缸內直噴技術在中小型汽油機上的應用研究分析

高舒芳

摘要：為實現更高的燃油利用率以及提高發(fā)動機效率，在進氣管噴射技術的基礎上研發(fā)了適合乘用車的缸內直噴技術，文章介紹了缸內直噴技術的發(fā)展過程并詳細說明了其工作原理以及不同類型的缸內直噴發(fā)動機，另外對缸內直噴發(fā)動機相關發(fā)動機系統(tǒng)的要求也做了相關簡介，進而證明缸內直噴技術是目前最適合的發(fā)動機技術，同時混合噴射技術也可作為可行的研究開發(fā)方向。

Abstract： In order to achieve higher fuel utilization and improve engine efficiency， on the basis of intake pipe injection technology， in-cylinder direct injection technology suitable for passenger cars has been developed. The article introduces the development process of in-cylinder direct injection technology and explains in detail The working principle and different types of direct-injection engines are introduced. In addition， the related engine system requirements of direct-injection engines are also introduced， which proves that direct-injection technology is the most suitable engine technology at present， and mixed injection. Technology can also be used as a feasible research and development direction.

關鍵詞：汽油機;缸內直噴;發(fā)動機系統(tǒng);排放

Key words： gasoline engine;in-cylinder direct injection;engine system;emission

中圖分類號：TK413.8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0094-03

0 ?引言

進入新時代以來，全球各個國家開始不斷強調環(huán)境污染與能源危機問題，其中乘用車作為國內現存保有量最多的汽車類型其搭配的中小型燃油機在2016年所消耗的石油資源占全國消費總量的55%左右，在新能源動力汽車尚未普及的傳統(tǒng)燃油汽車保有量巨大的情況下，提高燃油經濟性與燃燒充分效率仍具有必要性。在柴汽油動力之間，汽油機因其本身所具有的特質，如燃燒過程柔和、震動小以及結構成熟等，在乘用車中可以提供更加完備的乘坐感受而被廣泛使用。為踐行國家政策實現減少環(huán)境污染與解決能源危機問題，除在繼續(xù)開發(fā)新型混合燃料之外，對于汽油發(fā)動機技術的研發(fā)也是極其重要的一個方向，一氧化碳、硫化物、氮化物以及固體懸浮顆粒（PM2.5）等在汽車尾氣的有害氣體中扮演主要角色，同時這些污染物的大量排放將直接或間接的造成環(huán)境污染以及人體健康。保證燃料的充分燃燒便是減少污染物產生的有效途徑，為提高燃料的充分燃燒效率，通過電控技術精準實現發(fā)動機在各種工況下的進氣量以及燃油噴射量，改善氣體的混合充分性以保證燃燒充分，進而達到所需標準。

1 ?進氣道噴射技術和缸內直噴技術現狀

在二戰(zhàn)結束之后，歐美等西方發(fā)達國家在科技領域發(fā)展迅速，電子科技等新興技術逐漸涉及到社會各行各業(yè)，其中包括發(fā)動機電控噴射系統(tǒng)用以滿足更高的動力需求。而相比于西方發(fā)達國家，我國在戰(zhàn)后優(yōu)先強調發(fā)展的是軍事科技，而在改革開放之后才開始引進外資之后才開始在汽車工業(yè)上借鑒國外的先進技術進而研發(fā)我國自己的發(fā)動機電控噴射系統(tǒng)，目前在該方面仍然需要繼續(xù)提高。進入新時代以來，在黨的領導下，我國社會經濟正在緩慢轉型，并愈加開始強調環(huán)境與人文的重要性，頒布相關法律法規(guī)以加快發(fā)動機技術的創(chuàng)新。 噴射系統(tǒng)的含義是指汽車內部的燃油噴射裝置下ECU的計算處理下根據車輛的不同工況以搭配不同量的燃油噴射實現發(fā)動機艙內盡可能的充分燃燒提高發(fā)動機相關性能數據。根據噴油器在發(fā)動機上的安裝方位不同，可以將其分成兩種技術類型，即進氣道噴射技術以及缸內直噴技術，分別被稱為PFI以及GDI。在這兩種不同類型方向上，世界各國汽車企業(yè)對于其進行了橫向展開，但在性能方面而言，GDI技術可以提供更高的發(fā)動機的動力性能以及更好的燃燒效率，是滿足經濟環(huán)保相關法律法規(guī)的優(yōu)先考慮技術，可大幅度降低汽車尾氣的排放污染量。以日本的三菱、豐田和美國福特為代表的許多汽車公司便在缸內直噴技術上取得了技術突破并產品化，投入其相關車型的使用。

1.1 進氣道噴射技術簡介

進氣道噴射（PFI）技術是指噴油器的布置位置不位于氣缸內部，而是在進氣門附近區(qū)域，隨著進氣門打開，混合氣體進入氣缸參與燃燒，如圖1。在PFI的工作過程中，噴油器在進氣管噴射相關量的燃油后與空氣混合，等待進氣門打開，在此過程中有充分的時間來進行油氣混合故而其最大優(yōu)點便是油氣混合均勻。

同時根據PFI技術布置的噴油嘴的數量的區(qū)別，又可詳細將進氣道噴射技術劃分為單點以及多點噴射。在當前的技術層面上，以多點噴射技術為主，多點噴射雖然代表需要更高的成本以及維修成本，但多點噴射可控性更強，更容易提升發(fā)動機性能。單獨燃油噴射（IFI）方式與多點噴射不同的地方在于其在一個氣缸的進氣口只設置一個噴油嘴，各自為對應氣缸服務。

相比于GDI技術而言，PFI技術有一個巨大的優(yōu)勢點在于這種方式對于燃油所需壓力不高，PFI技術的實現原理便是在ECU的控制下通過曲軸位置信號來監(jiān)測各氣缸所處的工作狀態(tài)以控制噴油嘴的動作，完成該過程。對于早期內燃機而言便是通過進氣道噴射而實現的，當時受限于材料與加工技術，所以PFI技術相對更加成熟，設計與優(yōu)化更加方便，在成本等方面擁有更大的優(yōu)勢。其結構簡單優(yōu)缺點也更加明顯，采用PFI技術，混合燃油氣經過氣門時會實現主動地對節(jié)氣門清洗，氣門附近積碳速度會變慢。其缺點表現在噴油嘴在進行噴射時，會有一部分燃油被噴射到進氣管上，在此過程中便無法實現對于進入氣缸內部的汽油量的精準控制進而影響燃油效率。

進氣管噴射技術相比缸內直噴技術擁有的一項優(yōu)點在于，進氣管噴射技術的進氣管道起到延長燃油蒸發(fā)時間的作用，而缸內直噴技術則沒有這一點效果，這也就造成了缸內直接噴射的燃油在進入氣缸后混合氣的混合時間短，而為保證燃油噴霧微粒必須足夠小，便需加大噴射壓力，這樣便可以保證在火焰爆發(fā)的短暫時間內油滴能夠盡可能的完全燃燒，以降低形成的微粒以及未燃的HC排放量。在缸內直噴發(fā)動機發(fā)展的過程中，借鑒進氣道噴射技術的優(yōu)點是可行的方案之一，如進氣道噴射發(fā)動機所使用的低壓噴射系統(tǒng)以及可以搭配使用三效催化器或采用更高的排溫提高三效催化器的效率，這些技術方面的優(yōu)點便是可以去進行進一步的技術研發(fā)和創(chuàng)新來在缸內直噴發(fā)動機上實現的。

1.2 缸內直噴技術簡介

缸內直噴（GDI）顧名思義，便是直接將噴油器的開口置于燃燒室內，直接將燃油噴入氣缸，而后與進氣口進入的空氣進行混合，如圖2?？紤]到氣缸內部的壓力大小，在GDI技術中對于噴油器使用了較大的壓力，這樣對于燃油霧化效果有了增強，同時由于燃油直接噴射在氣缸內部故而對于燃油噴射量可實現比PFI技術更高的噴射精度，通過對噴油嘴的位置以及形狀設計對于其霧化能力進一步增強，同時提高混合氣的混合均勻度，提高對于燃油的充分燃燒效率，降低有害氣體的排放。

缸內直噴技術搭配電控系統(tǒng)的實現方式，可進一步精確控制空燃比，同時由于極高的燃油壓力，對于汽油霧化以及混合效果都有巨大提升，這種多種角度的搭配效果帶來的便是更強大的動力提升以及更高的燃油經濟性，以及尾氣的有害氣體排放。但是，這項技術仍然存在其缺點，完善的電控系統(tǒng)開發(fā)帶來了成本提升，同時較高的燃油噴射壓力也會帶來火花塞等的損耗更加快速造成大量的維修成本，甚至在燃油的使用上也有更高的要求才能實現更好的效果。其中相對于PFI技術而言，由于混合氣不再經過氣門，故而其在該位置的積碳問題便無法很好地解決，同時在氣缸內部該問題仍然存在，只能通過定期使用燃油添加劑的方式實現清理積碳的功能。

2 ?缸內直噴技術

2.1 燃油分層噴射技術（FSI）

該技術由大眾公司在21世紀初發(fā)布，其包括分層燃燒、均質稀燃和均質燃燒模式。其推出后的效果在響應速度、扭矩以及功率等方面均有較大提升，同時降低了油耗。出于高壓噴射作用，在實現燃油霧化效果提升的同時，也因為氣化冷卻提高了充氣速度進而提高了壓縮比實現均質調節(jié)，通過這種方式，減少在進氣過程中的損耗。在燃燒過程中節(jié)氣門未全部開啟，保留節(jié)氣管內存有真空部分，盡可能實現在一定量的燃料內爆發(fā)更大的工作能量，盡可能實現燃燒充分，提高輸出功率并相對降低油耗。同時由于燃燒混合氣的形成時間長，可選擇性大的點火時間等優(yōu)勢，便可通過電控系統(tǒng)對噴油器進行精確控制達到該理想效果。

2.2 雙增壓分層直噴技術（TSI）

2000年之后大眾公司在經過六年的技術研發(fā)之后，推出加載第二代缸內噴射技術的EA888發(fā)動機，即TSI發(fā)動機，在該技術中巧妙地結合了渦輪增壓技術，以解決第一代缸內直噴技術所存在的遺留問題。TSI發(fā)動機具有更小的體積以及重量可以進一步降低汽車油耗。同時搭配機械增壓方式可以彌補渦輪增壓的所存在的延時缺點，為EA888發(fā)動機提供了怠速情況下更好的響應效果。除此之外利用空氣動力學算法，改善進氣氣流的位置分布改善噴油器的噴射位置以降低能量損耗，提高發(fā)動機的響應速度。經過其優(yōu)化后的技術，可以為發(fā)動機在低轉速的情況下提供更好的扭矩，以保證車輛的加速能力得到優(yōu)化。而在高負荷情況下，以渦輪增壓的方式提供更多的進氣量，加大燃燒室內部的燃油噴射量為其提供更大的動力輸出。

2.3 火花點燃直接噴射技術（SIDI）

與大眾公司發(fā)布第一代缸內噴射技術發(fā)動機同年，通用汽車公司發(fā)布全新的四缸發(fā)動機Ecotec，該系列發(fā)動機使用最新的火花點燃直接噴射技術（SIDI）技術。經過十數年的更新換代，該系列發(fā)動機已經廣泛應用于通用集團旗下各品牌，并成為全球普及率最高的四缸發(fā)動機系列之一。Ecotec系列發(fā)動機在使用缸內直噴技術的基礎上另辟蹊徑，將傳統(tǒng)多點噴射方式改為可變氣門技術，通過高壓的方式經過插在氣缸內部的噴油嘴進入氣缸內部與空氣混合并直接點燃，通過均質燃燒的方式提高燃燒效率。該系列發(fā)動機搭配D-VVT可變雙氣門正時技術，可以同時完成分層燃燒與均質燃燒功能。具體效果為在發(fā)動機低轉速或怠速工態(tài)時，通過對可變氣門的電子調節(jié)實現分層燃燒以實現充分燃燒;在車輛轉為高速運行時，同樣通過對可變氣門的調節(jié)進而實現均質燃燒為發(fā)動機提供穩(wěn)定的動力源。以獲得沃德十佳發(fā)動機稱號的別克君越裝載的2.4L SIDI 智能直噴發(fā)動機為代表的火花點燃直噴技術發(fā)動機采用最高端的高壓噴油嘴，在噴油嘴的設計上布置多達6個的噴油孔，其在高壓油泵的最高17MPa的壓力作用下噴射到氣缸內的汽油微?？蛇_到微米級別，這樣將實現燃油霧化混合更充分，在油耗和環(huán)保層面有了巨大提升。在經過十五年后的優(yōu)化后推出1.5T的 Ecotec 發(fā)動機擁有升功率高、燃燒充分、方便維修以及使用時間長等優(yōu)點，成為世界優(yōu)秀發(fā)動機的模板。采用SIDI技術的經典發(fā)動機數據及參數見表1。

3 ?混合噴射技術

缸內直噴技術雖然可以提供更高的經濟性以及更好的動力輸出，但同樣存在其不足的地方，那便是在噴射后的油氣混合階段，該階段中因為燃油噴射后的霧化時間短且因為直接噴射的原因會和氣缸內壁產生碰撞的原因導致油氣混合不均勻不充分，進而導致汽車排放物中顆粒物增多。而使用進氣管噴射技術的發(fā)動機則是在點火前將油氣混合均勻之后進入氣缸，故而相同條件下的燃燒更加充分，其排放物中的顆粒物（PM2.5）相對較少。而采用混合噴射技術（結構如圖3）便可以結合兩者的優(yōu)點，從而避免該問題的出現。

混合噴射技術采用了分層燃燒模式，其在低負荷工況下，歧管噴油嘴在進氣行程中噴油，在進入壓縮行程時氣缸內噴油嘴噴油兩個噴油嘴相互配合實現分層燃燒;而在高轉速下只采用缸內直噴方式進而強調缸內直噴技術的效率優(yōu)點，舍棄相對不重要的燃燒排放問題，從而降低了排放有害物質量。

4 ?GDI技術對發(fā)動機其他系統(tǒng)的影響

發(fā)動機的技術創(chuàng)新優(yōu)化不是單獨存在的，GDI技術的應用使得發(fā)動機的整個系統(tǒng)都得進行優(yōu)化設計。以燃油機噴射系統(tǒng)為例，在發(fā)動機系統(tǒng)中缸內直噴發(fā)動機系統(tǒng)對燃油噴射系統(tǒng)的需求要求相對較高。在缸內直噴發(fā)動機系統(tǒng)中為實現對噴射時間的精準控制以提高準確性和反應速度，同時因為噴射壓力高的情況下實現噴油量穩(wěn)定，便需搭配準確性更高的燃油噴射控制系統(tǒng)。該特性在分層燃燒中表現尤為明顯，分層燃燒系統(tǒng)中對于噴油量的穩(wěn)定性要求極高。

缸內噴射發(fā)動機的研發(fā)在節(jié)能上實現了較大意義的突破，提高了發(fā)動機的燃油經濟性。與此同時帶來的反面影響便體現在排放上，其中最主要的問題便是在中小負載下未燃HC排放較多。在GDI發(fā)動機使用混合氣分層技術后，容易造成低濃度部分的燃燒不充分甚至熄滅，進而造成缸內溫度過低影響未燃燒所遺留的HC的氧化，從而造成HC排放過多的問題。除此之外，在壁面導向型直噴系統(tǒng)中還會造成因油氣霧化碰壁較多如圖4，影響缸內部分缸壁區(qū)域溫度造成HC排放較多的現象。

在缸內直噴發(fā)動機中對于點火系統(tǒng)也有相關要求。在分層燃燒模式下，火花塞位置附近的氣體濃度并不是想均質混合是一樣保持均勻，故而在混合氣體濃度較低時也需要求火花塞可以實現穩(wěn)定的點火效果，這便要求火花塞提高其能量輸出。除此之外，便是材質以及積碳問題，在缸內直噴的情況下火花塞會承受更高的沖擊且表面積碳嚴重，這邊需要對火花塞實現優(yōu)化以保證其材料擁有更高的耐沖擊能力，同時為了保證點火的穩(wěn)定性，便需為其提供自清潔能力或使用燃油添加劑實現對火花塞的積碳清理。除此之外，缸內直噴發(fā)動機對于發(fā)動機的其他系統(tǒng)仍有相關要求，比如活塞和氣門。更高的輸出便會要求為發(fā)動機活塞提供更高的熱輸出效率以及氣缸缸體部分的耐壓能力。且因為缸內直噴發(fā)動機的混合氣產生于氣缸內，故而氣門和氣門座之間沒有油膜進行潤滑作用，所以氣門的結構設計和強度設計至關重要。

綜上所述，截止到現在電動汽車尚未實現電池技術的突破之前，內燃機車仍然將是市場的主流，為實現能源損耗與環(huán)境污染問題的降低，故而對中小型發(fā)動機技術的研究仍將受到重視。盡管缸內直噴等技術在現階段仍有局限性，但其現階段實現的技術創(chuàng)新以及功能，在乘用車的市場仍然是極其重要的，同時對于發(fā)展新技術新突破的過程仍要繼續(xù)期待。

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