江苏天马网络科技集团:FSI发动机缸内直喷

FSI发动机缸内直喷

说起FSI这个名字，很多人并不陌生，马上就会想到大众奥迪集团（简称VAG）的缸内直喷发动机。但很多人对这项技术存在误解，更多的人觉得，装备了FSI的发动机一定比没装FSI的发动机动力大。其实这种想法是错误的。因为FSI的设计目的并不是为了提高多少输出功率。实质上，他的核心功能是节油和环保。     普通多点喷射发动机的喷油器是装在进气歧管上的，汽油在歧管内开始混合，然后再进入到汽缸中燃烧。而空气跟汽油的最佳混合比是14.7/1（也叫理论空燃比）。由于汽油跟空气是在进气歧管内混合，那么他们只能均匀的混合在一起，所以必须达到理论空燃比才能获得较好的动力性和经济性。FSI缸内直喷发动机，应用了稀薄燃烧技术，就是说它在正常工作情况下的空燃比要大于理论空燃比，混合气浓度比普通电喷发动机更低。混合气浓度降低了，那么经济性也随之提高，跑同样的路，应用稀燃技术的发动机就会更省油。
    首先我们来看看实现稀燃需要具备的条件。大家不难理解，当空燃比大于理论空燃比时，由于混合气浓度降低，那么汽油的发火性也会降低。通俗的说汽油就不那么容易被点燃。因为火花塞的点火能量有限。如果要在这种情况下顺利点火，就必须提高火花塞的点火能量。通常提高火花塞点火能量有两种做法：一种是使用多电极火花塞，另一种是使用双火花塞。本田飞度1.3i-DSL发动机就是使用的后者。所以他能在一定程度上实现稀燃。但如果混合气太稀，即便是双火花塞也很难让汽油发火了。
    要获得更好的点火和燃烧条件，就必须把燃油直接喷射到汽缸中去。通过对燃烧室内部形状的设计，让混合气能产生较强的涡流使空气和汽油充分混合。然后使火花塞周围区域能有较浓的混合气，其他周边区域有较稀的混合气。这样才能在保证在顺利点火的情况下尽可能的实现稀薄燃烧。而这种在不同区域拥有不同混合气浓度的燃烧技术叫做分层燃烧技术。VAG的FSI就是应用了分层燃烧技术的一个典范。
    如图的黄色区域，为汽油喷射区域。颜色越深代表浓度越大。由于活塞顶部设计了一个利于成涡流的凹坑，汽油喷射入活塞坑以后，可以向上运动到火花塞附近，在火花塞附近形成一个较浓的区域，有利于点火。当中心区域点燃以后，放出的热量要大大高于火花塞点火能量，因此就很容易引燃周边汽油浓度较小的区域实现稀薄燃烧。这就是VAG的分层燃烧技术。
    燃油供应过程可以从上图看出，该系统在一个运转周期内使用了两次喷射。第一次喷射是在吸气行程的时候喷入部分汽油，让汽油跟空气能有充分的时间混合；第二次喷射，是在压缩终了时活塞接近上止点的时候喷入部分汽油，让火花塞周围形成较浓的区域，利于点火。而在整个压缩过程中，活塞顶部都在形成强烈的涡流，这样空气跟汽油就能混合得更均匀，燃烧更充分。
    稀薄燃烧除了可以节省燃油，还有一个显著的特点就是可以使用高压缩比。普通发动机混合气浓度较大，如果压缩比过高就容易产生自燃。由于有了稀燃技术，混合气自燃的机率减低，那么压缩比也可以随之提高了。压缩比提高以后，带来的直接好处就是让汽油的燃烧效率更高。因为在高压状态下汽油燃烧所释放的能量比在低压状态下要多。而且在高压状态下汽油燃烧也更充分，有害物质的排放也更低。
    了解了这么多FSI的工作特性，我们再来看看他对硬件方面比普通的电喷发动机有哪些额外的要求。
    首先，FIS与普通发动机显著的区别就是它的喷油器安装在燃烧室上的，汽油直接喷注到汽缸当中去。而它的第二次喷射，是在压缩终了时进行的。此时汽缸内的压力非常高，油路必须具备比缸内更高的压力才能把汽油有效的喷注到汽缸当中去。这就对整个燃油供给系统提出了更高的要求。首先要使用高压汽油泵，燃油管道内的压力提高以后，管道的各个接头的密封处的强度也要随之提高，这样才能保证在正常使用时不会发生燃油泄露。这样，对喷油器的设计和制造工艺也提出了更高的要求。由于喷油器是直接安装在燃烧室上的，那么必须需要喷油器有耐高温的能力，而且供油压力提高以后对喷油嘴的精度也提出了更高的要求，因为喷油嘴要在高温高压的状态下保证良好的密封性能。
    其实这也是为什么FSI发动机不能大量进口到中国的原因了。首先上文提到了，FIS发动机的压缩比比普通发动机要高（例如：LUPO 1.4普通发动机的压缩比为10.5，LUPO 1.4FSI发动机的压缩比为11.5）所以对汽油的辛烷值要求也更高了。国内普通的93号汽油显然是不行的。必须使用97甚至98标号的汽油，但这些高标号的汽油在国内很难买到，多数加油站只能提供93号汽油。再者就是对油质的要求高。因为整个燃油供给的压力都提高了很多，而且喷油器工作环境恶劣，喷油嘴的加工精度高。这样就需要非常洁净的汽油，如果汽油的杂质过多，就很容易让喷油嘴过度磨损，结果就是新车买回去没开多久喷油器就开始漏油了。如果碰到大直径的杂质，那么很容易堵住油针的回位，这样也会造成漏油。而中国的汽车，从加工到运输再到储存然后到销售，都很不规范。油品质量蹭差不齐，特别是在运输和储存过程中，难免会混入较多的杂质，这对FSI是致命的伤害。所以不难理解，VAG为了避免招回的厄运，就没有向中国大批量出口装备了FSI发动机的车型。总的来说FSI这项技术在油价高涨的今天，还是非常符合市场需求的。我们只希望中国汽油的油质能够尽快提高，让中国人也能享受到如此节能的高科技技术。Alfa Romeo的JTS（Jet Thrust Stoichiometric）直喷系统在转速仅1500rpm以上便会停止稀薄燃烧功能，以降低NOx的排放。 　　为了让汽车引擎达到更强的输出与更高的燃油经济性，各家车厂一直致力于新科技的开发，而除了相当广为人知的气门技术、增压手段之外，近年来尚有名为「缸内直喷」的科技崛起，并得到各家车厂的青睐。究竟这译自于「Direct Injection」的新玩意与目前广泛使用于量产车引擎供油系统中的Multi-Point Injection有何不同，未来前景又是如何？就让本文为您逐一解答。
　　在构造上，传统多点喷射系统的喷油嘴是位于进气歧管前方，在引擎需要供油时，由计算机计算出最佳的供油量并与进入引擎的空气混合后，经由进气阀门到达汽缸内部，并进行压缩、爆炸等动作。至于缸内直喷系统，则是将喷油嘴置于汽缸内部，其特色在于引擎燃油的取得不需要经过气门的开启，而能够藉由计算机主动控制喷油时间、压力与喷射量。与传统喷射系统相较，缸内直喷不受限于传统机械构造的进气方式，而且能够依照引擎所需随时调整空燃比例等特点，均使其表现拥有无限的想象空间。
　　众所皆知，内燃机在一般工作状态中所需的理想油气比例为1：14.7，这种调配是传统化油器的专长，不论天候、温度，永远进行着一成不变的工作。然而在少数状态下如冷车启动、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。至于喷射供油系统，则相对显得智能许多，其中枢系统会随时侦测引擎温度、进气流量、转速变化、震动状况，并依照实际需求调整供油量与点火时间，因此在动力输出、燃油经济与排污表现上可以取得相当不错的平衡。
　　但是由于引擎构造的先天限制，喷射引擎所吸进油气的时间只有在气门开启状态下才能进行，故行车计算机所能控制的因子其实也相当有限。直到缸内直喷系统问世后将喷油嘴内移到汽缸内部后，才开启了全新的视野，其能直接由计算机主动决定喷油时机与份量，至于气门则仅看管「纯空气」的进入时程，两者则是在进入到汽缸内才进行混合的动作。
　　也由于油、气的混合空间、时间都相当短暂，故缸内直喷系统的喷油嘴必须辅以高增压系统，以大幅提高燃油的喷射压力与效率，并达到高度雾化的效果，期有更佳的混合表现。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，藉以提高混合油气的雾化效果与燃烧效率。
在构造改变之后，供油动作已完全独立于进门与活塞系统之外，中央计算机也因而拥有更多的主导权。于是乎，超乎传统喷射理论的稀薄燃烧与更多元的混合比便得以发生。
　　在稳定行进或低负载状态下，采用缸内直喷设计的引擎得以进入Ultra lean（精实）模式。在此设定下，引擎于进气行程时只能吸进空气，至于喷油嘴则在压缩行程才供给燃料，以达到节约效果。根据实际测试，其最高能达到1：65的油、气比例，除了节能表现相当惊人，整体动力曲线也能够维持在相当高的平顺程度。然而本模式由于会产生相当大量的NOx（硫化物）与高温，所幸在近期由于技术与材料科学的突破，故也已得到相当程度的解决。
　　Mercedes-Benz的3.5升V6引擎在导入了CGI技术后，马力输出一举由原本的272hp提升到292hp！
　　当引擎需要较大动力时，行车计算机则会选择进入低污（Stoichiometric combustion）模式，此时的喷油动作虽然在传统的进气步骤进行，不过计算机仍会依照排气管感知侦测系统所传回的信息随时进行油量微调，并缜密计算排放物与触媒间的互动关系，以将污染降到最低。至于全负载系统，则称为Full power mode。在此战斗状态下，喷油系统通常将会与点火、进气系统紧密合作，并以释放出最强的动力为目标。
简而言之，Direct Injection的优势就在于利用自主性极高的喷油系统，来创造出「低速节能」、「中速减污」与「高速强悍」三者兼具的表现。
　　根据记载，世界上最早采用缸内直喷引擎的量产车为1955年登场的Mercedes-Benz 300SL，其装置了来自Bosch的燃料整合系统，整体设定以性能表现为主要考虑。至于喷油嘴，则被安置在汽缸壁上。
　　近代掀起相关发展热潮的，则当属Mitsubishi Motors，该公司在1996年便曾以代号4G93的直列四缸引擎为素材，建造了副名为GDI（Gasoline direct injection）的动力系统，并装置于该厂旗下的Galant/Legnum车系上，随后也成功销往欧洲，并出售技术予PSA集团。然而由于当时技术并不成熟，因此也造成该系统的低速NOx排量相当惊人，而随即被许多注重环保的国家拒于门外，其发展也因而减缓。
　　到了2001年时，Volkswagen/Audi集团也发展出独有的FSI（Fuel Stratified Injection）缸内直喷系统，除了效能相当优异，同时更搭配了涡轮增压来创造出性能味强烈的组合。至于BMW，则是也早在该公司的V12引擎上装置了直喷机构，更进一步的成绩则将在今年下旬以HPI（High Precision Injection）的面目搭配涡轮增压与世人见面。
　　至于这两年，则有Mercedes的CGI与Mazda的DISI系统先后问世，上述两者皆以压榨性能为主要设计取向，并且在市场上也都有亮眼的成绩。此外，美国的GM、Ford以及意大利的Alfa Romeo、日本Toyota等车厂，也都陆续有相关作品问世，让缸内直喷系统的普遍性日渐升