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颠覆量产发动机燃烧领域,玛莎这颗深水炸弹,够烈

钻木取火开启了人类开掌控火的纪元,随后,取火的方式从阳燧到火镰再到火柴,现如今电点火早已普及到了大家生活的方方面面,历经万年,火,似乎早已被我们所掌控。但事实上,人类从没有真正意义上完全掌控火焰,火焰,它基于激发态和等离子态的特质使得我们现阶段依然只能控制其(点燃)起始,却无法完全控制其(燃烧)过程。

当油气混合物在气缸内聚集,火花塞的电弧击穿空气,瞬间爆发的火焰迸发出驱动现代汽车工业的源动力。内燃机作为汽车工业最为耀眼的明珠,无数的主机厂都在为压榨其间每一滴燃油的价值而进行着不懈的研究,进气、压缩、燃烧、排气……燃烧冲程作为四冲程内燃机中唯一的做功冲程,其重要性不言而喻,自然而然地,如何高效控制燃油迸射而出的烈焰,迄今都是发动机燃烧领域的核心课题之一。

对于内燃机燃烧领域的深层探究从来不乏优秀的选手参与,前有本田CVCC分层燃烧,后有马自达Skyactiv-X SPCCI均质压燃,正是这种突破时代桎梏的黑科技,推动着内燃机燃烧的进化与革新。现如今,玛莎拉蒂全新引擎——Nettuno海神现世,TJI(Turbulent Jet Ignition,湍流射流点火技术)的量产成功,可谓又将内燃机的燃烧带入到了一个全新的世代,TJI技术通过预燃烧室的设置、采用双喷射+双火花塞布置,将定容燃烧、爆震抑制和稀薄燃烧结合在了一台引擎内,海神的威名,当之无愧。

同为双燃烧室,TJI和CVCC本质不同

玛莎拉蒂的全新引擎Nettuno的最大亮点之一便是在于其预燃烧室的设置。而预燃烧室其实在本田的上世纪70年代的CVCC ( Compound Vortex Controlled Combustion )技术早已出现过了,当然,CVCC的预燃烧室设置技术走向和TJI其实存在着本质差别。CVCC的喷油嘴被布置在预燃烧室内,与主燃烧室之间过数个火焰孔相连,主进气门和预燃烧室气门有分开的独立结构。

(本田CVCC技术发动机)

进气冲程中,两个燃烧室内都充满空气,但只有预燃烧室中汽油会经化油器雾化(主燃烧室没有设置喷油系统);到了燃烧冲程,部分雾化汽油会经由火焰孔达到主燃烧室,与主燃室内的稀薄空气混合;做功冲程预燃烧室内高浓度混合气被点燃,引燃主燃烧室的稀薄混合气做工,由此达到当年稀薄燃烧的目的。

CVCC的设计使得主燃烧室内无强紊流,燃烧缓慢且温度低,对汽车的排放十分友好,但同时过少的主燃烧室燃油,使得发动机功率受限,牺牲功率换来排放的达标(当年《马斯基法案》出台,对汽车排放有十分严苛的规定,其严苛程度类比甚至超越如今国Ⅵ-B),也让CVCC烙上了那个时代特有的印记。

(CVCC燃烧示意)

而玛莎拉蒂Nettuno采用的TJI虽然也设置了预燃烧室,但其结构和工作状态和CVCC有着天差地别。如果说CVCC为了排放牺牲了性能的话,那么TJI使得Nettuno不仅满足欧Ⅵ-D和国Ⅵ-B排放,同时也有着极为夸张的性能(3.0T双涡轮增压;最大功率630匹,7500rpm;峰值扭矩730N·m,3000rpm)。鱼和熊掌兼得的故事,在Nettuno上清晰上演。

Nettuno的预燃烧室位置处于中央电极和主燃烧室之间,两者之间同样由火焰孔联结。但其预燃烧室和主燃烧室之间并非传统的隔板,而是采用特殊材料并设计了特定的造型,以保证火焰能喷射而出瞬间到达气缸壁端,用射流火焰而非分层火球去引燃主燃烧室内的混合气。

Nettuno的预燃烧室即便体积只有约全燃烧室的4%左右,但其内依然设置了相对“完整”的喷油点火系统(火花塞位于正中心,直喷系统喷油通过预燃烧室腔内喷孔到达火花塞附近)。通过一个简单形象的类比便于大家理解这套点火模式——原本气缸内点火的火花塞被一个稍大一些的圆柱形铁套筒包围,火焰先在这里产生,随后经由靠近主气缸那一端上的小孔喷射出火焰,点燃整个燃烧室。

理解TJI技术的核心,就是要去理解“湍流喷射”的意义。

喷射而出的火焰,这是海神在盛宴狂欢

要让火焰从预燃烧室“湍流喷射”而出并非易事,TJI技术让预燃烧室内本身的设置就可以营造高压环境,并且针对火花塞进行特殊电极优化,在燃烧冲程之时,以火花塞电弧打着的高强火焰配合室内高压剧烈燃烧,瞬间爆发的火焰终于经由预燃烧室小孔怒泄出来。

而这股火焰的控制,是由无数的参数整合综合而来的,不论是喷射方向、压力,还是喷射速度,或是火焰尖峰形态。这需要大量的CFD(Computational Fluid Dynamics,计算流体动力学)建模来优化燃烧室内的燃烧形态。

并且,即便为双火花塞布局,Nettuno将预燃烧室设置在了全燃烧室顶端中央处,这样设置的优势在于从预燃烧室喷薄而出的火焰可以均匀地达到主燃烧室壁的尽头,并点燃途径处已经预混好的稀薄混合气。

这里有两个关键点——“湍流喷射的火焰”和“稀薄混合气”。

传统的内燃机的燃烧都是由火花塞引发的,但是火花塞点火是一个从火花塞电弧出生成火核,再由火核向外逐渐扩张点燃的“漫长”过程,这般冗长的火焰点燃传播节奏与汽车内燃机燃烧领域一直在追求的定容燃烧其实是相违背的。所以很多主机厂都在追求各式各样的快速燃烧技术,TJI可谓轻松解决了这一难题。

(IAV预燃烧室点火技术)

想象一下当房间里充满了混合气,突然从中间爆发出多条均匀向四周射来的火舌,整个房间瞬间被点燃爆炸,不仅过程迅速,而且威力足够大。

至于在稀薄混合气上,TJI一样有文章可做。在发动机在低-中负荷区域,主燃烧室内并不会喷射高浓混合气,充斥在其中的,是靠火花塞极难点燃的超稀薄混合气体,但以火焰点燃火焰的思路虽然老派,但却是如今实现发动机内稀薄燃烧的最优解之一。通过CFD建模分析可以大致得出这样的结论:采用预燃烧室多点射流点火后,燃烧速度可以提升3成以上,并且能燃烧掉过剩空气率超过2的混合气。

更为充分的燃烧就对燃料的限制放宽了,发动机也可以更加追求达到理论空燃比,以往限制空燃比的因素主要为排放,但TJI技术可以使得的燃烧残余率十分之低,NOx的发生量自然也不会高,因此即便Nettuno引擎的压缩比达到了11:1,但其依然可以轻松通过现今的排放标准测试。

你以为这就完了?错!TJI射流火焰甚至还解决了发动机爆震问题。在追求高动力的情况下,缸内以往的末端混合气体不一定会在合适的时机燃烧,这部分气体在不合适时机自燃就是爆震产生的原因。而前文讲到的TJI在解决了稀薄燃烧问题的同时,其实也一并解决了发动机爆震问题,并且无需牺牲发动机功率密度和重新设计点火角度等,这束直达燃烧室末端的火焰,在此刻光芒四射。

性能、环保、油耗,我海神全都要

这套被玛莎拉蒂命名为TJI的技术,其实是来自于F1技术的下放。

早在2015年,法拉利其实就在F1上使用了有预燃烧室的引擎,当然,F1技术的下放并不是说直接照抄了F1技术。我们可以先简单看看F1赛事的预燃烧室的设计特点。法拉利F1预燃烧室技术来自于马勒,马勒的方案是在预燃烧室内整合直喷系统和火花塞,直喷系统大概只会喷射全燃烧室所需燃油的1-2%,而这部分汽油的目的也仅为产生射流火焰去引燃主燃烧室内的油气混合物。

(马勒预燃室技术)

而Nettuno引擎采用的是预燃室外置双喷射,这和F1的预燃烧室策略有着很大不同,显然F1的预燃室是纯性能取向,并且无需考虑排放,Nettuno则是在追求性能的同时有着民用化的考量。

因为双火花塞(中央火花塞+侧火花塞)双喷射(350bar直喷+6bar进气道喷射)系统整合在了Nettuno这台90度夹角的V6引擎之上,点火策略上可以有着多重变量可控,同时点火交替点火等多种策略使得发动机本身得以拥有极致性能、极致经济等多种能量诉求模式转化。

(Nettuno CAD图)

简单来说,Nettuno可以实现多种不同工况不同点火策略以达到排放、油耗、性能的最优解。目前尚不明确Nettuno的具体策略,可以大致推断一下:冷机状态下,中小负载,预燃室不介入,主燃室采用进气道喷射以减少HC和颗粒物产生;在热机状态下,小负载可采用纯进气道喷射或预燃室介入后的稀薄燃烧态,在中负载状态,进气道+直喷不失为好方案,到了高负载状态,发动机应采取纯直喷和预燃室介入后的性能取向策略。

其实通过分析设计,Nettuno理应还有一个bug般的特质,那便是“低涡轮迟滞”,因为这台引擎可以凭借TJI充分燃烧,压缩比被提升到了11:1,但即便这么高的压缩比,其峰值功率依旧达到了730N·m,这可是一台基础排量“仅仅”3.0升的超跑引擎!

要把扭矩提上去很简单,提升增压值,降低压缩比(抑制爆震),代价就是损失效率油耗以及抬高涡轮迟滞。那些夸张扭矩的小排量引擎市面上不少,那压缩比没法看,那涡轮迟滞更是让人瞠目结舌,但,Nettuno兼具性能、环保、油耗,涡轮迟滞还低,这一切,都是量产领域全新的燃烧变革所带来的福祉。

04

海神首搭MC20,熟悉的赛道咆哮,我们等很久了

相比较耀眼的TJI,干式油底壳、90°夹角等信息稍显暗淡了,不过,这依然是超跑引擎的标配,再回过头来看Nettuno高达210马力/升的升功率水准,几乎可以傲视量产群雄,而289g/kWh的燃效,在如此卓越的性能水准面前,也已然足够经济。

Nettuno的意义在于对其发动机燃烧领域的革命性重塑,这款充满前瞻性意义的发动机将是玛莎拉蒂发展历程中的又一里程碑,100%由玛莎拉蒂研发,100%摩德纳制造,毫无疑问,伴随着MC20的最终亮相,玛莎拉蒂或将在今年重回王座。

那玛莎拉蒂熟悉的赛道咆哮,我们真的等很久了,我们真的要等到了。

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