直喷发动机的优点（缸内直喷技术优点）

直喷发动机的优点 第1篇

压缩比的含义

指发动机混合气体被压缩的程度，用压缩前的气缸总容积与压缩后的气缸容积（即燃烧室容积）之比。需计算的压缩比就是气缸容积的最大行程容积与最小容积的比值。

一辆汽车不论装用汽油机还是柴油机，要保持平稳运转，必须具有适当且稳定的压缩比。

通常的低压压缩比指的是压缩比在10以下，高压缩比在10以上，相对来说压缩比越高，发动机的动力就越大，但高压缩比与超高压缩比是不同概念，我们常规性的认为，超过12就是超高压缩比的范围。同时，之所以没有广泛应用超大压缩比改进常规内燃机，第五章会展开讨论。 压缩比改变对常规发动机的影响

a．压缩比对循环热效率和平均有效压力的影响

在内燃机理论循环中，根据加热方式的不同可分为定容加热、定压加热和混合加热三种循环，其中混合加热循环的理论循环热效率和平均有效压力的关系式如下：

式中，为理论循环热效率，为理论循环平均有效压力，为绝热指数。其中、均为理论常数。压缩比与热效率成正比。简单的说，压缩比增大，混合气更容易被点燃，同时导致的压力变大混合气有了更好的着火环境，火焰传播速度会更快，往复喷油做功扫气的过程可以使延迟期变得更短，使喷入的燃料能够更稳定燃烧，提高了循环平均吸热温度，同时，也增大膨胀比，循环热效率和平均有效压力均增大，提高了理论循环经济性和动力性。

b. 压缩比对换气过程的影响换气过程的完善程度直接影响着内燃机的动力性、经济性、可靠性和排放。内燃机对换气过程的主要要求是废气排得越干净，新鲜空气进得越多越好，这样才可能喷入更多的燃油并能完全燃烧，以增加内燃机的功率和转矩，同时提高其经济性和排放性能。由内燃机原理可知，压缩比与充气效率和残余废气系数的关系为：

式中，ηt为充气效率；γ为残余废气系数；Pt为残余废气密度；ρα、Tα、Pα。为进气终了缸内气体的密度、温度和压力；Ts、Ps为进气状态下的温度和压力；ζ若为补偿进气比；ε为压缩比。

由公式可见，压缩比适当增大，Ts、Ps在第一循环中可以理解为常数，但后续的循环中由于压缩比的增大，排气循环中的冲量可以带动进气进入气缸内，Ps有增大的趋势，只是单独循环中增大并不多。而余隙容积减小，残余废气的相对量随之减少，充气效率提高，而废气系数减小，每循环的实际新鲜进气量增加，过量空气系数增大，换气质量好，有利于燃烧。

c.单次做功影响：压缩比与发动机性能有很大关系，常规状态，汽油发动机在运转时，吸入的通常（非缸内直喷发动机）是汽油与空气混合而成的混合气，在压缩过程中活塞上行，除了压缩混合气使之体积缩小之外，同时也发生了涡流和紊流两种现象。当密闭容器中的气体受到压缩时，压力是随着温度的升高而升高。若发动机的压缩比较高，压缩时所产生的气缸压力与温度相对地提高，混合气中的汽油分子能汽化得更完全，颗粒能更细密，再加上刚才所说的涡流和紊流效果和高压缩比所得到的密封效果，使得在下一刻运动中，当火花塞点火时就能使得这混合气在瞬间内完成燃烧的动作，释放出最大的爆发能量，来成为发动机的动力输出。反之，燃烧的时间延长，能量会耗费并增加发动机的温度而并非参与发动机动力的输出，所以我们就可以知道，高压缩比的发动机就意味着可具有较大的动力输出。

本文讨论的内容，由于增大压缩比并未改变原设计的涡流和紊流行程状态，即使影响，单位时间内活塞爆发压力增大后，活塞做功速度更大，直接导致高温下的涡流和紊流加剧，更利于混合器燃烧。通过实验验证，也不会对发动机的动力输出，排放，排放影响很大。所以暂不讨论由于压缩比改变，造成的涡流和紊流对发动机的影响。

d．抖动影响：压缩比越高发动机抖振越厉害，这是因为发动机的压缩比越高，通常伴随着的就是发动机工作时抖振会较明显增大，即使是多缸发动机也是如此。在爆发点火时混合气燃烧所产生的能量在瞬间释放出来，相对的振动的动能也就较大，于是动力输出也就较为明显。另外是由于多缸发动机其动力的产生较为密集，所以直接的感觉较为轻微。至于其他直列式的四缸、三缸发动机，其动力产生的次数就没有那么频繁，再加上采用高压缩比，其振动也就避免不了。然而多数发动机在设计之初带有平衡轴，平衡二阶往复运动力可以抵消发动机的振动，如上所提到的结构，发动机完全具备高压缩比的制造可行性，即使是四缸或四缸以下发动机其抖动现象也会不明显。

e．爆震影响：压缩比太高也会有不利因素——远端点火自燃，这是由汽油本身的属性决定的，当压缩比非常大的时候，汽油分子吸收了足够的热量之后，在达到它的燃点时，燃烧室内存有积碳或残留尖端点的温度比混合器更高，空燃比恰当混合的混合器吸收足够热量的自行燃烧在火花塞点火前就开始了，这就是爆震。同时，这也是很多高压缩比车辆必须使用辛烷值或者说抗爆性较好的高标号燃油的原因。所以，汽油发动机的压缩比再高也只能与柴油发动机相近，但无法达到。对于汽油发动机而言，10：1以上的压缩比在设计之初就要明确使用什么样抗爆性燃料。然而，发动机的发展方向是向着稀燃，高压缩，压缩行程中汽油分子吸收足够的热量，油粒更分散，与空气之间的混合更均匀发展。在发动机进行标定的过程中，除保证排放或限制扭矩所必须的控制点外，几乎所有的标定都是临近爆震点写入的数据，充分保证发动机的效率，发挥发动机的潜力。

f．密封性的影响：压缩比较高时，整个燃烧室的气密效果也要加强，否则容易漏气，使未燃尽的混合器压入曲轴箱内，稀释润滑油，破坏压缩过程中临近缸壁涂的润滑油薄膜，直接导致活塞坏磨损，破坏不断增大，导致缸体磨损，拉缸；降低气门在气门座圈旋转的几率，直接磨损，导致气门关闭不严，气门积碳，动力性急剧下降；同时由于曲轴箱压力变大，所有密闭的润滑油封变形，润滑油随着压力挤出。PCV阀的作用无法消化太多的废气残余气体，因而采用高压缩比设计的发动机必须随之改变部分零件，在这里要使用高张力活塞环。

排放技术概述 汽车排放现状

随着我国国民经济的持续稳定发展，汽车行业也得到较快发展，近年来中国汽车产量平均增长率保持在13%左右，而与机动车保有量迅速增加相对应的是我国机动车运行状况不佳，污染物排放量很大。虽然按我国总人口、国土面积和汽车总保有量计算，汽车密度可谓很小，但是由于我国经济发展的不平衡，大量汽车拥挤在少数大中城市，这必然导致城市机动车密度大，污染物排放强度高的结果[8]。

发动机燃料燃烧后的排放物中有H2O、O2、HC、CO2、CO、NOX、SO2、微粒物质等，我们把其中对人体有害和影响自然环境的成份称为污染物，主要有CO2、CO、NOX、SO2、HC、浮游微粒物质等。

发动机正常运转时，由于喷入燃烧室的燃料与空气混合不完全，混合气经压缩温度升高，部分聚合长碳链断裂进行分解反应，产生了大量的HC和CO，经过进一步的凝聚作用，产生了微粒物质，虽大部分在随后的富氧区烧掉，但终究因混合不完全仍有约1%的燃油没被烧掉，重的颗粒随即排出.可溶碳氢有机物来源于未燃的燃油和机油.碳氢有机物在冷凝过程中吸附在碳烟颗粒的表面，成为微粒排放的一部分。

发动机启动时，冷机启动是排放污染物最恶劣的工况，为保证性能法规的启动性，标定时甚至使用开环方式加浓混合气作为保证[9]。目前多数排气歧管都是不锈钢材料，导热快，可以尽早的吸收排气废气热量尽快可以在冷启动的过程中a.通过特性好，排气阻力尽可能小; b.抗热冲击性好，有较好的机械性能c.热稳定性好，能承受很高的热负荷; d适应再生的要求。

发动机的排放控制措施包过机内控制措施和机外控制措施。本部分只做定性分析。 机内控制措施

机内控制关键在于组织燃烧、缸盖结构、电控匹配、配气相位控制、压缩比控制。

(1)燃烧过程的优化

燃烧过程对微粒产生的影响最大。燃烧方式的改进实际是针对预混合燃烧方式的改进，这样，可使燃油与空气充分混合，尽量避免在高温情况下燃油裂解而提高燃烧的燃料百分比。通过进气歧管的优化，在进入缸盖前保证最大可能的冲量并且直行进入，缸盖气门内形状可以引导进气动作转为旋流的优化都会比低涡流有利于减少排放污染物的排出.这是由于涡流比大，提高了进气速度，而降低充气效率.但在发动机实际运行时，低转速时要求较高的进气旋流;而高速时要求有较低的进气旋流。如果改进采用可变涡流进气道技术可使运行中的涡流比在之间变化，使发动机排放特性在整个范围内得到优化[10]。

（2）缸盖技术：

现在多数发动机至少采用四气门结构，使火花塞的点燃位置尽可能的与燃烧室接近，或者直接完成缸内直喷，进气门排气门中心点火，燃烧凹坑和缸盖上的喷油嘴布置在燃烧室中央，改善了进气涡流和混合气分布，使燃烧状况明显优化，同时也改善了活塞和喷嘴的冷却条件，从而降低排放。采用陶瓷材料用陶瓷材料制成的燃烧室、活塞顶和缸套可以提高燃烧室的绝热效果。用陶瓷材料制成气门摇臂等运动部件，可减少摩擦阻力、降低机油耗量，从而降低排放[11]。

（3）电控匹配：

越来越多的发动机通过电控技术改变了原有化油器状态无法闭环控制的状态，更精准的针对单独脉冲的燃油喷射，点火，充磁，爆震，进气压力，充气效率，排气氧含量等参数进行反馈控制，可以针对某种排放污染物单独控制，并可以均衡的考虑对其他污染物的抑制。

（4）配气相位控制：

更多的发动机针对配气相位进行油压控制，甚至直接使用电磁阀驱动的方式进行直接驱动，结合电控系统对发动机各电控元件的控制，使发动机在更多运转过程中更容易控制排放污染物。

（5）压缩比控制：

通过固有发动机结构的改进，改变压缩比，使混合气混合更充分，燃烧更彻底，排放污染物自燃降低。 机外控制措施

机外控制即排气后处理，从排气门排出燃烧残余废气已经开始。从排气歧管结构、排气走向、三元催化器转化效率及目数多少、消音器阻力几个方面影响较大。

（1） 排气歧管结构：

各缸排气支管走向在保证安装位置的时候既不能等长，又不能互相干涉，由于各缸排气的时刻不同，排气歧管集合为排气总管时不能出现一个气缸对其他气缸造成影响的问题，一旦出现，排气成分将由于气波扰动造成气压反向波动，燃烧将受到影响。

（2）排气走向：

除车身布置以外，排气管的走向直接决定了排气背压的大小，或者解释为排气阻力的大小，汽油机非增压机型一般阻力不能超过45KPa，不合理的设计，将阻碍废气的排出，进气门的吸气动作冲量减缓，单循环的废气有部分残留，下一循环的排放废气成分与残留废气混合并非所需的可靠配比，必然出现恶劣的排气污染物影响。相反，排气背压极低，除了后续抑制排放措施没有合理的使用，从发动机燃烧理论来说，无法保证排气门打开的时候内部气体的湍流为下一次排气门打开做准备，也不是合理的。

（3）三元催化器：

三元催化器就是催化转化剂，本身不会消耗，却可以转化污染物为其他可接受的排放成分，其转化效率是其中重金属如铂铑钯按照合理的百分比配方决定的，配方合理并针对合理排量，合理纯度燃料成分的发动机，是整个发动机中最有效控制排放污染物的措施。由于三元催化器集成在车辆下面，由于车辆通过性的要求，三元催化器无法做得很大，同时考虑到控制尺寸大小对安全性的问题，三元催化器是封装在一个圆形的腔体中，并为了增大面积，设计成通过狭小的细孔进行催化转化的，单位面积狭小的细孔越多，与排气接触的面积越大，转化性能就越好，这个单位面积的狭小细孔就是转化器的目数[12]。

（4）消音器：

消音器对排放的直接影响是排气背压，控制排气声浪不断衰减与保证气体畅通是无法兼得的。燃油经济性概述燃油消耗率：

发动机每输出1kW·h的有效功所消耗的燃油量称为有效燃油消耗率，记作be，单位为g/(kW·h)

燃油经济性需要跟随法规完成阶段性的调整，目前第三阶段油耗值针对发动机来说是个严峻考验。主要的控制方式有：可变气门升程技术，可变气门正时技术，可变进气歧管，分层燃烧，缸内直喷，高压缩比等。可变气门升程技术：

这种技术是通过改变气门开闭的时间控制发动机各工况下配气机构的匹配技术。这项技术多数由电机或油压执行开关控制执行机构控制气门完成每次开闭气门幅度，并无级别的选择开闭角度，以精准的喷油控制发动机始终在合理的油耗曲线上运转。

如图中，利用第三根摇臂和第三个凸轮即实现了看似复杂的气门升程变化。当发动机在中、低转速时，三根摇臂处于分离状态，普通凸轮推动主摇臂和副摇臂来控制两个进气门的开闭，气门升量较小。此时虽然中间凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂之间是分离的，所以两边的摇臂不受它控制，也不会影响气门的开闭状态[13] 。

发动机达到某一个设定的转速时，电脑即会指令电磁阀启动液压系统，推动摇臂内的小活塞，使三根摇臂锁成一体，一起由高角度凸轮驱动，这时气门的升程和开启时间都相应的增大了，使得单位时间内的进气量更大，发动机动力也更强。这种在一定转速后突然的动力爆发极大的提升了驾驶乐趣[14]。当发动机转速降到某一转速时，摇臂内的液压也随之降低，活塞在回位弹簧作用下退回原位，三根摇臂分开。

图可变气门升程技术Fig. Variable valve lift technology

优点：

a.控制精准，燃油消耗率显著降低8-11%；

b.启动后，进排气完全由气门开闭保证进气排气，节气门直接100%打开，降低进气时的最大泵气损失；

c.多数可变气门升程结构为单顶置凸轮轴，与双顶置凸轮轴相比降低了发动机重量；

充气效率提升，排放中的NO和CO控制降低。

缺点：

a.系统结构复杂，成本增加；

b.结构一旦失效，可变停止的位置不一定适合发动机再次启动；

c.局限于单顶置凸轮轴，最大功率和扭矩没有双顶置凸轮轴的发动机大。可变气门正时技术：

可变气门正时技术可以兼顾发动机低速扭矩和高速功率的用车需求，主要还是针对发动机燃油消耗率贡献较多。发动机固定的进气排气气门打开关闭时间显然不适合高速低速所有工况。提前打开进气门，延迟关闭排气门，都是保证发动机燃油消耗率的方式。

图可变气门正时机构

Fig. Variable valve timing mechanism

图可变气门正时机构

Fig. Variable valve timing mechanism

上图的进气凸轮轴带轮内部实际由液压装置控制，在OCV（Oil Control Valve）阀动作后，油压驻留于进气凸轮轴带轮和进气凸轮轴的空腔油道内，凸轮轴工作与进气凸轮轴带轮不同步，达到兼顾高速低速进气占空比的中心圆位置摇臂由执行机构推动，实现了气门开闭的提前和延迟。

优点：

a.控制精准，燃油消耗率显著降低2-4%；

b.进排气门初始相位可以控制在易于启动的区域，利于冷启动性；

c.结构可以设计为进气凸轮和排气凸轮同时控制可变正时轮系，独立可控；

d.充气效率提升，低速和高速排放中的多数污染物均有降低。

缺点：

a.系统结构复杂，成本增加；

b.结构一旦失效，可能对发动机其他结构造成影响，尤其对三元催化器的影响，导致三元催化器中毒；

c.提升燃油经济性不明显。

可变进气歧管

可变进气歧管在多数车辆中是两段式可调，低速时使用长进气管路，提升进气冲量，高速时使用短进气管路，降低进气损耗。实际是由一段进气管划为两个分支组成的结构。

优点：

a.燃油消耗率显著降低1-2%；

b.进气初始相位利于冷启动性；

c.重量增加不多；

d.充气效率提升，可以兼顾低速段和高速段的运行。

缺点：

a.系统结构复杂，执行器控制复杂；

b.提升燃油经济性不明显。分层燃烧

分层燃烧一直被认为是缸内直喷与近进气道混合的中间燃烧可替代类型，由于难以确定燃烧模态，难以控制首次燃烧混合气燃烧的限度，又难以判断再次燃烧时，上次混合气燃烧到什么阶段，所以多数选择研发直接步入缸内直喷的行列[15]。

优点：

a.燃油消耗率降低1-2%；

b.动力输出均匀，整机振动明显降低；

缺点：

a.对油品要求较高；

b.对喷射电磁阀的喷射脉宽要求极高，普通喷射电磁阀无法胜任；

c.燃烧结果已知，燃烧过程未知，无法控制阶段性燃烧产物；

d.易积碳；

e.提升燃油经济性不明显。缸内直喷

缸内直喷技术一直被认为是和增压发动机一同解决排放问题的好办法。因为可根据负荷来决定喷油量，同时优势体现在负载并非很大的工作区域，喷油嘴通过判断空气进气量的多少判断最少量的燃油，这是最直接的降低燃油消耗的部分。同时喷油时间点是活塞上止点附近和火花塞周围，实际上这时压缩的气缸内空气与燃油区分开。这就是以往进气歧管末端混合气后进入气缸油均匀分布的状态的不同，直喷的关键是控制喷油嘴，不仅承受巨大的压力，同时需要承受巨大的温度变化时保证喷油的准确度，喷射角度，雾化效果。优势同时体现在活塞压缩行程达上止点后，火花塞点火前才喷油。点燃后热量传播完全是由燃油到空气，热效率大幅度提高。

优点：

a.燃油消耗率显著降低3-5%；

b.进气门积碳几乎为0；

缺点：

a.对油品要求较高；

b.对喷射电磁阀要求极高，普通喷射电磁阀无法胜任；

c.只在低负载情况下凸显优势，负载较大的情况无法覆盖；

d.冷启动油耗非常高。高压缩比

压缩比的控制是多年来工程师讨论的问题，高端发动机使用的技术先进，甚至不会触碰到简单的压缩比对排放的影响因素。下一章会系统的解释此问题。

优点：

a.燃油消耗率显著降低5%以上；

b.成本未改变；

c.积碳降低；

缺点：

a.合理改进的范围内，无缺点。

结合以上内容，业界不断有新的技术成为现实。但是，在近10年内，仍然以燃烧以石油为主要燃烧介质的内燃机为主要动力来源。不惜成本的完成发动机的批量生产是不现实的。如果在环保，节能，保证动力性，经济性方面做以权衡，增大压缩比是低成本大批量解决问题的好办法。

仅从压缩比改动做为改善油耗，动力性及排放出发，先进行理论分析，再结合实际实验，未增加成本的情况下，提升发动机功率，扭矩，降低燃油消耗，降低排放污染物。

直喷发动机的优点 第2篇

为了解决第一代单点电喷的缺点，工程师把喷油嘴由一个改为多个，并且把喷油嘴的位置放置在每个气缸的进气歧管分支部位，这样就解决了单点电喷的混合汽浓度不均衡的情况，当然，成本也会增加。另外，多点电喷还可以通过电子控制实现异步顺序喷射，进一步的提升了喷射的精确性。一定程度上降低了油耗。当然，多点电喷也是有缺点的，那就是其混合气浓度相对较高，而且多点电喷还是利用气缸下行产生的负压进行雾化混合，在发动机在高转速时，由于气流流速过快，混合气不均匀。导致油耗相对较高。

直喷发动机的优点 第3篇

混合喷射是目前主流发动机所采用的一种方法，实际上就是采用两套喷射系统，一套是进气歧管喷射，另一套是仍然采用缸内直喷。在发动机启动及加速较大动力输出时，采用缸内直喷的输出方式，在发动机匀速小负荷行驶时，改用进气歧管喷射。可以完美规避两套喷射系统各自的缺点。此外，还有一个明显的优点是，进气歧管喷射还可以对缸内直喷容易形成进气门背部积累的积碳形成冲刷作用，从而减少气门背部积碳的生成。当然，两套喷射系统的缺点就是成本比较高。

因此，如果现在粉丝问我，我买燃油车，发动机要采用哪种喷射方式？我会毫不犹豫的推荐大家购买混合喷射的技术。这也是现阶段最好的技术。