生理机能。而汽车的“心脏”发动机也是一样，它需要燃油和氧气的不断摄入才能使得汽车拥有充沛的动力性能，本次我们就通俗解读一下目前发动机领域十分主流的涡轮增压缸内直喷发动机的技术原理。

1.什么是涡轮增压缸内直喷发动机

提到涡轮增压直喷发动机，就需要先将这一专有名词拆开，涡轮增压发动机和缸内燃油直喷系统。

01.涡轮增压发动机

涡轮增压发动机，顾名思义，在自然吸气式发动机的基础上加入了涡轮增压器以辅助发动机产生更强劲的动力。也许很多朋友或是更多女性朋友们并不了解发动机，我打一个医学上的比方（本人并非学医，所以对于医学层面表达的并不严谨，只是举一个通俗一点的例子，有不妥之处请见谅）。

发动机好比是人类的心脏，而涡轮增压器起到的作用就好比是速效救心丸的药效。正常情况下，身体的生理机能是由心脏的跳动所产生的压力让血液和养分通过血管的流动而来，而得了心律不齐等心脏病的病人往往常吃的一种药物是速效救心丸，这种药物起到的作用是扩张血管，在心脏正常跳动的节奏下，让更多的血液和氧气得到流通，从而获得更多的能量。

同样原理，涡轮增压器则是帮助发动机提高空气进气量，使得气缸内的燃烧更剧烈，活塞运动的能量就越大，发动机整体迸发的能量也就越多。

以上是涡轮增压发动机的基本原理，真正的涡轮增压直喷发动机不止以上这么简单，需要有多种设备加以支持，就如同人一样，除了心脏以外，还需要肺、肝脏、肾脏等器官的辅助才能获得更强的生命力。

02.缸内直喷

传统发动机的燃油系统是通过进气道进行喷射的，通过气门的开启，燃油混合气进入燃烧室由火花塞点燃并释放能量。而燃油直喷系统则是直接将汽油喷入燃烧室，通过搭载的多孔喷油嘴进行喷射，其ECU可精确控制喷油量，使之达到最佳工作状态。

▲进气道喷油不容易控制混合气浓度。同时，容易在进气道内残留油污。燃油直喷则解决了上述问题，但是需要ECU精确控制喷油量和气门开度

燃油直喷系统的诞生，离不开传统进气道喷射系统所存在的弊端。

首先，后者无法精确控制混合气浓度。我们知道，纯空气或者纯汽油，都是不可燃烧的，能够在气缸内点燃的，是这两种物质的混合体。以质量为计算单位，14.7份的空气和1份的汽油，能够充分燃烧。

当空气大于18份或者小于9份时，则点不着，在这个范围内，混合气浓度大，发动机就有劲，其实当你踩下油门的时候，发动机电脑就是在配这个空气和油的比例。需要更省油，就要更多的空气，更少的油，但是到达临界点时，就点不着火了。

▲空气与汽油比例为14.7：1时汽油能够充分燃烧。此时，油越多燃烧的越猛烈，当空气减至9：1时，火会熄灭

其次，是压缩极限问题。我们知道，汽油随着新鲜空气进入气缸，首先是经过活塞的压缩后才被火花塞点燃的。如果把10份的汽油和空气混合的气体压缩成1份，那么这台发动机的压缩比就为10。无论是理论还是实际都证明了，提高发动机的压缩比是提高做功效率的最好方法。

但问题是，随着压缩比的提高，气缸内的温度会过高，混合气不用火花塞点火就会自燃（柴油发动机就是这么来的）。如果活塞还没有运动到最高点的时候，就有一股强大的力量把活塞往反方向推，这也就形成了爆震。随之而来的还有一系列的排放问题。

本着以上两种问题，工程师来尝试稀薄燃烧和分层燃烧两种概念。

首先，稀薄燃烧就是利用气缸压力将大于18份的空气进行压缩，然后再由火花塞点燃，就达到了油少、做功还大的目的，实验结果是成功的。

而分层燃烧则是先点燃火花塞附近的高浓度的混合气，利用其燃爆的压力和高温点燃位于其他位置的低浓度的混合气，其作用也是用少量的油做最大的功。最后实验结果也是成功的。但两者必须要同时满足一个条件——就是采用缸内燃油直喷系统。

于是，这一系统诞生了。也就是说，缸内燃油直喷系统是为了实现这两种燃烧理念而被研发出来的，但是就目前的技术来说，无论是稀薄燃烧还是分层燃烧，都只能在低转速下进行，到了高转速，还是采取传统的尽量满足空气比油为14.7比1这一比例燃烧。

2.涡轮增压缸内直喷发动机进行了哪些优化？

01.发动机内部

1.多孔喷油嘴

多孔喷油嘴喷出的汽油就如同淋雨中的花洒，压力越大孔越多，汽油雾化的效果就越好。喷油嘴喷油的压力很大，有些发动机可达到200Bar,全程由发动机ECU精确控制。

2.活塞

活塞是发动机中最重要的工作部件，正是它不断地往复运动，带动曲轴，我们的汽车才能任意驰骋。所以它的工作强度、形状设计等就显得尤为重要。

活塞由轻量化铝合金打造，短火力岸式设计。为了减少摩擦和噪音，裙部及活塞销带有石墨涂层。

活塞手里面采用不规则设计，目的是让空气燃油混合气形成气旋并充分燃烧，同时增加合理受力面积，实现做工最大化。

减轻重量也是重中之重。活塞底部需进行掏空处理，同时考虑到受力位置，采用了薄厚不一的底部设计。

3.双顶置凸轮轴

这是目前多数涡轮增压直喷发动机所采用的配气结构。其两个顶置凸轮轴分别控制进气门和排气门，在发动机运转过程中，通过进气VANOS（可变凸轮轴正时控制，红色部分）系统来精确控制气门的开闭时间和重叠角度。

当然，有的发动机也采用了进排气凸轮轴正时控制系统。VANOS可同时控制进气70度曲轴转角和排气50度曲轴转角的可变角度，让气门更准确地开合。

4.集成式排气管

目前，很多涡轮增压缸内直喷发动机采用了与缸盖集成式排气管技术，与传统的外挂是排气管相比，这样做的好处是除了减小发动机本身质量以及体积外，也更有利于发动机的快速暖机和散热。

02.涡轮增压器

一般的涡轮增压器的主体分为涡轮外壳、涡轮叶轮和压气机叶轮，辅助的系统有集成电控泄压阀，旁通阀总成、双冷却系统和中冷器总成组成。

大概布局以图为例，红色部分是双涡管排气道，紫色是涡轮增压器，黄色部分是涡轮冷却水泵。紫红色是进气道，绿色部分是空气滤芯。

其工作原理是发动机排出的废气通过涡管排气道进入涡轮室推动涡轮叶轮的同时排出，涡轮叶轮带动对面的压气机叶轮旋转，可达220000rpm的压气机叶轮将外界空气通过空气滤清器和气道引入涡轮室，再由气道将吸入的空气带入中冷器（涡轮增压器与发动机之间的冷却系统），经过冷却的空气由进气歧管引入至气缸燃烧室内，更多的空气可以让发动机动力更加强劲，周而复始，强劲动力便源源不断。

1.泄压阀

在市区行车，走走停停在所难免，此时，驾驶员脚下断断续续的油门也使得发动机进气道内的节气门开开合合，当节气门开启时，也就是油门踩下时，随着发动机转速升高，发动机排出的废气推动涡轮旋转，涡轮开始工作。

当松开油门时，节气门开度减少或关闭，发动机进气量减少恢复低转速。而涡轮增压器由于惯性作用依然在工作，依然会有源源不断的空气进入进气道，如果进气道中的气体不及时排走，会使得压力集聚升高，轻则加速不畅，重则节气门损坏或进气管爆裂。

▲红色区域为泄压阀总成

这时候，就需要一个泄压装置来释放压缩的空气，这就是泄压阀的作用。目前，有机械式和电子式两种，机械式的内排式泄压阀依靠废气作为驱动装置，使真空盒内的活塞移动形成真空将废气排出。而电子式泄压阀由发动机ECU控制，由涡轮出口的压力传感器做出判断，精确控制泄压阀的开启或关闭。

2.电控旁通阀

旁通阀实际上就是一个排气泄压阀，主要目的是来控制涡轮的旋转速度。我们知道，涡轮的转速与发动机排出的废气量有关，越多则转速越快，当涡轮转速达到上限时，处于保护的目的，旁通阀就会开启，将多余的废气排向排气管内，减少涡轮的转速，保证涡轮增压器在一个稳定的工作范围内。

3.双冷却系统

涡轮增压器的工作环境非常恶劣，饱受高温高压所困扰，为保证其能够正常工作，其可承受温度需要控制在一定范围，那么就需要一套单独的冷却系统，这样就出现了主冷却系统和副冷却系统。

▲主冷却系统主要负责给发动机降温

▲副冷却系统主要负责给涡轮增压器降温

当然，除了发动机本身的主冷却系统外，有的技术先进的发动机还搭载有机油冷却系统。