淺談汽車發(fā)動機的缸內(nèi)直噴技術(shù)

【摘要】缸內(nèi)直噴技術(shù)是指將噴油嘴設(shè)置在進、排氣門之間，高壓燃油直接注入燃燒室平穩(wěn)高效地燃燒，缸內(nèi)直噴是通過均勻燃燒和分層燃燒實現(xiàn)高負荷以及低負荷下的燃油消耗降低，動力還有很大提升的一種技術(shù)。本文著重介紹了缸內(nèi)直噴的工作原理、缸內(nèi)直噴的實際應用、稀薄燃燒技術(shù)三方面的內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】汽車；發(fā)動機；缸內(nèi)直噴技術(shù)

一、缸內(nèi)直噴的工作原理

缸內(nèi)直接噴射技術(shù)是為了改善傳統(tǒng)汽油發(fā)動機供油方式的不足而研制的。先進的直噴式汽油發(fā)動機采用類似于柴油發(fā)動機的供油技術(shù)，通過一個活塞泵提供所需100ba以上的壓力，將汽油提供給氣缸內(nèi)的電磁噴射器，通過電腦控制噴射器將燃料在最恰當?shù)臅r間直接注入燃燒室。缸內(nèi)直噴控制的精確度接近毫秒，其關(guān)鍵是考慮噴射器的安裝，必須在氣缸上部留給其一定的空間。由于氣缸頂部已經(jīng)布置了火花塞和多個氣門，已經(jīng)相當緊湊，所以將其布置在靠近進氣門側(cè)。由于噴射器的加入導致對氣缸的設(shè)計和制造要求都相當高，如果布置不合理或制造精度達不到要求導致剛度不足甚至漏氣則得不償失。另外，F(xiàn)SI發(fā)動機對燃油品質(zhì)的要求也比較高，目前國內(nèi)的油品狀況可能很難達到FSI發(fā)動機的要求，所以部分裝配了FSI的進口高爾夫出現(xiàn)了發(fā)動機的“水土不服”。此外，F(xiàn)SI技術(shù)采用了兩種不同的注油模式，即分層注油和均勻注油模式。

發(fā)動機低速或中速運轉(zhuǎn)時采用分層注油模式。此時節(jié)氣門為半開狀態(tài)，空氣由進氣管進入氣缸撞在活塞頂部，由于活塞頂部制作成特殊的形狀，從而在火花塞附近形成期望中的渦流。當壓縮過程接近尾聲時，少量的燃油由噴射器噴出，形成可燃氣體。這種分層注油方式可以充分提高發(fā)動機的經(jīng)濟性，因為在轉(zhuǎn)速較低、負荷較小時，除了火花塞周圍需要形成濃度較高的油氣混合物外，燃燒室的其他地方只需空氣含量較高的混合氣即可，而FSI使其與理想狀態(tài)非常接近。當節(jié)氣門完全開啟，發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時，采用均勻注油模式，大量空氣高速進入氣缸形成較強渦流并與汽油均勻混合。從而促進燃油充分燃燒，提高發(fā)動機的動力輸出。

二、缸內(nèi)直噴的實際應用

缸內(nèi)直噴技術(shù)在VAG集團中被廣泛運用，由奧迪RS4和R8共享的4.2LFSI發(fā)動機即是其中性能強悍的代表作。大眾集團可以算是導入缸內(nèi)直噴技術(shù)最具代表性的例子，目前奧迪和VW都已將名為FSI（奧迪品牌）或TSI（大眾、斯柯達品牌）的缸內(nèi)直噴發(fā)動機列為旗下車款的高階動力來源，甚至在奧迪和VW車系的頂級車上更以FSI結(jié)合上渦輪增壓以增大動力。

供油系統(tǒng)采用缸內(nèi)直噴設(shè)計的最大優(yōu)勢在于燃油是以極高壓力直接注入燃燒室中，因此除了噴油嘴的構(gòu)造和位置都異于傳統(tǒng)供油系統(tǒng)，在油氣的霧化和混合效率上也更為優(yōu)異。采用缸內(nèi)直噴的發(fā)動機除了材質(zhì)上的講究，活塞、燃燒室也都經(jīng)過特別設(shè)計。但是缸內(nèi)直噴技術(shù)也并非完美，因為從經(jīng)濟層面來看，采用缸內(nèi)直噴的供油系統(tǒng)，除了在研發(fā)過程中必須花費更大成本，在部件構(gòu)成復雜且精密的情況下，零組件的價格也比傳統(tǒng)供油系統(tǒng)來得昂貴，這些也都是未來缸內(nèi)直噴發(fā)動機尚待克服的要素。

現(xiàn)代汽車所使用的發(fā)動機都屬于內(nèi)燃機發(fā)動機一類，將燃料與新鮮空氣導入發(fā)動機的氣缸后壓縮，再以火花跳火引爆壓縮的油氣，利用爆炸的力量推動活塞，通過曲軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的機械能推動車輛。在這個過程之中，燃油與空氣之間是否獲得最佳的混合效果與燃燒效果，將決定發(fā)動機輸出效能的高低。

噴射發(fā)動機是由fuelinjection直譯而來，正確的說法應是燃料噴射發(fā)動機。而燃料噴射的位置在進氣歧管當中，利用噴嘴產(chǎn)生霧化的油氣，與進氣系統(tǒng)的新鮮空氣進行均勻混合后導人發(fā)動機。現(xiàn)行車輛所使用的歧管噴射系統(tǒng)是在20世紀80年代開始導人的主動式供油技術(shù)，取代了原本機械式的化油器被動供油系統(tǒng)。歧管噴射系統(tǒng)的供油噴嘴安裝在進氣歧管上，在發(fā)動機的進氣行程時噴射注入燃油，利用噴嘴產(chǎn)生霧化的油氣與進氣系統(tǒng)的新鮮空氣進行均勻混合后導入發(fā)動機，作為發(fā)動機運作的燃料。

三、稀薄燃燒技術(shù)

為了達成節(jié)省能源的目標，科學家將空氣與燃油的比例大幅下降，發(fā)展出不同于傳統(tǒng)的歧管直噴技術(shù)，這便是稀薄燃燒技術(shù)。稀薄燃燒技術(shù)的原理：使用稀薄燃燒技術(shù)的發(fā)動機，噴油嘴的位置不再位于進氣歧管當中，而是置于氣缸內(nèi)，將燃油直接噴注于燃燒室。

汽車汽油發(fā)動機實現(xiàn)稀燃的關(guān)鍵技術(shù)歸納起來有以下三個方面。一是提高壓縮比。采用緊湊型燃燒室，通過進氣口位置改進使缸內(nèi)形成較強的空氣運動旋流，提高氣流速度；將火花塞置于燃燒室中央，縮短點火距離；提高壓縮比至13∶1左右，促使燃燒速度加快。二是分層燃燒。如果空氣與燃油的混合比達到25∶1以上，按照常規(guī)是無法點燃的，因此必須采用由濃至稀的分層燃燒方式。通過缸內(nèi)空氣的運動在火花塞周圍形成易于點火的濃混合氣，混合比達到12∶1左右，外層逐漸稀薄。濃混合氣點燃后，燃燒迅速波及外層。為了提高燃燒的穩(wěn)定性，降低氮氧化物（NOx）的排放量，此時采用燃油定時噴射與分段噴射技術(shù)，即將噴油分成兩個階段：進氣初期噴油，燃油首先進入缸內(nèi)下部隨后在缸內(nèi)均勻分布；進氣后期噴油，濃混合氣在缸內(nèi)上部聚集在火花塞四周被點燃，實現(xiàn)分層燃燒。三是高能點火。高能點火和寬間隙火花塞有利于火核形成，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短，燃燒速度增快，稀燃極限大。有些稀燃發(fā)動機采用雙火花塞或者多極火花塞裝置來達到上述目的。

參考文獻

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作者簡介：吳敏（1967.10—），男，漢族，重慶人，本科，教授，研究方向：汽車與電子工程技術(shù)。