利大于弊 缸内直喷技术历史溯源及浅析（二）

技术特点

简单了解了缸内直喷技术的发展史，很多人肯定会更加想知道为什么主流汽车企业都在积极研发并量产这种发动机技术，它能给车辆带来什么样的变化？要回答这些我们需要先了解一下在发动机燃油系统供油技术的原理，以及它们存在的问题。

原因一：化油器并不能精确控制油气混合气

很多年轻人估计对“化油器”很陌生，甚至从未听说过，在80-90年代中国道路上绝大部分车型都是使用“化油器”的汽油发动机。最早时候，汽油是通过化油器与空气进行混合。

对于化油器式发动机而言，被吸入发动机进气管的空气流经喉管时因横截面积减少而流速增加，因此产生负压将汽油从设在此处的化油器喷口中吸出，汽油进入喉管后被高速气流雾化随之蒸发，由此形成油气混合气。这种早期的化油器式发动机因为没有任何电控反馈和执行系统，所以无法对混合气浓度进行调整和修正，从而导致经济性和排放性能均不太好，加上喉管本身对进气气流的阻碍，动力性也被限制。

原因二：推出“电控化油器”同样不能实现精确控制

尽管其间还出现过电控化油器的案例，如丰田22R发动机，但也只是通过对阻风门（一种化油器发动机上才存在的阀门，通过其开闭实现对喉管处真空度的调整进而改变混合气浓度）和节气门的电子控制来实现特定工况下的混合气大致调节，并不能实现精确控制。

在燃油喷射技术发展中，电喷技术广泛普及

为了解决化油器的靠负压吸出形式效率不高的弊端，供油技术变为经油泵加压后通过喷油器正压喷出形式。因为取消了化油器中的喉管设计，使得进气更加顺畅，并且一定程度上提升了供油准确性。根据喷油器形式区分，可分为电控汽油喷射和机械汽油喷射两种，而根据喷油器数量和位置区分，则分为单点式和多点式。

原因三“供油不均”同样注定单点电喷技术只是一个过渡

相比之下，能够实现相对精确计量的电控燃油喷射系统则更有优势。早期出现的是一种相对简单的单点电喷系统，这种电喷系统仅在节气门处设有一个电控喷油器，油雾与空气形成混合气之后才分别进入每个进气歧管。由于从喷油器到汽缸之间的距离较长，相当一部分未汽化完全的汽油会附着在进气管壁面上，从而不能及时进入汽缸，而且也无法确保混合气在各缸之间的平均分配。

一汽大众曾少量组装的都市高尔夫、奇瑞最早生产的SQR7160轿车以及南汽曾推出的英格尔均采用了单点电喷系统，早期国产仿丰田4Y发动机也曾匹配过这种电喷系统。

 “顺序多点电喷技术”被当下绝大多数汽油发动机采用

为了改善各缸之间的供油平衡，上述单点电喷系统逐步被多点电喷系统所取代。多点电喷系统是将喷油器分别设置在各缸进气歧管或进气道处，从而实现各缸独立供油。最初诞生的多点电喷系统采用同时喷射策略，接到喷油指令后，无论对应的进气门处于开启或关闭状态，所有喷油器均同时喷油，这样就使得进入各缸的混合气混合程度并不均匀，容易出现某些汽缸碳氢化合物排放过高的情况。为了改善这一情形，后来又出现了两缸一组的分组喷射模式，而最终则是进化到根据点火顺序而决定各缸单独喷油时刻的顺序喷射方案。

尽管位于缸外的汽油喷射技术已经发展到相当成熟和先进的阶段，但其一些固有特性依然无法得到改变。对于进气道喷射方案而言，其喷射压力较低，仅有3~5bar，在此压力下喷射出的燃油颗粒直径约为150~300μm。相对于缸内直喷能达到的150~300μm的燃油颗粒而言，仅有极少部分可以在进入空气的短暂时间内蒸发，更多部分则是被直接喷射到进气道壁面和进气门背面形成液态油膜。这部分液态油膜则主要是通过燃烧室经缸盖传递来的高温以及气门叠开（发动机进、排气门同时开启的现象）时倒灌至进气道的废气带来的高温才得以汽化并与空气形成混合。

冷机启动时会有不少碳氢化合物拍出

这种油气混合模式在热机稳定工况下并无问题，但在车辆突然加速转速迅速攀升时（喷油量加大且燃油蒸发时间缩短）以及冷机启动状况下，则无法保证当前所需的油气混合气供应，此时只能以过量喷油的方式来临时性满足工况需求。这样导致的后果便是大量未经燃烧的碳氢化合物随尾气直接排出，不仅浪费了燃油，同时造成环境污染，特别是冷机启动时三元催化器尚未达到工作温度，因此排放问题更为突出。

缸内直喷技术的原理能解决电喷的诸多不足

汽油缸内直喷技术就可以规避上述问题的产生，汽油缸内直喷发动机的喷油压力普遍在100bar以上，甚至可高达200bar，喷射出的燃油颗粒直径明显缩减，仅为20μm或更小。这种微小油滴可在极短时间内得到迅速蒸发，因此大大加快了油气混合气的生成速率，冷启动排放问题得以改善，同时还避免了进气道喷射中那种依靠壁面油膜蒸发导致混合气浓度不能精确控制的状况，在车辆瞬态工况改变时可做出及时响应，即油门响应性更好。

缸内直喷技术需要一台额外的供油装置

缸内直喷需要高压油轨等一系列附件

汽油缸内直喷技术，就是将汽油像柴油那样直接注入汽缸，这是相对于前面所说电喷等缸外喷射而言的。相比缸外喷射系统，缸内直喷系统主要增加了一套高压供油装置，同时喷油器也因为要适应极高油压以及汽缸内恶劣工作环境而做出调整。汽油缸内直喷系统的供油过程为：汽油被低压油泵从油箱内抽出，经低压油管进入被凸轮轴驱动的高压油泵进行加压，加压之后的高压汽油经高压油管到达高压油轨，经过压力调整之后送入各缸喷油器，然后根据各缸工作需要从伸入燃烧室内部的喷油器末端喷出，而这整个过程的一切指令均由发动机电控管理单元发出。

缸内直喷进一步提升了发动机的效率

缸内直喷发动机热效率相对更高

众所周知，提高压缩比是提升汽油机热效率的有效途径，但限制这一途径的一个重要原因就是爆震。爆震是指在压缩行程中，燃烧室温度升高导致火花塞尚未点火混合气就已自燃，燃烧火焰异常传播致使发动机出现功率下降、油耗上升以及异常抖动等不良工况的现象。

对于高压缩比汽油机而言，压缩行程末端温度更高，更容易促使爆震现象的产生，而汽油缸内直喷技术恰好可以有效解决这一问题。这是因为注入汽缸的液态汽油汽化蒸发的过程可以大量吸热，使得压缩行程结束时的混合气温度显著降低，所以压缩比将有进一步提升的潜力。