浅谈汽油发动机直喷技术
摘 要：缸内直喷技术与采用歧管喷射的汽油发动机同期逐步发展，后来尘封，上世纪九十年代，油价高企和环保的要求越来越严格，而直喷燃烧效率很高，非常省油，它开始回归，渐渐成为主流。本文先介绍了汽油机缸内直喷技术的发展历史和技术的特点。研究了FSI发动机分层燃烧模式、均质稀燃模式和均质燃烧模式。还介绍了国内汽车市场汽油机直喷技术的应用。未来随着科技的发展，国内的油品改善，缸内直喷汽油机有可能成为汽车标配。
关键词：缸内直喷 FSI 分层燃烧 匀质燃烧 应用
引言
与采用歧管喷射的汽油发动机同期逐步发展的，后来尘封的缸内直喷技术，由于油价高企和环保的要求越来越严格，而直喷燃烧效率很高，非常省油于上世纪九十年代，开始回归，现在渐渐成为主流。缸内直喷汽油机喷嘴被布置在气缸内，汽油直接喷入缸内与空气混合，为改善燃油雾化，喷射压力也相应提高，对喷油控制更精确，并且消除了缸外喷射的缺点。同时，燃
油和空气在缸内混合充分、均匀是通过特别的结构设计来保证，它的燃油燃烧充分，热效率更高。当然，缸内直喷发动机也有局限性，易受汽油和机油质量的好坏影响。
一、汽油发动机缸内直喷技术的历史
1917年缸内直喷汽油发动机便被研发出来，被装配到军用快艇，由于不能解决过热的问题，试验结果没能令人满意。在接下来的20年里，这项技术在不断完善的过程，其可行性已被证实，它主要应用于航空领域，德国的一些公司，如宝马，奔驰，博世，西门子也投入了研发实力。1951年，博世在法兰克福汽车展上展示了其用于二冲程 Gutbrod Superior 600 车型的汽油缸内直喷系统。同年Goliath 在其GP700车型上配备相同的喷射系统， 并于1953年至1955年期间进行量产。世界上第一辆采用缸内直喷四冲程汽油发动机的跑车奔驰300SL于1955年诞生，经过对比试验这种发动机很省油，最大功率也提高了。缸内直喷技术，虽然很早发明和大规模生产，也很省油，但成本比当时同期逐步发展的采用歧管喷射的汽油发动机高，而且当时汽油价格低廉，因此，歧管喷射方式的汽油发动机被大量采用，缸内直喷技术当时没有成为主流被尘封。后来，在汽油价格和排放法规的压力下，缸内直喷技术返回人们视线。1996 年三菱公司开始研制代号为4G93的1.8L最大输出功率为110千瓦、最大扭矩为1
78牛米的直列四缸直喷发动机。接着的两年，日产直喷发动机VQ30DD和丰田公司D-4直喷技术也相继研发了。2000年德国大众汽车公司开始在汽车上应用缸内直喷技术，2002年3月Audi第一款采用直喷技术的批量生产车型A2 1.6FS在日内瓦车展展出的；Audi品牌车型中使用了分层燃烧（FSI）技术，不过分层燃烧技术却没有能够取得成功，后来没被采用；装备1.8升 CGI缸内直喷汽油机的奔驰C200 CGI轿车在2002年末上市 [1]。很多公司研发的汽油机缸内直喷系统名字不同，象Bosch公司的Motronic MED7汽油直喷系统，Audi公司研发的FSI系统，梅赛德斯-奔驰研发的CGI系统，菲亚特公司研发的JTS系统 [2]。
二、汽油发动机直喷技术的优缺点
1.优点：直喷发动机高压燃油喷入燃烧室，是以细小的雾状进入的，当它蒸发时吸收热量，可冷却气缸；能稀薄燃烧，可提高燃烧效率20% ，进气量比传统发动机多，燃烧充分，减少了C0的产生。
2.缺点：分层燃烧在技术上对于缸内直喷发动机的来说不容易的实现。由于汽油自润滑性不良，燃油喷射系统和发动机气缸磨损，油品制造质量的差异，国内一般是均质燃烧；采用分层燃烧时，废气中产生大量的NOX ，原来的三元催化器不适用，需要研发专用的稀燃氮氧
化物催化转化器；根据最新的研究，与传统发动机相比，缸内直喷汽油机颗粒物排放要高很多倍；汽油可以溶解积碳，缸内直喷发动机积碳主要形成在进气门，因为它的喷油嘴直接探入气缸，无法清洁进气门积碳。
三、汽油直喷发动机（FSI）混合气的形成原理
FSI是Fuel Stratified Injection的字母缩写，意思是燃料分层喷射技术[3]。FSI技术是指改变传统的供油方式，喷油器将汽油直接喷入缸内，可燃混合气在气缸内形成。FSI发动机从理论上说至少有两种燃烧模式：分层燃烧与均质燃烧，均质燃烧模式也被分为均质稀燃模式和均质燃烧模式。均质燃烧可看成普通的燃烧方式，燃油和空气混合形成一定浓度的可燃混合气，空燃比相同，火花塞跳火可混合气燃烧。因为在较长一段时间内混合气形成，燃料和空气混合充分，燃烧更均匀，从而获得的输出功率较大。分层燃烧的燃烧室内，各处混合气的空燃比不同，在火花塞周围的混合气浓度要高于其他地方，在火花塞周围混合气，就可以快速燃烧，并促进了距离较远的较稀的混合气的燃烧，该燃烧模式被称为“涡轮增压发动机优缺点分层燃烧”。均质燃烧是为了在高速行驶和加速时获得到大功率；分层燃烧的目的是为了在低转速和低负荷时省油。
分层燃烧：燃烧效率高、节流损失低、很少的燃料转化为成尽可能多的工作能量。分层的燃烧模式中，节气门没有完全打开，确保进气管有一定程度的真空（能控制活性碳罐与EGR装置）。此时，燃料喷射量决定发动机扭矩和进气量、点火提前角无关。在进气的过程中，气门开度是比较大的，减少节流损失的一部分。进气过程的关键在于一个翻板装在进气歧管中，板朝上打开（这是原理，实际型号也许会有些不同），关闭下进气歧管，使通过的气流加速，在ω形活塞顶配合下形成进气涡流。在上止点前60°-45°喷油，对混合气的形成影响最大的是喷油正时，燃料喷在活塞顶部坑内，喷出的燃料与进气涡流混合。在曲轴转角40 °- 50 °时混合气形成发生，小于不能点燃混合气，大于即均质状态。空燃比1.6～3。
均质稀燃模式：混合气形成了很长时间，燃烧充分，通过喷射的精确控制，混合气体的浓度可达到较低。它的点火时间一般是更广泛，燃油经济性良好。进气过程与分层燃烧一样，燃油和空气的混合时间延长形成均匀的混合气。由于整个燃烧室都发生了燃烧，与分层燃烧相比，它对点火的时间的要求是不太高的。空燃比>1。
均质燃烧模式：可以充分发挥良好的动态响应，高扭矩和高功率特性。进气过程中，加速踏板决定节气门的位置，根据不同情况来确定进气歧管翻板位置。中等负荷时，翻板的继续
保持关闭，便于强流入气旋的形成，对燃油雾化和空气的混合有利；高速和负荷大时，为了增加吸入空气，使参加燃烧的的空气更多，翻板被打开。均质燃烧和均质稀燃在燃油喷射、可燃混合气的形成和燃油燃烧上基本上是一样的。空燃比≤1。
这三种燃烧控制模式，有些只是在理论方面有优势。现阶段采用均质燃烧的FSI 发动机。
四、国内汽车市场的汽油直喷发动机技术的应用
近年来直喷技术被很多的厂商开始采用。燃油直喷技术最有名的是奥迪FSI ，目前，包括福特、宝马、大众、丰田等主流厂商都增加了使用这种技术。事实上，除了大众以外，如第九代本田雅阁、国内的CX- 5等车型都配备了直喷发动机。此外，国内江淮，吉利等自主品牌也加入了这项技术的研发。
直喷发动机缸内动力性和经济性很好，安装颗粒过滤器可以解决易产生大量微粒的问题。不过由于采用了涡轮增压，它的工艺要求非常高，价格和维修成本也比采用歧管喷射要高。未来技术问题解决，国内的油品改善后，有可能成为汽车标配。
参考文献：
[1]郭辰.浅析发动机燃油供给系统 缸内直喷技术[EB/OL] .（2014年03月01日）[2014-03-09].http：//news.bitauto/engine/20140301/2306364029-2.html.
[2]陆刚.现代燃油直喷燃烧技术引领车用发动机市场[J].上海汽车，2006，（5） ：40-42
[3] 吴明.FSI，世界汽车[J].汽车知识，2006（12）：42-43.
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