第三節 缸內汽油直接噴射系統
在對能源和環保要求日趨嚴格的今天，即使是多點燃油噴射這樣的技術也不能滿足人們的要求，于是更為精確的燃油噴射技術誕生，那就是缸內直噴技術。1954年，第一輛匹配4沖程汽油噴射發動機的轎車誕生，它就是奔馳300SL，霧狀燃油直接噴入進氣歧管，比化油器發動機提供了更大的動力和更高的燃油經濟性，可算是邁了一大步。自從單點和多點噴射技術在20世紀80年代普遍應用以來，技術上的改進一直在進氣系統做文章，如2、3、4、5氣門，可變進氣，可變氣門升程及正時等，而沒有實現根本的“基因突變”。我們今天的需求是既要有良好的燃油經濟性，又要有出色的動力表現。那么我們來看看汽油缸內直噴技術是否是汽油噴射發動機的基因突變。
一、汽油機缸內直噴作為新技術有著美好的前景
缸內直噴所宣揚的是通過均勻燃燒和分層燃燒實現高負荷尤其是低負荷下的燃油消耗降低，動力還有很大提升。今天各大公司已經把目光鎖定在直噴，如奧迪公司開發了FSI系統，奔馳開發了CGI系統，菲亞特開發了JTS系統，雖然名字不同，但它們都代表了汽油缸內直噴。
直噴發動機潛力的證明是在2001年7月的勒芒24h耐力賽上獲勝的奧迪R8，它匹配著帶雙增壓的V8 FSI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，有力證明了直噴不僅有出色的動力表現，燃油還要節省8%。不僅是這些，R8車手認為，發動機動力反應敏捷且非常到位。
奧迪第一款作為量產車匹配直噴發動機的車型是2002年3月在日內瓦車展展出的A2 1.6FS1。接下來是奧迪A4匹配了110kW 2.0L FSI發動機，有別于96k VV的A4，使用了單柱塞高壓油泵，4氣門替代了5氣門，顯然是為了在燃燒室安裝汽油噴嘴節省地方。A4 2.0 FSI最大扭矩200N·m出現在3250～4250r/min，0～100km/h的加速時間是9.6s，最高時速為218km/h，綜合油耗為7.1L/100km。
在2002年底，奔馳上市了配有1.8L CGI汽油缸內直噴發動機的C級轎車（即C200CGI）。峰值功率是125kW，扭矩比上一代增加了15%。當發動機轉速只有1500r/min時即可輸出扭矩的75%，在3000r/min時輸出最高扭矩250N·m并持續到4500r/min。與相同排量C級車相比，節油超過19%，綜合油耗是7.8L/100km，排放達到歐4。0～100km/h的加速時間是9.0s，最高時速為222km/h。與C200CGI有著相同排量的C 180KO MPRESSOR峰值功率是105kW，每2500r/min最高扭矩為220N·m， 0～100km/h的加速時間是9.7s最高時速為22km/h，綜合油耗為8.2L/100km。從以上數值可以看出這兩款發動機的差距。
二、作為后勤保障，供油系統為直噴提供了精確的高壓噴射
供油系統的主要部件是高壓油泵、共軌、燃油壓力傳感器、壓力控制閥、高壓噴嘴和ECU。首先是對噴嘴的要求提高了，以前的噴嘴是安裝在進氣歧管，今天不同了，“親臨前線”安裝在了燃燒室，自然要經受住烈火的“考驗”。高壓電磁噴嘴扮演著重要的角色，電磁單元被激活的時間和油壓決定了噴射量的多少燃油噴射時間則被控制在幾千分之一秒。在奔馳C200 CGI發動機上燃油以42°角噴入氣缸，燃油壓力隨發動機的工作特性從50～120bar。而傳統4缸汽油噴射發動機的噴射壓力是38bar。高壓油泵由進氣凸輪軸驅動軌道中的油壓，并由發動機電腦調節，直接連接到噴嘴。壓力信號取自壓力傳感器。部分負荷時，在低轉速下，壓力是4～5bar，滿足稀薄燃燒。奧迪的高壓油泵同樣由凸輪軸驅動，噴射壓力最高到110bar。另一個需要具備的基本條件是要使用低硫汽油。
三、直噴技術產生了新的概念：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，使混合氣均勻地充滿燃燒室，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λ值是1，而燃油的蒸發又使混合氣降溫，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。
四、缸內直噴系統的工作原理
缸內直噴就是將燃油噴嘴安裝于氣缸內，直接將燃油噴入氣缸內與進氣混合。噴射壓力也進一步提高，使燃油霧化更加細致，真正實現了精準地按比例控制噴油并與進氣混合，并且消除了缸外噴射的缺點。同時，噴嘴位置、噴霧形狀、進氣氣流控制，以及活塞頂形狀等特別的設計，使油氣能夠在整個氣缸內充分、均勻的混合，從而使燃油充分燃燒，能量轉化效率更高。缸內直噴又稱FSI（Fuel Stratified Injection）技術，即燃料分層噴射技術，代表著傳統汽油發動機的一個發展方向。傳統的汽油發動機是通過電腦采集凸輪位置以及發動機各相關工況，從而控制噴油嘴將汽油噴入進氣歧管。但由于噴油嘴離燃燒室有一定的距離，汽油同空氣的混合情況受進氣氣流和氣門開關的影響較大，并且微小的油顆粒會吸附在管道壁上，所以希望噴油嘴能夠直接將燃油噴入氣缸。FSI技術就是大眾集團開發的用來改善傳統汽油發動機供油方式的不足而研制的缸內直接噴射技術，先進的直噴式汽油發動機采用類似于柴油發動機的供油技術，通過一個活塞泵提供所需的100bar以上的壓力，將汽油提供給位于氣缸內的電磁噴射器。然后通過電腦控制噴射器將燃料在最恰當的時間直接注入燃燒室，其控制的精確度接近毫秒，其關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。由于氣缸頂部已經布置了火花塞和多個氣門，已經相當緊湊，所以將其布置在靠近進氣門側。由于噴射器的加入導致了對設計和制造的要求都相當高，如果布置不合理、制造精度達不到要求導致剛度不足甚至漏氣只能得不償失。另外，FSI發動機對燃油品質的要求也比較高，目前國內的油品狀況可能很難達到FSI發動機的要求，所以部分裝配了FSI技術的進口高爾夫出現了發動機的“水土不服”情況。
此外，FSI技術采用了兩種不同的注油模式，即分層注油和均勻注油模式。發動機低速或中速運轉時采用分層注油模式。此時節氣門為半開狀態，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充分提高發動機的經濟性，因為在轉速較低、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使其與理想狀態非常接近。當節氣門完全開啟、發動機高速運轉時，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，提高發動機的動力輸出。電腦不斷地根據發動機的工作狀況改變注油模式，始終保持最適宜的供油方式。燃油的充分利用不僅提高了燃油的利用效率和發動機的輸出，而且改善了排放。
但是缸內直噴技術也并非無敵，因為從經濟層面來看，采用缸內直噴的供油系統除了在研發過程必須花費更大成本，在產品構成復雜且精密的情況下，零部件的價格也比傳統供油系統來得昂貴，因此，這些也是未來缸內直噴發動機尚待克服的因素。直噴發動機氣缸如圖1-24所示。
圖1-24 直噴發動機氣缸
五、一些品牌公司缸內直噴代號的含義
1.TSI
在國外大眾以及進口尚酷的1.4T發動機上，TSI代表的是Twincharger Fuel Stratified Injection這幾個單詞首字母的縮寫，通過字母表面意思可以理解為“雙增壓+分層燃燒+噴射”。TSI發動機是在FSI技術的基礎之上，安裝了一個渦輪增壓器和一個機械增壓器，鑒于渦輪增壓和機械增壓的特性，機械增壓從怠速開始就能為發動機提供增壓效果，彌補了渦輪增壓系統的延時缺點，所以TSI是一種效率極高的發動機形式，是動力性與燃油經濟性的完美統一，見圖1-25。
圖1-25 分層燃燒和渦輪增壓
不過，國內生產的1.4T發動機則舍去了機械增壓和分層燃燒，僅保留了渦輪增壓和缸內直噴。
大眾1.8/2.0TSI中的“TSI”則代表著Turbo Fuel Stratified Injection，通過字母表面意思可以理解為“渦輪增壓+分層燃燒+缸內直噴”，但實際上省掉了“分層燃燒”。
2.TFSI
TFSI就是帶渦輪增壓（T）的FSI發動機，簡稱TFSI，一般奧迪系列車型會這么稱呼，大眾系列直噴且帶增壓的發動機簡稱TSI。
由于國內油品的問題，國產奧迪TFSI并沒有使用分層燃燒技術。
3.SIDI
通用汽車公司將燃油直噴技術的代號設為SIDI，SIDI是Spark Ignition Direct Injection的縮寫，直譯為火花點燃直接噴射技術。
其實現的原理和一般的直噴發動機并無二致：凸輪軸驅動的燃油泵為供油系統提供高壓燃油，共軌噴油嘴將高壓燃油直接注入氣缸，這樣點火時間就可以得到精確的控制，而且高壓噴射和極細的噴嘴設計則保證了噴油量的精確計算。缸內直噴技術代替了傳統MPFI（多點電噴）技術之后，發動機在低轉速下燃燒效率被進一步提升。6孔噴油嘴如圖1-26所示。
圖1-26 6孔噴油嘴
另外，通用汽車公司的SIDI技術依靠的是缸內均質燃燒來提升效率，并沒有使用稀薄分層燃燒技術。由于國內油品的限制，引入國內的直噴發動機均不使用分層燃燒，通用汽車公司的SIDI也沒有例外。不過沒有使用分層燃燒也是SIDI發動機擁有“不挑食”的優勢，官方產品手冊上也沒有對SIDI發動機做出任何特殊的養護要求，這也是它相比大眾系直噴發動機的最大優勢所在。