汽油机缸内直喷

汽油机缸内直喷技术
FSI是Fuel Stratified Injection的词头缩写，意指燃油分层喷射。

燃油分层喷射技术是发动机稀燃技术的一种。

什么叫稀燃？顾名思义就是发动机混合气中的汽油含量低，汽油与空气之比可达1：25以上。

大众FSI发动机利用一个高压泵，使汽油通过一个分流轨道（共轨）到达电磁控制的高压喷射气门。

它的特点是在进气道中已经产生可变涡流，使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内，以分层填充的方式推动，使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。

如果稀燃技术的混合比达到25：1以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。

通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12：1左右，外层逐渐稀薄。

浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。

FSI特点是：能够降低泵气损失，在低负荷时确保低油耗，但需要增加特殊催化转换器以有效净化处理排放气体。

下面分别详细阐述：
FSI发动机按照发动机负荷工况，基本上可以自动选择2种运行模式。

在低负荷时为分层稀薄燃烧，在高负荷时则为均质理论空燃比（14.6-14.7）燃烧。

在这两种运行模式中，燃料的喷射时间有所不同，真空动作的开关阀进行开启/关闭。

在高负荷中所进行的均质理论空燃比燃烧中，燃油则是在进气冲程中喷射。

理论空燃比的均质混合气易于燃烧，不必借助涡流作用，因此，由于进气阻力减少，开关阀打开。

而在全负荷以外，进行废气再循环，限制泵气损失，由于直喷化而使压缩比提高到12.1，即使在均质理论空燃烧比混合气燃烧中，仍能降低燃油耗。

进一步说，在FSI发动机中，在低负荷与高负荷之间，作为第三运行模
式而设定均质稀薄燃烧，在这种运行模式中，燃油在进气冲程喷射，并且由于产生加速稀薄混合气燃烧的纵涡流，开关阀被关闭。

这时，阻碍燃烧的废气再循环（EGR）暂不进行。

与均质理论空燃比燃烧不同的是，吸入空气量超过燃油的喷射量。

如上所述，根据FSI发动机运转状态，在分层稀薄燃烧到均质理论空燃比燃烧过程中，空燃比连续变化。

因此，三效催化转化器不能够净化排放气体中的NOx。

这是因为三效催化转化器要利用排气中的HC或CO进行NOx还原反应的缘故。

在稀薄燃烧中，在排放气体中残留很多氧气，不能进行NOx还原反应。

为了使NOx吸储型催化剂获得高效功能，其温度必须保持在250-500℃范围内。

当超过这一温度范围发动机会自动转换到均质理论空燃比燃烧，并通过三效催化转化器进行废气处理。

然而这又与燃油经济性下降相关，为此，必须增加废气冷却装置。

利用这种冷却装置，排放气体通过NOx吸储型催化转化而被冷却，由于稀薄燃烧的范围宽，催化转化器的寿命也延长。

然而，NOx吸储型催化转化器会受到硫侵蚀而中毒，所以必须把汽油中的含硫量尽量降低到最少。

但是，如前所述，含硫低的汽油不是到处能供应的。

大众汽车公司采取的措施是，把催化剂反应温度提高到650°以上，从而把附着在催化剂上的硫通过燃烧而加以消除。

在高速行驶时，能够保持这样高的催化剂温度，但是，在城市内行驶时则催化剂温度下降，就不能烧除附着在催化剂的硫。

为此，通过NOx传感器监视硫附着在催化剂上的程度，根据监测情况提高排放气体的温度。

作为其措施，一般采用点火正时延迟，尽管这样做会引起燃油经济性恶化，但是为了净化处理NOx，这是不得已而为之。

缸内直喷又称FSI，FSI(Fuel Stratified Injection)燃料分层喷射技术代表着传统汽油引擎的一个发展方向。

传统的汽油发动机是通过电脑采集凸轮位置以及发动机各相关工况从而控制喷油嘴将汽油喷入进气歧管。

但由于喷油嘴离燃烧室有一定的距离，汽油同空气的混合情况受进气气流和气门开关的影响较大，并且微小的油颗粒会吸附在管道壁上，所以希望喷油嘴能够直接将燃油喷入汽缸。

FSI 就是大众集团开发的用来改善传统汽油发动机供油方式的不足而研制的缸内直
接喷射技术，先进的直喷式汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技术，通过一个活塞泵提供所需的100bar以上的压力，将汽油提供给位于汽缸内的电磁喷射器。

然后通过电脑控制喷射器将燃料在最恰当的时间直接注入燃烧室，其控制的精确度接近毫秒，其关键是考虑喷射器的安装，必须在汽缸上部留给其一定的空间。

由于汽缸顶部已经布置了火花塞和多个气门，已经相当紧凑，所以将其布置在靠近进气门侧。

由于喷射器的加入导致了对设计和制造的要求都相当的高，如果布置不合理、制造精度达不到要求导致刚度不足甚至漏气只能得不偿失。

另外FSI引擎对燃油品质的要求也比较高，目前国内的油品状况可能很难达到FSI 引擎的要求，所以部分装配了FSI的进口高尔夫出现了发动机的水土不服。

此外，FSI技术采用了两种不同的注油模式，即分层注油和均匀注油模式。

发动机低速或中速运转时采用分层注油模式。

此时节气门为半开状态，空气由进气管进入汽缸撞在活塞顶部，由于活塞顶部制作成特殊的形状从而在火花塞附近形成期望中的涡流。

当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷射器喷出，形成可燃气体。

这种分层注油方式可充分提高发动机的经济性，因为在转速较低、负荷较小时除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室的其它地方只需空气含量较高的混合气即可，而FSI使其与理想状态非常接近。

当节气门完全开启，
发动机高速运转时，大量空气高速进入汽缸形成较强涡流并与汽油均匀混合。

从而促进燃油充分燃烧，提高发动机的动力输出。

电脑不断的根据发动机的工作状况改变注油模式，始终保持最适宜的供油方式。

燃油的充分利用不仅提高了燃油的利用效率和发动机的输出而且改善了排放。

缸内直喷带来“基因突变”
缸内直喷技术之所以被誉为汽油发动机的“基因突变”，根本原因在于燃油喷射位置的转化，相比原先喷入进气歧管的方式，新的缸内直喷技术把燃油直接喷到气缸燃烧室内，这与柴油发动机的喷油方式极为类似，以至于人们说汽油发动机向柴油机型靠拢，产生了“基因突变”。

正是这个突变的革新，让原本技术上“势不两立”的汽油柴油发动机技术居然产生了共同之处，这是一次基因突变，更是一次划时代的技术革命。

缸内直喷创造无穷魅力
最先进的缸内直喷技术是通过均匀燃烧和分层燃烧两种模式，实现高负荷、尤其是低负荷下的燃油削耗降低，动力提升明显。

换句话说，直喷技术对于发动机只承担部分负荷时(表现为发动机转速不高，且指针需要来来回回的震荡)，比如都市道路走走停停的拥堵状况下，其节油效果特别明显；而在中高速转区内，整体效能提升可达15%以上，带给驾驶者的直接感受就是源源不断的动力输出，而油耗水平仍然比传统发动机低。

这样的优势也让不少厂商积极投身缸内直喷技术的研发中，并从独家技术角度各自取了名字，比如FSI、Motornic、CGI、SID I、JTS，但本质上没有差别。

直喷发动机魅力的最早证明是在2001年7月的勒芒24小时耐力赛上。

当时获胜的R8匹配双增压的V8 FSI直喷发动机。

出色的表现使它领先对手一圈之多，
良好的燃油经济性使它延长了加油的间隔，为比赛赢得了时间，最终证明直喷技术不仅有出色的动力表现，燃油也大幅节省。

而且R8车手们一致认为发动机动力反映敏捷且非常到位。

什么是缸内直喷？有什么优势？
我们知道，传统的发动机是在进气歧管中喷油再与空气形成混合气体，最后才进入到气缸内的。

在此过程中，因为喷油嘴里燃烧室还有一定距离，微小的油粒会吸附在管道壁上，而且汽油与空气的混合受进气气流和气门关闭影响较大。

而缸内直喷是直接将燃油喷射在缸内，在气缸内直接与空气混合。

ECU可以根据吸入的空气量精确地控制燃油和喷射量和喷射时间，高压的燃油喷射系统可以是使油气的雾化和混合效率更加优异，使符合理论空燃比的混合气体燃烧更加充分，从而降低油耗，提高发动机的动力性能。

这套由柴油发动机衍生而来的科技目前已经大量使用在包含大众（含奥迪）、宝马、梅赛德斯-奔驰、通用等车系上。

●均质燃烧及分层燃烧
所谓“均质燃烧”可以理解为普通的燃烧方式，即燃料和空气混合形成一定浓度的可燃混合气，整个燃烧室内混合气的空燃比是相同的，经火花塞点燃燃烧。

由于混合气形成时间较长，燃料和空气可以得到充分的混合，燃烧更均匀，从而获得较大的输出功率。

而分层燃烧，整个燃烧室内的混合气的空燃比是不同的，火花塞附近的混合气浓度要比其他地方的要高，这样在火花塞周围的混合气他可以迅速燃烧，从而带动较远处较稀的混合气体的燃烧，这种燃烧方式称为“分层燃烧”。

均质燃烧的目的是在高速行驶、加速时获得大功率；分层燃烧是为了在低转速、低负荷时节省燃油。

●分层燃烧
首先，发动机在进气行程活塞移至下止点时，ECU控制喷油嘴进行一次小量的喷油，使气缸内形成稀薄混合气。

其次，在活塞压缩行程末端时再进行第二次喷油，这样在火花塞附近形成混合气相对浓度较高的区域（利用活塞顶的特殊结构），然后利用这部分较浓的混合气引燃汽缸内的稀薄混合气，从而实现气缸内的稀薄燃烧，这样可以用更少的燃油达到同样的燃烧效果，进一步降低发动机的油耗。