燃油分层喷射

直喷式汽油发动机领域的创新革命性技术

FSI是Fuel Stratified Injection的词头缩写，意为燃油分层喷射，是直喷式汽油发动机领域的一项创新的革命性技术。FSI燃油直喷技术在同等排量下实现了发动机动力性和燃油经济性的完美结合，是当今汽车工业发动机技术中最为成熟、最先进的燃油直喷技术，并引领了汽油发动机的发展趋势。

FSI技术意义

汽油机直喷技术最显著的优点就是在提供更大的输出功率和扭矩的同时，能够提高燃油经济性和减少排放。

直喷式汽油发动机采用类似于直喷式涡轮柴油发动机的技术，可将燃料直接注入燃烧室，其控制的精确度接近毫秒。通过一个活塞泵提供所需的10MPa以上的压力，将燃料提供给位于气缸内的喷油器。

直喷式汽油发动机原理的特点是可采用两种不同的注油模式，即分层注油和均匀注油模式。在油门半开状态下，分层注油方式可充分发挥燃料的经济效益，因为这时只需在火花塞周围有适于燃烧的油气混合物。而在燃烧室的其他地方只需注入含高比例空气的油气混合物。在日常驾驶条件下，直喷式汽油发动机技术的节油性能将更加显著，因为驾驶员可不断地来回更换采用分层注油和均匀注油两种模式。

直喷式汽油发动机技术之所以能够实现分层注油原理，是因为它可控制燃烧室内的注油过程，并在完成触发之前直接注入燃料。这样就可大幅度减少燃烧所需的燃料—这是实现FSI发动机经济效益最重要的先决条件。

FSI技术原理

FSI发动机利用一个高压泵，使汽油通过一个分流轨道（共轨）到达电磁控制的高压喷油器。它的特点是在进气道中已经产生可变涡流，使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内，以分层填充的方式推动，使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。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。浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。

FSI技术的混合气形成过程

利用不同的混合气形成和燃油导入方法，均可以实现缸内直喷汽油机分层燃烧工作模式。通过研究这些不同的方法，提出了以下三种混合气形成概念。它们主要的区别在于燃油从喷嘴被引导到火花塞位置的引导方式不同。如下图所示。

壁面导向型燃烧过程

目前市场上的第一代分层充气发动机多是以壁面导向型燃烧过程为基础而设计的，该燃烧过程的特点是火花塞与喷油器之间的距离较大。由于燃油喷注与燃烧室壁面的相互作用，导致了混合气的形成。借助于燃烧室的特殊形状，在涡流和滚流的作用下，将燃油引导到火花塞附近。由于喷油时刻和活塞的运动息息相关，所以与发动机的转速就直接相关。混合气从喷嘴运动到火花塞附近就要经历一段较长的距离，这就要求在不同的发动机转速下要求有不同的冲量运动，而且为了形成良好的分层混合气，就要精确的计算点火时刻和喷油时刻。但是由于未燃碳氢较多以及需要不同的冲量运动等原因，导致现在所应用的壁面导向型燃烧并未充分开发出在降低油耗方面的潜力。

空气导向型燃烧过程

空气导向型燃烧过程中，仅仅靠进气侧的空气运动来将燃油引导至火花塞附近，同时与空气进行混合。特殊的燃烧室形状也加强了空气的流动。相比于壁面导向型燃烧，空气导向型燃烧避免了燃油与燃烧室壁面的接触。因此，从理论上讲，燃烧室壁面上没有未燃碳氢聚集，因为在进气的同时完成了燃油与空气的混合。这种燃烧的过程更依赖于油束与导向进气的运动之间的配合。空气导向型燃烧过程是一种折衷办法，由于和壁面导向型燃烧一样，喷油器与火花塞间的距离也比较长，因此只能利用进气流动将燃油输送到火花塞位置。但又与壁面导向型燃烧方式不同，燃烧室壁面并没有出现燃油聚集现象，因此能较好的控制缸内气体流动。

喷注导向型燃烧过程

喷注导向型燃烧因其能够充分发挥分层燃烧的潜力被称为“第二代缸内直喷”。其特点是喷嘴与火花塞之间的距离小，但是将火花塞与喷油器布置在进排气门之间是很大挑战。在喷注导向型燃烧过程中，燃油依靠周围的空气流动与其混合。因此分层效果比较明显，在油束中心处有浓混合气，从燃油束的中心到边缘逐渐由浓到稀，在混合气的形成区域有一部分混合气能够被可靠点燃。所以在布置火花塞的时候，要保证在全工况范围内点火时刻火花塞附近的混合气能够被可靠点燃。虽然喷注导向型燃烧能够充分发挥分层燃烧的潜力，但是这过程中同样也存在一部分问题。如喷嘴和火花塞积碳、火花塞热负荷大、混合气形成不充分、高速时混合气漂移等等问题，因此研制出有稳定的油束重复性和高灵敏性的高质量喷嘴，提高燃油的喷射压力，采用大功率、更耐久、可调的点火系统将成为未来直喷汽油分层燃烧的研究重点。

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