车用缸内直喷汽油机应用前景展望

伍赛特

(上海汽车集团股份有限公司，上海 200438)

0 引言

由于具有油耗低、转矩大和功率高的优点，直喷式柴油机只用了约15年就几乎完全取代了间接喷射式柴油机的技术地位。而目前，汽油机也发生了与此相同的变化。虽然几乎一个世纪以来，为了提高汽油机功率，始终在进行汽油缸内直接喷射技术的试验研究[1]，但是只是在最近15年来，从三菱公司在欧洲推出缸内直喷汽油机开始，才首次提供了可实际应用的汽油缸内直接喷射技术，车用直喷式汽油机才得以成功进入市场。

1 车用缸内直喷汽油机及相关研究方向

与直喷式柴油机相比，缸内直喷汽油机需解决的难题要复杂得多，因此它要占领汽油机市场需花费明显较长的时间，但是缸内直喷式汽油机在功率和转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潜力，使汽油机缸内直接喷射成为车用内燃机未来发展的必由之路。目前主要有3种具有不同效果的缸内直喷技术研究方向：(1)均质混合直接喷射；(2)分层混合直接喷射；(3)均质充量压缩着火/压燃直接喷射。

1.1 均质混合直接喷射

开发均质混合直接喷射较为简单，由于在内燃机上通常会采用相应的废气后处理系统，无须使用特别的燃料，因而该类方法适用于全球范围。其开发重点在于优化功率、转矩和动态性能。因受早期在赛车上所取得的技术成果的影响，该方案适用于对动力性要求较高的运动型汽车。

1.2 分层混合直接喷射

继续开发分层混合直接喷射主要是为了降低燃油耗和CO2排放。除了三菱公司的壁面导向方案之外，欧洲方面采用的空气导向型燃烧技术也已用于批量生产。然而，该燃烧过程所期望实现的燃油耗优势，因受到相关机制的限制，在较高的负荷和转速范围内尚未得以实现。

由于在超化学计量比的工况运行范围内进行废气后处理的费用会有所增加，另外必须采用无硫燃油也会使运行成本随之提升，因而该技术方案目前尚无法在全球得以广泛应用。

鉴于上述原因，汽油机喷束导向型燃烧技术又逐渐成为该领域的关注焦点。虽然该类燃烧过程对混合气形成的要求更为严苛，但是由于其实际期望的节油潜力最高，可达20%，甚至

堪比柴油机从间接喷射方式转换到直接喷射方式时所达到的油耗的降低幅度。因此，相对于车用汽油机而言，车用柴油机仅能保有10%～15%(体积分数)的油耗优势。

1.3 均质充量压缩着火/压燃直接喷射

在汽油缸内直接喷射研究领域内，已对均质充量压缩着火(Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI)和可控自着火(Controlled Auto-Ignition，CAI)两大燃烧过程开展了长期的试验研究，目前已被开发成为可使用汽油和柴油两类燃料运行的新型内燃机燃烧技术[2]。

由于两类方案在提高燃烧效率和降低废气排放方面具有很大的技术潜力，因而对其寄予较高的期望，同时又专门为匹配燃烧过程开发了相关燃料。就从当前的汽油机和柴油机燃烧过程来看，该两类燃烧方案可谓是兼有这两种内燃机技术优势的最佳的新型燃烧过程。

2 车用缸内直喷汽油机的未来技术发展趋势

降低燃油耗和有害物排放，不仅现在而且未来都将是车用活塞式发动机开发的重要任务。尽管当今的技术已发展至较高的水平，但是直喷柴油机和缸内直喷汽油机在降低油耗方面仍具有巨大的潜力。目前，汽油机技术持续不断的发展及其技术潜力的实现，已使其能够接近目前和未来柴油机的节油水平。在汽油机上，缸内直接喷射与涡轮增压相结合已呈现出非常明显的趋势，不仅能够降低油耗和有害物排放，而且还有望适度地提升驾驶乐趣。

在发动机的中低负荷和转速范围内，分层充量运行具有重要意义，并且未来也将应用得日益广泛，而喷束导向型混合气形成和燃烧过程则特别适合于这种运行范围。从目前的发展和知识状况来看，尚需要对这种方案进行广泛的研究和开发工作，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潜力。

在该方面，近年内这种喷射方式必须使混合气形成能够成功地实现，在所有希望采用分层充量运行的范围内，通过废气分层，在新鲜混合气与其周围的空气及废气之间形成理想的分层[3]。由德国方面开发的喷束导向型缸内直喷汽油机已投放市场。在今后几年中，其他的制造商必定会紧跟这种发展趋势，积极地开发这种机型。

喷油系统对于喷束导向型缸内直喷汽油机的最佳运行具有特别重要的意义。目前在降低油耗以及达到最低有害物排放方面显示出了进一步的潜力[4]。开发喷射压力持续提高的喷油系统的必要性及其时间进度，则完全取决于是否能补偿所必需的高压燃油泵的驱动功率，从而将其潜力转化成实际的节油效果。

3 车用缸内直喷汽油机的技术现状

到目前为止，缸内直喷汽油机的试验研究和开发工作仍处于发展的初级阶段，特别是喷束导向型稀薄分层缸内直接喷射在全球推广应用方面尚未取得进一步的进展。为此，现在和今后数年间，几乎所有汽车制造商的汽油机缸内直接喷射都采用均质混合气形成，并且在大多数情况下与涡轮增压相组合，其优点一方面是与外部混合气形成发动机相比，具有明显更高的升功率，从而能带来更大的驾驶乐趣；另一方面，能够采用可靠的三元催化转化器进行废气后处理，满足现在和未来全球生效的废气排放法规的要求，从而使汽油机缸内直接喷射在全球应用成为可能。

从已生产的几十万台缸内直喷汽油机来看，早在1995—2000年间，日本方面具有一定的技术优势。但是在最近几年中，欧洲最重要的几家汽车制造商已明显超过日本，并且还将继续扩大缸内直喷式汽油机的生产规模[5]。这些缸内直喷汽油机最初采用壁面导向型燃烧过程，在发动机特性曲线场中分层充量运行只占很小的比例。特别是对于欧洲市场，由于其燃油价格较高，可以预见，数年后除了传统的缸外混合气形成的汽油机以及柴油机之外，缸内直喷汽油机在欧洲市场上将会占有较大的份额。

当前的研究工作表明，未来数年中汽油机与柴油机的比例将接近欧洲方面的技术发展状况。在今后几年中，与进气道喷射相比，缸内直接喷射、可变气门机构以及增压和发动机小型化在汽油机上的应用将越来越广泛，此外诸如缸内直接喷射和增压等不同汽油机技术的组合系统也将应用得越来越多。今后数年间，由于欧洲大多数交通状况的框架条件与日本和美国(特别是加利福尼亚州)有所不同，预计在欧洲诸如混合动力那样的替代动力装置只有很少的数量。与此同时，如今混合动力车在日本和美国市场所占据的份额也并不高。

目前认为有望替代汽油机和柴油机的车用动力装置通常仅限于四冲程气体燃料内燃机、混合动力装置、往复活塞式或转子式氢内燃机以及燃料电池等寥寥数类[6-11]。但是，所有这些替代动力装置只能部分地满足当今乘用车用内燃机及其多种多样的要求，其成本与内燃机相比仍然较高，因而就经济性方面而言，它们难以取代传统内燃机的地位。此外，由于这些替代动力装置通常是专门按照对排放法规有效的试验循环开发的，因而在实际的CO2排放方面也并没有显示出这些替代动力装置倡导者所再三宣传的那些优势。

4 车用缸内直喷汽油机的前景展望

从2015年起，汽油机与电机组合的混合动力装置的保有量开始有所增长，而柴油机与电机组合的混合动力装置预计从2025年起也将开始得以应用。由于目前从可再生能源中制取氢能仍有一定的技术难度，同时考虑到应用矿物能源制氢的成本过于昂贵而无显著效益，因此预计从2035—2045年间起，首批燃料电池动力装置才可望在乘用车领域获得大规模的应用。

如果在今后数年中，缸内直喷汽油机能像车用柴油机在过去的20年中那样持续不断地得到技术进展，那么它就可在满足最严厉的废气排放法规的同时，具有类似于乘用车用柴油机那样的热循环效率和油耗。即使目前车用汽油机的技术发展已达130年，但考虑到它目前尚有进一步开发和提升的潜力，因此在今后很长一段时间内汽油机仍将继续成为乘用车的主流动力装置。

与此同时，内燃机与相电机组合的混合动力系统也是未来一大主流技术发展趋势。从能量利用效率和废气排放的角度来看，与不依附于混合动力系统的内燃机相比，只要其相关成本可得以接受，缸内直喷汽油机与小功率电机的组合可被看作是未来乘用车动力装置的最佳方案，其中汽油机则采用喷束导向型结构以实现缸内直接喷射，并且在行驶运行中仅用于整车动力来源。

而电机则应该既可用作发电机将车辆减速期间的制动能量转变成电能，同时又可用作电动机，在起动、起步过程和在交通路况较为顺畅的情况下驱动整车行驶。此外，在加速期间如有相应的技术需求，电机还应承担辅助动力输出任务，并且与蓄电池联合为汽车电气系统供应能量，以此就能使内燃机发挥其作为车用动力装置的技术优势。

如果缸内直喷汽油机或直喷柴油机作为未来车用内燃机仅主要用于为车辆提供动力来源，而其他车用设备所需的能量则由混合动力供给，则整车油耗依然可得以显著降低，同时有害物排放就有可能达到几乎为零的水平，而且依然保有一定的驾驶乐趣。

在此，纯电动汽车由于目前依然有着蓄电池质量大、蓄电池成本高、活动半径小、缺乏相应匹配的公共设施、充电时间过长等诸多方面的技术劣势，一定程度上限制了其未来的技术应用范围。据此以内燃机为代表的传统车用动力装置，依然有其自身的技术应用前景。

5 结论

就目前而言，内燃机依然将会长期作为车用动力装置而得以广泛应用，其他形式的动力设备尚无法取代其现有的统治性地位。同时，以缸内直喷汽油机为代表的先进内燃机尽管目前技术水平仍有待进一步提升，但以其所具备的节能减排等重要功效，在乘用车动力装置范畴内依然有着较好的应用前景。