電控缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)著火與碳煙生成機(jī)理

缸內(nèi)直噴

在眾多劃時(shí)代意義的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)中，汽油缸內(nèi)直噴（Gasoline Direct Injection，簡(jiǎn)稱GDI）是一項(xiàng)值得濃墨重彩的創(chuàng)新技術(shù)，主流車企也在越來(lái)越多地將汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)運(yùn)用到自己的全新產(chǎn)品上。那么這項(xiàng)技術(shù)究竟源于何時(shí)？它又具有哪些獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)？今天我們就來(lái)進(jìn)行汽油機(jī)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(jī)的量產(chǎn)車型——奔馳300SL誕生，這部代號(hào)為M198的3.0L直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)首次運(yùn)用了博世提供的機(jī)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(shí)普遍采用化油器的同排量汽油機(jī)相比，這樣的動(dòng)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(dú)立（當(dāng)時(shí)電控技術(shù)尚不發(fā)達(dá)，無(wú)法實(shí)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(dú)立控制噴油時(shí)刻和噴油量的方式），通過(guò)曲軸驅(qū)動(dòng)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(lái)的直接弊端就是從發(fā)動(dòng)機(jī)熄火到完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)的這段時(shí)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(jī)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(jī)油。

50-70年代，缸內(nèi)直噴技術(shù)基本沒(méi)有明顯進(jìn)步

可惜在之后的幾十年內(nèi)，車用汽油直噴技術(shù)并沒(méi)有得到進(jìn)一步的推廣，但其間依然有一些廠商曾致力于過(guò)此項(xiàng)技術(shù)的研究，其中包括AMC（American MotorsCorporation美國(guó)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(jì)劃，特別70年代石油危機(jī)爆發(fā)，福特又進(jìn)一步加快該計(jì)劃的研究。當(dāng)時(shí)采用的方案是將濃混合氣和稀混合氣分別噴入汽缸實(shí)現(xiàn)順序燃燒。根據(jù)采用此技術(shù)的Crown Victoria驗(yàn)證，“PROCO”發(fā)動(dòng)機(jī)大約可以實(shí)現(xiàn)20%的節(jié)油效果，只是這項(xiàng)技術(shù)最終由于電控技術(shù)尚不成熟、成本過(guò)高、氮氧化物排放不達(dá)標(biāo)等一些原因而被擱置下來(lái)。

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(shí)現(xiàn)有型號(hào)為4G93的1.8L發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)，并將“GDI”申報(bào)為注冊(cè)商標(biāo)，而這款GDI發(fā)動(dòng)機(jī)被用于日本銷售的戈藍(lán)轎車及歐版Carisma。

由于早期出現(xiàn)的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)并不完全成熟，其節(jié)油優(yōu)勢(shì)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(chǎng)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(xiàng)技術(shù)的6G74和4G15等一系列機(jī)型。三菱的各款GDI發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)布五年后產(chǎn)量已達(dá)百萬(wàn)臺(tái)。

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?xì)W洲首款具有汽油直噴技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)。相比之下，同期的一些其他歐洲車企則走了捷徑：PSA集團(tuán)向三菱購(gòu)買了GDI技術(shù)用于自家EW10汽油機(jī)，并取名為“HPi”技術(shù)；與三菱Carisma共享平臺(tái)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(dòng)機(jī)；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(shí)研發(fā)過(guò)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(wú)疑充當(dāng)了先行者的角色。

首臺(tái)結(jié)合渦輪增壓和缸內(nèi)直噴技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)源自三菱

2000年，世界首臺(tái)結(jié)合廢氣渦輪增壓和汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)同樣誕生于三菱，這臺(tái)機(jī)型依然基于4G93發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)而來(lái)，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(dòng)機(jī)，這部面世時(shí)間早了五年的首款直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在賬面數(shù)據(jù)上并未弱勢(shì)多少。

技術(shù)特點(diǎn)

簡(jiǎn)單了解了缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)展史，很多人肯定會(huì)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(dòng)機(jī)技術(shù)，它能給車輛帶來(lái)什么樣的變化？要回答這些我們需要先了解一下在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)供油技術(shù)的原理，以及它們存在的問(wèn)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(jì)對(duì)“化油器”很陌生，甚至從未聽說(shuō)過(guò)，在80-90年代中國(guó)道路上絕大部分車型都是使用“化油器”的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。最早時(shí)候，汽油是通過(guò)化油器與空氣進(jìn)行混合。

對(duì)于化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)而言，被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管的空氣流經(jīng)喉管時(shí)因橫截面積減少而流速增加，因此產(chǎn)生負(fù)壓將汽油從設(shè)在此處的化油器噴口中吸出，汽油進(jìn)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(dòng)機(jī)因?yàn)闆](méi)有任何電控反饋和執(zhí)行系統(tǒng)，所以無(wú)法對(duì)混合氣濃度進(jìn)行調(diào)整和修正，從而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性和排放性能均不太好，加上喉管本身對(duì)進(jìn)氣氣流的阻礙，動(dòng)力性也被限制。

原因二：推出“電控化油器”同樣不能實(shí)現(xiàn)精確控制

盡管其間還出現(xiàn)過(guò)電控化油器的案例，如豐田22R發(fā)動(dòng)機(jī)，但也只是通過(guò)對(duì)阻風(fēng)門（一種化油器發(fā)動(dòng)機(jī)上才存在的閥門，通過(guò)其開閉實(shí)現(xiàn)對(duì)喉管處真空度的調(diào)整進(jìn)而改變混合氣濃度）和節(jié)氣門的電子控制來(lái)實(shí)現(xiàn)特定工況下的混合氣大致調(diào)節(jié)，并不能實(shí)現(xiàn)精確控制。

為了解決化油器的靠負(fù)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(guò)噴油器正壓噴出形式。因?yàn)槿∠嘶推髦械暮砉茉O(shè)計(jì)，使得進(jìn)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(jī)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(diǎn)式和多點(diǎn)式。

原因三“供油不均”同樣注定單點(diǎn)電噴技術(shù)只是一個(gè)過(guò)渡

相比之下，能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)精確計(jì)量的電控燃油噴射系統(tǒng)則更有優(yōu)勢(shì)。早期出現(xiàn)的是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的單點(diǎn)電噴系統(tǒng)，這種電噴系統(tǒng)僅在節(jié)氣門處設(shè)有一個(gè)電控噴油器，油霧與空氣形成混合氣之后才分別進(jìn)入每個(gè)進(jìn)氣歧管。由于從噴油器到汽缸之間的距離較長(zhǎng)，相當(dāng)一部分未汽化完全的汽油會(huì)附著在進(jìn)氣管壁面上，從而不能及時(shí)進(jìn)入汽缸，而且也無(wú)法確保混合氣在各缸之間的平均分配。

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(diǎn)電噴系統(tǒng)，早期國(guó)產(chǎn)仿豐田4Y發(fā)動(dòng)機(jī)也曾匹配過(guò)這種電噴系統(tǒng)。

為了改善各缸之間的供油平衡，上述單點(diǎn)電噴系統(tǒng)逐步被多點(diǎn)電噴系統(tǒng)所取代。多點(diǎn)電噴系統(tǒng)是將噴油器分別設(shè)置在各缸進(jìn)氣歧管或進(jìn)氣道處，從而實(shí)現(xiàn)各缸獨(dú)立供油。最初誕生的多點(diǎn)電噴系統(tǒng)采用同時(shí)噴射策略，接到噴油指令后，無(wú)論對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣門處于開啟或關(guān)閉狀態(tài)，所有噴油器均同時(shí)噴油，這樣就使得進(jìn)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?xì)浠衔锱欧胚^(guò)高的情況。為了改善這一情形，后來(lái)又出現(xiàn)了兩缸一組的分組噴射模式，而最終則是進(jìn)化到根據(jù)點(diǎn)火順序而決定各缸單獨(dú)噴油時(shí)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(jìn)的階段，但其一些固有特性依然無(wú)法得到改變。對(duì)于進(jìn)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(duì)于缸內(nèi)直噴能達(dá)到的150~300μm的燃油顆粒而言，僅有極少部分可以在進(jìn)入空氣的短暫時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)，更多部分則是被直接噴射到進(jìn)氣道壁面和進(jìn)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(guò)燃燒室經(jīng)缸蓋傳遞來(lái)的高溫以及氣門疊開（發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣門同時(shí)開啟的現(xiàn)象）時(shí)倒灌至進(jìn)氣道的廢氣帶來(lái)的高溫才得以汽化并與空氣形成混合。

冷機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)有不少碳?xì)浠衔锱懦?/p>

這種油氣混合模式在熱機(jī)穩(wěn)定工況下并無(wú)問(wèn)題，但在車輛突然加速轉(zhuǎn)速迅速攀升時(shí)（噴油量加大且燃油蒸發(fā)時(shí)間縮短）以及冷機(jī)啟動(dòng)狀況下，則無(wú)法保證當(dāng)前所需的油氣混合氣供應(yīng)，此時(shí)只能以過(guò)量噴油的方式來(lái)臨時(shí)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?xì)浠衔镫S尾氣直接排出，不僅浪費(fèi)了燃油，同時(shí)造成環(huán)境污染，特別是冷機(jī)啟動(dòng)時(shí)三元催化器尚未達(dá)到工作溫度，因此排放問(wèn)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(wèn)題的產(chǎn)生，汽油缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油壓力普遍在100bar以上，甚至可高達(dá)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(shí)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(dòng)排放問(wèn)題得以改善，同時(shí)還避免了進(jìn)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(shí)可做出及時(shí)響應(yīng)，即油門響應(yīng)性更好。

缸內(nèi)直噴技術(shù)需要一臺(tái)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(duì)于前面所說(shuō)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(shí)噴油器也因?yàn)橐m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(guò)程為：汽油被低壓油泵從油箱內(nèi)抽出，經(jīng)低壓油管進(jìn)入被凸輪軸驅(qū)動(dòng)的高壓油泵進(jìn)行加壓，加壓之后的高壓汽油經(jīng)高壓油管到達(dá)高壓油軌，經(jīng)過(guò)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(gè)過(guò)程的一切指令均由發(fā)動(dòng)機(jī)電控管理單元發(fā)出。

缸內(nèi)直噴進(jìn)一步提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率

缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率相對(duì)更高

眾所周知，提高壓縮比是提升汽油機(jī)熱效率的有效途徑，但限制這一途徑的一個(gè)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(diǎn)火混合氣就已自燃，燃燒火焰異常傳播致使發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)功率下降、油耗上升以及異常抖動(dòng)等不良工況的現(xiàn)象。

對(duì)于高壓縮比汽油機(jī)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(wèn)題。這是因?yàn)樽⑷肫椎囊簯B(tài)汽油汽化蒸發(fā)的過(guò)程可以大量吸熱，使得壓縮行程結(jié)束時(shí)的混合氣溫度顯著降低，所以壓縮比將有進(jìn)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(jìn)氣過(guò)程中進(jìn)行噴油，進(jìn)氣溫度也會(huì)隨之降低，充氣效率則將相應(yīng)提高。由于經(jīng)過(guò)增壓器加壓的空氣即便在通過(guò)中冷器冷卻之后依然會(huì)有較高的溫度，因此直噴汽油機(jī)的這一特性對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)更為適用，事實(shí)上我們也能經(jīng)常見到增壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)“稀薄燃燒”

提到稀薄燃燒首先需要說(shuō)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(shí)，即空燃比14.7:1，才能實(shí)現(xiàn)完全燃燒。然而根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，空燃比大于這個(gè)理論值時(shí)，通常稀薄燃燒模式下空燃比會(huì)高于25:1，也有達(dá)到65:1或者更高比值的情況，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)得以提高，其原因在于：

1、燃油在過(guò)量空氣環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)充分燃燒；

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

3、稀薄燃燒過(guò)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(shì)，但空燃比太大的過(guò)稀混合氣并不容易被點(diǎn)燃，于是人們想到了采用先點(diǎn)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(jìn)氣及壓縮行程內(nèi)進(jìn)行任意時(shí)刻噴射及多次噴射的特性，因此可實(shí)現(xiàn)上述混合氣由濃至稀的分層分布，以達(dá)到稀薄燃燒的效果。

實(shí)現(xiàn)混合氣分層兩種方法：特殊機(jī)械設(shè)計(jì)或多次噴射

對(duì)于直噴汽油機(jī)，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(jìn)氣道和活塞頂部的特殊設(shè)計(jì)，使得空氣在活塞上行過(guò)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(shí)現(xiàn)稀薄燃燒。這種方式需要對(duì)進(jìn)氣道和活塞頭部進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，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(guò)單個(gè)工作循環(huán)內(nèi)多次噴油的方式也可實(shí)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(jìn)氣行程即進(jìn)行第一次噴油（前文已經(jīng)說(shuō)過(guò)，此時(shí)噴油也可以降低進(jìn)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(shí)進(jìn)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(diǎn)時(shí)，通過(guò)加大量噴油量以在火花塞周圍形成可燃濃混合氣，同樣實(shí)現(xiàn)了混合氣分層分布，而且活塞頭部也無(wú)需特殊設(shè)計(jì)。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(jì)性方面有著顯著優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在一些明顯的負(fù)面效應(yīng)。

弊端一：壓縮行程末端噴射的燃油由于時(shí)間太短并不能得到充分汽化，導(dǎo)致碳?xì)浠衔锛疤碱w粒排放會(huì)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(dá)到很好的工作溫度，對(duì)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(huì)降低氮氧化物的轉(zhuǎn)化效率；

弊端五：對(duì)于油品適應(yīng)能力差，汽油中的硫會(huì)毒害氮氧化物催化裝置。

因?yàn)楦變?nèi)直噴特點(diǎn)導(dǎo)致它在排放等方面存在著需要改進(jìn)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(guó)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(wèn)題，但是在減少特定情況下碳?xì)浠衔锱欧拧⒔档陀秃囊约疤嵘齽?dòng)力等方面具有優(yōu)勢(shì)，而且研究表明，增大EGR（廢氣再循環(huán)）程度以及通過(guò)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(huì)更加容易。

內(nèi)燃機(jī)技術(shù)經(jīng)歷百余年發(fā)展至今，已經(jīng)在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能及運(yùn)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(diǎn)。隨著油耗及排放法規(guī)的進(jìn)一步嚴(yán)格，各種應(yīng)運(yùn)而生的技術(shù)方案勢(shì)必會(huì)將未來(lái)內(nèi)燃機(jī)熱效率及排放水平方面提高到新的層次。