發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴+進(jìn)氣道噴射=完美？

一、什么是混合噴射技術(shù)？

什么是進(jìn)氣道噴射？缸內(nèi)直噴之前發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油是先噴到進(jìn)氣管內(nèi)，然后在進(jìn)氣管內(nèi)與空氣混合成為燃油混合氣，最后再進(jìn)入氣缸內(nèi)參與燃燒。

什么是缸內(nèi)直噴？就是將噴油器由進(jìn)氣管道里移到了發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)，直接在缸內(nèi)與空氣混合再參與燃燒，說白了就是空氣與燃油分兩路進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸。直噴技術(shù)最大的好處就是能讓壓縮比提高，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒熱效率。

什么是混合噴射技術(shù)？采用缸內(nèi)直噴技術(shù)后，燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性得到提升，但排放處理難度更大，起動(dòng)和低溫下的碳?xì)浠衔铮w粒，中小負(fù)荷下的氮氧化物的處理增加了技術(shù)難度和成本。為了解決排放問題，就將進(jìn)氣管噴射和缸內(nèi)直噴結(jié)合起來組成了混合噴射。其結(jié)構(gòu)如下。

混合噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

二、缸內(nèi)直噴詳解

要 理解為什么采用混合噴油模式，就得了解進(jìn)氣口噴射模式和缸內(nèi)噴射模式的優(yōu)缺點(diǎn)開始。在國家排放和油耗法規(guī)的要求下，傳統(tǒng)的進(jìn)氣道噴射存在燃燒效率低，經(jīng)濟(jì) 性差等特點(diǎn)，Cartech8就不詳細(xì)介紹進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)了，大家對這應(yīng)該比較熟悉。我們重點(diǎn)介紹缸內(nèi)直噴的工作控制過程，從中找出缸內(nèi)直噴的優(yōu)點(diǎn)，以 及缺點(diǎn)。然后分析兩者為什么要結(jié)合到一起。下圖是缸內(nèi)直噴的結(jié)構(gòu)及工作原理圖。

缸 內(nèi)直噴就是將燃油噴嘴安裝于氣缸內(nèi)，直接將燃油噴入氣缸內(nèi)與進(jìn)氣混合。噴射壓力也進(jìn)一步提高，使燃油霧化更加細(xì)致，同時(shí)噴嘴位置、噴油時(shí)刻、噴霧形狀、進(jìn) 氣氣流控制，以及活塞頂形狀等特別的設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)地按比例控制噴油并與進(jìn)氣混合，使得燃燒效率更高。另外，噴入缸內(nèi)的燃油吸收缸內(nèi)熱量，降低發(fā)動(dòng) 機(jī)發(fā)生爆燃敲缸的傾向，可以進(jìn)一步增加發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比。通常缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)配備渦輪增壓，這些措施解決了進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)，即發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù) 荷運(yùn)行中的泵氣損失大（發(fā)動(dòng)機(jī)大部分在城市道路中工作于部分負(fù)荷工況），燃油經(jīng)濟(jì)性差。通常缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)工作于三種工作模式：分層充氣模式、均質(zhì)充氣模 式、均質(zhì)稀薄充氣模式。三者的工作區(qū)域如下圖。

缸內(nèi)直噴三種模式的工作區(qū)域

分層充氣模式：

中 小負(fù)載、中小轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)一直運(yùn)行在分層充氣模式中?？諝庥蛇M(jìn)氣管進(jìn)入汽缸撞在活塞頂部，由于活塞頂部制作成特殊的形狀從而在火花塞附近形成期望中 的渦流。當(dāng)壓縮過程接近尾聲時(shí)，少量的燃油由噴射器噴出，形成可燃?xì)怏w。這種分層注油方式可充分提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速較低、負(fù)荷較小時(shí)除了火花 塞周圍需要形成濃度較高的油氣混合物外，燃燒室的其它地方只需空氣含量較高的混合氣即可?，F(xiàn)在一些發(fā)動(dòng)機(jī)為了改善燃燒，降低NOx的生成采用的兩次甚至多 次噴射，見下圖：

在 分層充氣模式中為了盡可能地降低節(jié)氣門損耗，節(jié)氣門將盡可能地開大。節(jié)氣門不能完全開啟，因?yàn)樘脊藓蛷U氣再循環(huán)系統(tǒng)需要一定的真空度。噴油過程發(fā)生在壓縮 沖程的大約最后三分之一時(shí)。在此模式中，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩僅由被噴入的燃油量確定，進(jìn)氣空氣質(zhì)量和點(diǎn)火提前角產(chǎn)生的影響很小。通過燃燒室中的混合分層，發(fā) 動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)（lambda）約1.6 至3 的范圍內(nèi)運(yùn)行。

進(jìn)入該模式條件：如果滿足這些條件，發(fā)動(dòng)機(jī)就能切換至分層充氣模式。

- 發(fā)動(dòng)機(jī)在相應(yīng)的負(fù)載和轉(zhuǎn)速區(qū)域中，

- 系統(tǒng)中沒有與廢氣排放相關(guān)的故障

- 冷卻液溫度高于一定值。

- 氮氧化物傳感器準(zhǔn)備就緒， 氮氧化物存儲(chǔ)式催化轉(zhuǎn)換器的溫度在 250 °C 至500 °C 之間。

均質(zhì)充氣模式

如 上圖，發(fā)動(dòng)機(jī)工作于高轉(zhuǎn)速區(qū)域，或者低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷區(qū)域，其工作模式和原來的進(jìn)氣道模式基本上一樣，主要差別是，汽油直接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃油是被直接噴入氣 缸的。該模式，節(jié)氣門的開度取決于油門踏板的位置（如何控制可參考Cartech8的另外一篇文章《動(dòng)力性匹配之幾張表搞定一輛車的動(dòng)力性》）。發(fā)動(dòng)機(jī)的 扭矩是由點(diǎn)火點(diǎn)(短期)和進(jìn)氣控制質(zhì)量(長期)決定的。噴入的燃油量與進(jìn)氣量相匹配，從而使得空燃比Lambda=1左右。在均質(zhì)充氣模式中，點(diǎn)火點(diǎn)是影 響發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，燃油消耗和排放行為的主要因素。

噴油周期在進(jìn)氣沖程中，燃油在上止點(diǎn)前約300 度時(shí)被直接噴入氣缸中。燃油蒸發(fā)需要的能量被從燃燒室內(nèi)部的空氣中吸收，從而使得空氣得到冷卻。結(jié)果，與帶進(jìn)氣歧管噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮率相比，壓縮率得到更大的提高。

均質(zhì)稀薄充氣模式

這 種模式是在分層充氣模式和均質(zhì)充氣模式之間的過渡區(qū)域。在這種模式中，短期的扭矩需求是通過點(diǎn)火角來實(shí)現(xiàn)的，長期需求則通過空氣質(zhì)量實(shí)現(xiàn)的。這些稀薄的混 合物被均質(zhì)地(均勻地)分布在燃燒室中?？諝?燃油混合比約為Lambda 1.55.左右。噴油周期，在進(jìn)氣沖程中，燃油在上止點(diǎn)前約300 度時(shí)被直接噴入氣缸。由于噴油點(diǎn)提前，就給預(yù)點(diǎn)火混合物的形成留出了更多的時(shí)間，從而導(dǎo)致燃燒室中均質(zhì)混合物的分布。

三種工作模式中節(jié)氣門的開度

缸內(nèi)直噴的優(yōu)勢：

1.節(jié)氣門開度較進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)開度增加，泵氣損失減少。發(fā)動(dòng)機(jī)自身損失減少。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

3.壓縮比增加，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高。與同排量的一般發(fā)動(dòng)機(jī)相比功率與扭矩都提高了10%以上。

4.噴射壓力也進(jìn)一步提高，使燃油霧化更加細(xì)致，真正實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)地按比例控制噴油并與進(jìn)氣混合。

5. 進(jìn)氣口噴射發(fā)動(dòng)機(jī)，20％噴嘴裝在氣缸蓋上進(jìn)氣門的背面，80％安裝在進(jìn)氣歧管上靠近氣缸蓋位置，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，會(huì)在進(jìn)氣門附近形成瞬時(shí)的液態(tài)油膜，這 些燃油會(huì)在每次進(jìn)氣過程逐漸蒸發(fā)進(jìn)入氣缸燃燒。冷機(jī)起動(dòng)時(shí)由于燃油蒸發(fā)困難，使得實(shí)際供油量遠(yuǎn)大于需求空燃比的供油量，這樣會(huì)導(dǎo)致冷起動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)有4 個(gè)～10個(gè)循環(huán)的不穩(wěn)定燃燒，顯著加大發(fā)動(dòng)機(jī)未燃HC排放。而缸內(nèi)直噴可以克服這個(gè)問題。

6.缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)加減速時(shí)不需要補(bǔ)償油膜。之所以需要加減速修正，主要原因是進(jìn)氣道噴射存在燃油油膜，當(dāng)負(fù)荷快速變化，油膜平衡改變，需要在短時(shí)間內(nèi)通過噴射量來進(jìn)行修正；次要原因是為了彌補(bǔ)傳感器對變工況的延遲。

缸內(nèi)直噴的不足：

1. 增加壓縮比，提高燃燒效率，前面已經(jīng)提到，由于汽油直接噴油燃燒室內(nèi)，汽油蒸發(fā)吸收大量熱，發(fā)動(dòng)機(jī)總體燃燒爆震的趨向降低，因此可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比以提 高效率。提高壓縮比后，在低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷區(qū)，仍舊采用的是傳統(tǒng)燃燒模式（均質(zhì)燃燒），在這個(gè)區(qū)域本身就是一個(gè)易發(fā)生爆震的區(qū)域，而加大壓縮比后更容易出現(xiàn)爆 震，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)超級(jí)爆震，也就是用傳統(tǒng)的方法無法消除。

2.測試證明，起動(dòng)過程和起動(dòng)后階段所排放的有害物質(zhì)能夠達(dá)到排放物總量的90%（法規(guī)循環(huán)工況）。采用“分層燃燒起動(dòng)”和“兩次噴射加熱”相結(jié)合的方法去改善。

3.在低負(fù)荷、過渡工況和冷起動(dòng)的情況下，缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的微粒排放比進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)有明顯增加。

4.中小負(fù)荷下未燃碳?xì)?UBHC)的排放較多，其主要原因有采用分層混合氣時(shí)引起火焰從濃區(qū)向稀區(qū)的熄滅，稀空燃比工作條件造成缸內(nèi)溫度偏低，也不利于未燃碳?xì)潆S后的繼續(xù)氧化。

5.因?yàn)榭杖急炔辉诶碚摽杖急雀浇壳俺墒斓娜呋夹g(shù)不能得到有效利用，因而NOx排放較高。另外，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)較高的壓縮比和較快的反應(yīng)放熱率也會(huì)引起NOx升高。

6.氣缸內(nèi)的燃燒沉積物較多造成火花塞污染。

7. 發(fā)動(dòng)機(jī)積碳，相比排氣門背部，進(jìn)氣門背部的積碳相對要嚴(yán)重些。曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)是一大誘因，機(jī)油蒸汽會(huì)被引入到進(jìn)氣歧管從而通過進(jìn)氣門進(jìn)入氣缸燃燒，附著在 進(jìn)氣道以及進(jìn)氣門背部的機(jī)油在高溫的作用下形成了積碳，在缺少“自清潔”能力的條件下（噴嘴在缸內(nèi)無法沖涮），積碳就會(huì)更為嚴(yán)重。反觀排氣門部位，受到高 溫和排氣氣流作用，其形成積碳的壓力本身就比進(jìn)氣門要小。

三、混合噴射方式：缸內(nèi)直噴 進(jìn)氣道噴射

由于存在上面的不足，工程師們就想出了采用了缸內(nèi)直噴加進(jìn)氣道噴射的主意，新結(jié)構(gòu)如下圖，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是將進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴組合在一起，其主要目的還是解決排放問題。這樣結(jié)合即帶來好處也出現(xiàn)弊端。

混合噴射結(jié)構(gòu)圖

直 噴發(fā)動(dòng)機(jī)跟進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)比PM（顆粒物）排放高。主要原因是直噴燃油噴在缸內(nèi)，混合時(shí)間短，油膜直接附著在氣缸內(nèi)壁和活塞頂部，燃燒時(shí)不易充分燃燒， 形成PM。而進(jìn)氣道噴射燃油噴射在進(jìn)氣歧管內(nèi)，油膜附著在歧管管壁，吸入汽缸的是充分混合的可燃?xì)怏w，燃燒會(huì)比較充分。PM和NOx兩者在數(shù)學(xué)模型上是一 對耦合參數(shù)，成反比關(guān)系，PM升高NOx就會(huì)降低。實(shí)際應(yīng)用中，找PM-NOx曲線上最優(yōu)點(diǎn)是所謂的Calibration/標(biāo)定中的一項(xiàng)重要工作，最終 目的是要使這個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的PM和NOx都相對較低。學(xué)術(shù)領(lǐng)域常用全局優(yōu)化，解耦之類復(fù)雜的數(shù)學(xué)方法找這個(gè)最優(yōu)點(diǎn)，雖然仿真中都能達(dá)到比較滿意的效果，但實(shí)際 實(shí)驗(yàn)中效果還是比較差的。直噴 進(jìn)氣道噴射并不是一個(gè)完美的技術(shù)，并沒有克服直噴的固有缺點(diǎn)，相比直噴降低排放的同時(shí)也降低性能表現(xiàn)。也減少了直噴發(fā)動(dòng)機(jī) 中小負(fù)荷稀燃的空間。

加上進(jìn)氣道噴嘴就是為了要在一些輸出響應(yīng)慢的工況下減少排放， 因?yàn)橛蜌饣旌喜缓玫慕Y(jié)果并非只有PM。直噴噴嘴是為了滿足快速混合的噴射策略要求（其實(shí)就是多次噴射）而優(yōu)化設(shè)計(jì)的，發(fā)動(dòng)機(jī)整體的性能表現(xiàn)主要來自于這個(gè) 優(yōu)化過的直噴噴嘴。而進(jìn)氣道噴嘴只是起些輔助作用，比如改善冷啟動(dòng)性能，減少HC等，當(dāng)然幫助減少PM。以上不對的地方請大家到汽車工程師之家提出寶貴的 意見。

1.在冷機(jī)時(shí)，中小負(fù)荷采用進(jìn)氣道噴射，以減少HC和顆粒物的生成。

2.熱機(jī)時(shí)，小負(fù)荷區(qū)域采用進(jìn)氣道噴射，中小負(fù)荷采用進(jìn)氣道噴射加直噴模式。以降低NOx和顆粒物的生成。

混合噴射發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式