发动机缸内直喷+进气道喷射=完美？

汽车工程师 2016-05-24

发动机缸内直喷+进气道喷射

一、什么是混合喷射技术？

　　什么是进气道喷射？缸内直喷之前发动机的燃油是先喷到进气管内，然后在进气管内与空气混合成为燃油混合气，最后再进入气缸内参与燃烧。

　　什么是缸内直喷？就是将喷油器由进气管道里移到了发动机缸内，直接在缸内与空气混合再参与燃烧，说白了就是空气与燃油分两路进入发动机气缸。直喷技术最大的好处就是能让压缩比提高，从而提升发动机的燃烧热效率。

　　什么是混合喷射技术？采用缸内直喷技术后，燃油经济性和动力性得到提升，但排放处理难度更大，起动和低温下的碳氢化合物，颗粒，中小负荷下的氮氧化物的处理增加了技术难度和成本。为了解决排放问题，就将进气管喷射和缸内直喷结合起来组成了混合喷射。其结构如下。

　　混合喷射系统的结构示意图

二、缸内直喷详解

　　要理解为什么采用混合喷油模式，就得了解进气口喷射模式和缸内喷射模式的优缺点开始。在国家排放和油耗法规的要求下，传统的进气道喷射存在燃烧效率低，经济性差等特点，Cartech8就不详细介绍进气道喷射发动机了，大家对这应该比较熟悉。我们重点介绍缸内直喷的工作控制过程，从中找出缸内直喷的优点，以及缺点。然后分析两者为什么要结合到一起。下图是缸内直喷的结构及工作原理图。

　　缸内直喷就是将燃油喷嘴安装于气缸内，直接将燃油喷入气缸内与进气混合。喷射压力也进一步提高，使燃油雾化更加细致，同时喷嘴位置、喷油时刻、喷雾形状、进气气流控制，以及活塞顶形状等特别的设计，真正实现了精准地按比例控制喷油并与进气混合，使得燃烧效率更高。另外，喷入缸内的燃油吸收缸内热量，降低发动机发生爆燃敲缸的倾向，可以进一步增加发动机压缩比。通常缸内直喷发动机配备涡轮增压，这些措施解决了进气道喷射发动机系统的主要缺点，即发动机在部分负荷运行中的泵气损失大（发动机大部分在城市道路中工作于部分负荷工况），燃油经济性差。通常缸内直喷发动机工作于三种工作模式：分层充气模式、均质充气模式、均质稀薄充气模式。三者的工作区域如下图。

　　缸内直喷三种模式的工作区域

　　分层充气模式：

　　中小负载、中小转速区域内，发动机一直运行在分层充气模式中。空气由进气管进入汽缸撞在活塞顶部，由于活塞顶部制作成特殊的形状从而在火花塞附近形成期望中的涡流。当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷射器喷出，形成可燃气体。这种分层注油方式可充分提高发动机的经济性，因为在转速较低、负荷较小时除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室的其它地方只需空气含量较高的混合气即可。现在一些发动机为了改善燃烧，降低NOx的生成采用的两次甚至多次喷射，见下图：

　　在分层充气模式中为了尽可能地降低节气门损耗，节气门将尽可能地开大。节气门不能完全开启，因为碳罐和废气再循环系统需要一定的真空度。喷油过程发生在压缩冲程的大约最后三分之一时。在此模式中，发动机产生的扭矩仅由被喷入的燃油量确定，进气空气质量和点火提前角产生的影响很小。通过燃烧室中的混合分层，发动机过量空气系数（lambda）约1.6 至3 的范围内运行。

　　进入该模式条件：如果满足这些条件，发动机就能切换至分层充气模式。

　　- 发动机在相应的负载和转速区域中，

　　- 系统中没有与废气排放相关的故障

　　- 冷却液温度高于一定值。

　　- 氮氧化物传感器准备就绪，氮氧化物存储式催化转换器的温度在 250 °C 至500 °C 之间。

　　均质充气模式

　　如上图，发动机工作于高转速区域，或者低转速大负荷区域，其工作模式和原来的进气道模式基本上一样，主要差别是，汽油直接喷射发动机中的燃油是被直接喷入气缸的。该模式，节气门的开度取决于油门踏板的位置（如何控制可参考Cartech8的另外一篇文章《动力性匹配之几张表搞定一辆车的动力性》）。发动机的扭矩是由点火点(短期)和进气控制质量(长期)决定的。喷入的燃油量与进气量相匹配，从而使得空燃比Lambda=1左右。在均质充气模式中，点火点是影响发动机的扭矩，燃油消耗和排放行为的主要因素。

　　喷油周期在进气冲程中，燃油在上止点前约300 度时被直接喷入气缸中。燃油蒸发需要的能量被从燃烧室内部的空气中吸收，从而使得空气得到冷却。结果，与带进气歧管喷射发动机的压缩率相比，压缩率得到更大的提高。

　　均质稀薄充气模式

　　这种模式是在分层充气模式和均质充气模式之间的过渡区域。在这种模式中，短期的扭矩需求是通过点火角来实现的，长期需求则通过空气质量实现的。这些稀薄的混合物被均质地(均匀地)分布在燃烧室中。空气/燃油混合比约为Lambda 1.55.左右。喷油周期，在进气冲程中，燃油在上止点前约300 度时被直接喷入气缸。由于喷油点提前，就给预点火混合物的形成留出了更多的时间，从而导致燃烧室中均质混合物的分布。

　　三种工作模式中节气门的开度

　　缸内直喷的优势：

　　1.节气门开度较进气道喷射发动机开度增加，泵气损失减少。发动机自身损失减少。

　　2.发动机稀薄燃烧提高燃油经济性。

　　3.压缩比增加，发动机热效率提高。与同排量的一般发动机相比功率与扭矩都提高了10%以上。

　　4.喷射压力也进一步提高，使燃油雾化更加细致，真正实现了精准地按比例控制喷油并与进气混合。

　　5. 进气口喷射发动机，20％喷嘴装在气缸盖上进气门的背面，80％安装在进气歧管上靠近气缸盖位置，在发动机起动时，会在进气门附近形成瞬时的液态油膜，这些燃油会在每次进气过程逐渐蒸发进入气缸燃烧。冷机起动时由于燃油蒸发困难，使得实际供油量远大于需求空燃比的供油量，这样会导致冷起动时发动机有4 个～10个循环的不稳定燃烧，显著加大发动机未燃HC排放。而缸内直喷可以克服这个问题。

　　6.缸内直喷发动机加减速时不需要补偿油膜。之所以需要加减速修正，主要原因是进气道喷射存在燃油油膜，当负荷快速变化，油膜平衡改变，需要在短时间内通过喷射量来进行修正；次要原因是为了弥补传感器对变工况的延迟。

　　缸内直喷的不足：

　　1. 增加压缩比，提高燃烧效率，前面已经提到，由于汽油直接喷油燃烧室内，汽油蒸发吸收大量热，发动机总体燃烧爆震的趋向降低，因此可以增加发动机压缩比以提高效率。提高压缩比后，在低转速大负荷区，仍旧采用的是传统燃烧模式（均质燃烧），在这个区域本身就是一个易发生爆震的区域，而加大压缩比后更容易出现爆震，有时甚至会出现超级爆震，也就是用传统的方法无法消除。

　　2.测试证明，起动过程和起动后阶段所排放的有害物质能够达到排放物总量的90%（法规循环工况）。采用“分层燃烧起动”和“两次喷射加热”相结合的方法去改善。

　　3.在低负荷、过渡工况和冷起动的情况下，缸内直喷发动机的微粒排放比进气道喷射发动机有明显增加。

　　4.中小负荷下未燃碳氢(UBHC)的排放较多，其主要原因有采用分层混合气时引起火焰从浓区向稀区的熄灭，稀空燃比工作条件造成缸内温度偏低，也不利于未燃碳氢随后的继续氧化。

　　5.因为空燃比不在理论空燃比附近，目前成熟的三元催化技术不能得到有效利用，因而NOx排放较高。另外，GDI发动机较高的压缩比和较快的反应放热率也会引起NOx升高。

　　6.气缸内的燃烧沉积物较多造成火花塞污染。

　　7. 发动机积碳，相比排气门背部，进气门背部的积碳相对要严重些。曲轴箱通风系统是一大诱因，机油蒸汽会被引入到进气歧管从而通过进气门进入气缸燃烧，附着在进气道以及进气门背部的机油在高温的作用下形成了积碳，在缺少“自清洁”能力的条件下（喷嘴在缸内无法冲涮），积碳就会更为严重。反观排气门部位，受到高温和排气气流作用，其形成积碳的压力本身就比进气门要小。

三、混合喷射方式：缸内直喷进气道喷射

　　由于存在上面的不足，工程师们就想出了采用了缸内直喷加进气道喷射的主意，新结构如下图，其结构特点就是将进气道喷射和缸内直喷组合在一起，其主要目的还是解决排放问题。这样结合即带来好处也出现弊端。

　　混合喷射结构图

　　直喷发动机跟进气道喷射发动机比PM（颗粒物）排放高。主要原因是直喷燃油喷在缸内，混合时间短，油膜直接附着在气缸内壁和活塞顶部，燃烧时不易充分燃烧，形成PM。而进气道喷射燃油喷射在进气歧管内，油膜附着在歧管管壁，吸入汽缸的是充分混合的可燃气体，燃烧会比较充分。PM和NOx两者在数学模型上是一对耦合参数，成反比关系，PM升高NOx就会降低。实际应用中，找PM-NOx曲线上最优点是所谓的Calibration/标定中的一项重要工作，最终目的是要使这个点对应的PM和NOx都相对较低。学术领域常用全局优化，解耦之类复杂的数学方法找这个最优点，虽然仿真中都能达到比较满意的效果，但实际实验中效果还是比较差的。直喷进气道喷射并不是一个完美的技术，并没有克服直喷的固有缺点，相比直喷降低排放的同时也降低性能表现。也减少了直喷发动机中小负荷稀燃的空间。

　　加上进气道喷嘴就是为了要在一些输出响应慢的工况下减少排放，因为油气混合不好的结果并非只有PM。直喷喷嘴是为了满足快速混合的喷射策略要求（其实就是多次喷射）而优化设计的，发动机整体的性能表现主要来自于这个优化过的直喷喷嘴。而进气道喷嘴只是起些辅助作用，比如改善冷启动性能，减少HC等，当然帮助减少PM。