淺談汽油機缸內直噴技術

吳志偉　陳紅星　戰金程

摘 要：近幾年，由于我國能源與環境問題越來越嚴重，導致汽車在節能減排上受到了各種法律法規的限制。因此，世界各地為了解決這一現狀，紛紛開發了許多新技術，其中汽油機缸內直噴技術就可以很好地解決這些問題。本文將重點介紹汽油機缸內直噴技術，因為這套領先技術是當前最炙手可熱的技術，相信在未來技術的發展進程中，它的應用前景會更加廣闊。

關鍵詞：汽油機；缸內直噴；技術

汽油機缸內直噴技術是我國汽油機在燃燒理論及相關結構中劃時代的變革，它可以實現汽車低油耗、低污染的設想，是目前被廣泛認可的領先技術。現階段，汽油機缸內直噴技術已經被人們廣泛認可，同時還覆蓋絕大多數的車型，尤其是燃料電池等新型動力更是被普遍應用，隨著科技水平的不斷發展，缸內直噴技術也將會越來越成熟，因此需要對其進行深入研究。

1 汽油機缸內直噴技術的發展過程和應用現狀

汽油機缸內直噴技術出現在20世紀20年代，那一時期主要被應用在軍事領域中，這項技術發展到20世紀50年代后才真正得以實現。只是由于燃油價格的降低，再加上電控技術受到阻礙，影響了汽油機缸內直噴技術的發展。到20世紀70年代，福特公司開發出一種新系統，這項系統主要采用分層燃燒技術來完成，最終因電控技術不夠完善以及成本較高，這項系統也沒能得到發展。

自20世紀90年代開始，由于各個國家開始注重環境保護，嚴格控制能源的消耗，各汽車企業開始進一步開發汽油機缸內直噴技術。其中，三菱公司在1996年開發出具有汽油機缸內直噴技術的自然吸氣式發動機，并將其安裝在轎車內，這款發動機具有動力強、油耗少的特點。1998年豐田公司推出D4直噴系統，這個系統可以直接應用在SZ與ZN系列的發動機上，到2005年后還可以應用在3GR-FSE的發動機上，隨后豐田公司又開發出了D4-S直噴技術，這個技術可以應用到2GR-FSN發動機上，該系統可以實現燃燒控制等要求。2006年奔馳公司推出直噴技術CGI，同時在2010年又推出一款新的汽油機缸內直噴技術BlueDirect，這項技術可以提高燃燒效率和排放水平。隨著科技水平的不斷提高，各種汽車公司也開始相繼推出自己的汽油機缸內直噴技術。

2 汽油機缸內直噴技術的工作過程

對于直噴發動機來說，高壓噴油系統是其最為重要的系統，它與之前的吸入發動機不同，直噴發動機是在高壓噴油嘴的作用下把燃油噴入到氣缸內，因為氣缸中本身就具有較大的壓力，所以噴油系統一定要具備更大的壓力才可以。

在直噴發動機中，ECM是所有先進內燃機的重要組成部分，這一部分包含很多環節，只要缺少其中一個環節，都沒有辦法實現量產裝車。當前ECM這項技術已經成為國外企業的專利，并且已經非常成熟。而高壓油泵是燃油加壓的重要環節，低壓油泵把燃油運送到高壓油泵后，高壓油泵可以加大汽油的壓力，然后再將其送到油軌中。通常情況下，高壓油泵都是由凸輪軸帶動起來的，在凸輪軸的內側有雙頭或者三頭凸輪進行加壓。

油泵加壓后，汽油會進入高壓軌中，待高壓油軌穩定后，因油軌與燃燒內之間有一定的壓力差，所以高壓油泵在動作后才能噴入到氣缸內。另外，在噴嘴內還有一電磁閥，這個電磁閥可以很好地控制噴油量，它在控制過程中對精度有很高的要求，再加上工作環境的不斷變化，在控制時對它的可靠性要求也相繼提高。

除了發動機的噴油系統外，其他零部件也需要為汽油缸直噴技術做出相應的設計，這樣才能提高發動機的效率，特別是活塞頂部的設計尤為重要。按照可燃混合氣所形成的控制方式，汽油機缸內直噴技術可以分為油束控制燃燒、壁面控制燃燒和氣流控制燃燒三種。其中，在油束燃燒控制系統中，要把噴油器安裝到燃燒室的中心位置，并把火花塞安放到噴油器附近，這種安放模式可以達到良好的燃油經濟性，一旦發動機處在高負荷狀態時，ECM可以調節高壓油泵的壓力，從而增加油束的融入深度，使其達到均質加濃燃燒的目的。在壁面控制燃燒系統中，由于噴油器和火花塞的距離相隔較遠，噴油器將燃油噴入到活塞中后，就可以根據慣性把油氣混合運送到火花塞中。為了降低噴油器的溫度，應該將其安放到進氣門側，這種類型的混合氣比較容易形成較大面積的可燃混合氣。

3 顆粒物形成的因素

顆粒物的排放過程極其復雜，它主要由碳煙、可溶性有機物、硫酸鹽和添加劑組成。對于汽車發動機來說，其顆粒物排放主要是空氣-燃油混合不均勻，從而造成燃燒不完全，在高溫的狀態下氧化而形成。

通常情況下，發動機在燃燒時所形成的顆粒物大體可以分為三種模式，分別是核泰模式、聚集模式和粗模式。除此之外，顆粒物還分為兩個評價指標，分別是PM和PN。在EUROV排放法規中，柴油機和汽油機都是既限制了PM的生成量，又限制了PN的生成量。以往的進氣道噴射汽油機因具有良好的油氣混合，因此所排放的顆粒較少，但是目前直噴汽油機因燃油噴入缸內，從而在燃燒時產生了較多的顆粒物。在電噴控制中，燃油多次噴射控制策略來減少直噴汽油機顆粒物的排放。經過多次的試驗可以了解到，運用兩次噴射或者更多次的噴射策略，可以很好地減少直噴汽油機顆粒物的排放，并且還可以有效降低發動機暖機過程中的PM值，主要原因還是采用多次噴射策略，在保證噴油量穩定的同時，減少了噴油持續期。

4 結語

在以上的分析中我們了解到，為了滿足當前我國排放法規的要求，就必須要提高GDI汽油機燃油的經濟性，并減少GDI汽油機的排放量，這也將是未來內燃機研究工作的方向。雖然現階段GDI汽油機仍面臨許多難度，但是隨著科學技術的提高、研究工作的深入、控制手段的完善以及排氣后技術的進步，GDI汽油機的燃油經濟性、排放特點和其他環節都將會得到相應提升。總之，新能源汽車在還沒有完全普及前，汽車機缸內直噴技術必將是未來的發展主流，同時也將成為車用動力的主導產品。

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