1.缸内直接喷射式燃油供给系统的发展

传统的缸外预混式电控燃油供给系统将汽油以较大的油滴喷向进气门的背部和进气口附近的壁面上，只有少量的汽油能够在油滴到达壁面形成油膜之前直接在空气中蒸发。这种混合气形成方式在发动机稳定工况下尚可满足要求，但在变工况（如车辆加速时）和发动机冷起动时汽油的蒸发和油气混合严重不足，不得不过量喷油，然而这将造成大量未燃HC经排气门进入三元催化器。特别是在冷起动时，三元催化器正处于低温状态而尚未达到起燃温度，这样就会造成很高的有害物排放，成为车辆达到废气排放标准限值的主要障碍之一。尤其是从国Ⅲ排放标准开始，取消了最初的40s暖机阶段，而是从冷机一起动就开始进行排放测试，那么冷起动的排放问题将变得更为突出。

汽油缸内直接喷射从油气混合机理上可以解决上述变工况（如车辆加速时）和冷起动时油气混合不足的问题，从而达到减少发动机排放的目的。另外，缸内直接喷射还可带来很多其他好处：比如采用缸内直接喷射技术有利于汽油机采用增压，并应用较高的压缩比，提高发动机的热效率；由于汽油直接喷入气缸内，可实现稀薄混合气分层燃烧，并且可以避免发动机在换气过程中的泵气损失，有利于降低油耗。

其实早在20世纪初，人们就已对汽油喷射方式进行过研究。1900年德国Deutz公司就曾经生产过汽油喷射的固定式发动机。以后，汽油喷射的应用范围逐步转移到活塞式航空发动机上。但一直到20世纪80年代末，汽油机缸内直喷分层稀燃技术仍未进入车用实用阶段。随着内燃机技术的进步，特别是微电子控制技术的迅速发展，为汽油机缸内直接喷射技术的重新发展提供了前提条件，同时迫于节能和环保要求日益严格的压力，各大厂商也对汽油机缸内直接喷射寄予新的期望，因此20世纪90年代各国纷纷加强了对汽油机缸内直喷技术的研究，至1996～1997年日本三菱和丰田公司率先相继将其开发的缸内分层稀燃直喷式汽油机投入批量生产，表10-1是目前市面上比较先进的几种缸内直喷发动机。

表10-1 缸内直喷汽油机一览

2.缸内直接喷射式燃油供给系统的特点

缸内直喷汽油机综合了汽油机和柴油机的特点，混合气的形成方式采用了柴油的方式，在即在压缩上止点喷入一定量的燃料，在缸内形成混合气；这样的话，由于喷入缸内的燃油蒸发时吸收热量所起的冷却作用，可以提高抗爆性能，可以实现较高的压缩比（ε=12～14），从而有助于提高循环的热效率，降低油耗。而混合气着火方式采用的是汽油机的着火方式，即使用电火花引燃混合气。

按照理论及实验分析，缸内直喷汽油机若要达到最佳工作状态，必须根据发动机负荷的不同，分为分层稀薄燃烧模式及均质燃烧模式两种：

1）在部分负荷时燃油于压缩行程后期喷入，实现混合气分层稀薄燃烧（过量空气系数λ≥1.9～2.2），并采用混合气质调节，以避免节气门的节流损失，力求达到与柴油机相当的燃油经济性。(www.daowen.com)

2）在中等至高负荷时，燃油在进气行程中喷入，根据运行工况的需要，实现均质稀薄混合气燃烧（λ=1.3～1.4）或均质燃烧（λ=1.0）或均质加浓混合气燃烧（λ＜1.0），以保持汽油机升功率高的优点。

但采用稀薄燃烧的发动机，混合气偏稀，这导致其无法使用三元催化器来降低排放，这种发动机需要使用无硫汽油，并且使用吸附式NOx催化器，这就大大增加了发动机生产成本；而且能普遍供应这种无硫燃油的国家和地区（如挪威、日本等）并不广泛，因此现代缸内直喷式汽油机基于性价比和使用条件的考虑，很多机型采用的是在所有运行工况下全部以λ=1均质混合气燃烧运行。这样一来发动机的电控系统就要简单得多，也无需应用吸附式NOx催化器以及低硫汽油，电控单元和三元催化器基本上可与缸外预混式发动机通用，从而成本要明显优于以分层混合气燃烧运行的机型，只是其燃油经济性略为逊色，但仍要比缸外预混式汽油机的耗油量低5%～9%。

3.缸内直接喷射式燃油供给系统分类

图10-5 缸内直接喷射式燃油供给系统分类

根据上文可知，缸内直接喷射式燃油供给系统对燃油喷射系统的要求肯定要明显高于缸外预混方式，因为前者要满足在压缩行程后期活塞接近上止点时的喷射要求，因此其喷油压力要明显高于缸外预混喷射方式，需达到5～12MPa。高压燃油泵和喷油器是现代缸内直喷式汽油机的重要部件，也是与缸外预混式汽油机区别最明显的地方。按喷射的介质不同，缸内直喷式汽油机的燃油喷射系统可分为高压燃油直接喷射系统和低压混合气直接喷射系统两大类（图10-5）。

共轨式喷油系统是目前缸内直喷式汽油机应用最为广泛的一种喷油系统，其工作原理与当今柴油机使用的高压共轨喷油系统相同，只是燃油共轨压力要低得多，约为5～12MPa。这种共轨式喷油系统将燃油的高压产生与油量计量两大基本功能分离，分别由燃油泵和电控喷油器承担，这就为灵活而又精确地进行电子控制提供了前提条件，特别适合于现代缸内直喷式汽油机根据负荷的变化实现分层混合气和均质混合气模式运行的转换；因此，现代缸内直喷式汽油机几乎都采用了共轨式喷油系统。

4.电子节气门及宽域氧传感器

缸内直喷汽油机与缸外预混汽油机不同，它所使用的节气门必须将进气量调节与加速踏板调节功能分开，以便能够在低负荷工况时节气门全开实现发动机无节流运行，而在高负荷工况时又能用节气门来调节进气空气量。因此，缸内直喷汽油机上必须采用带有驱动系统的电子节气门。同时，由于直喷汽油机的混合气浓度调节范围较大，因此与普通缸外预混式汽油机不同的是，它必须采用宽域氧传感器而不是普通的窄域氧传感器，以便对喷油量及进气量进行调节。