直喷增压时代来临 解析沃尔沃GTDi技术

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如果您对大众的TSI发动机技术有所了解的话一定知道，TSI就是大众涡轮增压直喷技术的代称而不是指某一款发动机。GTDi与大众的TSI有些相似，它是在传统汽油发动机的基础上融合了涡轮增压+缸内直喷+进排气可变正时三种先进发动机技术的代称。

GTDi 是融合涡轮增压+缸内直喷+进排气可变正时三种先进技术的总称
GTDi发动机将燃油直喷、涡轮增压、双独立可变气门正时三大技术的整合的设计理念，包括：优化的发动机效率——有效提升燃油经济性20%，同时降低二氧化碳排放15%；更丰富的驾驶乐趣——低转速下的强大扭矩和宽转速范围内的优异响应；小排量带来的优势——享受传统高排量发动机的输出动力，却拥有小排量发动机体积小、重量轻和油耗低的好处。下面我们就来逐一图文讲解：燃油高压直喷、涡轮增压和双独立可变气门正时三项技术。
GTDi 燃油高压直喷技术：


在了解燃油直喷技术之前，这里需要先给各位普及一个内燃机技术知识，大家知道内燃机主要分汽油发动机和柴油发动机两种，由于汽油和柴油的不同特性，汽油机往往采用点燃方式，柴油机则采用压燃方式。传统的汽油发动机是将燃油喷入进气歧管混合后进入汽缸，由火花塞点火燃烧；而柴油机则是讲燃油直接喷入汽缸（即燃油直喷技术）与空气进行混合然后压缩使其自燃。
有一个不争的事实是汽油机的这种点燃方式的燃油效率不如柴油机的压燃效率高。当然由于汽油的物理特性汽油机要实现压燃的可能性很小，但可以肯定的是汽油机技术越接近柴油机技术其燃油效率也将越高。采用柴油发动机缸内直喷技术和涡轮增压技术（稍后解析涡轮增压技术）就是当前汽油机提高燃油效率最先进技术。


众所周知，汽油发动机实现高燃油效率的最佳空燃比（即空气和汽油的比例）为 14.7：1。 如上图是传统电喷发动机喷油嘴工作位置图，大家可以看到，喷油嘴是将油喷到进气歧管里面，混合气在进气歧管里面形成。虽然ECU通过控制喷油嘴的喷油脉宽可以实现一定的精确供油，但由于在歧管内形成混合气，容易受到气门开闭以及近期气流的影响，很难达到理想中的14.7：1的空燃比。
另外由于混合气在缸外形成，所以混合气进入燃烧室只能通过气门的开闭来控制，这种被动控制的方式不能完全适应发动机不同工况的需求。使得汽油机的经济性与动力性大打折扣。


如上图是直喷发动机喷油嘴的位置示意图，很明显，由于采用了缸内直喷技术，混合气形成的区域就在燃烧室内。通过高压喷嘴直接将燃油喷在气缸里面，利用活塞顶部那如同月球表面的形状的设计，使混合气能在燃烧室内不由自主的产生一种奔放的涡流，从而得到充分的混合，这意味着燃烧就会更加充分，能量转换效率更高。福特对包含直喷技术的GTDi的测试数据显示其油耗能有20%的降幅，同时能减少15%左右的二氧化碳。
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传统的混合气体靠的是负压让混合气进入气缸，喷油嘴压力就不需要多大了。但是直喷就必须有高压喷油嘴在把汽油雾化之后然后大力的喷进去，所以就必须要有足够的高压了。能不能把高压做到位，这正是直喷能不能实现的核心关键，车厂的技术在这里完全能被衡量。
2.0升GTDi发动机采用燃油直喷技术是依靠燃油喷射器里的4个独立的喷嘴，把燃油直接喷射到汽缸里，并和进入气缸的空气混合，通过提高燃油压缩比，来达到增强输出动力的目的。其核心技术是一套高压燃油缸内直喷系统，它能以高达 200 巴的压力（而国内采用直喷技术压力一般在 150 巴）将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 。
涡轮增压技术


事实上为了提高汽油机的燃油效率，柴油机所采用的涡轮增压技术比其缸内直喷技术更早的搬到了汽油发动机上。涡轮增压系统是利用排气推动推动涡轮叶片的高速旋转，从而带动进气口附近的进气叶片转动（空气压缩机），这样就能对进气进行加压，来提高进气的压力，增加进气密度以达到增加进气量的目的。
但是由于要推动涡轮叶片的转速是相当高的，大概有10万转/分钟，想要推动涡轮叶片以这么高的速度转动是需要一定排气能量的，这也就是发动机调校中所说的涡轮介入转速。因此，在发动机转速较低的时候，涡轮增压器是无法工作的，因为此时发动机产生的排气能量不足以推动排气涡轮（常规涡轮增压发动机需要2000转以后才能启动涡轮增压器）。这也就产生了涡轮迟滞现象。
为了使驾驶乐趣发挥至极致，通过先进的涡轮增压技术（内置小型低惯量转子）解决了涡轮迟滞问题。使其GTDi发动机能在低转速下实现高扭矩，并兼具发动机高转速下的灵敏响应。


沃尔沃GTDi技术区别与其他厂家的涡轮增压技术，并在于这套涡轮增压里面内置了经过悉心甄选一个小型低惯量转子，该转子 能以每分钟超过 200,000 转的速度高速运转。 这使得涡轮叶片更容易被废气驱动， 确保了发动机在每分钟 1,500 转或更低转速时获得最大扭矩，发动机的峰值扭矩的提前实现使得涡轮迟滞被控制在最低限度。
另外涡轮经过精心匹配， 沃尔沃GTDi发动机在转速高达每分钟5,000转时仍保持强劲动力和灵敏响应，因此其峰值动力输出范围更宽。
沃尔沃GTDi的双可变正时气门技术：


可变气门正时技术，是国内目前最为普通发动机节油技术，常见的可变气门正时技术原理是根据不同的发动机负荷通过控制进气气门开启时间（其原理为链条带动的齿盘与凸轮轴的结合，中间存在有一定的自由量，通过伺服电机可以对凸轮与齿盘的角度差作出调节，使气门提前或者延迟关闭，从而实现可变气门正时）从而改善发动机效率和性能。但由于只控制进气气门正时，节油效果并不十分明显，如果能够同时排气气门也采用可变气门正时技术，发动机的效率和性能将会得到更好的提高。
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无奈的是目前市面上很多带有可变正时气门机构的发动机仅之是进气门正时可变。使用进排气可变正时技术的发动机数量很少，其中较为知名的为丰田的双VVTi发动机。而沃尔沃GTDi正时采用了进、排气都可控的可变正时技术。2.0L 沃尔沃GTDi发动机的进、排气凸轮轴都配备了独立的可变气门正时系统，它能在不同转速下优化缸内气流，特别可在部分负荷下改善发动机效率和性能。
通过对沃尔沃GTDi三项核心技术拆解我们会发现，沃尔沃GTDi并不是将涡轮增压+缸内直喷+可变气门正时三项已有的技术进行简单叠加，而是对涡轮增压、缸内直喷、可变气门正时三项技术分别进行了技术优化。沃尔沃GTDi实现了发动机强动力输出和低油耗效能。
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