淺談缸內直噴發動機的特點及存在問題

羅平

摘 要：在經歷了化油器、單點電噴、多點電噴技術階段之后，油氣混合技術進入了直噴時代，取代傳統歧管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。本文介紹缸內直噴發動機的特點、結構原理、燃燒方式等;以及存在的問題。

關鍵詞：缸內直噴發動機;特點;存在問題

1 缸內直噴系統工作原理

在發動機運行情況下控制燃油噴油量，是目前發動機技術所面臨的最大的問題，缸內直噴技術的出現，解決了這個大問題。缸內直噴技術又被稱為FSI，即Fuel Stratified Injection的首拼，翻譯過來就是燃料分層噴射技術，它的工作原理是讓燃油在氣缸內直接與空氣混合，減少汽油的消耗。所以進一步提高汽油機經濟性與降低汽車廢氣排放。隨著現代科學技術的發展，汽車發動機最開始使用的化油器已經慘遭淘汰，缸內直噴技術已經占領了發動機大部分市場。缸內直接噴射是一種先進的技術，它的燃燒模式在不同情況下有兩種不同的方法，分別是均質燃燒和分層燃燒。為了確保穩定點火，進氣沖程在后期向燃燒室內噴入燃油，進氣行程和壓縮行程工作過程使空氣與燃油充分混合，并在上止點之前使缸內的混合氣均勻燃燒。

2 缸內直噴發動機結構原理

眾所周知，傳統的發動機是先把汽油噴射到進氣歧管，然后再在管道中與空氣形成混合體。缸內直噴技術則是使燃油在氣缸內直接與空氣混合。缸內直噴系統之所以能完成如此簡單的方式主要的因為它的燃油供給系統。燃油系統可分為兩個部分：燃油高壓系統和燃油低壓系統。缸內直噴系統噴射原理雖然簡單但是比較難實現，噴射過程需要延續到壓縮行程，所以該系統必須利用高壓燃油泵進行加壓，使其高壓泵提供給噴油器15Mpa以上的燃油壓力。

3 缸內直噴的特點

汽油缸內直噴的工作過程：直噴發動機非常重要的系統就是高壓燃油系統，以前的發動機噴油系統工作原理是燃油與空氣在進氣歧管里均勻混合，再將混合體噴入缸內。缸內直噴系統則與傳統的噴射系統有很大的不同，缸內直噴系統是直接將燃油噴射到氣缸中，再與氣缸中的空氣一邊混合一邊燃燒，而這時就需要一個部件，這個部件叫做高壓泵。

高壓燃油系統主要由燃油壓力傳感器、高壓燃油泵、高壓油管燃油分配管和燃油高壓調節閥等組成。在低壓油泵將燃油送到高壓泵之后，首先提升高壓泵的壓力，并由燃油分配管和高壓油管送到噴油器，高壓燃油壓力傳感器安裝在燃油分配管旁邊安裝有高壓燃油壓力傳感器，其傳感器用來檢測燃油分配管內的噴油壓力，觀察發動機當時的運行狀況和負荷狀況，我們知道壓力調節閥可以自我調節50bar-100bar的壓力。燃油壓力調節閥還可以為系統提供過壓保護。

4 缸內直噴方式

為了保證發動機的高效，噴油系統和其他發動機部件都要為直噴技術做出相應的設計，而這之間改變最大的就是活塞頂部，活塞頂部是的好壞直接影響發動機的效率。缸內直噴有三種燃燒方式，分別是：氣流控制燃燒、壁面控制燃燒和油束控制燃燒，接下來我分別了解這三種燃燒方式：

（1）氣流控制燃燒方式：該系統的油霧不是朝火花塞噴射，因為活塞表面的特殊形狀和缸內氣流有一定的相互作用，并和噴油器形成固定的夾角，使得油氣混合體有一定回旋的空間，能夠使混合氣在準確時間進行均質燃燒或者分層燃燒。（2）壁面控制燃燒方式：壁面控制燃燒系統零件分部里面，火花塞和噴油器距離很遠，燃油不能直接噴去火花塞中，所以噴油器先把燃油噴入活塞凹槽中，因為進氣流會有一個慣性，這個慣性再把燃油推進火花塞中，完成燃燒。（3）油束控制燃燒方式：在這個系統中，火花塞和噴油器的位置和以上兩個系統有很大的區別，此系統是把火花塞裝在噴油器旁邊，而且把噴油器安裝在在燃燒室中央，這種安裝方式在低負荷工況下可以保持良好的經濟性，為用戶節省汽油，我都知道石油是不可再生資源，要想保留他，只能減少使用量。如果發動機在高負荷條件，ECM調整高壓油泵的壓力，使油的穿透深度增大，從而達到均質集中燃燒。

5 高壓缸內直噴發動機技術的特點

（1）燃料供給系統。高壓缸內直噴技術通過高壓缸的形式將天然氣和引燃的汽油噴入氣缸內，并且是在發動機壓縮行程上止點前，此噴射系統最大的要求是缸內壓力遠低于噴射壓力。除此之外，兩個氣缸之間噴射間隔很短，但是因為氣體具有熱脹冷縮特性，在噴射之后供氣壓力會下降，短時間內缸內壓力難以回到最初的時候，會形成一段時間噴射壓力持續震蕩的結果，壓力持續波動會影響噴漆量的準確性。綜上，要想保證氣體的體積一定同時壓力足夠大，燃料供給系統需要更高的要求。對于以上的情況，西港創新公司新研發出一種往復式小型高壓泵，在正常情況下可將汽油加壓到40兆帕，確保缸內直噴系統的壓力供給。（2）控制系統。汽油發動機高壓直噴控制系統的組成為：傳感器、執行器和電子控制單元（ECU）等。系統中的傳感器收集燃料系統和發動機的運行參數和參數的信號，ECU根據傳感器的信號采集和控制量的氣體射流。

6 缸內直噴發動機存在的一些問題

缸內直噴發動機與傳統電控發動機相比，在廢氣排放、經濟性和動力性方面有多優點，但是缸內直噴系統在自身噴射技術上還是有很多不夠號的地方，缸內直噴技術還是需要進行大的改革。其不足有以下幾個方面：（1）HC和CO排放量沒有得到很好的控制，只是剛剛達到國內排放量的最低要求。（2）NOx排放量比較高，而且此時氧含量又比較多，NOx和氧氣產生反應，很難對NOx進行下一步處理。（3）少量EGR和節流可以降低HC和CO的排放，缸內直噴發動機也使用了適當的節流，不過過多的節流會使稀薄燃燒惡化，還可能會導致功率的損失。（4）發動機各種負荷的平滑過渡太慢，發動機不同負荷的噴油時刻相差較大，發動機成品的成本較高，目前較難大面積占有市場。（5）我國汽油品質不高一直是全球公認的事情，缸內直噴系統汽油的品質要求比較，目前裝配有缸內直噴系統的汽車在國內只能使用97號汽油。

7 結語

缸內直噴技術對于傳統歧管噴射技術來說有很大進步。隨著技術的進步及研發的突破，更多性能出色、燃油經濟性高的直噴發動機面世，進一步推動環境污染和能源危機的解決，直噴發動機依然是未來內燃機技術的發展趨勢。

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