能改善熱效率和燃油經濟性的汽油機缸內直噴技術

06-24

摘要影響汽油機燃油經濟性的重要因素是燃油的噴射方式。取代傳統進氣道噴射方式的缸內燃油直噴技術現已越來越普及。缸內燃油直噴是在燃燒室中央設置噴油器，因此能降低燃油耗。對進氣道噴射與缸內直噴這兩種噴油方式進行比較，並介紹汽油機缸內直噴技術的基本原理、優缺點，以及其具體應用實例，同時也指出其今後的發展方向。關鍵詞：汽油機缸內燃油直噴燃油經濟性應用

0 前言

空氣和燃油被吸入汽油機後經壓縮實現燃燒。即使燃油供給裝置從原先的化油器進化為電控噴油器，這一根本的燃燒理論並未改變。

在傳統的進氣道噴射汽油機中，燃油和空氣是在進氣歧管內預混合，然後在最佳的點火定時點燃壓縮後的混合氣，以維持發動機的穩定運行。如提高發動機的轉速，則須提前點火定時，以在膨脹行程內產生更大的扭矩，實現更好的燃油經濟性。

大部分汽油機都是在壓縮上止點前利用火花塞點火，在膨脹行程內擴散混合氣中的火焰。然而，如果以提高熱效率為目的而提高壓縮比，則燃燒室內部及混合氣的溫度會升高，在高負荷工況下容易導致汽油機爆燃（異常燃燒），因此必須延遲點火定時。

1 進氣道噴射方式的局限性

如果發生上述情況，不僅無法實現最佳的燃燒，而且以爆發壓力為驅動力所能獲得的效率也會大幅降低。為了解決這一問題，可以採用將排出的廢氣再次導入燃燒室的廢氣再循環（EGR）技術。將惰性氣體導入燃燒室內，可以獲得抑制燃燒溫度的效果。然而，由於無法將混合氣充滿整個氣缸，因此必然會導致發動機效率降低。在低負荷工況下，EGR對於減輕節流閥的泵氣損失是非常有效的，但在高負荷工況下雖然可以防止爆燃的發生，但同時也會導致發動機功率降低。

此外，為了降低燃燒溫度，也可以利用燃油的汽化熱達到冷卻效果，但這樣就要求噴射比燃燒所需更多的燃油，從而導致燃油耗增加。

綜上所述，汽油機曾在很長的一段時間內無法獲得良好的燃油經濟性。汽油機在熱效率方面存在的問題在很大程度上是由汽油燃料自身的特性及往複式發動機結構上的制約所決定的。能解決上述問題的技術就是現已進入實用化階段的缸內燃油直噴發動機（表1，圖1）。所謂「缸內燃油直噴」，就是向燃燒室內直接噴射燃油，因此，必須將傳統設置在進氣道內的噴油器改為安裝在燃燒室內。

表1 發動機燃油噴射方式的比較

2 利用直噴提高燃油經濟性

在採用進氣道噴射方式的情況下，進入燃燒室內的氣體是已混合了燃油的混合氣，因此能在發動機寬廣的轉速範圍及各種運轉條件下實現穩定的運行（圖2）。此外，由於是在進氣道內的負壓下噴射燃油，因此對噴油器的性能要求相對較低，其安裝環境也較為穩定。並且，在噴油器已成為標配產品的今天，其零件成本也較低。

圖2 進氣道噴射發動機的噴油原理（每缸4氣門的示例，在進氣道2個歧管前設置1個噴油器，向歧管內噴射燃油，噴油定時不像直噴發動機那麼要求嚴格，但在進氣道和進氣門處會附著燃油，不僅使燃油耗增加，而且噴射燃油的冷卻效果也不佳。）

為了提高燃油噴束的霧化效果，須使噴嘴噴出的燃油碰撞進氣道壁面。近年來，雖然也有通過增加噴孔數以實現噴霧高效霧化的噴油器，但無論採用哪種方式，噴射的燃油都會附著在進氣道及達到高溫的進氣門處，由此導致不完全燃燒，並使燃油最終堆積在這些部位，這不僅會導致進氣效率低，而且會阻礙進氣門的正常開啟和關閉。

為此，燃燒室內的未燃燃油會使空燃比發生波動，在發動機上，可利用排氣系統內的氧感測器計算空燃比，以此修正燃油噴射量，實施反饋控制。稀混合氣會導致燃燒溫度上升，在實際使用中，包括堆積的沉積物在內，為安全起見，可將燃油濃度設置較高。

與此相反，缸內燃油直噴方式是向燃燒室內直接噴射燃油，因此噴入缸內的燃油比率（噴射燃油中進入燃燒室的燃油比率）更高。雖然由於進氣門延遲關閉等原因會導致氣體逆流，但與進氣道燃油噴射方式相比，燃油的通過量較少，進氣道和進氣門處的燃油附著較少，因而沉積物也較少。

此外，由於進氣道中不設噴油器，有利於設計出能提高進氣道附近氣體流速以產生渦流的氣道形狀。與進氣道噴射時吸入混合氣相比，在只吸入空氣的缸內燃油直噴方式下，由於氣體密度不同，因而進氣阻力也會發生變化。

進而，由於缸內燃油直噴是向燃燒室內直接噴射燃油，因此可將噴油分為多次，階段性地提高混合氣濃度。只是，由於直噴基本上是在壓縮行程內噴射燃油，與進氣道噴射相比，可用的噴油時間受到一定限制，因此要求必須精確地控制噴油，對燃油系統的性能要求也相應提高了。

由於直噴噴油器必須在壓縮行程和作功行程的高壓下進行燃油噴射，因而與進氣道噴射相比，要求具備更高的壓力。此外，還要求燃油噴霧更精細。如果燃油附著於氣缸壁面，容易導致發動機機油被汽油燃料稀釋的問題。而且，對直噴發動機噴油時間精度的要求也更高（圖3）。與進氣道噴射相比，不僅燃燒時的壓力和熱量更高，而且由於燃油附著等原因，其所處環境也更加苛刻。基於溫度感測器、相位感測器、發動機轉速及節氣門開度等信息，由電控單元（ECU）控制燃油噴射量和噴油定時。與進氣道噴射相比，必須在更短的時間內完成噴油。系統中具備高壓燃油泵和高響應性的噴油器等。由於必須精確地控制燃油噴射量和噴油定時，因此對感測器和ECU的性能要求也很高。

圖3 直噴發動機的燃油噴射系統

除了從油箱向發動機艙壓送燃油的傳統燃油泵外，增加由發動機驅動的高壓泵，可實現5~20 MPa的高燃油壓力（圖4）。

圖4 直噴發動機的高壓燃油泵（用低壓泵從油箱壓送燃油，利用發動機驅動力驅使凸輪旋轉，使柱塞上下運動，將燃油壓力提升至20 MPa後送入噴油器。）

從另一方面來看，也正是因為零部件供應商成功開發出能滿足上述條件的噴油器及燃油泵等產品，並提供給汽車製造商，才成就了缸內燃油直噴發動機的成功問世。

3 直噴式柴油機技術的應用

向燃燒室內直接噴射汽油具有眾多優點。由於提高了噴油定時的自由度，因此解決了以往氣道噴射時不得不降低效率來避免爆燃問題。

雖然最初是為了實現稀薄燃燒而開發了缸內燃油直噴技術，但由於存在排氣凈化方面的問題，因此在現階段，只能暫時放棄稀燃方式，而以理論空燃比為目標實施均質燃燒控制。

實際上，汽油機直噴技術的實現在很大程度上受到了柴油機技術發展的影響。具有高熱效率的直噴式柴油機排氣凈化技術的發展及燃油經濟性的進一步改善，都對實現汽油機的缸內燃油直噴作出了極大貢獻。為柴油機開發的噴油控制技術及零部件被最終反饋在直噴汽油機上。向燃燒室內直接噴射燃油以實現燃燒雖已成為可能，但存在極高的技術門檻。如前文所述，對於由噴射燃油的噴油器、壓送燃油的高壓泵，以及實施控制的ECU構成的系統部件，都要求其具備比進氣道噴射系統更高的性能。

作為高性能直噴噴油器，首先有壓電式噴油器（圖5）。利用基於電子信號實現伸縮的壓電元件，可高精度且準確地控制燃油噴射，但由於其價格昂貴，因此只有部分高級車輛的直噴汽油機採用該技術。

圖5 直噴發動機的壓電式噴油器（噴油器中央設有基於電流作用伸縮的壓電元件，通過電子信號控制頂端閥的開閉。閥開啟後噴射高壓燃油。與電磁閥式噴油器相比性能更高。）

傳統的噴油器採用電磁閥驅動方式，線圈通電後從產生磁力到運行需要一定的響應時間（圖6）。然而，隨著電磁閥式噴油器響應速度的不斷提高，現在也能應用於直噴發動機。因此，已有多家汽車製造商在小型車及K-car上配裝具有電磁閥式噴油器的直噴發動機。

圖6 直噴發動機的電磁閥式噴油器（噴油器上部設有電磁線圈，電磁線圈通電後產生磁力，上拉可動芯子。與可動芯子相連的針閥被提升，噴嘴內部迴路被打開，開始噴油。可動芯子返回的力由彈簧控制。）

汽油直噴結合可變氣門正時技術後，會達到更高的燃燒效率。如在進氣門關閉後向燃燒室內噴射燃油，那麼，即使通過延遲關閉進氣門使吸入燃燒室的空氣迴流至進氣道的阿特金森循環中，也能盡量減少不必要的燃油消耗。

上述高精度控制在很大程度上依賴於計算機模擬技術的應用和發展。以前，通常是利用由玻璃製成的可視化發動機來了解具體的燃燒過程，現在則可以利用計算機模擬技術，更為高效地觀察從進氣到壓縮、作功、排氣過程中的混合氣變化。

4 汽油直噴技術的發展方向

一般而言，直噴汽油機的噴射方式是由噴油器向燃燒室內呈放射狀地噴射燃油，以使混合氣能擴散至整個燃燒室內。另一方面，還有在最初階段使火花塞周圍保持濃混合氣，並在周圍形成稀混合氣，最終實現分層燃燒的方式，這被稱為「噴霧引導方式」（圖7，圖8）。採用高響應性的壓電式噴油器可實現這一燃燒過程，目前，這一技術已被應用於德國Daimler公司的Mercedes-Benz車型，以及BMW公司的部分車型。

圖7 Daimler公司Mercedes-Benz車所用直噴稀燃發動機（採用壓電式噴油器，在火花塞周圍生成濃混合氣，以實現分層燃燒。活塞頂部設有凹坑，壓縮時可將濃混合氣滯留於此，同時活塞頂部四周增高，實現高壓縮比。）

圖8 直噴稀燃發動機示意圖（在噴霧引導方式的直噴稀燃發動機中,預先噴射少量燃油,形成稀混合氣，然後在點火前再次噴射燃油，在火花塞周邊形成濃混合氣，促進燃燒。與傳統的氣道噴射相比，可提高15%的燃油經濟性。）

此外，缸內燃油直噴與渦輪增壓器的匹配性很好。由於可利用燃油的冷卻效應，因此能夠提高渦輪增壓車輛的燃油經濟性。進而，如再結合發動機小型化的縮缸強化措施，不僅能夠解決渦輪增壓發動機在高負荷時燃油經濟性惡化的問題，而且還能進一步降低低負荷工況下的燃油耗（圖9）。德國Volkswagen公司的小型化渦輪增壓發動機正是利用了缸內燃油直噴的優勢。

圖9 結合了連續可變氣門升程機構的直噴渦輪增壓發動機（BMW公司的第1代直噴渦輪增壓發動機，採用Valvetronic這一連續可變氣門升程機構,並利用壓電式噴油器精確控制燃油噴射。現有的第2代產品以1台雙流道渦輪增壓器取代原有的雙渦輪增壓，並結合小型的電磁閥式噴油器和可變氣門升程機構，不僅降低了成本，還降低了燃油耗。）

概括來說，直噴發動機因各公司的具體應用方式不同而具有不同的效果。根據發動機所配裝車型的不同，或是車輛售價的不同，發動機的成本自然也會發生變化。

充分發揮直噴發動機優勢的實例之一是馬自達公司的Skyactiv-G汽油機技術。雖未採用渦輪增壓技術，但卻具有自然吸氣發動機中極高的壓縮比，與運行範圍極廣的可變氣門正時機構相結合，即使在阿特金森循環下，也能產生足夠的扭矩。為了提高發動機的抗爆燃性能而採用了多項技術，其中最為核心的仍是缸內燃油直噴技術。

豐田汽車公司的D4-S噴油系統兼具直噴用噴油器和氣道噴射用噴油器。這是將直噴系統的優勢與氣道噴射系統的優勢相結合的系統，是一種成本較高的燃油供給系統。在低負荷工況下能確保穩定的運行及良好的排放性能，同時在中等以上負荷工況下，可以發揮直噴的高效率，實現降低燃油耗的目標。

最近，Volkswagen公司也在高性能發動機上應用組合了直噴噴油器與進氣道噴射噴油器的燃油系統，由此開發的小型化渦輪增壓發動機具有更高的功率輸出性能。與豐田汽車公司的D4-S燃油系統不同，Volkswagen公司的系統是利用進氣道噴射預先混合燃油與空氣，以補償高負荷時只採用直噴而無法達到的燃油霧化效果，從而以高增壓實現高功率輸出。

鈴木公司在K-car的渦輪增壓發動機上採用直噴技術。另外，還為小型車開發了採用進氣道噴射，其性能接近於直噴系統的新型噴油系統（圖10）。該系統被稱為「雙噴油器系統」，與傳統的進氣道噴射系統相比，新系統是將2個具有細長噴嘴的噴油器分別安裝在進氣門正前方。因此，與傳統的進氣道噴射相比，直接噴入缸內燃油比率更高，同時能實現低燃油耗和高功率的性能目標。

圖10 性能接近於直噴系統的進氣道噴射系統配置（噴油器位置儘可能接近進氣門，提高了直接噴入缸內的燃油比率。雖然日產汽車公司和本田公司也採用相同的布置，但鈴木公司的噴油器位置最接近進氣門，因此其燃油經濟性最高。）

與直噴不同，上述進氣道噴射系統只在進氣門打開的狀態下才噴射燃油，因此與可變氣門正時機構組合使用後，可實現高效的燃油供給，而且，還能維持進氣道噴射所獨有的在寬廣運行範圍內穩定燃燒這一優勢。

5 排氣凈化技術

今後，缸內燃油直噴技術很有可能成為汽油機的主流技術。這不僅是出於成本方面的考慮，與直噴相關的技術難題被不斷解決也將成為關鍵的影響因素。

例如，從理論上講，應用燃油經濟性優異的直噴技術時，在實際車輛行駛中，隨著負荷及轉速的波動，會出現燃油霧化不充分的情況，與進氣道噴射相比，排氣中的碳煙成分會增加。因此，隨著日後排放法規的再次升級，必須尋求降低顆粒（PM2.5）排放的對策，對於汽油車而言也是如此。為此，包括稀燃技術在內，排氣凈化技術的不斷進步值得關注。

此外，在提高效率方面，火花塞及進排氣門與噴油器在空間布置上的矛盾也是須解決的課題。目前，直噴噴油器的布置有2種方式，分別是在燃燒室內進排氣門之間或進氣門外側（圖11）。

圖11 Porsche公司911車型的直噴發動機噴油器布置（噴油器設置在進氣門外側，而不是燃燒室中央。從燃燒室一角噴射燃油，燃油噴霧更易捲入滾流。活塞形狀複雜，應用高壓縮比的同時，混合氣集中於火花塞周圍。噴油系統布局與馬自達公司的Skyactiv-G相同。）

圖12 Volkswagen公司1.2 L小型化渦輪增壓發動機（每缸2氣門，噴油器設置在燃燒室頂部，使燃油更易被點燃。由於氣門數少，部件數也隨之減少，氣缸蓋的成本亦隨之降低。）

雖然將噴油器設置在燃燒室中央是較為理想的方案，但德國Porsche公司為了保證火花塞和氣門驅動部件的空間，將噴油器布置在進氣門外側，基於利用滾流帶動混合氣的設計，將噴油器布置在燃燒室一角，並斜向噴射燃油。

Volkswagen公司利用增壓來提高進氣效率，開發了每缸2個氣門（進氣門與排氣門各1個）的小型化渦輪增壓發動機（圖12）。這種設計的優點是燃燒室形狀可為半球形，噴油器布置的自由度更高。

今後可能會出現3氣門的縮缸強化渦輪增壓器，即1個進氣門用於渦輪吸氣，2個排氣門來保證排氣順暢高效的被送入渦輪。另外，為了實現發動機的高熱效率，推進均質充量壓燃技術的開發，使汽油機能像柴油機一樣實現自著火。這些技術都可能成為汽油直噴技術的衍生產品，並具有進一步發展的巨大潛力。