電控汽油發動機的缸內直噴技術探究

汽車技術誕生的120多年來，發動機作為核心一直在不斷改進，但其技術更新不是那樣簡便，往往十數年都難以有大的進展。而近年來，歐美的缸內直噴技術開始從實驗室走向市場，由此帶來的發動機第三次革命（化油器—電噴—直噴）也誕生了迄今最牛的汽油發動機技術——缸內直噴。

一、化油器時代

化油器最早誕生于1892年，由美國人杜里埃發明。化油器的優點：能夠將內燃機的油氣比控制在理想的水平上，不論天候、溫度，永遠進行著一成不變的工作。而且化油器的成本低、可靠度高，維修、保養容易。當然化油器也存在許多弱點：比如，在冷車啟動、怠速運轉、急加速或低氣壓環境等，這樣固定的供油方式實際上并無法全面滿足引擎的運轉需求，甚至可能因而產生黑煙、燃燒不全與馬力不足等狀況。因此，我國政府規定：從2002年起，不準生產、銷售化油器汽車。

二、電噴時代

電噴技術最早出現于1967年，由德國博世公司研制的D型電子噴射裝置，隨后被用在大眾等德系轎車上。這種裝置是以進氣管里面的壓力做參數，1973年博世公司又開發了一種稱為L型電子控制汽油噴射裝置，它以進氣管內的空氣流量做參數，1981年博世公司又開發了一種稱為LH型電子控制汽油噴射裝置，用新穎的熱絲式空氣流量計測量進入發動機氣缸的空氣質量，來確定發動機的噴油量；這些奠定了今天電子控制燃油噴射裝置的雛形。

總體而言，電噴供油系統的最大優點就是燃油供給的控制十分精確，讓發動機在任何狀態下都能有正確的空燃比，不僅讓發動機保持運轉順暢，其廢氣也能合乎環保法規的規范。然而，電噴供油系統并不是最科學的。由于內燃機構造的先天限制，電噴噴嘴安裝在氣門旁，只有在氣門打開時才能完成油氣噴射，因此噴射會受到開合周期的影響，產生延遲，因而影響電腦對噴射時間的控制。不過好在這一問題已經被缸內直噴技術解決了。

三、缸內直噴時代

1.突破瓶頸

缸內直噴又稱FSI(Fuel Stratified Injection)，這種缸內直噴汽油發動機最早是由日本三菱汽車公司創制的，安裝在三菱HSR-V型概念車上，并在96年6月北京國際車展上廣泛做了宣傳，但當時許多人認為這種發動機只是一種“概念”而已，沒有引起足夠的重視。

后來，主流廠商在試過VVT技術、渦輪增壓或者機械增壓技術之后，將發動機的氣門數提升至五個，而對于V8發動機的動力提升也未必有明顯幫助。因此紛紛將注意力投向了缸內直噴技術。認為這種發動機很可能會成為21世紀初汽油發動機的主要機型，人們又重視起來缸內噴注汽油發動機的發展狀況了。缸內直噴發動機潛力的證明是在2001年7月的勒芒24小時耐力賽上獲勝的奧迪R8，它匹配著帶雙增壓的V8FSI直噴發動機，出色的表現使它領先一圈，良好的燃油經濟性使它延長了加油的間隔，不僅動力強勁，還節油8%，與多點噴射系統相比較，缸內直噴擁有不受限于傳統機械構造的進氣方式，而且能夠依照發動機需要隨時調整空燃比例等特點。

不過真正將這一技術實現在量產發動機上，是2002年的事情，其中以凱迪拉克和奧迪為代表的豪華品牌在旗下車型上都逐步采用了這項新技術。

2.直噴的特點

缸內直噴發動機的噴油嘴被移到了汽缸內部，因此缸內油氣的量不會受氣門開合的影響，而是直接由電腦自動決定噴油時機與份量，至于氣門則僅掌管空氣的進入時程，兩者則是在進入到汽缸內才進行混合的動作。由于油、氣的混合空間、時間都相當短暫，因此缸內直噴系統必須依靠高壓將燃油從噴油嘴壓入汽缸，以達到高度霧化的效果，從而更好的進行油氣混合。其中混合油氣的壓縮比越高的發動機，它的動力表現越強大，相應的節能效果越明顯。奧迪3.2升FSI缸內直噴發動機的壓縮比達到了10.3：1；凱迪拉克3.6升SIDI雙模缸內直噴發動機的壓縮比達到了11.3：1。

此外，缸內直噴系統的燃燒室、活塞也大多具有特殊的導流槽，以供油氣在進入燃燒室后能夠產生氣旋渦流，來提高混合油氣的霧化效果與燃燒效率。

眾所周知，車輛起步和低檔位加速是行車中最費燃油的。直噴發動機則能夠利用分層燃燒技術以較少的燃油獲得更大的扭矩。

而當車輛進入勻速運動狀態時，發動機能夠在智能控制組件的作用下，將分層燃燒自動調整為均勻燃燒。均勻燃燒則能充分發揮動態響應好，扭矩和功率高的特點。進而保證了車輛在高速運動時的動力輸出的平順性和燃油經濟性。分層燃燒和均勻燃燒的智能適時轉化，由此帶來的功率提升、燃油消耗減少、排放更環保也是缸內直噴技術的魅力所在，比如SIDI雙模直噴發動機要比同排量的多點噴射發動機，其功率提升15%、扭矩提高8%，綜合油耗卻明顯下降，并減少25%的CO2排放量，尾氣排放可以輕松達到目前最苛刻的歐洲排放標準，因此帶來了更高的環保品質。

3.直噴的基本原理

分層燃燒：在部分負荷時，少量的燃油由噴射器噴出，形成的可燃混合物只分布在火花塞周圍，換句話說，空燃比是14.7：1的混合氣集中在火花塞周圍，在燃燒室的其他部分則是純凈的空氣。混合氣層的大小范圍精確地反映了瞬時發動機動力的需求。在分層燃燒時，直到壓縮行程時才噴射燃油，油霧直接進入燃燒室中的空氣，而噴油就發生在點火前瞬間。分層燃燒時lambda值達到4，可見發動機在中、低速時燃油是多么節省。

另一個優點是，在燃燒時空氣層隔絕了熱，減少了熱量向汽缸壁的傳遞，從而減少了熱量損失提升了發動機熱效率。

均勻燃燒：在全負荷時，燃油噴射與進氣同步，燃油得到完全霧化，使混合汽均勻地充滿燃燒室，自然會得到充分的燃燒，使發動機動力得到淋漓盡致的發揮。在均勻燃燒時有著和傳統噴射發動機相同的空氣與燃油混合比，即空燃比是14.7：1，此時的lambda值是1。而燃油的蒸發又使混合汽降溫，去除了爆震的產生。也就是說在均勻燃燒情況下，在獲得高動力輸出和扭矩值的同時付出了較低的燃油消耗。勒芒耐力賽就可證明，因為比賽中總是在均勻燃燒狀態。

單模直噴：從原理上說，奧迪的FSI發動機技術，由于其所采用的是高壓稀燃技術，這種技術通過壓燃方式使發動機工作，這就必須使發動機的壓縮比達到15.5：1左右，這樣才能使汽油在高壓下被自動點燃燒。高壓縮比帶來的是對汽油高辛烷值的需求（奧迪在國外普遍需要使用97號以上甚至清潔汽油），而目前國內能加97號汽油的加油站并不多，并且國內成品油質量也無法得到保障，長此以往，無疑對車輛本身的使用壽命造成一定影響。

除此之外，發動機如果所選用的油品無法達到足夠辛烷值，可能會造成汽車行駛中無故熄火，而宿短產品壽命。考慮到在國內引入分層燃燒的風險，奧迪最終放棄了雙模設置，而僅保留了均質燃燒技術，這便是單模缸內直噴。

雙模直噴：目前國內唯一能夠克服油品問題，擁有“分層燃燒”和“均勻燃燒”的雙模技術發動機是來自通用凱迪拉克的SIDI缸內直噴發動機。

相較的FSI單模直噴，SIDI發動機擁有分層燃燒和均質燃燒兩種模式，真正實現稀薄燃燒。所謂稀薄燃燒，也就是降低發動機混合氣中的汽油含量。以較低的油氣混合維持發動機的正常運轉，達到降低油耗和排放的效果。由于較低的燃油濃度其點燃的難度就較大，因此采用分層燃燒能夠更好的解決這一問題，方法是：先點燃較濃的混合氣團，通過這個現行點燃的能量繼續點燃所有的混合氣，從而達到燃油稀薄狀態下正常的點火。以達到在較小的點火能量下，稀薄的燃油混合物能夠充分的燃燒，從而實現節能的目的。

總之，通用的凱迪拉克SIDI發動機能夠使用93號汽油，而奧迪FSI發動機只能使用97號汽油。相信對于消費者而言，這一差異表現在長期成本上將十分明顯。一場由奧迪FSI和凱迪拉克SIDI等帶來的席卷全球的新一輪發動機技術革命，從人類技術應用的加速度趨勢來判斷，缸內直噴技術的普及化風潮或許就在不遠的明天，讓我們拭目以待。

[1]舒華,姚國平.汽車電子控制技術[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2]孫長錄.汽車發動機構造與維修[M].天津:天津科學技術出版社,2010.