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一、什么是混合噴射技術？

什么是進氣道噴射？缸內直噴之前發動機的燃油是先噴到進氣管內，然后在進氣管內與空氣混合成為燃油混合氣，最后再進入氣缸內參與燃燒。

什么是缸內直噴？就是將噴油器由進氣管道里移到了發動機缸內，直接在缸內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，從而提升發動機的燃燒熱效率。

什么是混合噴射技術？采用缸內直噴技術后，燃油經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直噴結合起來組成了混合噴射。其結構如下。

混合噴射系統的結構示意圖

二、缸內直噴詳解

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噴射模式的優缺點開始。在國家排放和油耗法規的要求下，傳統的進氣道噴射存在燃燒效率低，經濟 性差等特點，Cartech8就不詳細介紹進氣道噴射發動機了，大家對這應該比較熟悉。我們重點介紹缸內直噴的工作控制過程，從中找出缸內直噴的優點，以 及缺點。然后分析兩者為什么要結合到一起。下圖是缸內直噴的結構及工作原理圖。

缸 內直噴就是將燃油噴嘴安裝于氣缸內，直接將燃油噴入氣缸內與進氣混合。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，噴入缸內的燃油吸收缸內熱量，降低發動 機發生爆燃敲缸的傾向，可以進一步增加發動機壓縮比。通常缸內直噴發動機配備渦輪增壓，這些措施解決了進氣道噴射發動機系統的主要缺點，即發動機在部分負 荷運行中的泵氣損失大（發動機大部分在城市道路中工作于部分負荷工況），燃油經濟性差。通常缸內直噴發動機工作于三種工作模式：分層充氣模式、均質充氣模 式、均質稀薄充氣模式。三者的工作區域如下圖。

缸內直噴三種模式的工作區域

分層充氣模式：

小負載、中小轉速區域內，發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動機的經濟性，因為在轉速較低、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。現在一些發動機為了改善燃燒，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氣門損耗，節氣門將盡可能地開大。節氣門不能完全開啟，因為碳罐和廢氣再循環系統需要一定的真空度。噴油過程發生在壓縮 沖程的大約最后三分之一時。在此模式中，發動機產生的扭矩僅由被噴入的燃油量確定，進氣空氣質量和點火提前角產生的影響很小。通過燃燒室中的混合分層，發 動機過量空氣系數（lambda）約1.6 至3 的范圍內運行。

進入該模式條件：如果滿足這些條件，發動機就能切換至分層充氣模式。

- 發動機在相應的負載和轉速區域中，

- 系統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換器的溫度在 250 °C 至500 °C 之間。

均質充氣模式

如 上圖，發動機工作于高轉速區域，或者低轉速大負荷區域，其工作模式和原來的進氣道模式基本上一樣，主要差別是，汽油直接噴射發動機中的燃油是被直接噴入氣 缸的。該模式，節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》）。發動機的 扭矩是由點火點(短期)和進氣控制質量(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。在均質充氣模式中，點火點是影 響發動機的扭矩，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。燃油蒸發需要的能量被從燃燒室內部的空氣中吸收，從而使得空氣得到冷卻。結果，與帶進氣歧管噴射發動機的壓縮率相比，壓縮率得到更大的提高。

均質稀薄充氣模式

這 種模式是在分層充氣模式和均質充氣模式之間的過渡區域。在這種模式中，短期的扭矩需求是通過點火角來實現的，長期需求則通過空氣質量實現的。這些稀薄的混 合物被均質地(均勻地)分布在燃燒室中。空氣/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混合物的分布。

三種工作模式中節氣門的開度

缸內直噴的優勢：

1.節氣門開度較進氣道噴射發動機開度增加，泵氣損失減少。發動機自身損失減少。

2.發動機稀薄燃燒提高燃油經濟性。

3.壓縮比增加，發動機熱效率提高。與同排量的一般發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，真正實現了精準地按比例控制噴油并與進氣混合。

5. 進氣口噴射發動機，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，在發動機起動時，會在進氣門附近形成瞬時的液態油膜，這 些燃油會在每次進氣過程逐漸蒸發進入氣缸燃燒。冷機起動時由于燃油蒸發困難，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動機有4 個～10個循環的不穩定燃燒，顯著加大發動機未燃HC排放。而缸內直噴可以克服這個問題。

6.缸內直噴發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。

缸內直噴的不足：

1. 增加壓縮比，提高燃燒效率，前面已經提到，由于汽油直接噴油燃燒室內，汽油蒸發吸收大量熱，發動機總體燃燒爆震的趨向降低，因此可以增加發動機壓縮比以提 高效率。提高壓縮比后，在低轉速大負荷區，仍舊采用的是傳統燃燒模式（均質燃燒），在這個區域本身就是一個易發生爆震的區域，而加大壓縮比后更容易出現爆 震，有時甚至會出現超級爆震，也就是用傳統的方法無法消除。

2.測試證明，起動過程和起動后階段所排放的有害物質能夠達到排放物總量的90%（法規循環工況）。采用“分層燃燒起動”和“兩次噴射加熱”相結合的方法去改善。

3.在低負荷、過渡工況和冷起動的情況下，缸內直噴發動機的微粒排放比進氣道噴射發動機有明顯增加。

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向稀區的熄滅，稀空燃比工作條件造成缸內溫度偏低，也不利于未燃碳氫隨后的繼續氧化。

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.氣缸內的燃燒沉積物較多造成火花塞污染。

7. 發動機積碳，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。