第三节　缸内汽油直接喷射系统

在对能源和环保要求日趋严格的今天，即使是多点燃油喷射这样的技术也不能满足人们的要求，于是更为精确的燃油喷射技术诞生，那就是缸内直喷技术。1954年，第一辆匹配4冲程汽油喷射发动机的轿车诞生，它就是奔驰300SL，雾状燃油直接喷入进气歧管，比化油器发动机提供了更大的动力和更高的燃油经济性，可算是迈了一大步。自从单点和多点喷射技术在20世纪80年代普遍应用以来，技术上的改进一直在进气系统做文章，如2、3、4、5气门，可变进气，可变气门升程及正时等，而没有实现根本的“基因突变”。我们今天的需求是既要有良好的燃油经济性，又要有出色的动力表现。那么我们来看看汽油缸内直喷技术是否是汽油喷射发动机的基因突变。

一、汽油机缸内直喷作为新技术有着美好的前景

缸内直喷所宣扬的是通过均匀燃烧和分层燃烧实现高负荷尤其是低负荷下的燃油消耗降低，动力还有很大提升。今天各大公司已经把目光锁定在直喷，如奥迪公司开发了FSI系统，奔驰开发了CGI系统，菲亚特开发了JTS系统，虽然名字不同，但它们都代表了汽油缸内直喷。

直喷发动机潜力的证明是在2001年7月的勒芒24h耐力赛上获胜的奥迪R8，它匹配着带双增压的V8 FSI直喷发动机。出色的表现使它领先一圈，良好的燃油经济性使它延长了加油的间隔，有力证明了直喷不仅有出色的动力表现，燃油还要节省8%。不仅是这些，R8车手认为，发动机动力反应敏捷且非常到位。

奥迪第一款作为量产车匹配直喷发动机的车型是2002年3月在日内瓦车展展出的A2 1.6FS1。接下来是奥迪A4匹配了110kW 2.0L FSI发动机，有别于96k VV的A4，使用了单柱塞高压油泵，4气门替代了5气门，显然是为了在燃烧室安装汽油喷嘴节省地方。A4 2.0 FSI最大扭矩200N·m出现在3250～4250r/min，0～100km/h的加速时间是9.6s，最高时速为218km/h，综合油耗为7.1L/100km。

在2002年底，奔驰上市了配有1.8L CGI汽油缸内直喷发动机的C级轿车（即C200CGI）。峰值功率是125kW，扭矩比上一代增加了15%。当发动机转速只有1500r/min时即可输出扭矩的75%，在3000r/min时输出最高扭矩250N·m并持续到4500r/min。与相同排量C级车相比，节油超过19%，综合油耗是7.8L/100km，排放达到欧4。0～100km/h的加速时间是9.0s，最高时速为222km/h。与C200CGI有着相同排量的C 180KO MPRESSOR峰值功率是105kW，每2500r/min最高扭矩为220N·m， 0～100km/h的加速时间是9.7s最高时速为22km/h，综合油耗为8.2L/100km。从以上数值可以看出这两款发动机的差距。

二、作为后勤保障，供油系统为直喷提供了精确的高压喷射

供油系统的主要部件是高压油泵、共轨、燃油压力传感器、压力控制阀、高压喷嘴和ECU。首先是对喷嘴的要求提高了，以前的喷嘴是安装在进气歧管，今天不同了，“亲临前线”安装在了燃烧室，自然要经受住烈火的“考验”。高压电磁喷嘴扮演着重要的角色，电磁单元被激活的时间和油压决定了喷射量的多少燃油喷射时间则被控制在几千分之一秒。在奔驰C200 CGI发动机上燃油以42°角喷入气缸，燃油压力随发动机的工作特性从50～120bar。而传统4缸汽油喷射发动机的喷射压力是38bar。高压油泵由进气凸轮轴驱动轨道中的油压，并由发动机电脑调节，直接连接到喷嘴。压力信号取自压力传感器。部分负荷时，在低转速下，压力是4～5bar，满足稀薄燃烧。奥迪的高压油泵同样由凸轮轴驱动，喷射压力最高到110bar。另一个需要具备的基本条件是要使用低硫汽油。

三、直喷技术产生了新的概念：均匀燃烧

在全负荷时燃油喷射与进气同步燃油得到完全雾化，使混合气均匀地充满燃烧室，自然会得到充分的燃烧，使发动机动力得到淋漓尽致的发挥。在均匀燃烧时有着和传统喷射发动机相同的空气与燃油混合比，即空燃比是14.7∶1，此时的λ值是1，而燃油的蒸发又使混合气降温，去除了爆震的产生。也就是说在均匀燃烧情况下，在获得高动力输出和扭矩值的同时，付出了较低的燃油消耗。

四、缸内直喷系统的工作原理

缸内直喷就是将燃油喷嘴安装于气缸内，直接将燃油喷入气缸内与进气混合。喷射压力也进一步提高，使燃油雾化更加细致，真正实现了精准地按比例控制喷油并与进气混合，并且消除了缸外喷射的缺点。同时，喷嘴位置、喷雾形状、进气气流控制，以及活塞顶形状等特别的设计，使油气能够在整个气缸内充分、均匀的混合，从而使燃油充分燃烧，能量转化效率更高。缸内直喷又称FSI（Fuel Stratified Injection）技术，即燃料分层喷射技术，代表着传统汽油发动机的一个发展方向。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气缸。FSI技术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，将汽油提供给位于气缸内的电磁喷射器。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，必须在气缸上部留给其一定的空间。由于气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发动机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发动机的要求，所以部分装配了FSI技术的进口高尔夫出现了发动机的“水土不服”情况。

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，空气由进气管进入气缸撞在活塞顶部，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，燃烧室的其他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，大量空气高速进入气缸，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。电脑不断地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。

但是缸内直喷技术也并非无敌，因为从经济层面来看，采用缸内直喷的供油系统除了在研发过程必须花费更大成本，在产品构成复杂且精密的情况下，零部件的价格也比传统供油系统来得昂贵，因此，这些也是未来缸内直喷发动机尚待克服的因素。直喷发动机气缸如图1-24所示。

五、一些品牌公司缸内直喷代号的含义

　　1.TSI

在国外大众以及进口尚酷的1.4T发动机上，TSI代表的是Twincharger Fuel Stratified Injection这几个单词首字母的缩写，通过字母表面意思可以理解为“双增压+分层燃烧+喷射”。TSI发动机是在FSI技术的基础之上，安装了一个涡轮增压器和一个机械增压器，鉴于涡轮增压和机械增压的特性，机械增压从怠速开始就能为发动机提供增压效果，弥补了涡轮增压系统的延时缺点，所以TSI是一种效率极高的发动机形式，是动力性与燃油经济性的完美统一，见图1-25。

不过，国内生产的1.4T发动机则舍去了机械增压和分层燃烧，仅保留了涡轮增压和缸内直喷。

大众1.8/2.0TSI中的“TSI”则代表着Turbo Fuel Stratified Injection，通过字母表面意思可以理解为“涡轮增压+分层燃烧+缸内直喷”，但实际上省掉了“分层燃烧”。

　　2.TFSI

TFSI就是带涡轮增压（T）的FSI发动机，简称TFSI，一般奥迪系列车型会这么称呼，大众系列直喷且带增压的发动机简称TSI。

由于国内油品的问题，国产奥迪TFSI并没有使用分层燃烧技术。

　　3.SIDI

通用汽车公司将燃油直喷技术的代号设为SIDI，SIDI是Spark Ignition Direct Injection的缩写，直译为火花点燃直接喷射技术。

其实现的原理和一般的直喷发动机并无二致：凸轮轴驱动的燃油泵为供油系统提供高压燃油，共轨喷油嘴将高压燃油直接注入气缸，这样点火时间就可以得到精确的控制，而且高压喷射和极细的喷嘴设计则保证了喷油量的精确计算。缸内直喷技术代替了传统MPFI（多点电喷）技术之后，发动机在低转速下燃烧效率被进一步提升。6孔喷油嘴如图1-26所示。

另外，通用汽车公司的SIDI技术依靠的是缸内均质燃烧来提升效率，并没有使用稀薄分层燃烧技术。由于国内油品的限制，引入国内的直喷发动机均不使用分层燃烧，通用汽车公司的SIDI也没有例外。不过没有使用分层燃烧也是SIDI发动机拥有“不挑食”的优势，官方产品手册上也没有对SIDI发动机做出任何特殊的养护要求，这也是它相比大众系直喷发动机的最大优势所在。