电控汽油发动机的缸内直喷技术探究

汽车技术诞生的120多年来，发动机作为核心一直在不断改进，但其技术更新不是那样简便，往往十数年都难以有大的进展。而近年来，欧美的缸内直喷技术开始从实验室走向市场，由此带来的发动机第三次革命（化油器—电喷—直喷）也诞生了迄今最牛的汽油发动机技术——缸内直喷。

一、化油器时代

化油器最早诞生于1892年，由美国人杜里埃发明。化油器的优点：能够将内燃机的油气比控制在理想的水平上，不论天候、温度，永远进行着一成不变的工作。而且化油器的成本低、可靠度高，维修、保养容易。当然化油器也存在许多弱点：比如，在冷车启动、怠速运转、急加速或低气压环境等，这样固定的供油方式实际上并无法全面满足引擎的运转需求，甚至可能因而产生黑烟、燃烧不全与马力不足等状况。因此，我国政府规定：从2002年起，不准生产、销售化油器汽车。

二、电喷时代

电喷技术最早出现于1967年，由德国博世公司研制的D型电子喷射装置，随后被用在大众等德系轿车上。这种装置是以进气管里面的压力做参数，1973年博世公司又开发了一种称为L型电子控制汽油喷射装置，它以进气管内的空气流量做参数，1981年博世公司又开发了一种称为LH型电子控制汽油喷射装置，用新颖的热丝式空气流量计测量进入发动机气缸的空气质量，来确定发动机的喷油量；这些奠定了今天电子控制燃油喷射装置的雏形。

总体而言，电喷供油系统的最大优点就是燃油供给的控制十分精确，让发动机在任何状态下都能有正确的空燃比，不仅让发动机保持运转顺畅，其废气也能合乎环保法规的规范。然而，电喷供油系统并不是最科学的。由于内燃机构造的先天限制，电喷喷嘴安装在气门旁，只有在气门打开时才能完成油气喷射，因此喷射会受到开合周期的影响，产生延迟，因而影响电脑对喷射时间的控制。不过好在这一问题已经被缸内直喷技术解决了。

三、缸内直喷时代

1.突破瓶颈

缸内直喷又称FSI(Fuel Stratified Injection)，这种缸内直喷汽油发动机最早是由日本三菱汽车公司创制的，安装在三菱HSR-V型概念车上，并在96年6月北京国际车展上广泛做了宣传，但当时许多人认为这种发动机只是一种“概念”而已，没有引起足够的重视。

后来，主流厂商在试过VVT技术、涡轮增压或者机械增压技术之后，将发动机的气门数提升至五个，而对于V8发动机的动力提升也未必有明显帮助。因此纷纷将注意力投向了缸内直喷技术。认为这种发动机很可能会成为21世纪初汽油发动机的主要机型，人们又重视起来缸内喷注汽油发动机的发展状况了。缸内直喷发动机潜力的证明是在2001年7月的勒芒24小时耐力赛上获胜的奥迪R8，它匹配着带双增压的V8FSI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，不仅动力强劲，还节油8%，与多点喷射系统相比较，缸内直喷拥有不受限于传统机械构造的进气方式，而且能够依照发动机需要随时调整空燃比例等特点。

不过真正将这一技术实现在量产发动机上，是2002年的事情，其中以凯迪拉克和奥迪为代表的豪华品牌在旗下车型上都逐步采用了这项新技术。

2.直喷的特点

缸内直喷发动机的喷油嘴被移到了汽缸内部，因此缸内油气的量不会受气门开合的影响，而是直接由电脑自动决定喷油时机与份量，至于气门则仅掌管空气的进入时程，两者则是在进入到汽缸内才进行混合的动作。由于油、气的混合空间、时间都相当短暂，因此缸内直喷系统必须依靠高压将燃油从喷油嘴压入汽缸，以达到高度雾化的效果，从而更好的进行油气混合。其中混合油气的压缩比越高的发动机，它的动力表现越强大，相应的节能效果越明显。奥迪3.2升FSI缸内直喷发动机的压缩比达到了10.3：1；凯迪拉克3.6升SIDI双模缸内直喷发动机的压缩比达到了11.3：1。

此外，缸内直喷系统的燃烧室、活塞也大多具有特殊的导流槽，以供油气在进入燃烧室后能够产生气旋涡流，来提高混合油气的雾化效果与燃烧效率。

众所周知，车辆起步和低档位加速是行车中最费燃油的。直喷发动机则能够利用分层燃烧技术以较少的燃油获得更大的扭矩。

而当车辆进入匀速运动状态时，发动机能够在智能控制组件的作用下，将分层燃烧自动调整为均匀燃烧。均匀燃烧则能充分发挥动态响应好，扭矩和功率高的特点。进而保证了车辆在高速运动时的动力输出的平顺性和燃油经济性。分层燃烧和均匀燃烧的智能适时转化，由此带来的功率提升、燃油消耗减少、排放更环保也是缸内直喷技术的魅力所在，比如SIDI双模直喷发动机要比同排量的多点喷射发动机，其功率提升15%、扭矩提高8%，综合油耗却明显下降，并减少25%的CO2排放量，尾气排放可以轻松达到目前最苛刻的欧洲排放标准，因此带来了更高的环保品质。

3.直喷的基本原理

分层燃烧：在部分负荷时，少量的燃油由喷射器喷出，形成的可燃混合物只分布在火花塞周围，换句话说，空燃比是14.7：1的混合气集中在火花塞周围，在燃烧室的其他部分则是纯净的空气。混合气层的大小范围精确地反映了瞬时发动机动力的需求。在分层燃烧时，直到压缩行程时才喷射燃油，油雾直接进入燃烧室中的空气，而喷油就发生在点火前瞬间。分层燃烧时lambda值达到4，可见发动机在中、低速时燃油是多么节省。

另一个优点是，在燃烧时空气层隔绝了热，减少了热量向汽缸壁的传递，从而减少了热量损失提升了发动机热效率。

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，使混合汽均匀地充满燃烧室，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lambda值是1。而燃油的蒸发又使混合汽降温，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。勒芒耐力赛就可证明，因为比赛中总是在均匀燃烧状态。

单模直喷：从原理上说，奥迪的FSI发动机技术，由于其所采用的是高压稀燃技术，这种技术通过压燃方式使发动机工作，这就必须使发动机的压缩比达到15.5：1左右，这样才能使汽油在高压下被自动点燃烧。高压缩比带来的是对汽油高辛烷值的需求（奥迪在国外普遍需要使用97号以上甚至清洁汽油），而目前国内能加97号汽油的加油站并不多，并且国内成品油质量也无法得到保障，长此以往，无疑对车辆本身的使用寿命造成一定影响。

除此之外，发动机如果所选用的油品无法达到足够辛烷值，可能会造成汽车行驶中无故熄火，而宿短产品寿命。考虑到在国内引入分层燃烧的风险，奥迪最终放弃了双模设置，而仅保留了均质燃烧技术，这便是单模缸内直喷。

双模直喷：目前国内唯一能够克服油品问题，拥有“分层燃烧”和“均匀燃烧”的双模技术发动机是来自通用凯迪拉克的SIDI缸内直喷发动机。

相较的FSI单模直喷，SIDI发动机拥有分层燃烧和均质燃烧两种模式，真正实现稀薄燃烧。所谓稀薄燃烧，也就是降低发动机混合气中的汽油含量。以较低的油气混合维持发动机的正常运转，达到降低油耗和排放的效果。由于较低的燃油浓度其点燃的难度就较大，因此采用分层燃烧能够更好的解决这一问题，方法是：先点燃较浓的混合气团，通过这个现行点燃的能量继续点燃所有的混合气，从而达到燃油稀薄状态下正常的点火。以达到在较小的点火能量下，稀薄的燃油混合物能够充分的燃烧，从而实现节能的目的。

总之，通用的凯迪拉克SIDI发动机能够使用93号汽油，而奥迪FSI发动机只能使用97号汽油。相信对于消费者而言，这一差异表现在长期成本上将十分明显。一场由奥迪FSI和凯迪拉克SIDI等带来的席卷全球的新一轮发动机技术革命，从人类技术应用的加速度趋势来判断，缸内直喷技术的普及化风潮或许就在不远的明天，让我们拭目以待。

[1]舒华,姚国平.汽车电子控制技术[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2]孙长录.汽车发动机构造与维修[M].天津:天津科学技术出版社,2010.