缸内直喷技术解析：大众FSI与国产1.4T发动机的差异

1.优点

缸内直喷发动机的优点是省油和高输出功率。

省油即可减少CO2的排放量，再配合新式设计及装置，缸内汽油直接喷射发动机也可大幅降低CO、HC及NOx的排放，故三菱汽车公司将其汽油直接喷射（GDI）发动机定位为全球环保发动机。

（1）省油的原因

①低负荷时，层状气体分布，燃料被进气涡流及活塞顶部的球形曲面保持在火花塞附近，是易于点燃的最佳混合气，而周围则为空气层，整个燃烧室内成为40∶1的超稀薄空燃比仍能稳定燃烧，达到省油效果。

②低负荷时，由于A/F比超稀薄化，故进/排气的泵损失少，即气体交换损失少；且因燃料吸温冷却效果，冷却损失少。

③怠速转速可设定在较低值，例如：三菱汽车的发动机怠速为600r/min。

（2）高输出（功率及转矩）的原因

①进气行程时就开始喷射燃料，整个燃烧室为均匀混合理论空燃比的均匀混合气。

②进气行程就开始喷油，燃料气化的吸温冷却效果，使空气密度增加，可提高容积效率，故比一般喷射发动机的输出高。

③直接喷入气缸中燃油的气化作用，降低空气温度，发动机不易爆震，故压缩比可提高，例如：三菱汽车的发动机压缩比可达12∶1。

2.工作原理

（1）稀燃式发动机

稀燃式发动机就是让汽油在很稀的混合状态下燃烧，空燃比可达25∶1，甚至可达40∶1。

稀薄燃烧是提高汽油机燃油经济性的重要手段。缸内直喷汽油机稀薄燃烧技术可以分为均质稀燃和分层燃烧两种燃烧模式。

在火花塞间隙周围局部形成具有良好着火条件的较浓混合气（12～13.4），在燃烧室大部分区域是较稀混合气，两者之间为了有利于火焰传播，混合气浓度从火花塞开始由浓到稀逐步过渡，这就是所谓的分层燃烧。

（2）汽油发动机实现稀燃的关键技术

①提高压缩比

采用紧凑型燃烧室，通过进气口位置改进使缸内形成较强的空气运动旋流，提高气流速度；将火花塞置于燃烧室中央，缩短点火距离；提高压缩比至13∶1左右，促使燃烧速度加快。

②分层燃烧

如果稀燃技术的混合比达到25∶1以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12∶1左右，外层逐渐稀薄。浓混合气在缸内上部聚集在火花塞四周被点燃，燃烧迅速波及外层实现分层燃烧。

③高能点火

高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成，火焰传播距离缩短，燃烧速度增快，稀燃极限大。有些稀燃发动机采用双火花塞或者多极火花塞装置来达到上述目的。

以上三点只是对整体汽油发动机稀燃技术而言，具体到某种机型会有所偏重。因为各种汽油发动机稀燃方式的技术措施不完全一样，甚至同一部发动机在不同的工况下稀燃方式也会不完全一样。(www.xing528.com)

有些着重缸内气流运动及燃油分布的配合，重点在分层燃烧；有些着重加大点火能量、增快火焰传播速度和缩短火焰传播距离，重点在高能点火。

3.典型的缸内直喷汽油机

典型的缸内直喷汽油机有：大众FSI发动机，通用SIDI发电机，奔驰CGI发动机，三菱GDI发动机，宝马HPI发动机。下面以大众FSI发动机为例来讲解发动机缸内直喷技术。

大众FSI发动机采用燃料分层喷射技术。FSI发动机的燃烧控制模式有以下几种。

（1）分层燃烧模式

进气过程中的关键是进气歧管中安置一翻板，封住下进气歧管，让进气加速通过，与活塞顶配合，形成进气涡旋，如图3-35所示。

图3-35　进气过程

发动机低速或中速运转，此时节气门为半开状态，空气由进气管进入汽缸撞在活塞顶部，由于活塞顶部制作成特殊的形状从而在火花塞附近形成期望中的涡流。当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷射器喷出，形成可燃气体。这种分层注油方式可充分提高发动机的经济性，因为在转速较低、负荷较小时除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室的其他地方只需空气含量较高的混合气即可，如图3-36所示。

图3-36　混合过程

（2）均质燃烧模式

均质燃烧模式分两种状态：

①进气歧管翻板打开时的均匀燃烧：

在发动机转速高于3750r/min或发动机负荷高于40%时，进气歧管翻板是打开的，这样就可保证发动机在高转速、大负荷时获得更多的进气量，让更多的空气参与燃烧。燃油喷射发生在进气冲程中，如图3-37所示。

②进气歧管翻板关闭时的均匀燃烧

在发动机转速低于3750r/min或发动机负荷低于40%时，进气歧管翻板是关闭的。

下部进气道被封闭，于是被吸入的空气就会通过上部进气道加速后呈紊流状流入燃烧室，利于混合气的形成与雾化。燃油喷射发生在进气冲程中，如图3-38所示。

图3-37　进气歧管翻板打开时的均匀燃烧

图3-38　进气歧管翻板关闭时的均匀燃烧

提示：

1.国外大众的1.4T发动机以及进口发动机，TSI代表的是Twincharger Fuel Stratified Injection这几个单词首字母的缩写，可以理解为双增压+分层燃烧+喷射。

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

大众1.8/2.0TSI中的“TSI”则代表着Turbo Fuel Stratified Injection，可以理解为涡轮增压+分层燃烧+缸内直喷的意思，不过国内则省掉了分层燃烧。

2.TFSI就是带涡轮增压（T）的FSI发动机，简称TFSI，一般奥迪系列车型会这么称呼。由于国内油品的问题，国产奥迪TFSI并没有使用分层燃烧技术。