缸内直喷技术中的均质燃烧和分层燃烧技术分析对比

缸内直喷技术中的均质燃烧和分层燃烧

技术分析对比

王三大刘灵

（一汽海马汽车股份有限公司技术中心）

摘要：本文介绍了缸内直喷技术的发展现状，对比分析了均质燃烧和分层燃烧技术的供油结构

组成、工作原理、性能对比，并根据其应用情况、发展趋势、成本等对比提出了展望。

关键词：缸内直喷均质燃烧分层燃烧

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１前言

技术水平的限制，开发的发动机性能并不理在能源逐渐稀缺的今天，谁能让这个被想，长期以来进展缓慢，也没有得到实际的应

人们称为汽车“心脏”的发动机在减少能耗用。

的同时又能发挥更强大的动力，谁就能赢得直至ｌＪ９０年代，随着电子控制技术的发展及未来更大的市场。经研究，在ＮＥＤＣ工况下，其在汽车上的应用逐步推广，这一技术又重新燃料能量中发动机损耗的能量达６２％以上，而得到了关注。１９９６年以后，日本三菱公司、丰用于发动机输出做功的能量不足３８％［１１，为田公司和日产公司相继推出了空燃比可达此，各大汽车生产厂家不断开发出了许多发（４０一５０）：１的缸内直喷式汽油机，在保持良好动机新技术，以提高发动机的燃烧效率，在的低排放特性的同时，燃油消耗较传统汽油机保证动力的情况下，减少油耗。其中汽油机降低了２０％一３０％，其技术也引起了业内各大厂缸内直喷技术（以下简称ＧＤＩ）是当今公认的汽家对汽油机缸内直喷燃烧技术的广泛关注”１。

油机节油潜力较大的先进技术，其技术是汽目前，在国外，大众、三菱、丰田、福油机在燃烧理论和具体结构方面划时代的变特、通用、奔驰、ＡＶＬ、ＦＥＶ等许多国外汽车革，其也实现了“低油耗、低污染、高功公司和研究机构都开发出了比较成熟的ＧＤＩ机率”的设想。

型和产品；在国内，一汽集团、华晨、奇瑞、２缸内直喷技术发展现状

长安、长城和吉利等汽车企业也正在开发理论汽油机缸内直喷技术是基于柴油机的燃空燃比混合气或多种燃烧模式相结合的ＧＤＩ发油喷射技术，于２０世纪３０年代开始研制开发动机。据了解，奇瑞的增压缸内直喷发动机已的，但受当时的内燃机技术水平和自动控制

进入最后阶段的测试、长城的缸内直喷发动机

３３２

也已经点火成功。

采用缸内直喷的供油系统除了在研发过程开发费用较大，其要求部件构成复杂且精密，零组件的成本也会比传统供油系统高。另外，缸内直喷技术的主要系统部件的研发和制造技术都控制在博世（Ｂｏｓｃｈ）、大陆（Ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ）、＋马瑞利（ｍａｒｅＵｉ）和德尔福（Ｄｅｌｐｈｉ）等几家公司手里，属于垄断技术。因此，未来缸内直喷发动机还需克服很多因素。但随着汽车保有量和排放污染物的剧增、社会环保法规要求的提升、电子控制技术的快速发展，ＧＤＩ必将取代进气道喷射（ＰＦＩ）式汽油机伫１，成为未来发展趋势。

３缸内直喷供油系统结构组成

缸内直喷供油系统的主要部件是：高压油泵、共轨油管、燃油压力传感器、压力控制阀、高压喷油嘴和ＥＣＵ等。

博世公司的直喷系统，其主要零部件有最新的ＭｏｔｒｏｎｉｃＭＥＤｌ７的ＥＣＵ，其还整合了起动／停止功能、可达２００ｂａｒ的高压喷油嘴、高压油轨、电动燃油泵、笔式点火线圈、ＥＴＣ等部件组成。配置如图ｌ所示。

图２缸内直喷供油系统油路图

３．１直喷分层燃烧技术结构组成

分层稀薄混合气要有良好的喷雾质量和灵活的喷油定时。采用精度高，响应快的柔性电控手段，高压共轨喷射系统加电磁驱动喷油器是达到分层稀薄混合气要求的喷射系统之一口１，该系统由电动低压输油泵、燃油压力传感器、喷油压力控制阀、高压油泵、蓄压燃油轨、喷油器等组成。

其通过电动低压输油泵将燃油从油箱输送到高压油泵，再通过发动机凸轮轴驱动，将低压油泵送来的压力约为０．３５～０．４ＭＰａ的燃油增压到１０～２０ＭＰａｔ射，并送往共轨油管，再充满各个喷油器的油腔。当ＥＣＵ令喷油器的电磁阀通电后，喷油器的针阀开启，此时，汽油就通过喷油嘴进入缸内，使油气混合。

在发动机低速时，燃油容易聚集，其可通过采取应用较低的喷油压力，延长喷油时间，防止燃油的聚集；在高速时，燃油会容易过度分散，此时，可通过控制系统提高喷油压力，缩短喷油时间，抑制燃油的过度分散。这样也大大降低的燃油的不必要的损失，即大大提高了燃油经济性。

３．２直喷均质燃烧技术结构组成

据悉，大陆公司目前在中国主推均质直喷系统，其主要零部件有３２位的ＥＣＵ、４０ｂａｒ到２００ｂａｒ的喷油器、高至２００ｂａｒ的高压油泵、油轨总成装配部件等，典型配置图３所示。

其均质燃烧直喷系统是由ＥＣＵ通过空气流量传感器发回信号，根据吸入空气量精确控制的燃油喷注量，最后再通过喷油器及高压油泵使得燃油与空气同步注入气缸并充分雾化混合的。

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图１博世公司直喷系统配置图

ＧＤＩ发动机依靠精度较高的高压喷油嘴，其有利于缸内气流运动控制混合气浓度随时间和空间的变化，并且可以根据运转区域切换燃烧模式。

分布着适于着火的浓混合气，而在燃烧室的其

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他部分则是较稀的混合气，形成浓、稀区域之间混合气自然分层，从而实现稀薄燃烧。其通ｉ翻张蛆鞠Ｉ

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过电子控制系统，精确调节循环供油量，实现ｌ

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技术，实现良好的燃油经济性和排放性能。

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分层燃烧直喷汽油机是汽油机在中、小负图３大陆公司均质直喷系统配置图

荷时采用分层燃烧模式，而在全负荷时采用均德尔福公司的均质直喷系统，其主要零匀混合燃烧模式。

部件有ＭＴ９２／ＭＴ９Ｘ的ＥＣＵ、高压喷油器、高在低负荷时，油门处于半开状态，燃油系压油轨、高压燃油泵、压力传感器、高能量统在发动机压缩冲程时喷注燃油，通过特别的点火线圈、ＥＴＣ、前后氧传感器等部件组成。活塞顶设计，使吸入的空气和喷入的燃油形成配置如图４所示。

滚流，造成在火花塞周围形成达到理论空燃比的足以燃烧的空燃混合气，来引燃整个燃烧室内的混合气，而在燃烧室的其它区域则为高空铲警

燃比混合气，形成稀薄燃烧。

在中、小负荷时，通常采用压缩冲程中喷油实现分层燃烧的控制模式，即在压缩冲程后期向缸内喷油，并通过活塞顶部形状和气流运动来限制其扩散，使喷射到气缸内的燃油所形４豳・呵驴ｉ

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成的可燃混合气集中在火花塞周围，‘而在火花埘

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塞外周部的极稀薄混合气与层状空气则形成了●●纛

分层混合气，使燃烧在整体空燃比达到（３０—图４德尔福公司均质直喷系统配置图

４０）：ｌ的超稀薄混合气下进行，此时还有足够的过量空气可供在短时间内燃尽燃烧生成的黑４直喷技术工作原理

。

烟。由于此时ＧＤＩ不用节气门来节流，因而也目前．缸内直喷发动机的燃烧方式主要减少了发动机的泵气损失。另外，过量的空气有两种：一种是分层燃烧的方式；另一种是均还会吸收气缸壁上的热量，降低了热损失，从质燃烧的方式。

而大幅度改善燃油耗。

缸内直喷技术，是指将喷油嘴安置在进在高负荷时，发动机会被要求输出大扭矩排气门之间，将高压燃油直接注入燃烧室平和高功率，此时将采取理论当量的混合气或浓顺高效地燃烧，其通过均匀燃烧和分层燃烧｝昆合气。即发动机将选择在进气冲程时喷油，的方式实现了在保证动力的情况下达到降低此时也就要通过均质燃烧的控制模式才能满足燃油消耗率的一种技术，尤其是低负荷下的大扭矩、高功率的要求。即在进气冲程早期向燃油消耗降低，同时使得爆震倾向也大大降气缸内喷射燃油，使其在整个燃烧室内均匀扩低、动力得到很大提升的一种技术。但开发散，在点火时刻形成预混燃烧的均质混合气。成本过高、排放物中ＰＭ及ＰＮ值过高、油品质此时由于燃油汽化吸收了汽化潜热，使得缸内量要求较高会成为其开发应用的主要阻力。

充量得到了冷却，增大了空气密度，在提高体４．１直喷分层燃烧技术

积效率（即增大进气量）的同时还减少了爆震的分层燃烧是指在着火时刻，火花塞周围

倾向，使发动机压缩比的上升，提高了热效

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率，发动机以接近理论空燃比１４．７：１或稍浓的空燃比混合气进行均质燃烧，达到实现高功率输出和燃油低消耗的要求。

４．２直喷均质燃烧技术

均质燃烧直喷汽油机是汽油机在所有工况下都采用均匀混合模式。在全负荷时，根据吸入空气量精确控制的燃油喷注量，燃油与空气同步注入气缸并充分雾化混合，使符合理论空燃比的混合气均匀地充满燃烧室，即形成均质燃烧，充分的燃烧使发动机动力得到满足。

尽管均质燃烧模式的ＧＤＩ发动机的节油效果不如分层稀燃模式的ＧＤＩ发动机，但其易于与其它先进技术结合应用，其会获得更好的节油效果，因而其也成为了目前国际上ＧＤＩ发动机的发展主流。

５性能对比

于均质燃烧技术，但是均质燃烧技术可以通过与其他新技术的匹配来弥补这一劣势，例如

ＴＣ、ｖｖ州ｖＬ等。而且还可以最大限度地实现

减速断油，并能应用直接起停技术，取消怠速，实现进一步节油。

６）系统的灵活性和复杂性

控制系统比分层稀燃简化，增加了系统优

化的灵活性；

７）与其他技术的匹配

易于实现其他技术的匹配，如与增压技术、取消发动机怠速、直接起停技术、无级变速器（ＣＶＴ）和ＶｖＴ等技术的结合；

８）排放

缸内直喷发动机的排放后处理问题较大主要是ＮＯｘ、ＰＭ与ＰＮ值的控制。这也是分层燃烧模式应用的主要阻力。而ＧＤＩ发动机采用均质燃烧模式时，它可以使用目前在ＰＦＩ发动机上广泛应用的三效催化器（ＴＷＣ）来满足严格排放法规的要求，从而避免了使用技术尚未成熟、对汽油硫含量要求较高的稀燃ＮＯｘ催化转化器来满足法规对ＮＯｘ的排放要求。另外，在均质燃烧模式中，ＰＭ与ＰＮ值控制，可采用二次喷射的控制策略（一次喷射发生在进气行程，另一次喷射发生在压缩行程），可有效的改善冷启动、催化器快速起燃、爆震控制、降低发动机直排烟度，有效的降低了ＰＭ与ＰＮ值的排放。另一种方式是采取增加喷射压力，即高压喷射，增加喷射压力，减少喷孔直径，使得喷雾直径减小，增大混合界面，使混合气的形成时间缩短，且让浓度分布更加均匀。高压喷射可以形成高温、高速以及混合能量大的燃烧过程，从而改善颗粒物的排放。但是由于高压喷射的温度过高，会造出ＮＯｘ的增加，在应用高压喷射时，应增加三效催化器（ＴＷＣ）与之匹配，从而满足更高的排放要求。与分层稀燃ＧＤＩ发动机相比具有更低的排放，并能够降低瞬态工况的排放。因此，均质燃烧模式的ＧＤＩ发动机具有达到未来超低排放法规的潜力，是ＧＤＩ发动机的一个重要发展方向。

３３５

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采用均质燃烧方式与分层稀燃ＧＤＩ发动机相比，均质混合燃烧发动机具有较多优点一１：

１）发动机起动过程

具有更快速的起动，较少的起动加浓和降低起动ＨＣ排放的潜力；

２）瞬变工况

能够提高瞬态响应，减少突然加速造成

混合气过浓，还能够最大限度地实现减速断油，实现更精确的空燃比控制；

３）燃烧过程

不需要分层充气和均质充气的模式转

换；缸内燃油蒸发冷却充气，压缩行程可以减少热损失，有利于提高燃烧稳定性和ＥＧＲ率，并能够提高压缩比。另外，若改为稀燃均质充气模式工作时不需要对控制系统做出修改；

４）动力性能

可以提高５％左右的的容积效率，即可

能够提高７％左右峰值扭矩和功率，那样就可以在保持发动机扭矩和功率不变的前提下减小发动机的尺寸；

５）经济性能

虽然分层燃烧技术的燃油经济性大大优

６目前两种直喷技术应用情况及技术发还无法满足其正常的长期使用；ＮＯｘ排放后处展趋势分析

理比较困难，使ＥＣＵ的控制十分复杂，然而造目前各大公司都拥有自己的直喷技术，成热效率的提高也受到了很大的限制。另外，但基于燃烧模式的不一样，各公司的直喷技该燃烧系统混合气的平均空燃比远大于当量空术叫法也不一样。如三菱的ＧＤＩ技术、大众的燃比，导致三元催化器无法有效净化发动机尾ＴＳＩ系统、奥迪的ＦＳＩ、奔驰的ＣＤＩ系统、菲亚气中的ＮＯｘ，只能采用ＮＯｘ吸附器。加上我国特的Ｊ，１１Ｓ系统等。另外，近年来，国内已有企的炼油水平也比较低，汽油中硫含量偏高，短业在直喷汽油机上作出了一定的研究工作，时间内是无法进行全面改造。使用ＮＯｘ吸附器也取得了一定的成果。例如吉利成功研发的将会产生硫中毒而失效。因此，可以肯定地说ＪＬＹ一４Ｇ１３Ｔ发动机、奇瑞的２．０ＴＧＤＩ的涡轮增在未来几年年内我国是不会大规模发展分层燃压直喷发动机等。但由于国内起步较晚，与烧汽油机。

世界先进水平还有较大的差距，仍需要大力６．２均质燃烧直喷技术应用情况

推进产学研的联合开发瞪１。

随着欧六的即将实现，严格的排放要求将缸内直喷技术在ＶＡＧ集团中被广泛运使越来越多的主机厂在缸内直喷发动机上应用用，哇ｔＡｕｄｉＲＳ４和Ｒ８共享的４．２升ＦＳＩ发动机即均质燃烧模式。在欧洲，由于法规要求的更加是其中性能强悍的代表作。其中大众集团可严格，欧６排放法规将对ＰＭ、ＰＮ值得要求，现以算是导人缸内直喷科技最具代表性的例在大量的主机厂的缸内直喷技术的燃烧方式也子，目前包含Ａｕｄｉ和Ｖｗ都已将名为ＦＳＩ（奥迪开始采用均质燃烧模式，包括大众ＴＳＩ、奥迪的品牌）或ＴＳＩ（大众、斯柯达品牌）的缸内直ＦＳＩ以及奔驰的ＣＧＩ缸内直喷发动机。例如奥迪喷发动机列为旗下车款的高阶动力来源，而现在在全球发布ｆｌＣＪＦＳＩ发动机都采用均质燃烧模且在Ａｕｄｉ和Ｖｗ车系的顶级车上，甚至更以式；在美国，福特公司的ＥｃｏＢｏｏｓｔ系列的缸内ＦＳＩ结合上涡轮增压以增大动力。现在大众系直喷技术均采用均质燃烧技术；在日本，丰列也有许多平台应用１．４ＴＳＩ的动力，并且还获田、日产、马自达这些整车厂的缸内直喷技术得市场的好评。

目前还是应用燃烧效率较高的分层燃烧模式，６．１分层燃烧直喷技术应用情况

但随着排放法规的要求，新技术与缸内直喷技分层燃烧直喷点燃式汽油机产品于２０世术结合应用：丰田、日产、马自达等１３本整车纪９０年代中期问世，发展至今其燃烧系统主厂已开始倾向均质燃烧模式的应用。

要有３种类型：壁面引导型、气流引导型和喷在国内，由于受到油品的制约，合资品牌一雾引导型。其中前两种由于技术问题已经被汽大众、上海大众、长安福特引进的缸内直喷喷雾引导型分层燃烧系统所逐渐取代。目技术中的燃烧模式也均采用了均质燃烧模式。

前，应用喷雾引导型分层燃烧系统比较成功目前，均质直喷汽油机按照喷射系统的布的汽油机产品有Ｍｅｒｃｅｄｅｓ公司推出的排量为置方法可以分为两种：一种是侧向喷射；另一种３．５Ｌ的ＣＧＩ型Ｖ６汽油机和ＢＭＷ公司推出的排是中心喷射。据了解，采用侧向喷射方式的公量３．０Ｌ的ＮＧ６型１６汽油机等。

司是想利用以前开发壁面引导型分层燃烧直喷分层燃烧汽油机产品在１３本和西欧等国汽油机过程中积累下的经验；而采用中心喷射取得了很好的销量，目前在日本、欧洲的缸方式的公司则考虑到将来燃油质量提高以后的

内直喷发动机中，大多还是应用分层燃烧模技术升级问题。

式，但是在我国的发展却遇到了很大的困均质直喷汽油机可以灵活地控制喷油量和难。该类产品目前的主要存在的问题是：其喷油时刻，在发动机运行工况改变时具有很好对油品质量要求比较高，目前国内油品质量

的瞬态响应性。另外，在发动机冷起动时，均

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质直喷汽油机仍然可以保持良好的燃油雾化目前，开发直喷均质燃烧技术优于直喷分和缸内油气混合效果，相对于ＰＦＩ发动机会大层燃烧技术。虽然分层燃烧技术燃油经济性大幅度降低冷起动和暖机过程的污染物排放，大优于均质燃烧技术，但是均质燃烧技术相对有助于满足未来更严格的排放法规。

于分层燃烧技术，其策略易于控制、排放容易由于均质直喷汽油机对油品质量要求不处理也易于与其他技术相匹配。另外，基于我是很高，比较适合我国的具体国情，又有着国目前油品质量问题上，直喷均质燃烧技术比良好的性价比，因此将来在我国拥有广阔的较适合于我国的具体国情。

发展空间。在未来的５—１０年内，均质直喷汽建议在开发直喷技术上，应选择开展均质油机将会在我国各大整车厂得到应用，其也燃烧直喷汽油机以及均质燃烧直喷技术与相关会逐渐替换掉目前国内占据主导地位的ＰＦＩ发

新技术相结合的汽油机，并且采取中间喷射的动机。

方式，以便将来燃油质量提高后的技术升级。目前，国内的许多汽车公司都在联合国均质燃烧直喷汽油机的控制策略、排放后处理内外的研究机构、高校积极地对该类汽油机方面都优于分层燃烧的直喷发动机，而且在开的研制、开发。

发成本和开发周期有比较有优势。虽然直喷均另外，均质直喷汽油机与其它技术的配质燃烧的燃油消耗率只有减少８％，但在排放上合也值得关注，均质直喷与断缸技术的结合基本可以满足欧六排放标准，并且直喷均质燃可以有效地减少多缸汽油机在中、小负荷的烧技术易于与其他先进技术匹配。例如与ＴＣ技燃油消耗；均质直喷与ＶＶＴ技术的结合可以术的匹配，ＴＣ技术＋均质燃烧技术，其燃油消有效地优化发动机的性能；均质直喷与增压耗率的减少可以达到１５％以上，这样燃油消耗技术的结合，可以进一步降低进气损失，提率就大大超过了直喷分层燃烧。另外，均质直高发动机效率，弥补相互的不足，有望成为喷与ＴＣ结合还均能提升低速扭矩和改善涡轮迟综合效益最高的技术路线。

滞现象。

７成本分析

另外，不是说分层燃烧在国内不可实现，缸内直喷发动机除了在研发过程花费成而只是说分层燃烧实施的成本或时机还不成本较大以外，由于要求部件构成复杂且精熟。现在在国内通用公司的缸内直喷技术密，要求较高，因此其比传统发动机的零组（ＳＩＤＩ），其通过对发动机内植入智能控制模件的价格也会比较昂贵贵，从而造成发动机块，可根据行车状况由电脑自动控制燃烧模的成本过高，导致整车成本过高。这也是未式，同时实现分层燃烧和均质燃烧。

来缸内直喷发动机需克服的诸多因素之一。

目前应该在开发均质燃烧模式或者均质燃据了解，某欧洲设计公司的均质直喷系烧模式与相关新技术相结合直喷汽油机的同统的发动机开发系统费用需要７０００万元左时，对通用ＳＩＤＩ技术的对标研究，尽早实现自右，电喷系统开发及标定费用为２０００万元，动控制燃烧模式，同时实现分层燃烧和均质燃包括一款车＋一款发动机＋两款变速器。供油烧技术。

系统零部件，ＧＤＩ发动机的电喷系统价格比９小结

ＭＰＩ发动机的电喷系统的高２０００：元左右即每台我国汽车工业的发展环境对将来的车用汽缸内直喷发动机成本则增力１２０００元。

油机产品提出了迫切和十分严格的发展需求。据悉，奇瑞汽车公司与奥地利ＡＶＬ从司找到适合于我国国情的车用汽油机主力产品是共同开发了一款２．０ＴＧＤＩ发动机，开发周期为解决当前问题的关键，同时也具有重要的战略４年，开发费用大约为４０００万ＲＭＢ；

意义。均质直喷汽油机具有很高的性价比，而８直喷技术发展建议

且非常符合我国的具体国情。因此，在未来的

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１０年内，以均质直喷技术为主体的汽油机产品将成为我国车用汽油机市场的主流产品。ｔ

据国外权威机构预计，到２０２０年，我国市场的“ＴＣ＋均质直喷”配置的发动机占有率将达到２ｌ％；将成为节能技术的主流。

随着喷射技术和排气后处理技术的不断进步，直喷汽油机发动机在排放和其他方面的性能将会得到进一步的改善。均质直喷汽油机与其它技术的配合也值得关注。均质直喷与断缸技术的结合可以有效地减少多缸汽油机在中、小负荷的燃油消耗；均质直喷与ＶⅥｙｖＶＬ技术的结合可以有效地优化发动机的性能；均质直喷与增压技术的结合，可以进一步降低进气损失，提高发动机效率，弥补相互的不足，有望成为综合效益最高的技术路线。相信将

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占领车用发动机更多的市场份额。

排放稀薄燃烧实验研究：【学位论文】天津：

天津大学，１９９９

铸铁缸体缸孔珩磨工艺及检测技术探究

司圣春

（一汽海马动力有限公司海口５７０２１６）

摘要：缸孔作为发动机活塞运动的场所，其加工质量对减小运动副摩擦力、降低机油消耗都有重大意义，因此对缸孔的珩磨工艺提出极高要求。本文就缸孔珩磨工艺、缸孔质量检测技术、缸孔加工质量影响因素等方面进行了分析研究。

关键词：平台珩粗糙度参数评价长度双进给机构１珩磨工艺的优点及简介

珩磨可在缸孔或缸套表面形成一种特殊结构，该结构由具有储油功能的深槽及深槽之间的微小支承平台表面组成。该结构可有效提高缸孔表面耐磨性、油膜储存性，降低机油消耗，缩短发动机磨合时间。

珩磨还可以提高缸孔的直径尺寸精度、

３３８

缸孔形状精度等。

为形成该特殊结构，缸孔一般需经过粗珩、精珩、平台珩三个阶段。粗珩为预珩阶段，主要是要形成几何形状正确的圆柱形孔和适合后续加工的基本表面粗糙度。精珩为基础平台珩磨阶段，主要是形成均匀的交叉网纹。平台珩为平台珩磨阶段，主要形成所需的平台