缸內直噴
在眾多劃時代意義的發動機技術中，汽油缸內直噴（Gasoline Direct Injection，簡稱GDI）是一項值得濃墨重彩的創新技術，主流車企也在越來越多地將汽油缸內直噴技術運用到自己的全新產品上。那麼這項技術究竟源於何時？它又具有哪些獨特的技術特點和優勢？今天我們就來進行汽油機缸內直噴技術的歷史回顧與解析。
缸內直噴技術的發展歷史
1955年，世界首款搭載具有缸內直噴技術四衝程汽油機的量產車型——奔馳300SL誕生，這部代號為M198的3.0L直列六缸發動機首次運用了博世提供的機械式汽油缸內直噴系統，約160kw的最大輸出功率與當時普遍採用化油器的同排量汽油機相比，這樣的動力水平幾乎整整高出一倍！並且油耗也降低了約10%。
由於燃油加壓系統和噴油器並未相互獨立（當時電控技術尚不發達，無法實現類似今天這種高壓油泵將汽油加壓後送入共軌，再由電磁閥或壓電式噴油器獨立控制噴油時刻和噴油量的方式），通過曲軸驅動的高壓油泵一旦給燃油加壓就必須隨即噴入汽缸，而這種特性帶來的直接弊端就是從發動機熄火到完全停止轉動的這段時間內，注入汽缸的汽油並不能被燃燒掉，而是順著缸壁流入油底殼將機油稀釋，所以一些300SL每行駛約1000英里（約合1610公里）就需更換機油。
50-70年代，缸內直噴技術基本沒有明顯進步
可惜在之後的幾十年內，車用汽油直噴技術並沒有得到進一步的推廣，但其間依然有一些廠商曾致力於過此項技術的研究，其中包括AMC（American MotorsCorporation美國汽車公司）和福特。
福特在1958年就提出“PROCO”（Programmed Combustion，直譯為編程燃燒）計劃，特別70年代石油危機爆發，福特又進一步加快該計劃的研究。當時採用的方案是將濃混合氣和稀混合氣分別噴入汽缸實現順序燃燒。根據採用此技術的Crown Victoria驗證，“PROCO”發動機大約可以實現20%的節油效果，只是這項技術最終由於電控技術尚不成熟、成本過高、氮氧化物排放不達標等一些原因而被擱置下來。
三菱是現代缸內直噴技術的先行者
得益於電子技術的日新月異發展，汽油缸內直噴技術中關鍵的電控環節有望得以突破。1996年，三菱汽車在當時現有型號為4G93的1.8L發動機基礎上首次加入了電控汽油缸內直噴系統，率先發布了世界首款具有現代技術的缸內直噴式汽油機，並將“GDI”申報為註冊商標，而這款GDI發動機被用於日本銷售的戈藍轎車及歐版Carisma。
由於早期出現的GDI發動機並不完全成熟，其節油優勢並未得到明顯體現，並且排放方面也存在不足，因此並未能收到良好的市場反應。隨後，三菱汽車繼續改良其GDI技術，陸續推出了融入此項技術的6G74和4G15等一系列機型。三菱的各款GDI發動機發佈五年後產量已達百萬臺。
日產/豐田等汽車企業相繼發佈缸內直噴技術
1997和1998兩年間，日產及豐田陸續發佈了自家“NEO-Di”和“D4”直噴技術，直到1999年，雷諾才發佈歐洲首款具有汽油直噴技術的發動機。相比之下，同期的一些其他歐洲車企則走了捷徑：PSA集團向三菱購買了GDI技術用於自家EW10汽油機，並取名為“HPi”技術；與三菱Carisma共享平臺的的第一代沃爾沃S40/V40則是直接搭載了具有GDI技術的4G93發動機；而作為當前廣為人知的大眾FSI汽油直噴技術，據稱在當時研發過程中也是向豐田公司尋求了技術合作。由此可見，在現代汽油缸內直噴技術發展上，日本車企無疑充當了先行者的角色。
首臺結合渦輪增壓和缸內直噴技術發動機源自三菱
2000年，世界首臺結合廢氣渦輪增壓和汽油缸內直噴技術的發動機同樣誕生於三菱，這臺機型依然基於4G93發動機研發而來，僅搭載於帕傑羅iO五門車型，最大功率118kw/5200rpm，最大扭矩220N.m/3500rpm。相比2005年推出的大眾第二代EA888系列1.8TSI發動機，這部面世時間早了五年的首款直噴增壓發動機在賬面數據上並未弱勢多少。
技術特點
簡單瞭解了缸內直噴技術的發展史，很多人肯定會更加想知道為什麼主流汽車企業都在積極研發並量產這種發動機技術，它能給車輛帶來什麼樣的變化？要回答這些我們需要先了解一下在發動機燃油系統供油技術的原理，以及它們存在的問題。
原因一：化油器並不能精確控制油氣混合氣
很多年輕人估計對“化油器”很陌生，甚至從未聽說過，在80-90年代中國道路上絕大部分車型都是使用“化油器”的汽油發動機。最早時候，汽油是通過化油器與空氣進行混合。
對於化油器式發動機而言，被吸入發動機進氣管的空氣流經喉管時因橫截面積減少而流速增加，因此產生負壓將汽油從設在此處的化油器噴口中吸出，汽油進入喉管後被高速氣流霧化隨之蒸發，由此形成油氣混合氣。這種早期的化油器式發動機因為沒有任何電控反饋和執行系統，所以無法對混合氣濃度進行調整和修正，從而導致經濟性和排放性能均不太好，加上喉管本身對進氣氣流的阻礙，動力性也被限制。
原因二：推出“電控化油器”同樣不能實現精確控制
儘管其間還出現過電控化油器的案例，如豐田22R發動機，但也只是通過對阻風門（一種化油器發動機上才存在的閥門，通過其開閉實現對喉管處真空度的調整進而改變混合氣濃度）和節氣門的電子控制來實現特定工況下的混合氣大致調節，並不能實現精確控制。
為了解決化油器的靠負壓吸出形式效率不高的弊端，供油技術變為經油泵加壓後通過噴油器正壓噴出形式。因為取消了化油器中的喉管設計，使得進氣更加順暢，並且一定程度上提升了供油準確性。根據噴油器形式區分，可分為電控汽油噴射和機械汽油噴射兩種，而根據噴油器數量和位置區分，則分為單點式和多點式。
原因三“供油不均”同樣註定單點電噴技術只是一個過渡
相比之下，能夠實現相對精確計量的電控燃油噴射系統則更有優勢。早期出現的是一種相對簡單的單點電噴系統，這種電噴系統僅在節氣門處設有一個電控噴油器，油霧與空氣形成混合氣之後才分別進入每個進氣歧管。由於從噴油器到汽缸之間的距離較長，相當一部分未汽化完全的汽油會附著在進氣管壁面上，從而不能及時進入汽缸，而且也無法確保混合氣在各缸之間的平均分配。
一汽大眾曾少量組裝的都市高爾夫、奇瑞最早生產的SQR7160轎車以及南汽曾推出的英格爾均採用了單點電噴系統，早期國產仿豐田4Y發動機也曾匹配過這種電噴系統。
為了改善各缸之間的供油平衡，上述單點電噴系統逐步被多點電噴系統所取代。多點電噴系統是將噴油器分別設置在各缸進氣歧管或進氣道處，從而實現各缸獨立供油。最初誕生的多點電噴系統採用同時噴射策略，接到噴油指令後，無論對應的進氣門處於開啟或關閉狀態，所有噴油器均同時噴油，這樣就使得進入各缸的混合氣混合程度並不均勻，容易出現某些汽缸碳氫化合物排放過高的情況。為了改善這一情形，後來又出現了兩缸一組的分組噴射模式，而最終則是進化到根據點火順序而決定各缸單獨噴油時刻的順序噴射方案。
儘管位於缸外的汽油噴射技術已經發展到相當成熟和先進的階段，但其一些固有特性依然無法得到改變。對於進氣道噴射方案而言，其噴射壓力較低，僅有3~5bar，在此壓力下噴射出的燃油顆粒直徑約為150~300μm。相對於缸內直噴能達到的150~300μm的燃油顆粒而言，僅有極少部分可以在進入空氣的短暫時間內蒸發，更多部分則是被直接噴射到進氣道壁面和進氣門背面形成液態油膜。這部分液態油膜則主要是通過燃燒室經缸蓋傳遞來的高溫以及氣門疊開（發動機進、排氣門同時開啟的現象）時倒灌至進氣道的廢氣帶來的高溫才得以汽化並與空氣形成混合。
冷機啟動時會有不少碳氫化合物排出
這種油氣混合模式在熱機穩定工況下並無問題，但在車輛突然加速轉速迅速攀升時（噴油量加大且燃油蒸發時間縮短）以及冷機啟動狀況下，則無法保證當前所需的油氣混合氣供應，此時只能以過量噴油的方式來臨時性滿足工況需求。這樣導致的後果便是大量未經燃燒的碳氫化合物隨尾氣直接排出，不僅浪費了燃油，同時造成環境汙染，特別是冷機啟動時三元催化器尚未達到工作溫度，因此排放問題更為突出。
缸內直噴技術的原理能解決電噴的諸多不足
汽油缸內直噴技術就可以規避上述問題的產生，汽油缸內直噴發動機的噴油壓力普遍在100bar以上，甚至可高達200bar，噴射出的燃油顆粒直徑明顯縮減，僅為20μm或更小。這種微小油滴可在極短時間內得到迅速蒸發，因此大大加快了油氣混合氣的生成速率，冷啟動排放問題得以改善，同時還避免了進氣道噴射中那種依靠壁面油膜蒸發導致混合氣濃度不能精確控制的狀況，在車輛瞬態工況改變時可做出及時響應，即油門響應性更好。
缸內直噴技術需要一臺額外的供油裝置
缸內直噴需要高壓油軌等一系列附件
汽油缸內直噴技術，就是將汽油像柴油那樣直接注入汽缸，這是相對於前面所說電噴等缸外噴射而言的。相比缸外噴射系統，缸內直噴系統主要增加了一套高壓供油裝置，同時噴油器也因為要適應極高油壓以及汽缸內惡劣工作環境而做出調整。汽油缸內直噴系統的供油過程為：汽油被低壓油泵從油箱內抽出，經低壓油管進入被凸輪軸驅動的高壓油泵進行加壓，加壓之後的高壓汽油經高壓油管到達高壓油軌，經過壓力調整之後送入各缸噴油器，然後根據各缸工作需要從伸入燃燒室內部的噴油器末端噴出，而這整個過程的一切指令均由發動機電控管理單元發出。
缸內直噴進一步提升了發動機的效率
缸內直噴發動機熱效率相對更高
眾所周知，提高壓縮比是提升汽油機熱效率的有效途徑，但限制這一途徑的一個重要原因就是爆震。爆震是指在壓縮行程中，燃燒室溫度升高導致火花塞尚未點火混合氣就已自燃，燃燒火焰異常傳播致使發動機出現功率下降、油耗上升以及異常抖動等不良工況的現象。
對於高壓縮比汽油機而言，壓縮行程末端溫度更高，更容易促使爆震現象的產生，而汽油缸內直噴技術恰好可以有效解決這一問題。這是因為注入汽缸的液態汽油汽化蒸發的過程可以大量吸熱，使得壓縮行程結束時的混合氣溫度顯著降低，所以壓縮比將有進一步提升的潛力。
為什麼渦輪增壓要與缸內直噴相結合？
若是在進氣過程中進行噴油，進氣溫度也會隨之降低，充氣效率則將相應提高。由於經過增壓器加壓的空氣即便在通過中冷器冷卻之後依然會有較高的溫度，因此直噴汽油機的這一特性對於增壓發動機更為適用，事實上我們也能經常見到增壓發動機與缸內直噴技術配合使用的案例，如大眾TSI、福特EcoBoost、PSA THP等。
缸內直噴的最終目的是實現“稀薄燃燒”
提到稀薄燃燒首先需要說明空燃比的概念，理論上講，只有14.7單位質量的空氣與1單位質量的汽油混合時，即空燃比14.7:1，才能實現完全燃燒。然而根據研究發現，空燃比大於這個理論值時，通常稀薄燃燒模式下空燃比會高於25:1，也有達到65:1或者更高比值的情況，發動機的燃油經濟性會得以提高，其原因在於：
1、燃油在過量空氣環境中可以實現充分燃燒；
2、稀薄混合氣絕熱指數較高，同時燃燒又主要在燃燒室中央進行，通過汽缸壁面散失的熱損失較少；
3、稀薄燃燒過程溫度較低，熱量散失同樣因此減少；
4、所需空氣量大，節氣門開度可相應加大，泵氣損失降低。
儘管有著省油的優勢，但空燃比太大的過稀混合氣並不容易被點燃，於是人們想到了採用先點燃局部濃混合氣，再借其火焰引燃周圍稀混合氣的分層燃燒方式。正是由於汽油缸內直噴技術可在進氣及壓縮行程內進行任意時刻噴射及多次噴射的特性，因此可實現上述混合氣由濃至稀的分層分佈，以達到稀薄燃燒的效果。
實現混合氣分層兩種方法：特殊機械設計或多次噴射
對於直噴汽油機，在燃燒室中形成分層混合氣的方法通常有兩種：第一種是在壓縮行程後段，噴油器開始向汽缸內噴射汽油。由於進氣道和活塞頂部的特殊設計，使得空氣在活塞上行過程中於燃燒室內形成預定滾流，噴出的油束遇到空氣滾流之後，外層迅速形成較稀的油氣混合氣，而滾流中央包裹的較濃混合氣則被推向火花塞，從而形成由內向外的分層混合氣，實現稀薄燃燒。這種方式需要對進氣道和活塞頭部進行特殊設計，90年代的三菱GDI技術以及大眾早期用於Lupo的FSI技術均為這種形式。
通過單個工作循環內多次噴油的方式也可實現混合氣分層
第二種則是當前採用較多的多次噴射方式。噴油器在進氣行程即進行第一次噴油（前文已經說過，此時噴油也可以降低進氣溫度，提高充氣效率）；壓縮行程，第一次噴出的燃油已經形成均勻的稀混合氣，此時進行第二次噴油，使燃燒室中央區域混合氣加濃；待活塞臨近上止點時，通過加大量噴油量以在火花塞周圍形成可燃濃混合氣，同樣實現了混合氣分層分佈，而且活塞頭部也無需特殊設計。如今奔馳CGI技術以及寶馬汽油直噴技術等採用的正是這種形式。
缸內直噴技術弊端制約它的普及
儘管採用汽油缸內直噴的稀薄燃燒技術在提升燃油經濟性方面有著顯著優勢，但同時也存在一些明顯的負面效應。
弊端一：壓縮行程末端噴射的燃油由於時間太短並不能得到充分汽化，導致碳氫化合物及碳顆粒排放會增加；
弊端二：燃燒室處於富氧環境，易產生氮氧化物；
弊端三：燃燒溫度較低，三元催化器並不能達到很好的工作溫度，對有害介質的轉化不完全；
弊端四：廢氣中大量殘存的氧氣會降低氮氧化物的轉化效率；
弊端五：對於油品適應能力差，汽油中的硫會毒害氮氧化物催化裝置。
因為缸內直噴特點導致它在排放等方面存在著需要改進的地方，正是這些短處也導致了稀薄燃燒技術不能在中國地區得大範圍普及。
總結：
雖然汽油缸內直噴也存在不少問題，但是在減少特定情況下碳氫化合物排放、降低油耗以及提升動力等方面具有優勢，而且研究表明，增大EGR（廢氣再循環）程度以及通過VVT系統的調節，同樣能夠實現接近稀薄燃燒的節油效果，並且尾氣處理也會更加容易。
內燃機技術經歷百餘年發展至今，已經在動力性、經濟性、排放性能及運轉平順性等各方面有了質的飛躍，然而現今絕不是內燃技術發展的頂峰和終點。隨著油耗及排放法規的進一步嚴格，各種應運而生的技術方案勢必會將未來內燃機熱效率及排放水平方面提高到新的層次。
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