缸內(nèi)直噴技術(shù)，又稱FSI(Fuel Stratified Injection)，即燃料分層噴射技術(shù)，是指將噴油嘴設(shè)置在進(jìn)排氣門之間，高壓燃油直接注入燃燒室平順高效地燃燒，缸內(nèi)直噴所宣揚(yáng)的是通過均勻燃燒和分層燃燒實(shí)現(xiàn)了高負(fù)荷、尤其是低負(fù)荷下的燃油消耗降低，動(dòng)力還有提升的一種技術(shù)。該技術(shù)由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)衍生而來，可以進(jìn)一步提高汽油機(jī)熱效率與降低汽油機(jī)排放，目前已大量使用。
缸內(nèi)直噴技術(shù)在大眾集團(tuán)集團(tuán)中被廣泛運(yùn)用，由Audi RS4和R8共享的4.2升FSI發(fā)動(dòng)機(jī)即是其中性能強(qiáng)悍的代表作。
基本概念
缸內(nèi)直噴又稱FSI(燃料 Stratified Injection)，即燃料分層噴射技術(shù)，代表著傳統(tǒng)汽油引擎的一個(gè)發(fā)展方向。傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是通過電腦采集凸輪位置以及發(fā)動(dòng)機(jī)各相關(guān)工況從而控制噴油嘴將汽油噴入進(jìn)氣歧管。但由于噴油嘴離燃燒室有一定的距離，汽油同空氣的混合情況受進(jìn)氣氣流和氣門開關(guān)的影響較大，并且微小的油顆粒會(huì)吸附在管道壁上，所以希望噴油嘴能夠直接將燃油噴入汽缸。在2000年到2013年各汽車廠商采用的發(fā)動(dòng)機(jī)科技中，最炙手可熱的技術(shù)非缸內(nèi)直噴莫屬。這套由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)衍生而來的科技目前已經(jīng)大量使用在包含大眾（含奧迪）、寶馬、奔馳、通用以及豐田汽車車系上。
各廠商缸內(nèi)直噴技術(shù)英文縮寫：大眾：TSI（其中T代表渦輪增壓）、奧迪：TFSI/FSI、梅賽德斯-奔馳：CGI、寶馬：GDI、通用：SIDI、福特：GDI、比亞迪：TI。
工作原理
這一技術(shù)是用來改善傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)供油方式的不足而研制的缸內(nèi)直接噴射技術(shù)，先進(jìn)的直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)采用類似于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的供油技術(shù)，通過一個(gè)活塞泵提供所需的100bar以上的壓力，將汽油提供給位于汽缸內(nèi)的電磁噴射器。然后通過電腦控制噴射器將燃料在最恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間直接注入燃燒室，其控制的精確度接近毫秒，其關(guān)鍵是考慮噴射器的安裝，必須在汽缸上部留給其一定的空間。由于汽缸頂部已經(jīng)布置了火花塞和多個(gè)氣門，已經(jīng)相當(dāng)緊湊，所以將其布置在靠近進(jìn)氣門側(cè)。由于噴射器的加入導(dǎo)致了對(duì)設(shè)計(jì)和制造的要求都相當(dāng)?shù)母撸绻贾貌缓侠怼⒅圃炀冗_(dá)不到要求導(dǎo)致剛度不足甚至漏氣只能得不償失。另外FSI引擎對(duì)燃油品質(zhì)的要求也比較高，目前國(guó)內(nèi)的油品狀況可能很難達(dá)到FSI引擎的要求，所以部分裝配了FSI的進(jìn)口高爾夫出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的水土不服。
FSI技術(shù)采用了兩種不同的燃燒模式，即均質(zhì)燃燒模式和分層燃燒模式。均質(zhì)燃燒模式是指在進(jìn)氣行程后期向燃燒室內(nèi)噴入燃油，在進(jìn)氣行程與壓縮行程中完成與空氣的充分混合，并在點(diǎn)火時(shí)刻使缸內(nèi)形成較為均勻的混合氣，確保穩(wěn)定點(diǎn)火。分層燃燒模式是指在壓縮行程噴入燃油，隨著壓縮行程的進(jìn)行，燃油與空氣混合，直至點(diǎn)火時(shí)刻，從火花塞處至缸壁，燃油濃度由濃到稀，保證有效點(diǎn)火，火焰?zhèn)鞑ヒ舱＃瑥亩岣呷加徒?jīng)濟(jì)性。
發(fā)動(dòng)機(jī)低速或中速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)采用分層注油模式。此時(shí)節(jié)氣門為半開狀態(tài)，空氣由進(jìn)氣管進(jìn)入汽缸撞在活塞頂部，由于活塞頂部制作成特殊的形狀從而在火花塞附近形成期望中的渦流。當(dāng)壓縮過程接近尾聲時(shí)，少量的燃油由噴射器噴出，形成可燃?xì)怏w。這種分層注油方式可充分提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速較低、負(fù)荷較小時(shí)，除了火花塞周圍需要形成濃度較高的油氣混合物外，燃燒室的其它地方只需空氣含量較高的混合氣即可，而FSI使其與理想狀態(tài)非常接近。當(dāng)節(jié)氣門完全開啟，發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，大量空氣高速進(jìn)入汽缸形成較強(qiáng)渦流并與汽油均勻混合。從而促進(jìn)燃油充分燃燒，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。電腦不斷的根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況改變注油模式，始終保持最適宜的供油方式。燃油的充分利用不僅提高了燃油的利用效率和發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出而且改善了排放。
技術(shù)發(fā)展
在電子控制技術(shù)不斷的演進(jìn)之下，引擎控制系統(tǒng)得以透過綿密的感知器網(wǎng)路，隨時(shí)監(jiān)控引擎運(yùn)作的狀況，即時(shí)調(diào)整供油量，使得新鮮空氣與燃料的比例，能保持在最佳的14.7:1之下，讓所提供的燃油都能達(dá)成最佳的燃燒效果。一如我們之間所提到的，空氣與燃油的比例若能夠保持在14.6:1的比例之下，將能獲得理論上最為完美的燃燒效果，自然亦能輸出最大的動(dòng)力。但這樣的設(shè)定，亦代表著，燃油的使用有著一定的物理極限，將無法進(jìn)一步降低。面對(duì)著人口越來越多、石油越來越少的狀況，歧管噴射系統(tǒng)遇到了瓶頸，即便電腦控制的精度越來越高、噴油嘴的霧化效果越來越好、甚至將每一汽缸的噴油獨(dú)立。但種種更為精密的控制，仍無法滿足新時(shí)代的要求。全球的科學(xué)家與工程師無不絞盡腦汁，希望能想出更為節(jié)省能源的方式，希望能讓同樣的燃油，可以輸出更大的動(dòng)力、行駛更遠(yuǎn)的里程。而稀薄燃燒以及缸內(nèi)燃油直噴的技術(shù)就在這樣的情形之下被提了出來。
為了達(dá)成節(jié)省能源的目標(biāo)，科學(xué)家將空氣與燃油的比例大幅下降，發(fā)展出不同于傳統(tǒng)的歧管直噴技術(shù)，這便是稀薄燃燒技術(shù)。
稀薄燃燒技術(shù)的原理：使用稀薄燃燒技術(shù)的引擎，噴油嘴的位置不再位于進(jìn)氣歧管當(dāng)中，而是置于氣缸內(nèi)，將燃油直接噴注于燃燒室。
稀薄燃燒技術(shù)的要素：
汽車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)稀燃的關(guān)鍵技術(shù)歸納起來有以下三個(gè)主要方面：
一，提高壓縮比。采用緊湊型燃燒室，通過進(jìn)氣口位置改進(jìn)使缸內(nèi)形成較強(qiáng)的空氣運(yùn)動(dòng)旋流，提高氣流速度；將火花塞置于燃燒室中央，縮短點(diǎn)火距離；提高壓縮比至13：1左右，促使燃燒速度加快。
二，分層燃燒。如果稀燃技術(shù)的混合比達(dá)到25：1以上，按照常規(guī)是無法點(diǎn)燃的，因此必須采用由濃至稀的分層燃燒方式。通過缸內(nèi)空氣的運(yùn)動(dòng)在火花塞周圍形成易于點(diǎn)火的濃混合氣，混合比達(dá)到12：1左右，散逸層逐漸稀薄。濃混合氣點(diǎn)燃后，燃燒迅速波及外層。為了提高燃燒的穩(wěn)定性，降低氮氧化物（NOx），現(xiàn)在采用燃油噴射定時(shí)與分段噴射技術(shù)，即將噴油分成兩個(gè)階段，進(jìn)氣初期噴油，燃油首先進(jìn)入缸內(nèi)下部隨后在缸內(nèi)均勻分布，進(jìn)氣后期噴油，濃混合氣在缸內(nèi)上部聚集在火花塞四周被點(diǎn)燃，實(shí)現(xiàn)分層燃燒。
三，高能點(diǎn)火。高能點(diǎn)火和寬間隙火花塞有利于火核形成，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短，燃燒速度增快，稀燃極限大。有些稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙火花塞或者多極火花塞裝置來達(dá)到上述目的。
使用稀薄燃燒的引擎，在進(jìn)氣行程中并不進(jìn)行供油，而是在壓縮行程后段才進(jìn)行供油，利用高壓的供油泵以及特殊的噴油嘴設(shè)計(jì)，將油氣有效地集中在火星塞附近，讓燃油一口氣地點(diǎn)燒，達(dá)成最佳的燃燒效果，而空氣與燃油的比例，最多可以降低至40:1以下，大幅降低了引擎運(yùn)轉(zhuǎn)的油耗。而為了讓燃油能夠精確地集由在火星塞的附近，使用稀薄燃燒技術(shù)的引擎，便需要導(dǎo)入缸內(nèi)燃油直噴技術(shù)，以便在壓縮行程進(jìn)行供油，并配合特殊的活塞造型，以達(dá)成油氣導(dǎo)引的目的。
然而，使用稀薄燃燒的技術(shù)，雖然能在燃油使用上有大幅度的節(jié)省，但是在需要大動(dòng)力輸出的狀況之下，則并無法有效的滿足。同時(shí)大量的燃油集由在火星塞附近點(diǎn)燃，將造成局部溫度過高，使得同樣導(dǎo)入汽缸內(nèi)的氮?dú)?/a>與氧氣發(fā)生作用，產(chǎn)生過多的氮氧化物，造成污染。而這些問題，在經(jīng)過多年的研發(fā)之后，透過更精密的控制以及最新的觸媒科技，均獲得了有效的解決，亦讓凌志決定將缸內(nèi)燃油直噴技術(shù)導(dǎo)入在3GR-FSE引擎之上，推出第1款商品化的缸內(nèi)直噴引擎產(chǎn)品。
關(guān)鍵部件
氣缸蓋
氣缸蓋是 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，尤其是缸蓋中燃燒室部分及氣道結(jié)構(gòu)對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)、混合氣形成、火焰?zhèn)鞑サ绕鹬陵P(guān)重要的作用。
進(jìn)氣管
對(duì)于采用分層燃燒模式的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)，為了增加進(jìn)氣充量及增強(qiáng)進(jìn)氣滾流，不但對(duì)進(jìn)氣管的管徑、管長(zhǎng)、諧振腔的容積有特殊的要求，而且往往增加可變滾流和可變管長(zhǎng)等結(jié)構(gòu)。這樣不但進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，制造成本較高，而且性能開發(fā)和匹配標(biāo)定的難度也較大。而對(duì)于同時(shí)采用渦輪增壓的缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)來說，由于進(jìn)氣增壓的作用，在發(fā)動(dòng)機(jī)大部分工況下進(jìn)氣管內(nèi)均為正壓，一般可達(dá) 0.2MPa 左右，對(duì)進(jìn)氣管的強(qiáng)度要求高，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)本體或整車需要另外增設(shè)真空泵滿足系統(tǒng)對(duì)真空度的需求。
高壓油泵
GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油壓力一般在 10-15MPa 左右，以保證燃油霧化質(zhì)量及合適的貫穿距離。高壓油泵一般由安裝在進(jìn)氣凸輪軸上的 4 山凸輪驅(qū)動(dòng)，升程在 2.5-4mm 之間，升程對(duì)高壓油泵的選擇十分重要，直接影響著冷起動(dòng)時(shí)直噴系統(tǒng)的建壓時(shí)間，升程需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能需求、滾輪挺柱壽命、驅(qū)動(dòng)凸輪型線及制造工藝等因素綜合設(shè)計(jì)，一般 3.5mm 左右的升程即可滿足使用需求。
噴油器
噴油器是直噴系統(tǒng)的核心部件，噴油器在燃燒室內(nèi)的布置方式、噴嘴結(jié)構(gòu)形式、油束的噴霧形狀都直接影響燃油的霧化、油氣混合及燃燒過程，最后影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。另外噴油器噴嘴置于燃燒室內(nèi)，受燃油品質(zhì)量影響較大。如果燃油的油品質(zhì)不好，燃燒不充分，極易生成積碳并堵塞噴嘴，影響噴霧質(zhì)量及噴油器自身的壽命。
活塞
缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞頂面形狀對(duì)燃燒室內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)及混合氣的形成有很大的影響，因此缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)都將活塞作為關(guān)鍵部件進(jìn)行重點(diǎn)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。無論是壁面引導(dǎo)、氣流引導(dǎo)還是噴射引導(dǎo)，都需要特殊的活塞頂面凹坑相適應(yīng)，從而達(dá)到較為理想的油氣混合效果，形成油氣濃度的均質(zhì)分布或梯度分布，保證燃燒的順利進(jìn)行。
問題及難點(diǎn)
燃燒系統(tǒng)
燃燒系統(tǒng)的開發(fā)是 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的核心部分，如何提高容積效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗暴性，并能夠?qū)崿F(xiàn)高效的、快速的燃燒，同時(shí)兼顧在分層燃燒模式和均質(zhì)燃燒模式下的燃燒穩(wěn)定性，對(duì) GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室形狀、噴霧形態(tài)及氣流組織等方面提出了更高的要求。
燃油系統(tǒng)
GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射壓力在 10-15MPa 左右，最大可達(dá) 20MPa,遠(yuǎn)高于 PFI 發(fā)動(dòng)機(jī) 0.3-0.4MPa 的燃油噴射壓力，對(duì)高壓油軌的材料和可靠性要求較高。另外噴油器直接深入燃燒室內(nèi)，工作溫度在 500-1100℃,而噴嘴的孔隙為微米級(jí)，汽油中硫燃燒形成的硫酸鹽類化合物及芳香烴燃燒不完全形成的黑色碳煙易堵塞噴嘴，影響霧化效果，加大噴油噪聲。同時(shí)燃油系統(tǒng)壓力高，各部件的磨損增加，導(dǎo)致潤(rùn)滑效果下降。
排放及后處理系統(tǒng)
GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)采用分層燃燒模式時(shí)，由于在壓縮行程后期噴入燃油，燃油和空氣沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行混合，使得燃油蒸發(fā)慢，同時(shí)形成的可燃混合氣在燃燒室內(nèi)分布很不均勻，存在部分區(qū)域的油氣濃度偏大，進(jìn)而在這些區(qū)域產(chǎn)生的 NOx 增加。另外,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分運(yùn)行工況都處于部分負(fù)荷，燃燒經(jīng)常在過量空氣系數(shù)較大的條件下進(jìn)行，導(dǎo)致排氣中含氧量較多且排氣溫度較低，在中、小負(fù)荷時(shí) HC、顆粒排放物增加，三元催化器達(dá)不到最佳的轉(zhuǎn)化溫度，對(duì)氮氧化物的轉(zhuǎn)化效率低，難以滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)。
電控系統(tǒng)及標(biāo)定
GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)電控系統(tǒng)要求高，為了達(dá)到均質(zhì)燃燒或分層稀薄燃燒所要求的噴霧質(zhì)量、靈活的噴油定時(shí)和點(diǎn)火正時(shí)，實(shí)現(xiàn)不同燃燒模式下轉(zhuǎn)矩的平順過度，需采用精度高、響應(yīng)快的柔性控制策略，開發(fā)和標(biāo)定難度大，標(biāo)定周期長(zhǎng)，一般需要 8-10 個(gè)月。
增壓系統(tǒng)
對(duì)于匹配有渦輪增壓器的 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣經(jīng)廢氣渦輪強(qiáng)制性增壓后，壓縮過程和燃燒時(shí)，燃燒室的溫度和壓力都會(huì)大幅增加，爆燃傾向增大，而降低壓縮比又會(huì)造成燃燒不充分，性能指標(biāo)下降；另外由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，空氣流量變化較大，易造成渦輪增壓器反應(yīng)遲滯，致使低轉(zhuǎn)速工況動(dòng)力性不足，同時(shí)渦輪易積碳，增加噪聲及影響可靠性。
不規(guī)則燃燒現(xiàn)象
采用增壓直噴技術(shù)后，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷和爆發(fā)壓力相比 PFI 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)有大幅提高，爆轟傾向加大。同時(shí)也存在擴(kuò)散燃燒現(xiàn)象和早燃現(xiàn)象，擴(kuò)散燃燒引起碳煙排放，而早燃則引起破壞性更強(qiáng)的超級(jí)爆震，這些都需要在開發(fā)中引起關(guān)注。
參考資料 >