電控缸內(nèi)直噴發(fā)動機著火與碳煙生成機理

缸內(nèi)直噴

在眾多劃時代意義的發(fā)動機技術(shù)中，汽油缸內(nèi)直噴（Gasoline Direct Injection，簡稱GDI）是一項值得濃墨重彩的創(chuàng)新技術(shù)，主流車企也在越來越多地將汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)運用到自己的全新產(chǎn)品上。那么這項技術(shù)究竟源于何時？它又具有哪些獨特的技術(shù)特點和優(yōu)勢？今天我們就來進行汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)的歷史回顧與解析。

缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展歷史

1955年，世界首款搭載具有缸內(nèi)直噴技術(shù)四沖程汽油機的量產(chǎn)車型——奔馳300SL誕生，這部代號為M198的3.0L直列六缸發(fā)動機首次運用了博世提供的機械式汽油缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，約160kw的最大輸出功率與當(dāng)時普遍采用化油器的同排量汽油機相比，這樣的動力水平幾乎整整高出一倍！并且油耗也降低了約10%。

由于燃油加壓系統(tǒng)和噴油器并未相互獨立（當(dāng)時電控技術(shù)尚不發(fā)達，無法實現(xiàn)類似今天這種高壓油泵將汽油加壓后送入共軌，再由電磁閥或壓電式噴油器獨立控制噴油時刻和噴油量的方式），通過曲軸驅(qū)動的高壓油泵一旦給燃油加壓就必須隨即噴入汽缸，而這種特性帶來的直接弊端就是從發(fā)動機熄火到完全停止轉(zhuǎn)動的這段時間內(nèi)，注入汽缸的汽油并不能被燃燒掉，而是順著缸壁流入油底殼將機油稀釋，所以一些300SL每行駛約1000英里（約合1610公里）就需更換機油。

50-70年代，缸內(nèi)直噴技術(shù)基本沒有明顯進步

可惜在之后的幾十年內(nèi)，車用汽油直噴技術(shù)并沒有得到進一步的推廣，但其間依然有一些廠商曾致力于過此項技術(shù)的研究，其中包括AMC（American MotorsCorporation美國汽車公司）和福特。

福特在1958年就提出“PROCO”（Programmed Combustion，直譯為編程燃燒）計劃，特別70年代石油危機爆發(fā)，福特又進一步加快該計劃的研究。當(dāng)時采用的方案是將濃混合氣和稀混合氣分別噴入汽缸實現(xiàn)順序燃燒。根據(jù)采用此技術(shù)的Crown Victoria驗證，“PROCO”發(fā)動機大約可以實現(xiàn)20%的節(jié)油效果，只是這項技術(shù)最終由于電控技術(shù)尚不成熟、成本過高、氮氧化物排放不達標(biāo)等一些原因而被擱置下來。

三菱是現(xiàn)代缸內(nèi)直噴技術(shù)的先行者

得益于電子技術(shù)的日新月異發(fā)展，汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)中關(guān)鍵的電控環(huán)節(jié)有望得以突破。1996年，三菱汽車在當(dāng)時現(xiàn)有型號為4G93的1.8L發(fā)動機基礎(chǔ)上首次加入了電控汽油缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，率先發(fā)布了世界首款具有現(xiàn)代技術(shù)的缸內(nèi)直噴式汽油機，并將“GDI”申報為注冊商標(biāo)，而這款GDI發(fā)動機被用于日本銷售的戈藍轎車及歐版Carisma。

由于早期出現(xiàn)的GDI發(fā)動機并不完全成熟，其節(jié)油優(yōu)勢并未得到明顯體現(xiàn)，并且排放方面也存在不足，因此并未能收到良好的市場反應(yīng)。隨后，三菱汽車?yán)^續(xù)改良其GDI技術(shù)，陸續(xù)推出了融入此項技術(shù)的6G74和4G15等一系列機型。三菱的各款GDI發(fā)動機發(fā)布五年后產(chǎn)量已達百萬臺。

日產(chǎn)/豐田等汽車企業(yè)相繼發(fā)布缸內(nèi)直噴技術(shù)

1997和1998兩年間，日產(chǎn)及豐田陸續(xù)發(fā)布了自家“NEO-Di”和“D4”直噴技術(shù)，直到1999年，雷諾才發(fā)布歐洲首款具有汽油直噴技術(shù)的發(fā)動機。相比之下，同期的一些其他歐洲車企則走了捷徑：PSA集團向三菱購買了GDI技術(shù)用于自家EW10汽油機，并取名為“HPi”技術(shù)；與三菱Carisma共享平臺的的第一代沃爾沃S40/V40則是直接搭載了具有GDI技術(shù)的4G93發(fā)動機；而作為當(dāng)前廣為人知的大眾FSI汽油直噴技術(shù)，據(jù)稱在當(dāng)時研發(fā)過程中也是向豐田公司尋求了技術(shù)合作。由此可見，在現(xiàn)代汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)發(fā)展上，日本車企無疑充當(dāng)了先行者的角色。

首臺結(jié)合渦輪增壓和缸內(nèi)直噴技術(shù)發(fā)動機源自三菱

2000年，世界首臺結(jié)合廢氣渦輪增壓和汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)動機同樣誕生于三菱，這臺機型依然基于4G93發(fā)動機研發(fā)而來，僅搭載于帕杰羅iO五門車型，最大功率118kw/5200rpm，最大扭矩220N.m/3500rpm。相比2005年推出的大眾第二代EA888系列1.8TSI發(fā)動機，這部面世時間早了五年的首款直噴增壓發(fā)動機在賬面數(shù)據(jù)上并未弱勢多少。

技術(shù)特點

簡單了解了缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展史，很多人肯定會更加想知道為什么主流汽車企業(yè)都在積極研發(fā)并量產(chǎn)這種發(fā)動機技術(shù)，它能給車輛帶來什么樣的變化？要回答這些我們需要先了解一下在發(fā)動機燃油系統(tǒng)供油技術(shù)的原理，以及它們存在的問題。

原因一：化油器并不能精確控制油氣混合氣

很多年輕人估計對“化油器”很陌生，甚至從未聽說過，在80-90年代中國道路上絕大部分車型都是使用“化油器”的汽油發(fā)動機。最早時候，汽油是通過化油器與空氣進行混合。

對于化油器式發(fā)動機而言，被吸入發(fā)動機進氣管的空氣流經(jīng)喉管時因橫截面積減少而流速增加，因此產(chǎn)生負壓將汽油從設(shè)在此處的化油器噴口中吸出，汽油進入喉管后被高速氣流霧化隨之蒸發(fā)，由此形成油氣混合氣。這種早期的化油器式發(fā)動機因為沒有任何電控反饋和執(zhí)行系統(tǒng)，所以無法對混合氣濃度進行調(diào)整和修正，從而導(dǎo)致經(jīng)濟性和排放性能均不太好，加上喉管本身對進氣氣流的阻礙，動力性也被限制。

原因二：推出“電控化油器”同樣不能實現(xiàn)精確控制

盡管其間還出現(xiàn)過電控化油器的案例，如豐田22R發(fā)動機，但也只是通過對阻風(fēng)門（一種化油器發(fā)動機上才存在的閥門，通過其開閉實現(xiàn)對喉管處真空度的調(diào)整進而改變混合氣濃度）和節(jié)氣門的電子控制來實現(xiàn)特定工況下的混合氣大致調(diào)節(jié)，并不能實現(xiàn)精確控制。

為了解決化油器的靠負壓吸出形式效率不高的弊端，供油技術(shù)變?yōu)榻?jīng)油泵加壓后通過噴油器正壓噴出形式。因為取消了化油器中的喉管設(shè)計，使得進氣更加順暢，并且一定程度上提升了供油準(zhǔn)確性。根據(jù)噴油器形式區(qū)分，可分為電控汽油噴射和機械汽油噴射兩種，而根據(jù)噴油器數(shù)量和位置區(qū)分，則分為單點式和多點式。

原因三“供油不均”同樣注定單點電噴技術(shù)只是一個過渡

相比之下，能夠?qū)崿F(xiàn)相對精確計量的電控燃油噴射系統(tǒng)則更有優(yōu)勢。早期出現(xiàn)的是一種相對簡單的單點電噴系統(tǒng)，這種電噴系統(tǒng)僅在節(jié)氣門處設(shè)有一個電控噴油器，油霧與空氣形成混合氣之后才分別進入每個進氣歧管。由于從噴油器到汽缸之間的距離較長，相當(dāng)一部分未汽化完全的汽油會附著在進氣管壁面上，從而不能及時進入汽缸，而且也無法確?；旌蠚庠诟鞲字g的平均分配。

一汽大眾曾少量組裝的都市高爾夫、奇瑞最早生產(chǎn)的SQR7160轎車以及南汽曾推出的英格爾均采用了單點電噴系統(tǒng)，早期國產(chǎn)仿豐田4Y發(fā)動機也曾匹配過這種電噴系統(tǒng)。

為了改善各缸之間的供油平衡，上述單點電噴系統(tǒng)逐步被多點電噴系統(tǒng)所取代。多點電噴系統(tǒng)是將噴油器分別設(shè)置在各缸進氣歧管或進氣道處，從而實現(xiàn)各缸獨立供油。最初誕生的多點電噴系統(tǒng)采用同時噴射策略，接到噴油指令后，無論對應(yīng)的進氣門處于開啟或關(guān)閉狀態(tài)，所有噴油器均同時噴油，這樣就使得進入各缸的混合氣混合程度并不均勻，容易出現(xiàn)某些汽缸碳氫化合物排放過高的情況。為了改善這一情形，后來又出現(xiàn)了兩缸一組的分組噴射模式，而最終則是進化到根據(jù)點火順序而決定各缸單獨噴油時刻的順序噴射方案。

盡管位于缸外的汽油噴射技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)成熟和先進的階段，但其一些固有特性依然無法得到改變。對于進氣道噴射方案而言，其噴射壓力較低，僅有3~5bar，在此壓力下噴射出的燃油顆粒直徑約為150~300μm。相對于缸內(nèi)直噴能達到的150~300μm的燃油顆粒而言，僅有極少部分可以在進入空氣的短暫時間內(nèi)蒸發(fā)，更多部分則是被直接噴射到進氣道壁面和進氣門背面形成液態(tài)油膜。這部分液態(tài)油膜則主要是通過燃燒室經(jīng)缸蓋傳遞來的高溫以及氣門疊開（發(fā)動機進、排氣門同時開啟的現(xiàn)象）時倒灌至進氣道的廢氣帶來的高溫才得以汽化并與空氣形成混合。

冷機啟動時會有不少碳氫化合物排出

這種油氣混合模式在熱機穩(wěn)定工況下并無問題，但在車輛突然加速轉(zhuǎn)速迅速攀升時（噴油量加大且燃油蒸發(fā)時間縮短）以及冷機啟動狀況下，則無法保證當(dāng)前所需的油氣混合氣供應(yīng)，此時只能以過量噴油的方式來臨時性滿足工況需求。這樣導(dǎo)致的后果便是大量未經(jīng)燃燒的碳氫化合物隨尾氣直接排出，不僅浪費了燃油，同時造成環(huán)境污染，特別是冷機啟動時三元催化器尚未達到工作溫度，因此排放問題更為突出。

缸內(nèi)直噴技術(shù)的原理能解決電噴的諸多不足

汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)就可以規(guī)避上述問題的產(chǎn)生，汽油缸內(nèi)直噴發(fā)動機的噴油壓力普遍在100bar以上，甚至可高達200bar，噴射出的燃油顆粒直徑明顯縮減，僅為20μm或更小。這種微小油滴可在極短時間內(nèi)得到迅速蒸發(fā)，因此大大加快了油氣混合氣的生成速率，冷啟動排放問題得以改善，同時還避免了進氣道噴射中那種依靠壁面油膜蒸發(fā)導(dǎo)致混合氣濃度不能精確控制的狀況，在車輛瞬態(tài)工況改變時可做出及時響應(yīng)，即油門響應(yīng)性更好。

缸內(nèi)直噴技術(shù)需要一臺額外的供油裝置

缸內(nèi)直噴需要高壓油軌等一系列附件

汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)，就是將汽油像柴油那樣直接注入汽缸，這是相對于前面所說電噴等缸外噴射而言的。相比缸外噴射系統(tǒng)，缸內(nèi)直噴系統(tǒng)主要增加了一套高壓供油裝置，同時噴油器也因為要適應(yīng)極高油壓以及汽缸內(nèi)惡劣工作環(huán)境而做出調(diào)整。汽油缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的供油過程為：汽油被低壓油泵從油箱內(nèi)抽出，經(jīng)低壓油管進入被凸輪軸驅(qū)動的高壓油泵進行加壓，加壓之后的高壓汽油經(jīng)高壓油管到達高壓油軌，經(jīng)過壓力調(diào)整之后送入各缸噴油器，然后根據(jù)各缸工作需要從伸入燃燒室內(nèi)部的噴油器末端噴出，而這整個過程的一切指令均由發(fā)動機電控管理單元發(fā)出。

缸內(nèi)直噴進一步提升了發(fā)動機的效率

缸內(nèi)直噴發(fā)動機熱效率相對更高

眾所周知，提高壓縮比是提升汽油機熱效率的有效途徑，但限制這一途徑的一個重要原因就是爆震。爆震是指在壓縮行程中，燃燒室溫度升高導(dǎo)致火花塞尚未點火混合氣就已自燃，燃燒火焰異常傳播致使發(fā)動機出現(xiàn)功率下降、油耗上升以及異常抖動等不良工況的現(xiàn)象。

對于高壓縮比汽油機而言，壓縮行程末端溫度更高，更容易促使爆震現(xiàn)象的產(chǎn)生，而汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)恰好可以有效解決這一問題。這是因為注入汽缸的液態(tài)汽油汽化蒸發(fā)的過程可以大量吸熱，使得壓縮行程結(jié)束時的混合氣溫度顯著降低，所以壓縮比將有進一步提升的潛力。

為什么渦輪增壓要與缸內(nèi)直噴相結(jié)合？

若是在進氣過程中進行噴油，進氣溫度也會隨之降低，充氣效率則將相應(yīng)提高。由于經(jīng)過增壓器加壓的空氣即便在通過中冷器冷卻之后依然會有較高的溫度，因此直噴汽油機的這一特性對于增壓發(fā)動機更為適用，事實上我們也能經(jīng)常見到增壓發(fā)動機與缸內(nèi)直噴技術(shù)配合使用的案例，如大眾TSI、福特EcoBoost、PSA THP等。

缸內(nèi)直噴的最終目的是實現(xiàn)“稀薄燃燒”

提到稀薄燃燒首先需要說明空燃比的概念，理論上講，只有14.7單位質(zhì)量的空氣與1單位質(zhì)量的汽油混合時，即空燃比14.7:1，才能實現(xiàn)完全燃燒。然而根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，空燃比大于這個理論值時，通常稀薄燃燒模式下空燃比會高于25:1，也有達到65:1或者更高比值的情況，發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性會得以提高，其原因在于：

1、燃油在過量空氣環(huán)境中可以實現(xiàn)充分燃燒；

2、稀薄混合氣絕熱指數(shù)較高，同時燃燒又主要在燃燒室中央進行，通過汽缸壁面散失的熱損失較少；

3、稀薄燃燒過程溫度較低，熱量散失同樣因此減少；

4、所需空氣量大，節(jié)氣門開度可相應(yīng)加大，泵氣損失降低。

盡管有著省油的優(yōu)勢，但空燃比太大的過稀混合氣并不容易被點燃，于是人們想到了采用先點燃局部濃混合氣，再借其火焰引燃周圍稀混合氣的分層燃燒方式。正是由于汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)可在進氣及壓縮行程內(nèi)進行任意時刻噴射及多次噴射的特性，因此可實現(xiàn)上述混合氣由濃至稀的分層分布，以達到稀薄燃燒的效果。

實現(xiàn)混合氣分層兩種方法：特殊機械設(shè)計或多次噴射

對于直噴汽油機，在燃燒室中形成分層混合氣的方法通常有兩種：第一種是在壓縮行程后段，噴油器開始向汽缸內(nèi)噴射汽油。由于進氣道和活塞頂部的特殊設(shè)計，使得空氣在活塞上行過程中于燃燒室內(nèi)形成預(yù)定滾流，噴出的油束遇到空氣滾流之后，外層迅速形成較稀的油氣混合氣，而滾流中央包裹的較濃混合氣則被推向火花塞，從而形成由內(nèi)向外的分層混合氣，實現(xiàn)稀薄燃燒。這種方式需要對進氣道和活塞頭部進行特殊設(shè)計，90年代的三菱GDI技術(shù)以及大眾早期用于Lupo的FSI技術(shù)均為這種形式。

通過單個工作循環(huán)內(nèi)多次噴油的方式也可實現(xiàn)混合氣分層

第二種則是當(dāng)前采用較多的多次噴射方式。噴油器在進氣行程即進行第一次噴油（前文已經(jīng)說過，此時噴油也可以降低進氣溫度，提高充氣效率）；壓縮行程，第一次噴出的燃油已經(jīng)形成均勻的稀混合氣，此時進行第二次噴油，使燃燒室中央?yún)^(qū)域混合氣加濃；待活塞臨近上止點時，通過加大量噴油量以在火花塞周圍形成可燃濃混合氣，同樣實現(xiàn)了混合氣分層分布，而且活塞頭部也無需特殊設(shè)計。如今奔馳CGI技術(shù)以及寶馬汽油直噴技術(shù)等采用的正是這種形式。

缸內(nèi)直噴技術(shù)弊端制約它的普及

盡管采用汽油缸內(nèi)直噴的稀薄燃燒技術(shù)在提升燃油經(jīng)濟性方面有著顯著優(yōu)勢，但同時也存在一些明顯的負面效應(yīng)。

弊端一：壓縮行程末端噴射的燃油由于時間太短并不能得到充分汽化，導(dǎo)致碳氫化合物及碳顆粒排放會增加；

弊端二：燃燒室處于富氧環(huán)境，易產(chǎn)生氮氧化物；

弊端三：燃燒溫度較低，三元催化器并不能達到很好的工作溫度，對有害介質(zhì)的轉(zhuǎn)化不完全；

弊端四：廢氣中大量殘存的氧氣會降低氮氧化物的轉(zhuǎn)化效率；

弊端五：對于油品適應(yīng)能力差，汽油中的硫會毒害氮氧化物催化裝置。

因為缸內(nèi)直噴特點導(dǎo)致它在排放等方面存在著需要改進的地方，正是這些短處也導(dǎo)致了稀薄燃燒技術(shù)不能在中國地區(qū)得大范圍普及。

總結(jié)：

雖然汽油缸內(nèi)直噴也存在不少問題，但是在減少特定情況下碳氫化合物排放、降低油耗以及提升動力等方面具有優(yōu)勢，而且研究表明，增大EGR（廢氣再循環(huán)）程度以及通過VVT系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)接近稀薄燃燒的節(jié)油效果，并且尾氣處理也會更加容易。

內(nèi)燃機技術(shù)經(jīng)歷百余年發(fā)展至今，已經(jīng)在動力性、經(jīng)濟性、排放性能及運轉(zhuǎn)平順性等各方面有了質(zhì)的飛躍，然而現(xiàn)今絕不是內(nèi)燃技術(shù)發(fā)展的頂峰和終點。隨著油耗及排放法規(guī)的進一步嚴(yán)格，各種應(yīng)運而生的技術(shù)方案勢必會將未來內(nèi)燃機熱效率及排放水平方面提高到新的層次。