發(fā)動機缸內(nèi)直噴+進氣道噴射=完美？
一、什么是混合噴射技術？
什么是進氣道噴射？缸內(nèi)直噴之前發(fā)動機的燃油是先噴到進氣管內(nèi)，然后在進氣管內(nèi)與空氣混合成為燃油混合氣，最后再進入氣缸內(nèi)參與燃燒。
什么是缸內(nèi)直噴？就是將噴油器由進氣管道里移到了發(fā)動機缸內(nèi)，直接在缸內(nèi)與空氣混合再參與燃燒，說白了就是空氣與燃油分兩路進入發(fā)動機氣缸。直噴技術最大的好處就是能讓壓縮比提高，從而提升發(fā)動機的燃燒熱效率。
什么是混合噴射技術？采用缸內(nèi)直噴技術后，燃油經(jīng)濟性和動力性得到提升，但排放處理難度更大，起動和低溫下的碳氫化合物，顆粒，中小負荷下的氮氧化物的處理增加了技術難度和成本。為了解決排放問題，就將進氣管噴射和缸內(nèi)直噴結(jié)合起來組成了混合噴射。其結(jié)構(gòu)如下。
混合噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
二、缸內(nèi)直噴詳解
要 理解為什么采用混合噴油模式，就得了解進氣口噴射模式和缸內(nèi)噴射模式的優(yōu)缺點開始。在國家排放和油耗法規(guī)的要求下，傳統(tǒng)的進氣道噴射存在燃燒效率低，經(jīng)濟 性差等特點，Cartech8就不詳細介紹進氣道噴射發(fā)動機了，大家對這應該比較熟悉。我們重點介紹缸內(nèi)直噴的工作控制過程，從中找出缸內(nèi)直噴的優(yōu)點，以 及缺點。然后分析兩者為什么要結(jié)合到一起。下圖是缸內(nèi)直噴的結(jié)構(gòu)及工作原理圖。
缸 內(nèi)直噴就是將燃油噴嘴安裝于氣缸內(nèi)，直接將燃油噴入氣缸內(nèi)與進氣混合。噴射壓力也進一步提高，使燃油霧化更加細致，同時噴嘴位置、噴油時刻、噴霧形狀、進 氣氣流控制，以及活塞頂形狀等特別的設計，真正實現(xiàn)了精準地按比例控制噴油并與進氣混合，使得燃燒效率更高。另外，噴入缸內(nèi)的燃油吸收缸內(nèi)熱量，降低發(fā)動 機發(fā)生爆燃敲缸的傾向，可以進一步增加發(fā)動機壓縮比。通常缸內(nèi)直噴發(fā)動機配備渦輪增壓，這些措施解決了進氣道噴射發(fā)動機系統(tǒng)的主要缺點，即發(fā)動機在部分負 荷運行中的泵氣損失大（發(fā)動機大部分在城市道路中工作于部分負荷工況），燃油經(jīng)濟性差。通常缸內(nèi)直噴發(fā)動機工作于三種工作模式：分層充氣模式、均質(zhì)充氣模 式、均質(zhì)稀薄充氣模式。三者的工作區(qū)域如下圖。
缸內(nèi)直噴三種模式的工作區(qū)域
分層充氣模式：
中 小負載、中小轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)，發(fā)動機一直運行在分層充氣模式中。空氣由進氣管進入汽缸撞在活塞頂部，由于活塞頂部制作成特殊的形狀從而在火花塞附近形成期望中 的渦流。當壓縮過程接近尾聲時，少量的燃油由噴射器噴出，形成可燃氣體。這種分層注油方式可充分提高發(fā)動機的經(jīng)濟性，因為在轉(zhuǎn)速較低、負荷較小時除了火花 塞周圍需要形成濃度較高的油氣混合物外，燃燒室的其它地方只需空氣含量較高的混合氣即可?，F(xiàn)在一些發(fā)動機為了改善燃燒，降低NOx的生成采用的兩次甚至多 次噴射，見下圖：
在 分層充氣模式中為了盡可能地降低節(jié)氣門損耗，節(jié)氣門將盡可能地開大。節(jié)氣門不能完全開啟，因為碳罐和廢氣再循環(huán)系統(tǒng)需要一定的真空度。噴油過程發(fā)生在壓縮 沖程的大約最后三分之一時。在此模式中，發(fā)動機產(chǎn)生的扭矩僅由被噴入的燃油量確定，進氣空氣質(zhì)量和點火提前角產(chǎn)生的影響很小。通過燃燒室中的混合分層，發(fā) 動機過量空氣系數(shù)（lambda）約1.6 至3 的范圍內(nèi)運行。
進入該模式條件：如果滿足這些條件，發(fā)動機就能切換至分層充氣模式。
- 發(fā)動機在相應的負載和轉(zhuǎn)速區(qū)域中，
- 系統(tǒng)中沒有與廢氣排放相關的故障
- 冷卻液溫度高于一定值。
- 氮氧化物傳感器準備就緒， 氮氧化物存儲式催化轉(zhuǎn)換器的溫度在 250 °C 至500 °C 之間。
均質(zhì)充氣模式
如 上圖，發(fā)動機工作于高轉(zhuǎn)速區(qū)域，或者低轉(zhuǎn)速大負荷區(qū)域，其工作模式和原來的進氣道模式基本上一樣，主要差別是，汽油直接噴射發(fā)動機中的燃油是被直接噴入氣 缸的。該模式，節(jié)氣門的開度取決于油門踏板的位置（如何控制可參考Cartech8的另外一篇文章《動力性匹配之幾張表搞定一輛車的動力性》）。發(fā)動機的 扭矩是由點火點(短期)和進氣控制質(zhì)量(長期)決定的。噴入的燃油量與進氣量相匹配，從而使得空燃比Lambda=1左右。在均質(zhì)充氣模式中，點火點是影 響發(fā)動機的扭矩，燃油消耗和排放行為的主要因素。
噴油周期在進氣沖程中，燃油在上止點前約300 度時被直接噴入氣缸中。燃油蒸發(fā)需要的能量被從燃燒室內(nèi)部的空氣中吸收，從而使得空氣得到冷卻。結(jié)果，與帶進氣歧管噴射發(fā)動機的壓縮率相比，壓縮率得到更大的提高。
均質(zhì)稀薄充氣模式
這 種模式是在分層充氣模式和均質(zhì)充氣模式之間的過渡區(qū)域。在這種模式中，短期的扭矩需求是通過點火角來實現(xiàn)的，長期需求則通過空氣質(zhì)量實現(xiàn)的。這些稀薄的混 合物被均質(zhì)地(均勻地)分布在燃燒室中?？諝?燃油混合比約為Lambda 1.55.左右。噴油周期，在進氣沖程中，燃油在上止點前約300 度時被直接噴入氣缸。由于噴油點提前，就給預點火混合物的形成留出了更多的時間，從而導致燃燒室中均質(zhì)混合物的分布。
三種工作模式中節(jié)氣門的開度
缸內(nèi)直噴的優(yōu)勢：
1.節(jié)氣門開度較進氣道噴射發(fā)動機開度增加，泵氣損失減少。發(fā)動機自身損失減少。
2.發(fā)動機稀薄燃燒提高燃油經(jīng)濟性。
3.壓縮比增加，發(fā)動機熱效率提高。與同排量的一般發(fā)動機相比功率與扭矩都提高了10%以上。
4.噴射壓力也進一步提高，使燃油霧化更加細致，真正實現(xiàn)了精準地按比例控制噴油并與進氣混合。
5. 進氣口噴射發(fā)動機，20％噴嘴裝在氣缸蓋上進氣門的背面，80％安裝在進氣歧管上靠近氣缸蓋位置，在發(fā)動機起動時，會在進氣門附近形成瞬時的液態(tài)油膜，這 些燃油會在每次進氣過程逐漸蒸發(fā)進入氣缸燃燒。冷機起動時由于燃油蒸發(fā)困難，使得實際供油量遠大于需求空燃比的供油量，這樣會導致冷起動時發(fā)動機有4 個～10個循環(huán)的不穩(wěn)定燃燒，顯著加大發(fā)動機未燃HC排放。而缸內(nèi)直噴可以克服這個問題。
6.缸內(nèi)直噴發(fā)動機加減速時不需要補償油膜。之所以需要加減速修正，主要原因是進氣道噴射存在燃油油膜，當負荷快速變化，油膜平衡改變，需要在短時間內(nèi)通過噴射量來進行修正；次要原因是為了彌補傳感器對變工況的延遲。
缸內(nèi)直噴的不足：
1. 增加壓縮比，提高燃燒效率，前面已經(jīng)提到，由于汽油直接噴油燃燒室內(nèi)，汽油蒸發(fā)吸收大量熱，發(fā)動機總體燃燒爆震的趨向降低，因此可以增加發(fā)動機壓縮比以提 高效率。提高壓縮比后，在低轉(zhuǎn)速大負荷區(qū)，仍舊采用的是傳統(tǒng)燃燒模式（均質(zhì)燃燒），在這個區(qū)域本身就是一個易發(fā)生爆震的區(qū)域，而加大壓縮比后更容易出現(xiàn)爆 震，有時甚至會出現(xiàn)超級爆震，也就是用傳統(tǒng)的方法無法消除。
2.測試證明，起動過程和起動后階段所排放的有害物質(zhì)能夠達到排放物總量的90%（法規(guī)循環(huán)工況）。采用“分層燃燒起動”和“兩次噴射加熱”相結(jié)合的方法去改善。
3.在低負荷、過渡工況和冷起動的情況下，缸內(nèi)直噴發(fā)動機的微粒排放比進氣道噴射發(fā)動機有明顯增加。
4.中小負荷下未燃碳氫(UBHC)的排放較多，其主要原因有采用分層混合氣時引起火焰從濃區(qū)向稀區(qū)的熄滅，稀空燃比工作條件造成缸內(nèi)溫度偏低，也不利于未燃碳氫隨后的繼續(xù)氧化。
5.因為空燃比不在理論空燃比附近，目前成熟的三元催化技術不能得到有效利用，因而NOx排放較高。另外，GDI發(fā)動機較高的壓縮比和較快的反應放熱率也會引起NOx升高。
6.氣缸內(nèi)的燃燒沉積物較多造成火花塞污染。
7. 發(fā)動機積碳，相比排氣門背部，進氣門背部的積碳相對要嚴重些。曲軸箱通風系統(tǒng)是一大誘因，機油蒸汽會被引入到進氣歧管從而通過進氣門進入氣缸燃燒，附著在 進氣道以及進氣門背部的機油在高溫的作用下形成了積碳，在缺少“自清潔”能力的條件下（噴嘴在缸內(nèi)無法沖涮），積碳就會更為嚴重。反觀排氣門部位，受到高 溫和排氣氣流作用，其形成積碳的壓力本身就比進氣門要小。
三、混合噴射方式：缸內(nèi)直噴 進氣道噴射
由于存在上面的不足，工程師們就想出了采用了缸內(nèi)直噴加進氣道噴射的主意，新結(jié)構(gòu)如下圖，其結(jié)構(gòu)特點就是將進氣道噴射和缸內(nèi)直噴組合在一起，其主要目的還是解決排放問題。這樣結(jié)合即帶來好處也出現(xiàn)弊端。
混合噴射結(jié)構(gòu)圖
直 噴發(fā)動機跟進氣道噴射發(fā)動機比PM（顆粒物）排放高。主要原因是直噴燃油噴在缸內(nèi)，混合時間短，油膜直接附著在氣缸內(nèi)壁和活塞頂部，燃燒時不易充分燃燒， 形成PM。而進氣道噴射燃油噴射在進氣歧管內(nèi)，油膜附著在歧管管壁，吸入汽缸的是充分混合的可燃氣體，燃燒會比較充分。PM和NOx兩者在數(shù)學模型上是一 對耦合參數(shù)，成反比關系，PM升高NOx就會降低。實際應用中，找PM-NOx曲線上最優(yōu)點是所謂的Calibration/標定中的一項重要工作，最終 目的是要使這個點對應的PM和NOx都相對較低。學術領域常用全局優(yōu)化，解耦之類復雜的數(shù)學方法找這個最優(yōu)點，雖然仿真中都能達到比較滿意的效果，但實際 實驗中效果還是比較差的。直噴 進氣道噴射并不是一個完美的技術，并沒有克服直噴的固有缺點，相比直噴降低排放的同時也降低性能表現(xiàn)。也減少了直噴發(fā)動機 中小負荷稀燃的空間。
加上進氣道噴嘴就是為了要在一些輸出響應慢的工況下減少排放， 因為油氣混合不好的結(jié)果并非只有PM。直噴噴嘴是為了滿足快速混合的噴射策略要求（其實就是多次噴射）而優(yōu)化設計的，發(fā)動機整體的性能表現(xiàn)主要來自于這個 優(yōu)化過的直噴噴嘴。而進氣道噴嘴只是起些輔助作用，比如改善冷啟動性能，減少HC等，當然幫助減少PM。以上不對的地方請大家到汽車工程師之家提出寶貴的 意見。
1.在冷機時，中小負荷采用進氣道噴射，以減少HC和顆粒物的生成。
2.熱機時，小負荷區(qū)域采用進氣道噴射，中小負荷采用進氣道噴射加直噴模式。以降低NOx和顆粒物的生成。
混合噴射發(fā)動機工作模式
