直噴發動機大約在2000年以後開始大批量進入市場，尤其是從2005年後渦輪增壓直噴小型化發動機逐漸占據統治地位，均質燃燒的直噴發動機由于其一系列優勢逐漸被大家接受，成為先進噴射系統的代名詞。

現在基本上所有的新發動機都宣稱自己采用了先進的直噴技術。

但是最近幾年直噴系統有了一些新的發展，我們看到越來越多的雙噴射系統進入市場。

從最早進入的大衆EA888 GEN3發動機和豐田的D4ST 2.OT發動機到最近一年福特推出的1.5T三缸，三菱推出的4B系列1.5T發動機以及日産推出的可變壓縮比VC TURBO 2.0T發動機都采用了雙噴射系統，可以說雙噴射系統已經成為直噴發動機發展的最新趨勢，下面我們就來分析一下雙噴射系統的前世今生。

EA888 GEN3發動機的雙噴射系統

日産VC TURBO 2.0T發動機的雙噴射系統

三菱4B40 1.5T發動機采用的雙噴射系統

一、 雙噴射系統的誕生

在故事開始之前先說一下什麼是雙噴射系統，雙噴射系統就是每個氣缸有兩個噴嘴一個GDI直噴噴嘴再加一個PFI氣道噴射噴嘴。相對于直噴系統額外增加了一套傳統的PFI氣道噴射噴嘴。

說道雙噴射系統的誕生還要回到2005年，當時豐田工程師正在為美國市場開發2GR FSE的3.5L V6發動機，主要匹配雷克薩斯GS350和IS350車型。

當時美國的排放法規已經相當嚴格了，豐田的工程師為了應對當年美國的超低排放法規ULEV，在當時的直噴發動機D-4的基礎上上增加了氣道噴射噴嘴，首次提出了雙噴射的概念。

經過一系列的開發和驗證，豐田認為雙噴射系統在解決排放問題方面非常有潛力，并将這一系統批量投入市場，他們将這一系統命名為D-4S。

為了應為北美ULEVII而開發的2GR-FSE(D-4S)發動機

豐田在D-4直噴發動機的基礎上增加了氣道噴射噴嘴并命名為D-4S

豐田D-4噴射系統和D-4S噴射系統的曲邊

豐田2GR-FSE發動機

雷克薩斯GS350配備2GR-FSE發動機

二、 直噴系統的優勢和問題

自從豐田2GR FSE首次嘗試雙噴射系統後的很多年中大家似乎忘記了這一技術，直噴系統逐漸占據了主流。

随着2014年開始實施的歐6法規中開始對汽油機的顆粒物也進行限制，同時實際駕駛工況排放RDE的要求也讓顆粒物排放控制的技術難度變得非常大，此時發動機工程師才突然發現雙噴射系統在排放上的優勢如此明顯，大衆最先在自己的EA888 GEN3發動機上重新引入了雙噴射系統。

此時距豐田在北美發布第一個雙噴射系統D-4S已經過去了快10年了。雙噴射系統逐漸又回到了大家的視線之中，并成為一種新的技術發展趨勢。

歐6法規中顆粒物數量排放PN從2017年開始加嚴到原來的1/10

RDE排放将直接在實際道路上進行排放測試

大衆EA888 GEN3發動機的雙噴射系統

（一）我們來看看直噴系統有哪些優勢和問題

1、先說直噴系統的優勢

（1）直噴可以降低爆震傾向

直噴系統直接将汽油噴射到缸内，汽油在缸内蒸發，能夠降低缸内溫度，可以降低汽油機的爆震傾向，尤其是對增壓發動機，這樣可以進一步提高發動機的功率和扭矩。

（2）直噴可以獲得更高的充氣效率

直噴發動機在直接噴射汽油到缸内，減少了氣道噴射過程中汽油在進氣道蒸發所占用的充氣體積。有助于提高發動機充氣效率，提升發動機性能。

（3）直噴的多次噴射可以改善燃燒

直噴噴油器的反應速度非常快，可以實現多次噴射，而且可以在壓縮沖程實現噴射，這比氣道噴射有很大的優勢。直噴系統的燃油噴射正時可以比較自由控制，實現進氣和壓縮沖程中的多次噴射，目前最多可以達到5次噴射，有利于改善燃燒，降低排放。

直噴發動機多次噴射的策略

2.再說一下直噴系統的缺點：

（1）和PFI氣道相比，GDI更容易産生顆粒物排放，主要原因有兩點：

其一是由于直噴發動機汽油直接噴射在缸内，用于汽油蒸發和空氣混合的時間很短，需要非常好的氣道設計和缸内空氣流動組織才能實現比較好的混合，但是這是很困難的，難免會出現局部的汽油和空氣混合不均勻的問題，這是顆粒物産生的根源之一。

直噴發動機氣道滾流的設計優化

直噴增壓發動機和自然吸氣發動機對氣流運動的要求不同

其二是由于直噴系統直接将汽油噴射到缸内，這樣汽油很難避免噴射到缸孔和活塞頂部以及活塞和缸壁的縫隙中，從而形成濕壁效應，這些在氣缸和活塞壁面的汽油由于無法參與燃燒也容易形成顆粒物排放。

直噴系統的汽油會噴射到活塞頂部和缸孔表面

噴射時刻的選擇對濕壁的影響

（2）直噴更容易産生機油稀釋的問題

本田1.5T的機油增多問題使機油稀釋這一發動機開發中的概念被大家所熟知。直噴發動機相對于氣道噴射發動機更容易産生機油稀釋，這主要是由于直噴系統在中小負荷，特别是冷機情況下，更容易産生油束直接接觸缸壁和活塞後無法充分蒸發，随活塞環刮油效應進入油底殼的機油中。 如果，這部分汽油不能及時的蒸發出來就會引起機油增多。

直噴在缸壁和活塞上形成的濕壁效應

（3）直噴系統更容易産生氣門積碳

直噴GDI系統的汽油直接被噴到了缸内，而氣道噴射PFI發動機噴油器是将汽油噴到進氣門背面進行蒸發的。由于汽油可以不斷的清晰氣門表面，因此積碳不會聚集。而直噴發動機氣門沒有汽油清洗，所以更容易積碳。

氣道噴射和直噴噴射位置的區别

典型的直噴汽油機氣門積碳的情況

（4）直噴發動機怠速噪聲更大

大家都有感覺直噴發動機的噪聲會略大，尤其是在怠速的情況下，大家會聽到直噴發動機發出的獨特的“哒哒”聲。

這主要是因為高壓直噴系統在工作時，即使在怠速狀态，一般汽油的噴射壓力也能達到50bar，高壓油泵和噴油器的噪聲比較大。而PFI氣道噴射系統一般最高的噴射壓力也不會超過5bar，不需要高壓油泵，因此PFI發動機怠速比較安靜。而直噴發動機怠速時的“哒哒”聲比氣道噴射系統要大很多。

三、雙噴射系統相對于直噴系統的優勢和挑戰

1、雙噴射系統的優勢

（1）在中低負荷采用PFI可以大幅度的降低顆粒物排放。在中大負荷又可以發揮直噴的各種優勢。典型的雙噴射系統控制策略：在小負荷時采用氣道噴射噴嘴，在大負荷時采用GDI直噴噴嘴，中間負荷兩種噴嘴共同工作。冷機狀态和暖機狀态的可以采用不同的策略，冷機的時候更多的采用PFI氣道噴射噴嘴來降低顆粒物排放。

（2）雙噴射系統還能降低中小負荷的油耗，在中小負荷采用PFI系統的時候，GDI噴嘴不工作高壓油泵驅動力變小，這樣可以降低摩擦阻力，減少油耗。

（3）由于在中小負荷采用PFI氣道噴射，氣門積碳可以被氣道噴射的汽油清洗掉，可以解決氣門積碳問題。

（4）在冷機狀态小負荷時采用PFI氣道噴射，可以有效地避免機油稀釋。

（5）怠速時可以隻采用PFI氣道噴射系統，高壓油泵在非常低的油壓工作，直噴噴油器不工作，因此噪聲會明顯降低。

2、 雙噴射系統的挑戰

（1） 直噴噴油器的冷卻問題

雙噴射的策略有一定的局限性，主要是直噴噴油器直接和高溫燃氣接觸，實際上需要燃油來冷卻，特别是在中大負荷燃燒溫度很高的時候，就必須讓直噴噴油器工作，否則溫度過高會引起噴油器結焦，這限制了PFI工作的區域，隻能在中低負荷使用。

（2）控制系統的複雜性

雙噴射系統由于有兩套噴射系統需要控制，因此對發動機控制器ECU的要求會提高，尤其是在控制策略和标定方面難度很大。因此國内目前很多主機廠也在研究雙噴射系統但遲遲還沒有能夠推出量産的産品。

（3）成本提升

雙噴射系統剛開始開發的時候被認為是解決顆粒物排放的優勢技術，當時認為采用雙噴射系統以後就可以不使用汽油機顆粒捕集器GPF就可以解決汽油機的顆粒物排放問題。

但是随着歐洲RDE實際道路駕駛排放法規的提出和大衆柴油門的巨大影響，目前沒有任何公司敢于在歐6d的RDE排放要求下不使用汽油機顆粒捕集器GPF。即使是在歐洲最早推廣雙噴射的大衆也宣稱未來所有的汽油機都會配備GPF。因此雙噴射系統會帶來一定的成本上升。

汽油機顆粒捕集器GPF

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