缸内直喷技术

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技术也已不能满足人们的要求，于是更为精确的燃油喷射技术应运而生，那就是缸内直喷技术。

缸内直喷就是将燃油喷嘴安装于气缸内，直接将燃油喷人气缸内与进气混合。其喷射压力进一步提高，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，并且克服了缸外喷射的缺点。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、均匀地混合，从而使燃油充分燃烧，能量转化效率更高。图1-15所示为大众缸内直喷技术。

1.TSI

TSI是Twincharger Fuel Stratified Injection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（机械增压可以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是一种极高效率的发动机形式，能使动力性与燃油经济性完美统一。

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

2.TFSI

FSI是大众/奥迪的汽油缸内直喷技术，FSI可将燃油直接喷人燃烧室，降低了发动机的热损失，从而增大了输出功率并降低了燃油消耗，对燃油经济性和动力性都有帮助。

TFSI就是带涡轮增压（T）的FSI发动机（图1-16），一般奥迪系列车型会这么称呼，而大众系列直喷且带增压的发动机则简称为TSI。

图1-15　大众缸内直喷技术

图1-16　FSI发动机

由于国内燃油品质问题，国产奥迪TFSI并没有使用分层燃烧技术。

与那些把汽油喷人进气歧管的发动机相比，FSI发动机的主要优势有：动态响应好、功率和转矩可以同时提升、燃油消耗低。

理论上，FSI发动机至少有两种燃烧模式：分层燃烧和均质燃烧，有人还把均质燃烧模式细分为均质稀燃模式和均质燃烧模式。由FSI的英文Fuel Stratified Injection含义上看，分层燃烧应该是FSI发动机的精髓与特点。

分层燃烧的好处在于热效率高、节流损失少、有限的燃料尽可能多地转化成工作能量。分层燃烧模式下节气门不完全打开，以保证进气歧管内有一定真空度（可以控制废气再循环和碳罐等装置）。这时，发动机的转矩大小取决于喷油量，与进气量和点火提前角关系不大。

分层燃烧模式在进气过程中节气门开度相对较大，减少了一部分节流损失。进气过程的关键是进气歧管中安置一翻板，翻板向上开启（原理性质，实际机型可能有所不同），封住下进气歧管，让进气加速通过，与ω形活塞顶配合，形成进气涡旋。

分层燃烧时喷油时间在上止点前60°至上止点前45°，喷射时刻对混合气的形成有很大影响，燃油被喷射到活塞顶的凹坑内，喷出的燃油与涡旋进气结合形成混合气。混合气形成发生在曲轴转角40°～50°范围内，如果小于这个范围，混合气无法点燃；若大于这个范围，就变成均质状态了。分层燃烧的空燃比一般在1.6～3。

点火时，只有火花塞周围混合状态较好的气体被点燃，这时周围的新鲜空气以及来自废气再循环的气体形成了很好的隔热保护，减少了缸臂散热，提升了热效率。点火时刻的控制也很重要，它只在压缩过程终了的一个很窄的范围内。

均质稀燃模式混合气形成时间长，燃烧均匀，通过精确控制喷油，可以达到较低的混合气浓度。均质稀燃的点火时间选择范围宽，有很好的燃油经济性。

均质稀燃与分层燃烧的进气过程相同，油气混合时间加长，形成均质混合气。燃烧发生在整个燃烧室内，对点火时间的要求没有分层燃烧那么严格。均质稀燃的空燃比大于1。

均质燃烧能充分发挥动态响应好、转矩和功率高的特点。均质燃烧进气过程中节气门位置由油门踏板决定，进气歧管中的翻板位置视不同情况而定。中等负荷时，翻板依然是关闭的，有利于形成强烈的进气旋流，以保证混合气的形成与雾化。高速大负荷时，翻板打开，增大进气量，让更多的空气参与燃烧。均质燃烧的喷油、混合气形成与燃烧和均质稀燃模式基本一致。均质燃烧情况下空燃比小于或等于1。

有些人认为没有了分层燃烧会让FSI发动机的原有优势荡然无存，答案是否定的。即使没有应用分层燃烧，FSI发动机还是具有提升压缩比及降低燃烧残油量的特点的。FSI发动机采用缸内直喷，汽油在缸内蒸发产生内部冷却效果，这样就降低了爆震的可能性，可适当提升压缩比。而进气涡旋与气门正时的配合能使没燃烧的残油得到很好的再利用。这样，FSI发动机仍能在提高动力、降低油耗方面有较大作为。

3.丰田D-4、D-4S直喷技术

丰田D-4直喷技术是将喷油嘴直接伸人气缸，更高的喷油压力（10 MPa）可以使汽油更好地雾化，实现均质燃烧，如图1-17所示。

随后丰田又开发了D-4S直喷技术，与D-4技术不同的是它除了伸人气缸的喷油嘴外还增加了一组传统的、位于进气歧管的喷油嘴，丰田使用这两组喷油嘴在一个循环内各喷一次油来模拟单一喷油嘴的两次喷油，从而实现了分层燃烧。

除此之外，根据不同工况，发动机ECU会主动在双喷射和单独的缸内喷射之间切换，从而更好地控制燃烧效率和油耗。

图1-17　丰田直喷发动机

4.本田全新直喷技术

本田全新的直喷技术，即本田早在K20B发动机上使用的i-VTEC I直喷技术，不过因为这个技术采用垂直布置喷油嘴，并且使用了分层燃烧的形式，故必须要使用特殊的催化器来处理尾气，成本较高。除此之外，应用此技术，发动机不得不使用EGR系统将一部分废气导人气缸重新燃烧，以进一步降低氮氧化物的排放量，如图1-18所示。

图1-18　本田全新直喷技术发动机

第九代雅阁上使用了全新的直喷系统，该系统采用斜向布置的喷油嘴，并改用均质燃烧的形式，使得普通的三元催化器能够满足排放的要求。应用该直喷技术的发动机有本田2.4 L、1.5 L直喷发动机。

5.马自达DISI直喷技术

马自达于2006年就在两款发动机上使用了DISI系统，它们分别是自然吸气2.0 LDISI发动机和2.3 LDISI涡轮增压发动机。随后，马自达又将DISI技术引人到2.0 L SKYACTIV-G发动机上，也就是创驰蓝天技术发动机，如图1-19所示。

图1-19　马自达直喷技术发动机

DISI与其他直喷在结构上并没有什么特别的差异，只是在怠速时，系统会降低燃油系统的压力从而减少机械阻力；而在高负荷工况下燃油系统的压力最高可提升到11.5 MPa，以促进更好的雾化效果。

除了通过高压实现燃油的雾化外，马自达使用的特殊喷油嘴也起到了至关重要的作用。喷油嘴头部加工出六道导流槽，使其在喷射过程中可以形成圆锥形中空的油雾，且这种形状可以提高燃油和空气混合的效率。

6.标致雪铁龙直喷技术

标致雪铁龙直喷技术，即PSA集团与宝马集团联合开发的1.6T THP发动机技术，如图1-20所示。

图1-20　1.6TTHP发动机

燃油泵能够提供120 bar^[1]高压，燃油高度雾化，油液雾化时可吸收热量，降低爆震倾向，因此直喷发动机可实现高压缩比。高压喷射出的燃油颗粒十分微小，能与空气充分混合，燃烧更加彻底，从而提升了动力性和经济性。

除此之外得益于单涡轮双涡管的增压技术和VVT技术，这款发动机在油耗方面表现突出，在欧洲混合循环测试中取得了7.2 L/100 ｋm的成绩。

7.宝马HPI高精度直喷技术

直喷系统其实都是由高压燃油泵建立油压，通过共轨管保持压力，再依靠直接伸人气缸内的喷油嘴将燃油喷人燃烧室。宝马自称为高精度直喷的原因在于其具有反应速度更快的压电式喷油嘴，如图1-21所示。

图1-21　宝马缸内直喷技术

压电式喷油嘴内部由多层压电晶体构成，通电时，膨胀的压电晶体将燃油以最高20 MPa的压力喷射成锥形雾状，以利于燃油与空气的充分混合。不仅如此，压电式喷油嘴的反应时间在0.14 ms左右，远快于普通的电磁阀喷油嘴，这就使得发动机在高转速时，喷油嘴依然可以实现一个工作循环内的多次喷油，从而提高燃油经济性。

宝马发动机并非只有这一项技术，从N55发动机开始，宝马发动机融合涡轮增压、缸内直喷和Valvetronic电子气门技术于一身，充分利用每一滴燃油，以提高动力性和燃油经济性。

8.奔驰Blue DIRECT直喷技术

Blue DIRECT是奔驰第三代直喷技术，其核心是压电式喷油嘴和多重点火系统。这套系统在发动机高转速时可以实现最多五次喷油，配合多重点火系统可以使发动机燃烧更为充分。据介绍，在同等排量情况下，应用Blue DIRECT技术的发动机（图1-22）在参数上可以有25 ｋW和20 N·m的提升。

图1-22　奔驰Blue DIRECT第三代直喷发动机

9.福特EcoBoost

福特EcoBoost系列发动机（图1-23）采用的三大核心技术是缸内直喷、涡轮增压以及进排气可变正时气门技术，以提升发动机动力表现和燃油经济性为主要目标。

图1-23　福特EcoBoost系列发动机

缸内直喷技术的优势是将燃油直接注人气缸，能够更加精准地计算和控制喷油量，相比缸外喷射减少了燃油损失，以达到提高效率、降低油耗的目的。EcoBoost发动机的活塞顶面有着特殊的曲面造型，能够使空气形成涡流，使燃油燃烧更加充分。其喷油速度能够达到每秒300次，喷油量控制精准，保证低转速下具有良好的动力响应。

10.通用SIDI直喷技术

通用SIDI直喷技术采用凸轮轴驱动的柱塞泵来为燃油系统提供压力，最高压力可达到17 MPa，核心零件为三头凸轮、油轨、喷油嘴。其喷油嘴喷射的油滴直径仅为8μm，大约是头发丝直径的1/13，使得空气和燃油混合得更好，雾化的效果也更好，从而使混合气汽化能够吸收更多的热量，帮助降低爆震的概率。通用SIDI直喷发动机如图1-24所示。

图1-24　通用SIDI直喷发动机

目前，别克品牌中的2.4 SIDI发动机就应用了这项直喷技术，并结合原有LE5发动机上的诸多技术如全铝缸体、DVVT进排气连续可变气门正时等，使得发动机的效率得以提升。

11.现代GDI直喷技术

现代GDI直喷技术来源于三菱直喷技术，燃油泵可为系统提供最高12 MPa的压力，燃油通过喷油嘴可喷出直径为20μm的油滴，并且在进气旋流的作用下使油液和空气充分混合，从而达到更高的燃烧效率。另外，由于燃油是直接喷人缸内的，避免了进气歧管管壁上的燃油损失，并且更精确地控制流量也能起到节省燃油的效果。现代GDI直喷发动机如图1-25所示。

图1-25　现代GDI直喷发动机

在欧洲主要以97号汽油为主，许多厂商为了提高发动机效率，更多地将增压和直喷技术一起应用。在亚洲主要以低标号的汽油为主，因此各厂商更多地将直喷技术和气门升程或正时技术绑在一起。就目前国内市场而言，仅2015年就有不少带有直喷技术的车型上市，显而易见，直喷技术对于汽车动力性和经济性的提高作用非常突出。当然，对燃油系统和喷油嘴的后期保养也会比歧管喷射的发动机稍贵一些。