缸内直喷技术在中小型汽油机上的应用研究分析

高舒芳

摘要：为实现更高的燃油利用率以及提高发动机效率，在进气管喷射技术的基础上研发了适合乘用车的缸内直喷技术，文章介绍了缸内直喷技术的发展过程并详细说明了其工作原理以及不同类型的缸内直喷发动机，另外对缸内直喷发动机相关发动机系统的要求也做了相关简介，进而证明缸内直喷技术是目前最适合的发动机技术，同时混合喷射技术也可作为可行的研究开发方向。

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.

关键词：汽油机;缸内直喷;发动机系统;排放

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

中图分类号：TK413.8                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0094-03

0  引言

进入新时代以来，全球各个国家开始不断强调环境污染与能源危机问题，其中乘用车作为国内现存保有量最多的汽车类型其搭配的中小型燃油机在2016年所消耗的石油资源占全国消费总量的55%左右，在新能源动力汽车尚未普及的传统燃油汽车保有量巨大的情况下，提高燃油经济性与燃烧充分效率仍具有必要性。在柴汽油动力之间，汽油机因其本身所具有的特质，如燃烧过程柔和、震动小以及结构成熟等，在乘用车中可以提供更加完备的乘坐感受而被广泛使用。为践行国家政策实现减少环境污染与解决能源危机问题，除在继续开发新型混合燃料之外，对于汽油发动机技术的研发也是极其重要的一个方向，一氧化碳、硫化物、氮化物以及固体悬浮颗粒（PM2.5）等在汽车尾气的有害气体中扮演主要角色，同时这些污染物的大量排放将直接或间接的造成环境污染以及人体健康。保证燃料的充分燃烧便是减少污染物产生的有效途径，为提高燃料的充分燃烧效率，通过电控技术精准实现发动机在各种工况下的进气量以及燃油喷射量，改善气体的混合充分性以保证燃烧充分，进而达到所需标准。

1  进气道喷射技术和缸内直喷技术现状

在二战结束之后，欧美等西方發达国家在科技领域发展迅速，电子科技等新兴技术逐渐涉及到社会各行各业，其中包括发动机电控喷射系统用以满足更高的动力需求。而相比于西方发达国家，我国在战后优先强调发展的是军事科技，而在改革开放之后才开始引进外资之后才开始在汽车工业上借鉴国外的先进技术进而研发我国自己的发动机电控喷射系统，目前在该方面仍然需要继续提高。进入新时代以来，在党的领导下，我国社会经济正在缓慢转型，并愈加开始强调环境与人文的重要性，颁布相关法律法规以加快发动机技术的创新。 喷射系统的含义是指汽车内部的燃油喷射装置下ECU的计算处理下根据车辆的不同工况以搭配不同量的燃油喷射实现发动机舱内尽可能的充分燃烧提高发动机相关性能数据。根据喷油器在发动机上的安装方位不同，可以将其分成两种技术类型，即进气道喷射技术以及缸内直喷技术，分别被称为PFI以及GDI。在这两种不同类型方向上，世界各国汽车企业对于其进行了横向展开，但在性能方面而言，GDI技术可以提供更高的发动机的动力性能以及更好的燃烧效率，是满足经济环保相关法律法规的优先考虑技术，可大幅度降低汽车尾气的排放污染量。以日本的三菱、丰田和美国福特为代表的许多汽车公司便在缸内直喷技术上取得了技术突破并产品化，投入其相关车型的使用。

1.1 进气道喷射技术简介

进气道喷射（PFI）技术是指喷油器的布置位置不位于气缸内部，而是在进气门附近区域，随着进气门打开，混合气体进入气缸参与燃烧，如图1。在PFI的工作过程中，喷油器在进气管喷射相关量的燃油后与空气混合，等待进气门打开，在此过程中有充分的时间来进行油气混合故而其最大优点便是油气混合均匀。

同时根据PFI技术布置的喷油嘴的数量的区别，又可详细将进气道喷射技术划分为单点以及多点喷射。在当前的技术层面上，以多点喷射技术为主，多点喷射虽然代表需要更高的成本以及维修成本，但多点喷射可控性更强，更容易提升发动机性能。单独燃油喷射（IFI）方式与多点喷射不同的地方在于其在一个气缸的进气口只设置一个喷油嘴，各自为对应气缸服务。

相比于GDI技术而言，PFI技术有一个巨大的优势点在于这种方式对于燃油所需压力不高，PFI技术的实现原理便是在ECU的控制下通過曲轴位置信号来监测各气缸所处的工作状态以控制喷油嘴的动作，完成该过程。对于早期内燃机而言便是通过进气道喷射而实现的，当时受限于材料与加工技术，所以PFI技术相对更加成熟，设计与优化更加方便，在成本等方面拥有更大的优势。其结构简单优缺点也更加明显，采用PFI技术，混合燃油气经过气门时会实现主动地对节气门清洗，气门附近积碳速度会变慢。其缺点表现在喷油嘴在进行喷射时，会有一部分燃油被喷射到进气管上，在此过程中便无法实现对于进入气缸内部的汽油量的精准控制进而影响燃油效率。

进气管喷射技术相比缸内直喷技术拥有的一项优点在于，进气管喷射技术的进气管道起到延长燃油蒸发时间的作用，而缸内直喷技术则没有这一点效果，这也就造成了缸内直接喷射的燃油在进入气缸后混合气的混合时间短，而为保证燃油喷雾微粒必须足够小，便需加大喷射压力，这样便可以保证在火焰爆发的短暂时间内油滴能够尽可能的完全燃烧，以降低形成的微粒以及未燃的HC排放量。在缸内直喷发动机发展的过程中，借鉴进气道喷射技术的优点是可行的方案之一，如进气道喷射发动机所使用的低压喷射系统以及可以搭配使用三效催化器或采用更高的排温提高三效催化器的效率，这些技术方面的优点便是可以去进行进一步的技术研发和创新来在缸内直喷发动机上实现的。

1.2 缸内直喷技术简介

缸内直喷（GDI）顾名思义，便是直接将喷油器的开口置于燃烧室内，直接将燃油喷入气缸，而后与进气口进入的空气进行混合，如图2。考虑到气缸内部的压力大小，在GDI技术中对于喷油器使用了较大的压力，这样对于燃油雾化效果有了增强，同时由于燃油直接喷射在气缸内部故而对于燃油喷射量可实现比PFI技术更高的喷射精度，通过对喷油嘴的位置以及形状设计对于其雾化能力进一步增强，同时提高混合气的混合均匀度，提高对于燃油的充分燃烧效率，降低有害气体的排放。

缸内直喷技术搭配电控系统的实现方式，可进一步精确控制空燃比，同时由于极高的燃油压力，对于汽油雾化以及混合效果都有巨大提升，这种多种角度的搭配效果带来的便是更强大的动力提升以及更高的燃油经济性，以及尾气的有害气体排放。但是，这项技术仍然存在其缺点，完善的电控系统开发带来了成本提升，同时较高的燃油喷射压力也会带来火花塞等的损耗更加快速造成大量的维修成本，甚至在燃油的使用上也有更高的要求才能实现更好的效果。其中相对于PFI技术而言，由于混合气不再经过气门，故而其在该位置的积碳问题便无法很好地解决，同时在气缸内部该问题仍然存在，只能通过定期使用燃油添加剂的方式实现清理积碳的功能。

2  缸内直喷技术

2.1 燃油分层喷射技术（FSI）

该技术由大众公司在21世纪初发布，其包括分层燃烧、均质稀燃和均质燃烧模式。其推出后的效果在响应速度、扭矩以及功率等方面均有较大提升，同时降低了油耗。出于高压喷射作用，在实现燃油雾化效果提升的同时，也因为气化冷却提高了充气速度进而提高了压缩比实现均质调节，通过这种方式，减少在进气过程中的损耗。在燃烧过程中节气门未全部开启，保留节气管内存有真空部分，尽可能实现在一定量的燃料内爆发更大的工作能量，尽可能实现燃烧充分，提高输出功率并相对降低油耗。同时由于燃烧混合气的形成时间长，可选择性大的点火时间等优势，便可通过电控系统对喷油器进行精确控制达到该理想效果。

2.2 双增压分层直喷技术（TSI）

2000年之后大众公司在经过六年的技术研发之后，推出加载第二代缸内喷射技术的EA888发动机，即TSI发动机，在该技术中巧妙地结合了涡轮增压技术，以解决第一代缸内直喷技术所存在的遗留问题。TSI发动机具有更小的体积以及重量可以进一步降低汽车油耗。同时搭配机械增压方式可以弥补涡轮增压的所存在的延时缺点，为EA888发动机提供了怠速情况下更好的响应效果。除此之外利用空气动力学算法，改善进气气流的位置分布改善喷油器的喷射位置以降低能量损耗，提高发动机的响应速度。经过其优化后的技术，可以为发动机在低转速的情况下提供更好的扭矩，以保证车辆的加速能力得到优化。而在高负荷情况下，以涡轮增压的方式提供更多的进气量，加大燃烧室内部的燃油喷射量为其提供更大的动力输出。

2.3 火花点燃直接喷射技术（SIDI）

与大众公司发布第一代缸内喷射技术发动机同年，通用汽车公司发布全新的四缸发动机Ecotec，该系列发动机使用最新的火花点燃直接喷射技术（SIDI）技术。经过十数年的更新换代，该系列发动机已经广泛应用于通用集团旗下各品牌，并成为全球普及率最高的四缸发动机系列之一。Ecotec系列发动机在使用缸内直喷技术的基础上另辟蹊径，将传统多点喷射方式改为可变气门技术，通过高压的方式经过插在气缸内部的喷油嘴进入气缸内部与空气混合并直接点燃，通过均质燃烧的方式提高燃烧效率。该系列发动机搭配D-VVT可变双气门正时技术，可以同时完成分层燃烧与均质燃烧功能。具体效果为在发动机低转速或怠速工态时，通过对可变气门的电子调节实现分层燃烧以实现充分燃烧;在车辆转为高速运行时，同样通过对可变气门的调节进而实现均质燃烧为发动机提供稳定的动力源。以获得沃德十佳发动机称号的别克君越装载的2.4L SIDI 智能直喷发动机为代表的火花点燃直喷技术发动机采用最高端的高压喷油嘴，在喷油嘴的设计上布置多达6个的喷油孔，其在高压油泵的最高17MPa的压力作用下喷射到气缸内的汽油微粒可达到微米级别，这样将实现燃油雾化混合更充分，在油耗和环保层面有了巨大提升。在经过十五年后的优化后推出1.5T的 Ecotec 发动机拥有升功率高、燃烧充分、方便维修以及使用时间长等优点，成为世界优秀发动机的模板。采用SIDI技术的经典发动机数据及参数见表1。

3  混合喷射技术

缸内直喷技术虽然可以提供更高的经济性以及更好的动力输出，但同样存在其不足的地方，那便是在喷射后的油气混合阶段，该阶段中因为燃油喷射后的雾化时间短且因为直接喷射的原因会和气缸内壁产生碰撞的原因导致油气混合不均匀不充分，进而导致汽车排放物中颗粒物增多。而使用进气管喷射技术的發动机则是在点火前将油气混合均匀之后进入气缸，故而相同条件下的燃烧更加充分，其排放物中的颗粒物（PM2.5）相对较少。而采用混合喷射技术（结构如图3）便可以结合两者的优点，从而避免该问题的出现。

混合喷射技术采用了分层燃烧模式，其在低负荷工况下，歧管喷油嘴在进气行程中喷油，在进入压缩行程时气缸内喷油嘴喷油两个喷油嘴相互配合实现分层燃烧;而在高转速下只采用缸内直喷方式进而强调缸内直喷技术的效率优点，舍弃相对不重要的燃烧排放问题，从而降低了排放有害物质量。

4  GDI技术对发动机其他系统的影响

发动机的技术创新优化不是单独存在的，GDI技术的应用使得发动机的整个系统都得进行优化设计。以燃油机喷射系统为例，在发动机系统中缸内直喷发动机系统对燃油喷射系统的需求要求相对较高。在缸内直喷发动机系统中为实现对喷射时间的精准控制以提高准确性和反应速度，同时因为喷射压力高的情况下实现喷油量稳定，便需搭配准确性更高的燃油喷射控制系统。该特性在分层燃烧中表现尤为明显，分层燃烧系统中对于喷油量的稳定性要求极高。

缸内喷射发动机的研发在节能上实现了较大意义的突破，提高了发动机的燃油经济性。与此同时带来的反面影响便体现在排放上，其中最主要的问题便是在中小负载下未燃HC排放较多。在GDI发动机使用混合气分层技术后，容易造成低浓度部分的燃烧不充分甚至熄灭，进而造成缸内温度过低影响未燃烧所遗留的HC的氧化，从而造成HC排放过多的问题。除此之外，在壁面导向型直喷系统中还会造成因油气雾化碰壁较多如图4，影响缸内部分缸壁区域温度造成HC排放较多的现象。

在缸内直喷发动机中对于点火系统也有相关要求。在分层燃烧模式下，火花塞位置附近的气体浓度并不是想均质混合是一样保持均匀，故而在混合气体浓度较低时也需要求火花塞可以实现稳定的点火效果，这便要求火花塞提高其能量输出。除此之外，便是材质以及积碳问题，在缸内直喷的情况下火花塞会承受更高的冲击且表面积碳严重，这边需要对火花塞实现优化以保证其材料拥有更高的耐冲击能力，同时为了保证点火的稳定性，便需为其提供自清洁能力或使用燃油添加剂实现对火花塞的积碳清理。除此之外，缸内直喷发动机对于发动机的其他系统仍有相关要求，比如活塞和气门。更高的输出便会要求为发动机活塞提供更高的热输出效率以及气缸缸体部分的耐压能力。且因为缸内直喷发动机的混合气产生于气缸内，故而气门和气门座之间没有油膜进行润滑作用，所以气门的结构设计和强度设计至关重要。

综上所述，截止到现在电动汽车尚未实现电池技术的突破之前，内燃机车仍然将是市场的主流，为实现能源损耗与环境污染问题的降低，故而对中小型发动机技术的研究仍将受到重视。尽管缸内直喷等技术在现阶段仍有局限性，但其现阶段实现的技术创新以及功能，在乘用车的市场仍然是极其重要的，同时对于发展新技术新突破的过程仍要继续期待。

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