发动机缸内直喷+进气道喷射=完美？

一、什么是混合喷射技术？

什么是进气道喷射？缸内直喷之前发动机的燃油是先喷到进气管内，然后在进气管内与空气混合成为燃油混合气，最后再进入气缸内参与燃烧。

什么是缸内直喷？就是将喷油器由进气管道里移到了发动机缸内，直接在缸内与空气混合再参与燃烧，说白了就是空气与燃油分两路进入发动机气缸。直喷技术最大的好处就是能让压缩比提高，从而提升发动机的燃烧热效率。

什么是混合喷射技术？采用缸内直喷技术后，燃油经济性和动力性得到提升，但排放处理难度更大，起动和低温下的碳氢化合物，颗粒，中小负荷下的氮氧化物的处理增加了技术难度和成本。为了解决排放问题，就将进气管喷射和缸内直喷结合起来组成了混合喷射。其结构如下。

混合喷射系统的结构示意图

二、缸内直喷详解

要 理解为什么采用混合喷油模式，就得了解进气口喷射模式和缸内喷射模式的优缺点开始。在国家排放和油耗法规的要求下，传统的进气道喷射存在燃烧效率低，经济 性差等特点，Cartech8就不详细介绍进气道喷射发动机了，大家对这应该比较熟悉。我们重点介绍缸内直喷的工作控制过程，从中找出缸内直喷的优点，以 及缺点。然后分析两者为什么要结合到一起。下图是缸内直喷的结构及工作原理图。

缸 内直喷就是将燃油喷嘴安装于气缸内，直接将燃油喷入气缸内与进气混合。喷射压力也进一步提高，使燃油雾化更加细致，同时喷嘴位置、喷油时刻、喷雾形状、进 气气流控制，以及活塞顶形状等特别的设计，真正实现了精准地按比例控制喷油并与进气混合，使得燃烧效率更高。另外，喷入缸内的燃油吸收缸内热量，降低发动 机发生爆燃敲缸的倾向，可以进一步增加发动机压缩比。通常缸内直喷发动机配备涡轮增压，这些措施解决了进气道喷射发动机系统的主要缺点，即发动机在部分负 荷运行中的泵气损失大（发动机大部分在城市道路中工作于部分负荷工况），燃油经济性差。通常缸内直喷发动机工作于三种工作模式：分层充气模式、均质充气模 式、均质稀薄充气模式。三者的工作区域如下图。

缸内直喷三种模式的工作区域

分层充气模式：

中 小负载、中小转速区域内，发动机一直运行在分层充气模式中。空气由进气管进入汽缸撞在活塞顶部，由于活塞顶部制作成特殊的形状从而在火花塞附近形成期望中 的涡流。当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷射器喷出，形成可燃气体。这种分层注油方式可充分提高发动机的经济性，因为在转速较低、负荷较小时除了火花 塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室的其它地方只需空气含量较高的混合气即可。现在一些发动机为了改善燃烧，降低NOx的生成采用的两次甚至多 次喷射，见下图：

在 分层充气模式中为了尽可能地降低节气门损耗，节气门将尽可能地开大。节气门不能完全开启，因为碳罐和废气再循环系统需要一定的真空度。喷油过程发生在压缩 冲程的大约最后三分之一时。在此模式中，发动机产生的扭矩仅由被喷入的燃油量确定，进气空气质量和点火提前角产生的影响很小。通过燃烧室中的混合分层，发 动机过量空气系数（lambda）约1.6 至3 的范围内运行。

进入该模式条件：如果满足这些条件，发动机就能切换至分层充气模式。

- 发动机在相应的负载和转速区域中，

- 系统中没有与废气排放相关的故障

- 冷却液温度高于一定值。

- 氮氧化物传感器准备就绪， 氮氧化物存储式催化转换器的温度在 250 °C 至500 °C 之间。

均质充气模式

如 上图，发动机工作于高转速区域，或者低转速大负荷区域，其工作模式和原来的进气道模式基本上一样，主要差别是，汽油直接喷射发动机中的燃油是被直接喷入气 缸的。该模式，节气门的开度取决于油门踏板的位置（如何控制可参考Cartech8的另外一篇文章《动力性匹配之几张表搞定一辆车的动力性》）。发动机的 扭矩是由点火点(短期)和进气控制质量(长期)决定的。喷入的燃油量与进气量相匹配，从而使得空燃比Lambda=1左右。在均质充气模式中，点火点是影 响发动机的扭矩，燃油消耗和排放行为的主要因素。

喷油周期在进气冲程中，燃油在上止点前约300 度时被直接喷入气缸中。燃油蒸发需要的能量被从燃烧室内部的空气中吸收，从而使得空气得到冷却。结果，与带进气歧管喷射发动机的压缩率相比，压缩率得到更大的提高。

均质稀薄充气模式

这 种模式是在分层充气模式和均质充气模式之间的过渡区域。在这种模式中，短期的扭矩需求是通过点火角来实现的，长期需求则通过空气质量实现的。这些稀薄的混 合物被均质地(均匀地)分布在燃烧室中。空气/燃油混合比约为Lambda 1.55.左右。喷油周期，在进气冲程中，燃油在上止点前约300 度时被直接喷入气缸。由于喷油点提前，就给预点火混合物的形成留出了更多的时间，从而导致燃烧室中均质混合物的分布。

三种工作模式中节气门的开度

缸内直喷的优势：

1.节气门开度较进气道喷射发动机开度增加，泵气损失减少。发动机自身损失减少。

2.发动机稀薄燃烧提高燃油经济性。

3.压缩比增加，发动机热效率提高。与同排量的一般发动机相比功率与扭矩都提高了10%以上。

4.喷射压力也进一步提高，使燃油雾化更加细致，真正实现了精准地按比例控制喷油并与进气混合。

5. 进气口喷射发动机，20％喷嘴装在气缸盖上进气门的背面，80％安装在进气歧管上靠近气缸盖位置，在发动机起动时，会在进气门附近形成瞬时的液态油膜，这 些燃油会在每次进气过程逐渐蒸发进入气缸燃烧。冷机起动时由于燃油蒸发困难，使得实际供油量远大于需求空燃比的供油量，这样会导致冷起动时发动机有4 个～10个循环的不稳定燃烧，显著加大发动机未燃HC排放。而缸内直喷可以克服这个问题。

6.缸内直喷发动机加减速时不需要补偿油膜。之所以需要加减速修正，主要原因是进气道喷射存在燃油油膜，当负荷快速变化，油膜平衡改变，需要在短时间内通过喷射量来进行修正；次要原因是为了弥补传感器对变工况的延迟。

缸内直喷的不足：

1. 增加压缩比，提高燃烧效率，前面已经提到，由于汽油直接喷油燃烧室内，汽油蒸发吸收大量热，发动机总体燃烧爆震的趋向降低，因此可以增加发动机压缩比以提 高效率。提高压缩比后，在低转速大负荷区，仍旧采用的是传统燃烧模式（均质燃烧），在这个区域本身就是一个易发生爆震的区域，而加大压缩比后更容易出现爆 震，有时甚至会出现超级爆震，也就是用传统的方法无法消除。

2.测试证明，起动过程和起动后阶段所排放的有害物质能够达到排放物总量的90%（法规循环工况）。采用“分层燃烧起动”和“两次喷射加热”相结合的方法去改善。

3.在低负荷、过渡工况和冷起动的情况下，缸内直喷发动机的微粒排放比进气道喷射发动机有明显增加。

4.中小负荷下未燃碳氢(UBHC)的排放较多，其主要原因有采用分层混合气时引起火焰从浓区向稀区的熄灭，稀空燃比工作条件造成缸内温度偏低，也不利于未燃碳氢随后的继续氧化。

5.因为空燃比不在理论空燃比附近，目前成熟的三元催化技术不能得到有效利用，因而NOx排放较高。另外，GDI发动机较高的压缩比和较快的反应放热率也会引起NOx升高。

6.气缸内的燃烧沉积物较多造成火花塞污染。

7. 发动机积碳，相比排气门背部，进气门背部的积碳相对要严重些。曲轴箱通风系统是一大诱因，机油蒸汽会被引入到进气歧管从而通过进气门进入气缸燃烧，附着在 进气道以及进气门背部的机油在高温的作用下形成了积碳，在缺少“自清洁”能力的条件下（喷嘴在缸内无法冲涮），积碳就会更为严重。反观排气门部位，受到高 温和排气气流作用，其形成积碳的压力本身就比进气门要小。

三、混合喷射方式：缸内直喷 进气道喷射

由于存在上面的不足，工程师们就想出了采用了缸内直喷加进气道喷射的主意，新结构如下图，其结构特点就是将进气道喷射和缸内直喷组合在一起，其主要目的还是解决排放问题。这样结合即带来好处也出现弊端。

混合喷射结构图

直 喷发动机跟进气道喷射发动机比PM（颗粒物）排放高。主要原因是直喷燃油喷在缸内，混合时间短，油膜直接附着在气缸内壁和活塞顶部，燃烧时不易充分燃烧， 形成PM。而进气道喷射燃油喷射在进气歧管内，油膜附着在歧管管壁，吸入汽缸的是充分混合的可燃气体，燃烧会比较充分。PM和NOx两者在数学模型上是一 对耦合参数，成反比关系，PM升高NOx就会降低。实际应用中，找PM-NOx曲线上最优点是所谓的Calibration/标定中的一项重要工作，最终 目的是要使这个点对应的PM和NOx都相对较低。学术领域常用全局优化，解耦之类复杂的数学方法找这个最优点，虽然仿真中都能达到比较满意的效果，但实际 实验中效果还是比较差的。直喷 进气道喷射并不是一个完美的技术，并没有克服直喷的固有缺点，相比直喷降低排放的同时也降低性能表现。也减少了直喷发动机 中小负荷稀燃的空间。

加上进气道喷嘴就是为了要在一些输出响应慢的工况下减少排放， 因为油气混合不好的结果并非只有PM。直喷喷嘴是为了满足快速混合的喷射策略要求（其实就是多次喷射）而优化设计的，发动机整体的性能表现主要来自于这个 优化过的直喷喷嘴。而进气道喷嘴只是起些辅助作用，比如改善冷启动性能，减少HC等，当然帮助减少PM。以上不对的地方请大家到汽车工程师之家提出宝贵的 意见。

1.在冷机时，中小负荷采用进气道喷射，以减少HC和颗粒物的生成。

2.热机时，小负荷区域采用进气道喷射，中小负荷采用进气道喷射加直喷模式。以降低NOx和颗粒物的生成。

混合喷射发动机工作模式