缸内直喷的原理 更新时间: 2020-10-24

在对能源和环保要求日趋严格的今天,即使是多点燃油喷射这样的技术也不能满足人们的要求了,于是更为精确的燃油喷射技术诞生,那就是缸内直喷技术。

缸内直喷就是将燃油喷嘴安装于气缸内,直接将燃油喷入气缸内与进气混合。喷射压力也进一步提高,使燃油雾化更加细致,真正实现了精准地按比例控制喷油并与进气混合,并且消除了缸外喷射的缺点。同时,喷嘴位置、喷雾形状、进气气流控制,以及活塞 顶形状等特别的设计,使油气能够在整个气缸内充分、均匀的混合,从而使燃油充分燃烧,能量转化效率更高。


但是缸内直喷科技也并非无敌,因为从经济层面来看,采用缸内直喷的供油系统除了在研发过程必须花费更大成本,在部品构成复杂且精密的情况下,零组件的价格也比起传统供油系统来得昂贵,因此这些也都是未来缸内直喷发动机尚待克服的要素。

TSI

在国外大众的1.4T 发动机上以及进口尚酷1.4T,TSI代表的是Twincharger Fuel Stratified Injection这几个单词首字母的缩写,通过字母表面意思可以理解为双增压+分层燃烧+喷射的意思。TSI发动机是在FSI技术的基础之上,安装了一个涡轮增压器和一个机械增压器,鉴于涡轮增压和机械增压的特性,机械增压 可以从怠速开始就能为发动机提供增压效果,弥补了涡轮增压系统的延时缺点,所以TSI是一种极高效率的发动机形式,会是动力性与燃油燃油经济性的完美统一。


『Twincharger Fuel Stratified Injection』

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

而大众1.8/2.0TSI中的“TSI”则代表着Turbo Fuel Stratified Injection,通过字母表面意思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。

TFSI

FSI是大众/奥迪的汽油缸内直喷技术,FSI可将燃油直接喷入燃烧室,降低了发动机的热损失,从而增大了输出功率并降低了燃油消耗,对于燃油经济性和动力性都有帮助。

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,大众系列直喷且带增压的发动机简称为TSI。

不过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。

FSI

FSI,它所代表的单词直译为燃油分层喷射,它是大众汽车直喷发动机 的标志代码。那么FSI发动机有什么好处?装载它的汽车又能带给我们怎样的惊喜呢?

与那些把汽油喷入进气歧管的发动机相比,FSI发动机的主要优势有:动态响应好、功率和扭矩可以同时提升、燃油消耗降低。


『FSI是目前大众主推的发动机技术』

理论上,FSI发动机 有至少两种燃烧模式:分层燃烧和均质燃烧,有人还把均质燃烧模式细分为均质稀燃模式和均质燃烧模式。从FSI所代表的Fuel Stratified Injection含义上看,分层燃烧应该是FSI发动机的精髓与特点,不过也可以理解为它的研发起点和基础。


分层燃烧的好处在于热效率高、节流损失少、有限的燃料尽可能多地转化成工作能量。分层燃烧模式下节气门 不完全打开,保证进气管内有一定真空度(可以控制废气再循环和碳罐等装置)。这时,发动机的扭矩大小取决于喷油量,与进气量和点火提前角关系不大。


分层燃烧模式在进气过程中节气门开度相对较大,减少了一部分节流损失。进气过程中的关键是进气歧管 中安置一翻版,翻版向上开启(原理性质,实际机型可能有所不同)封住下进气歧管,让进气加速通过,与ω形活塞顶配合,相成进气涡旋。

分层燃烧时喷油时间在上止点前60°至上止点前45°,喷射时刻对混合气的形成有很大影响,燃油被喷射在活塞 顶的凹坑内,喷出的燃油与涡旋进气结合形成混合气。混合气形成发生在曲轴转角40°至50°范围内,如果小于这个范围,混合气无法点燃,若大于,就变成均质状态了。分层燃烧的空燃比一般在1.6-3之间。


点火时,只有火花塞 周围混合状态较好的气体被点燃,这时周围的新鲜空气以及来自废气再循环的气体形成了很好的隔热保护,减少了缸臂散热,提升了热效率。点火时刻的控制也很重要,它只在压缩过程终了的一个很窄的范围内。

『分层燃烧演示视频』

均质稀燃模式混合气形成时间长,燃烧均匀,通过精确控制喷油,可以达到较低的混合气浓度。均质稀燃的点火时间选择范围宽泛,有很好的燃油经济性。

均质稀燃与分层燃烧的进气过程相同,油气混合时间加长,形成均质混合气。燃烧发生在整个燃烧室内,对点火时间的要求没分层燃烧那么严格。均质稀燃的空燃比大于1。


『FSI发动机结构图』

均质燃烧则能充分发挥动态响应好,扭矩和功率高的特点。均质燃烧进气过程中节气门 位置由油门踏板决定,进气歧管中的翻版位置视不同情况而定。当中等负荷时,翻版依然是关闭的,有利于形成强烈的进气旋流,利于混合气的形成与雾化。当高速大负荷时,翻版打开,增大进气量,让更多的空气参与燃烧。均质燃烧的喷油、混合气形成与燃烧和均质稀燃模式基本一样。均质燃烧情况下空燃比小于或等于1。

以上三种燃烧状态是FSI发动机特有的燃烧控制模式,但其中有些方面还停留在理论优势方面。现在奥迪在全球发布的FSI发动机还都采用均质燃烧模式,这不是说分层燃烧不可实现,而只是说分层燃烧实施的成本或时机还不成熟。主要表现在分层燃烧用稀混合气,提高了缸内温度也提高了氮氧化物这样的有害排放物。对于稀混合气,普通的 三元催化器很难把氮氧化物转换干净,那么需要额外的降低氮氧化物的催化转换器,无疑加重了空间和成本的负担。另外,现阶段高硫含量的汽油对此催化器损害很大,因此还有改造炼油设备,提升燃油品质的成本。


『奔驰的CGI发动机也采用了直喷技术』

没有了分层燃烧会不会让FSI发动机 的原有优势荡然无存?答案是否定的。即使没有应用分层燃烧,FSI发动机还有能提升压缩比,降低燃烧残油量的特点。FSI发动机采用缸内直喷,汽油在缸内蒸发产生内部冷却效果,这样就降低了爆震的可能性,可适当提升压缩比。而进气涡旋与气门正时的配合能使没燃烧的残油得到良好的再利用。这样,FSI发动机 仍能在提高动力,降低油耗方面有较大的作为。


FSI发动机产生的效果可以从奥迪公司公布的发动机 指标看出来。以3.2升FSI和4.2升FSI为例,对比的机型分别是以前的3.0升和4.2升汽油机。功率上,3.2升FSI发动机是257马力,比原机型的218马力提升了39马力,4.2升FSI发动机的350马力比原机型的335马力提升了15马力;在最大扭矩 上,是3.2升FSI的330牛米对原机型的290牛米,4.2升FSI的440对原机型的420牛米。


『大众在国内生产的发动机取消了分层燃烧,仅剩直喷』

SIDI

通用将燃油直喷技术的代号为SIDI,SIDI是Spark Ignition Direct Injection的缩写,直译为火花点燃直接喷射技术。


其实现的原理和一般的直喷发动机并无二致:凸轮轴驱动的燃油泵为供油系统提供高压燃油,共轨喷油嘴 将高压燃油直接注入汽缸,点火时间就可以得到精确的控制,而且高压喷射和极细的喷嘴设计则保证了喷油量的精确计算。缸内直喷技术代替了传统MPFI(多点电喷)技术之后,发动机在低转速下燃烧效率被进一步提升。


『6孔喷油嘴』

另外,通用的SIDI技术依靠的是缸内均质燃烧来提升效率,并没有使用稀薄分层燃烧技术。由于国内油品的限制,引入国内的直喷发动机均不使用分层燃烧,通用的SIDI也没有例外。不过没有使用分层燃烧也是SIDI发动机拥有不挑食的优势,官方产品手册上也并没有对SIDI发动机做出任何特殊的养护要求,这也是它相比大众系直喷发动机 最大的优势所在。

In addition, the general SIDI technology relies on homogeneous combustion in cylinder to improve the efficiency, and does not use the lean stratified combustion technology (

). Due to the limitations of domestic oil, the introduction of domestic direct injection engines do not use stratified combustion, generic SIDI is no exception. But do not use stratified combustion SIDI engine has also not picky advantages, official manual also did not make any special maintenance requirements for SIDI engine, it is compared to the general public department of the greatest advantages of direct injection engine.

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