車用缸內直噴汽油機應用前景展望

伍賽特

(上海汽車集團股份有限公司，上海 200438)

0 引言

由于具有油耗低、轉矩大和功率高的優點，直噴式柴油機只用了約15年就幾乎完全取代了間接噴射式柴油機的技術地位。而目前，汽油機也發生了與此相同的變化。雖然幾乎一個世紀以來，為了提高汽油機功率，始終在進行汽油缸內直接噴射技術的試驗研究[1]，但是只是在最近15年來，從三菱公司在歐洲推出缸內直噴汽油機開始，才首次提供了可實際應用的汽油缸內直接噴射技術，車用直噴式汽油機才得以成功進入市場。

1 車用缸內直噴汽油機及相關研究方向

與直噴式柴油機相比，缸內直噴汽油機需解決的難題要復雜得多，因此它要占領汽油機市場需花費明顯較長的時間，但是缸內直噴式汽油機在功率和轉矩方面所能取得的效益，及其在降低油耗和有害物排放方面所存在的巨大潛力，使汽油機缸內直接噴射成為車用內燃機未來發展的必由之路。目前主要有3種具有不同效果的缸內直噴技術研究方向：(1)均質混合直接噴射；(2)分層混合直接噴射；(3)均質充量壓縮著火/壓燃直接噴射。

1.1 均質混合直接噴射

開發均質混合直接噴射較為簡單，由于在內燃機上通常會采用相應的廢氣后處理系統，無須使用特別的燃料，因而該類方法適用于全球范圍。其開發重點在于優化功率、轉矩和動態性能。因受早期在賽車上所取得的技術成果的影響，該方案適用于對動力性要求較高的運動型汽車。

1.2 分層混合直接噴射

繼續開發分層混合直接噴射主要是為了降低燃油耗和CO2排放。除了三菱公司的壁面導向方案之外，歐洲方面采用的空氣導向型燃燒技術也已用于批量生產。然而，該燃燒過程所期望實現的燃油耗優勢，因受到相關機制的限制，在較高的負荷和轉速范圍內尚未得以實現。

由于在超化學計量比的工況運行范圍內進行廢氣后處理的費用會有所增加，另外必須采用無硫燃油也會使運行成本隨之提升，因而該技術方案目前尚無法在全球得以廣泛應用。

鑒于上述原因，汽油機噴束導向型燃燒技術又逐漸成為該領域的關注焦點。雖然該類燃燒過程對混合氣形成的要求更為嚴苛，但是由于其實際期望的節油潛力最高，可達20%，甚至

堪比柴油機從間接噴射方式轉換到直接噴射方式時所達到的油耗的降低幅度。因此，相對于車用汽油機而言，車用柴油機僅能保有10%～15%(體積分數)的油耗優勢。

1.3 均質充量壓縮著火/壓燃直接噴射

在汽油缸內直接噴射研究領域內，已對均質充量壓縮著火(Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI)和可控自著火(Controlled Auto-Ignition，CAI)兩大燃燒過程開展了長期的試驗研究，目前已被開發成為可使用汽油和柴油兩類燃料運行的新型內燃機燃燒技術[2]。

由于兩類方案在提高燃燒效率和降低廢氣排放方面具有很大的技術潛力，因而對其寄予較高的期望，同時又專門為匹配燃燒過程開發了相關燃料。就從當前的汽油機和柴油機燃燒過程來看，該兩類燃燒方案可謂是兼有這兩種內燃機技術優勢的最佳的新型燃燒過程。

2 車用缸內直噴汽油機的未來技術發展趨勢

降低燃油耗和有害物排放，不僅現在而且未來都將是車用活塞式發動機開發的重要任務。盡管當今的技術已發展至較高的水平，但是直噴柴油機和缸內直噴汽油機在降低油耗方面仍具有巨大的潛力。目前，汽油機技術持續不斷的發展及其技術潛力的實現，已使其能夠接近目前和未來柴油機的節油水平。在汽油機上，缸內直接噴射與渦輪增壓相結合已呈現出非常明顯的趨勢，不僅能夠降低油耗和有害物排放，而且還有望適度地提升駕駛樂趣。

在發動機的中低負荷和轉速范圍內，分層充量運行具有重要意義，并且未來也將應用得日益廣泛，而噴束導向型混合氣形成和燃燒過程則特別適合于這種運行范圍。從目前的發展和知識狀況來看，尚需要對這種方案進行廣泛的研究和開發工作，才能充分利用其在提高效率和降低有害物排放方面的全部潛力。

在該方面，近年內這種噴射方式必須使混合氣形成能夠成功地實現，在所有希望采用分層充量運行的范圍內，通過廢氣分層，在新鮮混合氣與其周圍的空氣及廢氣之間形成理想的分層[3]。由德國方面開發的噴束導向型缸內直噴汽油機已投放市場。在今后幾年中，其他的制造商必定會緊跟這種發展趨勢，積極地開發這種機型。

噴油系統對于噴束導向型缸內直噴汽油機的最佳運行具有特別重要的意義。目前在降低油耗以及達到最低有害物排放方面顯示出了進一步的潛力[4]。開發噴射壓力持續提高的噴油系統的必要性及其時間進度，則完全取決于是否能補償所必需的高壓燃油泵的驅動功率，從而將其潛力轉化成實際的節油效果。

3 車用缸內直噴汽油機的技術現狀

到目前為止，缸內直噴汽油機的試驗研究和開發工作仍處于發展的初級階段，特別是噴束導向型稀薄分層缸內直接噴射在全球推廣應用方面尚未取得進一步的進展。為此，現在和今后數年間，幾乎所有汽車制造商的汽油機缸內直接噴射都采用均質混合氣形成，并且在大多數情況下與渦輪增壓相組合，其優點一方面是與外部混合氣形成發動機相比，具有明顯更高的升功率，從而能帶來更大的駕駛樂趣；另一方面，能夠采用可靠的三元催化轉化器進行廢氣后處理，滿足現在和未來全球生效的廢氣排放法規的要求，從而使汽油機缸內直接噴射在全球應用成為可能。

從已生產的幾十萬臺缸內直噴汽油機來看，早在1995—2000年間，日本方面具有一定的技術優勢。但是在最近幾年中，歐洲最重要的幾家汽車制造商已明顯超過日本，并且還將繼續擴大缸內直噴式汽油機的生產規模[5]。這些缸內直噴汽油機最初采用壁面導向型燃燒過程，在發動機特性曲線場中分層充量運行只占很小的比例。特別是對于歐洲市場，由于其燃油價格較高，可以預見，數年后除了傳統的缸外混合氣形成的汽油機以及柴油機之外，缸內直噴汽油機在歐洲市場上將會占有較大的份額。

當前的研究工作表明，未來數年中汽油機與柴油機的比例將接近歐洲方面的技術發展狀況。在今后幾年中，與進氣道噴射相比，缸內直接噴射、可變氣門機構以及增壓和發動機小型化在汽油機上的應用將越來越廣泛，此外諸如缸內直接噴射和增壓等不同汽油機技術的組合系統也將應用得越來越多。今后數年間，由于歐洲大多數交通狀況的框架條件與日本和美國(特別是加利福尼亞州)有所不同，預計在歐洲諸如混合動力那樣的替代動力裝置只有很少的數量。與此同時，如今混合動力車在日本和美國市場所占據的份額也并不高。

目前認為有望替代汽油機和柴油機的車用動力裝置通常僅限于四沖程氣體燃料內燃機、混合動力裝置、往復活塞式或轉子式氫內燃機以及燃料電池等寥寥數類[6-11]。但是，所有這些替代動力裝置只能部分地滿足當今乘用車用內燃機及其多種多樣的要求，其成本與內燃機相比仍然較高，因而就經濟性方面而言，它們難以取代傳統內燃機的地位。此外，由于這些替代動力裝置通常是專門按照對排放法規有效的試驗循環開發的，因而在實際的CO2排放方面也并沒有顯示出這些替代動力裝置倡導者所再三宣傳的那些優勢。

4 車用缸內直噴汽油機的前景展望

從2015年起，汽油機與電機組合的混合動力裝置的保有量開始有所增長，而柴油機與電機組合的混合動力裝置預計從2025年起也將開始得以應用。由于目前從可再生能源中制取氫能仍有一定的技術難度，同時考慮到應用礦物能源制氫的成本過于昂貴而無顯著效益，因此預計從2035—2045年間起，首批燃料電池動力裝置才可望在乘用車領域獲得大規模的應用。

如果在今后數年中，缸內直噴汽油機能像車用柴油機在過去的20年中那樣持續不斷地得到技術進展，那么它就可在滿足最嚴厲的廢氣排放法規的同時，具有類似于乘用車用柴油機那樣的熱循環效率和油耗。即使目前車用汽油機的技術發展已達130年，但考慮到它目前尚有進一步開發和提升的潛力，因此在今后很長一段時間內汽油機仍將繼續成為乘用車的主流動力裝置。

與此同時，內燃機與相電機組合的混合動力系統也是未來一大主流技術發展趨勢。從能量利用效率和廢氣排放的角度來看，與不依附于混合動力系統的內燃機相比，只要其相關成本可得以接受，缸內直噴汽油機與小功率電機的組合可被看作是未來乘用車動力裝置的最佳方案，其中汽油機則采用噴束導向型結構以實現缸內直接噴射，并且在行駛運行中僅用于整車動力來源。

而電機則應該既可用作發電機將車輛減速期間的制動能量轉變成電能，同時又可用作電動機，在起動、起步過程和在交通路況較為順暢的情況下驅動整車行駛。此外，在加速期間如有相應的技術需求，電機還應承擔輔助動力輸出任務，并且與蓄電池聯合為汽車電氣系統供應能量，以此就能使內燃機發揮其作為車用動力裝置的技術優勢。

如果缸內直噴汽油機或直噴柴油機作為未來車用內燃機僅主要用于為車輛提供動力來源，而其他車用設備所需的能量則由混合動力供給，則整車油耗依然可得以顯著降低，同時有害物排放就有可能達到幾乎為零的水平，而且依然保有一定的駕駛樂趣。

在此，純電動汽車由于目前依然有著蓄電池質量大、蓄電池成本高、活動半徑小、缺乏相應匹配的公共設施、充電時間過長等諸多方面的技術劣勢，一定程度上限制了其未來的技術應用范圍。據此以內燃機為代表的傳統車用動力裝置，依然有其自身的技術應用前景。

5 結論

就目前而言，內燃機依然將會長期作為車用動力裝置而得以廣泛應用，其他形式的動力設備尚無法取代其現有的統治性地位。同時，以缸內直噴汽油機為代表的先進內燃機盡管目前技術水平仍有待進一步提升，但以其所具備的節能減排等重要功效，在乘用車動力裝置范疇內依然有著較好的應用前景。