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第三节
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一、发动机缸内直喷技术
发动机缸内直喷技术，即缸内喷射汽油机FSI（Fuel Stratification Injection），是指将高压燃油直接喷到气缸内。不同公司研制的发动机缸内直喷系统虽然名称不同，但其结构原理基本相同。
这种喷射技术使用特殊的喷油器，燃油喷射效果更好，其优点体现在四个方面。
小提示
◆可在缸内产生浓度渐变的分层混合气（从火花塞往外逐渐变稀），因此可以用超稀的混合气（可达40∶1），工作油耗、排放也远远低于普通汽油发动机。
◆这种喷射方式使混合气体积和温度降低，爆燃的倾向减小，发动机的压缩比大大高于进气道喷射式发动机的压缩比。
◆这种系统是将燃油直接喷到气缸内，燃油和空气混合得更充分，而且无需预热进气歧管来帮助燃油雾化，反而可以冷却进气来提高进气量，增大功率，节气门响应更快。
◆将燃油喷射在气缸内，避免了进气管的形状和表面质量对混合气的影响。
与普通电控汽油喷射发动机相比，采用汽油直接喷射系统的发动机，其动力性、经济性和排放性均有明显改善，但由于汽油喷射位置不同，且普遍采用稀薄燃烧技术，导致其结构组成等与普通电控汽油喷射发动机有所不同。
汽油直接喷射系统与普通电控汽油喷射系统相比，其主要的区别是燃油供给系统。由于向气缸内直接喷射燃油，且喷射过程延续到发动机的压缩行程，所以汽油直接喷射系统必须通过一个高压燃油泵使提供给喷油器的燃油压力达到10MPa以上，汽油直接喷射燃油供给系统的组成如图2-50所示，燃油供给系统可分为低压燃油系统和高压燃油系统两部分。
图2-50 汽油直接喷射燃油供给系统
低压燃油系统主要由燃油箱、低压燃油泵、压力限制阀、压力保持阀、滤清器、低压油管、低压燃油压力传感器等组成，其主要功用是将燃油从油箱中抽出，并经过滤清器滤清后输送给高压燃油泵。发动机ECU根据低压燃油压力传感器信号通过燃油泵控制ECU以控制低压燃油泵工作，来实现低压燃油压力的闭环控制，低压燃油泵工作压力为0.2～0.5MPa。发动机熄火后，压力保持阀可使低压系统保持一定的残余压力，由于交通事故等原因导致燃油管破裂时，压力保持阀还可防止燃油溢出。压力限制阀可将低压燃油系统的压力限制在0.64MPa以下，以防止低压管路内的燃油压力过高。
高压燃油系统主要由高压燃油泵、燃油高压调节阀、高压燃油压力传感器、高压油管和高压燃油分配管、喷油器等组成。高压燃油分配管和喷油器实物如图2-51所示。高压燃油泵将低压燃油泵输送来的燃油进一步提高压力（可达11MPa以上）后，通过高压油管和燃油分配管输送给喷油器；高压燃油压力传感器安装在右侧燃油分配管上，用来检测高压燃油分配管内的燃油压力（即喷油器的喷油压力），并将信号输送给发动机ECU；燃油高压调节阀安装在高压燃油泵上，根据发动机ECU的指令调节高压燃油系统的压力。此外，通常在高压燃油分配管上也安装有一个压力限制阀，当高压燃油系统压力超过12MPa，该阀开启通向低压燃油系统的回油通道，以防止高压燃油系统压力过高。
图2-51 高压燃油分配管和喷油器实物
小提示
◆在汽油直接喷射系统中，采用的低压燃油泵与普通电控汽油喷射系统相同，高压燃油泵一般采用双凸轮活塞式。
◆高压燃油泵通常安装在气缸盖上，由凸轮轴驱动，凸轮轴每转一圈可完成2次泵油，输出油压力可达11MPa以上。
高压燃油泵实物如图2-52所示。
图2-52 高压燃油泵
二、稀薄燃烧技术
为进一步降低发动机的燃料消耗和排放污染，汽油直接喷射发动机普遍采用了稀薄燃烧技术（分层燃烧技术），即使混合气在远大于理论空燃比的状态下燃烧。一般汽油机在工作中所用混合气的空燃比在理论空燃比（14.7∶1）附近，而采用稀薄燃烧技术的汽油机所用混合气的空燃比在25∶l以上，甚至高达40∶1。
随混合气浓度变稀，点燃混合气会更加困难，为保证能够可靠地点燃稀混合气，目前应用的汽油直接喷射发动机，普遍采取了提高压缩比、提高点火能量和分层燃烧三项技术。
（1）提高压缩比
爆燃是提高汽油机压缩比的重大障碍，但采用稀薄燃烧技术的汽油机，不易产生爆燃，通过提高压缩比，来提高气缸内混合气的温度和压力，不仅使点燃混合气更容易，而且对提高汽油机的热效率也非常有利。一般汽油机的压缩比仅为9～10，采用稀薄燃烧技术的汽油机压缩比可高达13左右。
（2）提高点火能量
目前在采用稀薄燃烧技术的汽油机上，提高点火能量的措施主要包括采用多个火花塞同时点火和采用多电极火花塞。由于采用多个火花塞的布置安装受限制，所以采用多电极火花塞提高点火能量的措施应用更广泛。
多电极火花塞的结构原理与普通单电极火花塞基本相同，只是电极数量不同，点火时产生的高能电火花数量也不同。多电极火花塞与普通单电极火花塞实物对比如图2-53所示。
图2-53 多电极火花塞与普通
（3）分层燃烧
在不同区域拥有不同混合气浓度的燃烧技术称为分层燃烧技术。采用稀薄燃烧技术的汽油机，就是采用了这种分层燃烧技术，在火花塞点火时，保证火花塞周围的混合气较浓，以提高点火的可靠性，而其他周边区域的混合气较稀，以实现稀薄燃烧。实现分层燃烧技术的措施有两项。
小提示
◆一是利用缸内涡流运动，使喷入气缸内的燃油产生不均匀分布，保证距离火花塞越近的混合气越浓。
◆二是改变喷油规律，在临近点火时向火花塞附近区域喷入部分汽油，以保证在火花塞附近形成较浓的混合气。
除了喷油系统之外，其他发动机部件也要为直喷进行相应的设计，才能确保发动机的高效，尤其是活塞顶部的设计非常关键。
有的汽油直接喷射发动机采用直立进气道与曲面顶的活塞配合，形成必要的缸内涡流运动。如图2-54所示，发动机工作时，从直立进气道被吸入气缸的空气可产生强大的下沉气流，这种下沉气流在曲面顶活塞附近得到加强并形成纵向翻滚式涡流，燃油喷入气缸后，在纵向翻滚的涡流带动下，使火花塞附近聚集相对较多的燃油，从而形成较浓的混合气区域，远离火花塞的混合气浓度则较稀。
图2-54 曲面顶活塞及翻滚式涡流
如图2-55所示，有的发动机活塞顶部采用凹坑形式，凹坑主要起导向气缸内气流的作用，有利于形成涡流运动，可以使混合气更为均匀充分地燃烧。
图2-55 发动机活塞顶部的凹坑
汽油直接喷射发动机喷油规律的改变，主要采用了燃油喷射定时与分段喷射技术，即将喷油分成两个阶段，如图2-56所示。
小提示
◆第一次喷射：在进气行程喷入部分汽油，让汽油与空气能有充分的时间混合，并在缸内均匀分布。
◆第二次喷射：在压缩行程活塞接近上止点时喷入部分汽油，使火花塞周围形成较浓的混合气（空燃比约为12∶1），但从燃烧室整体来看混合气仍十分稀薄。
由于分段喷油和纵向翻滚式涡流的作用，整个燃烧室内的混合气，形成以火花塞为中心向外逐渐变稀的层状分布状态。
图2-56 汽油直接喷射过程
1—喷油器；2—进气门