标题：燃油直喷
简介
  燃油直喷　　目前，一些汽车制造商正在将GDI技术投入实际的制造应用过程。例如Mercury Marine公司就针对其大型发动机开发出了一个采用双重空燃直喷燃烧系统的发动机。从1996年起日本的三菱公司也开始了GDI发动机的开发工作，西门子和雷诺两公司也联手致力将GDI技术应用于雷诺的Megane汽车上。同时，Delphi也宣布将和Orbital发动机制造公司共同投资开发一种火花塞和燃油直喷混合的发动机系统，这个系统只需要一个通往汽缸燃烧室的孔。
开发直喷技术的最初想法是由于在大多数的情况下，发动机的空燃比可以调节到比用化学计算法得出的14.7:1更稀薄的状态，而不会对发动机性能造成负面的影响。然而其局限性却是这样的，稀薄混合气体很难点燃，而且还会随之产生相应的排放物，其主要成分是氮氧化合物（NOX）。
采用直喷技术后，燃油以细微滴状的薄雾方式进入汽缸，而不是以蒸汽的方式。这也就意味着当燃油雾滴吸收热量变为可燃蒸汽时，实际上对发动机的汽缸起到了冷却的作用。这种冷却作用降低了发动机对辛烷的需要，所以其压缩比可以有所增加。而且正如柴油一样，采用较高的压缩比可以提高燃料的效率。
采用GDI技术的另一个优点是它能够加快油气混合气体的燃烧速度，这使得GDI发动机和传统的化油器喷射发动机相比，可以很好地适应废气再循环工艺。例如，在三菱的发动机上，当怠速运转过程中如果发动机燃烧不稳定，则发动机可以以40:1的空燃比很平稳地运行（如果采用了废气再循环EGR技术，那么发动机的空燃比可以提高到55:1）。
决定一种非常稀薄的混合气体的关键是能否找到一种可靠的点燃它的途径。这就要求在火花塞间隙附近混合气的浓度足够大，以便能点燃。由于火焰的焰心要比火花塞的间隙尺寸大得多，一旦燃烧之后火焰就会向燃烧室内的稀薄气体区域扩散。早期的GDI的开发工作着重于研究能够在炙热状态下，长时间工作点燃可燃物的兆点点火系统。虽然这个系统发出的炙热的、较大的火花能够很容易地将稀薄混合气体点燃，然而由火花塞发出的热量却大大降低了火花塞电极的使用寿命。
采用计算机来模拟进出燃烧室的燃料和空气流的情况是一项突破性的技术。燃烧室和活塞的形状、喷油脉冲的能量和方向、活塞和发动机热量的运动情况都会影响油气混合物雾滴的位置。这项技术采用了关键性的计算机技术来确定空燃流的情况以及空燃喷射器的最佳位置以及火花塞的相关参数。
两个基本的系统
当这项技术应用于GDI时会产生两个基本的系统，它们分别是HPDI 和 LPDI。HPDI系统依靠高压（100巴或100个大气压力）来迫使燃料进入已经充满空气的燃烧室。在雷诺的IDE发动机中，西门子采用了一个三活塞的燃油泵来产生燃料喷射所需的高压。同时，由于采用了电磁控制的阀门，使得发动机的控制系统能够根据发动机的运转需要确定进、排气门的正时时间。
Orbital公司的低压直喷系统（LPDI）是对两冲程发动机应用于汽车制造的技术的进一步完善和改进。采用LPDI系统后，一定量的燃油被喷射到位于油气混合气喷射装置顶部的气室内。一个皮带或凸轮传动的空气压缩机用来向空气喷射装置提供大约6.5巴的压力。当空气喷射装置的线圈被启动后，空气压力就会使燃油和空气进入到燃烧室中。这个系统发生作用的关键是进入到燃烧室中的燃料流应该是呈现易燃状态。该系统的一个很主要的特点是由于燃料没有处在非常高的压力下，所以也就不需要使用特殊的燃油泵，燃油供油装置产生开裂和泄漏的危险性也小得多。
HPDI 和 LPDI这两个系统都面临着挑战。一是燃油的喷射模式必须十分精确，以便能够以成层的方式正确地将燃料进行分配。在HPDI系统中，这意味着需要更高的喷射压力和更快的喷射速度。西门子公司宣称它目前正在研究高达200巴压力的燃油喷射系统，该系统具有能够在半毫秒内点火的高精度的喷射装置。
要获得较满意的燃空混合气分层就意味着燃烧室和活塞顶部的形状都是非常关键的。这需要对每台发动机使用计算机造型和广泛的测试来确定其最终的形状。这也即是说GDI技术并不能简单地捆绑于现有的发动机上。汽缸和活塞需要进行变动，发动机的电子控制系统的硬件也需要改进。
和传统的发动机燃油泵相比，HPDI系统所需的燃油泵有很大的区别。传统的电动燃油泵需要让燃油流经泵体来保持冷却和润滑。而另一方面，高压HPDI系统的燃油泵却采用了与燃油流隔离开的液压泵组件。为了降低在如此高的压力下运转时发生泄漏的可能性，将这两部分的功能隔离开是很有必要的。PSA标致/雪铁龙公司和西门子公司已经组成了一个合资公司来专门为欧洲市场生产这种新型的燃油泵。
让发动机燃烧非常稀薄的油气混合气体也就意味着其每个燃烧冲程燃烧的燃料量更少，因而产生的功率也就更小。三菱公司的GDI发动机通过采用双重模式的燃烧系统突破了这个局限性。对于在正常情况下的诸如城市市区的低负载驾驶工况，燃油在压缩冲程延迟喷射，这一点和柴油发动机一样。这种方式提供了一种极稀薄的油气混合物分层，从而提高了发动机的燃油经济性。当来自不同的发动机传感器的信息探测到驾驶员希望在高负载或高车速下操纵汽车时，喷射脉冲就会提前在进气冲程进行喷射。
这种技术允许发动机使用正常的空燃比。其关键是发动机的电子系统能够实时确定燃油应在何时以何种方式喷射。
GDI技术对发动机排放的影响
GDI技术对发动机的排放具有很重要的影响。你可以想像得到，当较少的燃料在一个富氧的环境中燃烧时，HC和CO的产生量肯定会大大减少。另一方面，氮氧化物NOX的产生则是个问题。为了避免这个问题的发生，三菱的GDI发动机采用了30%的EGR比率，并采用了一个新型的稀薄NOX气体催化器。这种催化器是一种储藏型的设备，它能够在需要的情况下吸收多余的NOX，然后将HC排放物引入那部分的催化转换器而重新起作用。由于这个装置位于三元催化器的前面，所需要的用于多余的NOX催化的HC的量在此处应该引起注意。
这项新技术至少需要采用好几个传感器才能够起作用。人们开发出了一种新型的传感器来探测多余的NOX的水平，这种传感器在很多方面与传统的氧传感器很相似，只不过它的固体电极采用了不同的材料，而且它采用了两室的设计结构。传统的氧传感器对于采用非化学计量法得出混合汽体不起作用，所以在这里还需要一些其它的东西。一种被开发用于ULEV发动机的被称为UEGO分线性氧传感器在这种空燃比的情况下能够良好地工作，并被用于三菱公司的发动机系统中。
正如你所知道的那样，GDI发动机与目前车辆上广泛装备的传统的进油口燃油喷射的发动机有很大的不同，而且这种新型的发动机毫无疑问将在不远的将来得到应用。事实上，丰田公司的混合动力轿车Prius上已经装备了一台这样的发动机，而且福特、通用和克莱斯勒公司都正在对这种新型发动机进行研制。一个积淀了70年的概念正在逐步变为实用的产品，这就是让人值得称道的地方。而所有这一切都要归功于车载的传感器和电子控制系统，以及最终使该项技术浮出水面的计算机建模系统。
“FSI”燃油直喷技术原理探析
自从100多年前，汽油机被发明出来后，工程师们绞尽脑汁，想尽了各种各样的方法，试图提升其性能。100多年过去了，从铸铁到镁铝合金的材料科学进步，从机械控制到电子控制的控制理论进步，从功率需求到环保需要的意识进步，充分展现了工程师们独特的想象力和不懈追求,从燃油的计量、空气的混合、气门的开闭，将活塞式汽油机的性能推至前人不敢想象的高度。 
然而，从汽油机的发展历史上，实现技术上重大飞跃的历史事件只有一个，那就是电子系统的引入，将以往粗糙的机械控制系统改由精确的电子化控制。然而，另一个里程碑式的技术正在克服重重困难，来到我们面前，那就是“FSI”燃油直喷技术。
单从技术出发点和原理上来讲，这一技术颠覆了100多年来汽油机的燃油供应方式，甚至颠覆了之前一直认为过于稀薄的混合气在气缸内不可能被点燃的理论。
本文力图用简洁的语言，从原理角度去探析，为什么说“FSI”燃油直喷技术属于里程碑式技术。
首先，我们要温故而知新，回忆一下一般汽油发动机的燃油供应。如图一。左上角绿色部分为燃油喷嘴，在进气门还没有打开的时候，就开始往进气管喷油，与进气管里的新鲜空气（图中表示为蓝色部分）混合，待进气门打开后进入气缸，经过气缸压缩后变成成分均匀的混合气点燃。
  图一　　然而，将燃油在缸外喷射，面临着永远无法解决的两个问题。
第一个问题称为“混合气浓度问题”。我们知道，纯空气或者纯汽油，都是不可燃烧的，能够在气缸内点燃的，是这两种物质的混合体。我们通过一般常识会想到，油太少，气太多，肯定是点不着的，其实反之亦然。工程师在大量试验的基础上得知：以质量为计算单位，14.7份的空气和1份的汽油，能够充分燃烧，当空气大于18份或者小于9份时，不好意思，点不着，在这个范围内，混合气浓度大，发动机就有劲，其实当你踩下油门的时候，发动机电脑就是在配这个空气和油的比例。需要更省油，就要更多的空气，更少的油，但人家就是不点火，你能怎么着？
第二个问题就是“压缩极限问题”。我们知道，汽油随着新鲜空气进入气缸，首先是经过活塞的压缩才点燃的。如果把10份的汽油和空气混合的气体压缩成1份，那么我们就把这台发动机的压缩比称为10.无论是理论还是实际都证明了，提高发动机的压缩比是提高效率的最有效方式。但问题是，随着压缩比的提高，气缸内的温度会过高，混合气不用火花塞点火就会自燃。请网友想象一下，当活塞还没有运动到最高点的时候，就有一股强大的力量把活塞往反方向推，这也就形成了一般所说的爆震。随之而来的还有一系列的排放问题。
为了解决这两个问题，工程师先从理论上尝试。如果在火花塞附近的混合气体的浓度是适合燃烧的，而其他地方的混合气是很稀薄的，通过火花塞附近的混合气燃烧，加热膨胀其他空气，可不可行呢?如果能在发动机完成了压缩后在喷油，那么发动机压缩的是纯空气，应该能把压缩比再提高吧？答案是令人兴奋的。在试验中，曾经将空气配置到100份去燃烧1份的汽油，发动机依然能工作，压缩比也可以提升到12以上。于是，就出现了我们现在常听说了“稀薄燃烧”和“分层燃烧”概念。  图二很多人会混淆“燃油直喷技术” ，“稀薄燃烧”和“分层燃烧”三者。其实，“稀薄燃烧”的意思是指在气缸内汽油远远少于空气的意思，“分层燃烧”是指气缸内的混合气不是均匀的，有些地方浓，有些地方稀，两者都是燃烧理论。而因为理论在试验中得到了验证，就开发出了“燃油直喷技术”，为的就是实现前两个燃烧理论。留意图二和图一的最大不同：图二的汽油喷嘴是直接伸入气缸，喷出的燃油是在靠近火花塞位置的。细心的网友可能会发现这么一个问题：图二中的发动机明明是在吸气，喷油器就已经开始喷油了，发动机在下一步运动中，就要压缩混合气体，和前文所述的只压缩纯空气不相符合啊。这就引出了FSI发动机的控制复杂性。
由于汽车发动机不是匀速运转的，时而怠速，时而加油，时而又要巡航，其实针对不同的工作状况，发动机的燃烧控制都不相同。而在FSI中，只有在油门小的情况下才会实现“稀薄燃烧”和“分层燃烧”，在大油门的时候，发动机依然采用，或者说必须采用传统的油气混合方式，以保证功率的输出。
其实，FSI燃油直接喷射技术的复杂性远远不止我们今天讨论的原理那么简单，要实现“稀薄燃烧”和“分层燃烧”，就犹如牛顿知道只要速度够快，就能把物体送上天不会掉下来，直到前苏联宇航员加加林上天遨游，经历的时间是多么漫长。而目前在民用车领域，运用较多的也就是奥迪和凯迪拉克，并且在很大程度上还没有实现正真意义的“稀薄燃烧”和“分层燃烧”。但是，作为活塞式发动机已经发展到现在这个阶段，其他提升性能的手段已经用到极致的情况下，改变汽油机混合气的形成方式，真不乏釜底抽薪的勇气，对这种不断进取开拓的工程师精神，是值得我们敬佩的。