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缸内直喷发动机能否成为发展主流？

http://cn.newmaker.com 6/5/2009 10:22:00 AM 佳工机电网

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展厅 1	发动机展厅汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ...

日前有报道指即将在7月份前后正式上市的上海通用别克新君越，将搭载已经在新君威车型上使用的ECO2.4发动机和别克首款直喷发动机3.0V6SIDI。如报道属实的话那么新君越将会成为继大众和奥迪旗下产品后又一款将燃油缸内直接喷射（Fuel Direct Injection）带给国内消费者的车型。而放眼海外，有意于挖掘缸内直喷技术潜力的厂家也不在少数，法拉利、保时捷、奔驰、凯迪拉克、三菱、丰田、本田等一众大牌明星都有着其各异的技术成品。到底为什么这些厂家都愿意在这项技术上投入大量的研发资源呢？为什么越来越多的缸内直喷发动机出现在我们身边呢？下面我们一起作简单探讨。

无论是上世纪随处可见的化油器发动机也好，还是现今广泛采用的电喷发动机也好，汽油发动机的燃料供给方式一直都是采用“缸外混合”的方式。也就是汽油先通过化油器（已被淘汰）或者喷油嘴喷出，在进气歧管内与新鲜的空气混合而成为“混合气”。在发动机气缸进气门还没有打开之前，这些混合气都储存在进气歧管内，直到气门打开后混合气才能够因为燃烧室的负压而进入到燃烧室内，然后在活塞压缩行程的末端通过火花塞点燃剧烈燃烧。即使是现今极为普遍的电控燃油喷射系统，其先进之处也只在于由电脑控制喷油嘴喷油的时机和数量，还是没有改变“缸外混合”的基础。

“缸外混合”的缺点是显而易见的，进入燃烧室的混合气只能够通过气门的开闭来被动控制，对发动机不同工况的适应程度未如理想。而且喷油嘴离燃烧室有一定的距离，汽油与空气的混合情况受进气气流的影响较大，并且微小的油颗粒会吸附在管道壁上，不能充分使用。为此，各种增压技术和可变气门技术的诞生，都是为了更加灵活地控制混合气进入气缸的情况，以及提升混合气的燃烧效率。

但随着我们对发动机动力性能和环保性能的要求越来越高，增压技术和可变气门技术显得有点力不从心了。混合气的增压压力可以继续提升，但对于动力平顺性以及机械可靠性是极大的挑战；气门的数量不可能无限制地增加，而且气门正时和气门升程的调节有其不可克服的物理限制。这时候聪明的工程师们开始想，为什么不可以像柴油机那样把喷油的步骤安排在气缸里面呢？而实际上，现今的机械制造技术已经可以允许他们这样去做了，就在这样的背景下，燃油缸内直喷技术成为了可能。

缸内直喷有何独特之处？

先进的直喷式汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技术，通过一个活塞泵提供所需的100bar以上的压力，将汽油提供给位于汽缸内的电磁喷射器。然后通过电脑控制喷射器将燃料在最恰当的时间直接注入燃烧室，其控制的精确度接近毫秒，其关键是考虑喷射器的安装，必须在汽缸上部留给其一定的空间。既然可以由电脑来自由控制喷油的动作从而影响燃烧室内混合气的状态，那当然要根据发动机的工况采取有针对性的喷油方式。例如我们相当熟识且已经颇为成熟的奥迪（大众）FSI技术便采用了两种不同的注油模式，即分层注油和均匀注油模式。

发动机低速或中速运转时采用分层注油模式。此时节气门为半开状态，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，而FSI使其与理想状态非常接近。当节气门完全开启，发动机高速运转时，大量空气高速进入汽缸形成较强涡流并与汽油均匀混合。从而促进燃油充分燃烧，提高发动机的动力输出。电脑不断的根据发动机的工作状况改变注油模式，始终保持最适宜的供油方式。燃油的充分利用不仅提高了燃油的利用效率和发动机的输出而且改善了排放。

直喷发动机受到哪些制约？

一切都非常理想，但真正实施起来却困难重重。缸内直喷首先需要解决的是喷油嘴的安放问题，由于气缸顶部已经布置了火花塞和多个气门，已经相当紧凑，所以要将喷油嘴布置在靠近进气门侧。由于喷油嘴的加入导致了对气缸顶设计和制造的要求都相当的高，如果布置不合理、制造精度达不到要求导致刚度不足甚至漏气只能得不偿失。

同时由于油、气的混合空间、时间都相当短暂，故缸内直喷系统的喷油嘴必须辅以高增压系统，以大幅提高燃油的喷射压力与效率，并达到高度雾化的效果，期有更佳的混合表现。此外，缸内直喷系统的燃烧室、活塞也大多具有特殊的导流槽，以供油气在进入燃烧室后能够产生气旋涡流，以提高混合油气的雾化效果与燃烧效率。

以上的问题都可以由汽车厂家的工程师们想办法来解决，但有一个更大的制约就连厂家也无能为力，那就是汽油品质的问题了。由于采用了缸内直喷技术，汽油与空气混合的时间以及外界条件都大有本同，而且为了提高混合气的燃烧效率，直喷发动机的压缩比通常都比较高，因此直喷发动机对于汽油品质的要求非常高。而且不单止是对燃油标号的要求，更加重要的是其他各项例如化学特性和燃烧特性的指标。例如国内奥迪（大众）车型的FSI缸内直喷发动机，就是因为油品的问题而不得不忍痛屏蔽分层稀薄燃烧的重要功能，实在可惜。不过有意思的是国内凯迪拉克车型的SIDI双模直喷发动机，分层燃烧和均匀燃烧两大功能都有配备，甚至能够使用93号汽油。现在有哪些成熟的直喷技术？

就像增压技术和可变气门技术一样，虽然各个厂家都为自己的产品用上不同的名号，但实际原理上是大同小异的。要数最为成熟最受认知的缸内直喷技术，非大众和奥迪旗下的FSI技术莫属。其他厂家当然不甘示弱，凯迪拉克的SIDI双模直喷发动机、奔驰的CGI直喷发动机、三菱GDI直喷技术、丰田GR发动机系列系列里面的直喷机型、马自达的DISI直喷系统等等。由于篇幅所限，这些直喷技术之间的差异只能在日后再作讨论。

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