“FSI”燃油直噴技術(shù)原理探析

　　自從100多年前，汽油機(jī)被發(fā)明出來后，工程師們絞盡腦汁，想盡了各種各樣的方法，試圖提升其性能。100多年過去了，從鑄鐵到鎂鋁合金的材料科學(xué)進(jìn)步，從機(jī)械控制到電子控制的控制理論進(jìn)步，從功率需求到環(huán)保需要的意識(shí)進(jìn)步，充分展現(xiàn)了工程師們獨(dú)特的想象力和不懈追求,從燃油的計(jì)量、空氣的混合、氣門的開閉，將活塞式汽油機(jī)的性能推至前人不敢想象的高度。

　　然而，從汽油機(jī)的發(fā)展歷史上，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上重大飛躍的歷史事件只有一個(gè)，那就是電子系統(tǒng)的引入，將以往粗糙的機(jī)械控制系統(tǒng)改由精確的電子化控制。然而，另一個(gè)里程碑式的技術(shù)正在克服重重困難，來到我們面前，那就是“FSI”燃油直噴技術(shù)。

　　單從技術(shù)出發(fā)點(diǎn)和原理上來講，這一技術(shù)顛覆了100多年來汽油機(jī)的燃油供應(yīng)方式，甚至顛覆了之前一直認(rèn)為過于稀薄的混合氣在氣缸內(nèi)不可能被點(diǎn)燃的理論。
 
　　本文力圖用簡潔的語言，從原理角度去探析，為什么說“FSI”燃油直噴技術(shù)屬于里程碑式技術(shù)。

　　首先，我們要溫故而知新，回憶一下一般汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油供應(yīng)。如圖一。左上角綠色部分為燃油噴嘴，在進(jìn)氣門還沒有打開的時(shí)候，就開始往進(jìn)氣管噴油，與進(jìn)氣管里的新鮮空氣（圖中表示為藍(lán)色部分）混合，待進(jìn)氣門打開后進(jìn)入氣缸，經(jīng)過氣缸壓縮后變成成分均勻的混合氣點(diǎn)燃。

 
圖一  (資料圖片)   

　　然而，將燃油在缸外噴射，面臨著永遠(yuǎn)無法解決的兩個(gè)問題。
 
　　第一個(gè)問題稱為“混合氣濃度問題”。我們知道，純空氣或者純汽油，都是不可燃燒的，能夠在氣缸內(nèi)點(diǎn)燃的，是這兩種物質(zhì)的混合體。我們通過一般常識(shí)會(huì)想到，油太少，氣太多，肯定是點(diǎn)不著的，其實(shí)反之亦然。工程師在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得知：以質(zhì)量為計(jì)算單位，14.7份的空氣和1份的汽油，能夠充分燃燒，當(dāng)空氣大于18份或者小于9份時(shí)，不好意思，點(diǎn)不著，在這個(gè)范圍內(nèi)，混合氣濃度大，發(fā)動(dòng)機(jī)就有勁，其實(shí)當(dāng)你踩下油門的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦就是在配這個(gè)空氣和油的比例。需要更省油，就要更多的空氣，更少的油，但人家就是不點(diǎn)火，你能怎么著？
 
　　第二個(gè)問題就是“壓縮極限問題”。我們知道，汽油隨著新鮮空氣進(jìn)入氣缸，首先是經(jīng)過活塞的壓縮才點(diǎn)燃的。如果把10份的汽油和空氣混合的氣體壓縮成1份，那么我們就把這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比稱為10.無論是理論還是實(shí)際都證明了，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比是提高效率的最有效方式。但問題是，隨著壓縮比的提高，氣缸內(nèi)的溫度會(huì)過高，混合氣不用火花塞點(diǎn)火就會(huì)自燃。請(qǐng)網(wǎng)友想象一下，當(dāng)活塞還沒有運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)的時(shí)候，就有一股強(qiáng)大的力量把活塞往反方向推，這也就形成了一般所說的爆震。隨之而來的還有一系列的排放問題。

　 
　　為了解決這兩個(gè)問題，工程師先從理論上嘗試。如果在火花塞附近的混合氣體的濃度是適合燃燒的，而其他地方的混合氣是很稀薄的，通過火花塞附近的混合氣燃燒，加熱膨脹其他空氣，可不可行呢?如果能在發(fā)動(dòng)機(jī)完成了壓縮后在噴油，那么發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮的是純空氣，應(yīng)該能把壓縮比再提高吧？答案是令人興奮的。在試驗(yàn)中，曾經(jīng)將空氣配置到100份去燃燒1份的汽油，發(fā)動(dòng)機(jī)依然能工作，壓縮比也可以提升到12以上。于是，就出現(xiàn)了我們現(xiàn)在常聽說了“稀薄燃燒”和“分層燃燒”概念。

 
        圖二  (資料圖片)    

　　很多人會(huì)混淆“燃油直噴技術(shù)” ，“稀薄燃燒”和“分層燃燒”三者。其實(shí)，“稀薄燃燒”的意思是指在氣缸內(nèi)汽油遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于空氣的意思，“分層燃燒”是指氣缸內(nèi)的混合氣不是均勻的，有些地方濃，有些地方稀，兩者都是燃燒理論。而因?yàn)槔碚撛谠囼?yàn)中得到了驗(yàn)證，就開發(fā)出了“燃油直噴技術(shù)”，為的就是實(shí)現(xiàn)前兩個(gè)燃燒理論。留意圖二和圖一的最大不同：圖二的汽油噴嘴是直接伸入氣缸，噴出的燃油是在靠近火花塞位置的。細(xì)心的網(wǎng)友可能會(huì)發(fā)現(xiàn)這么一個(gè)問題：圖二中的發(fā)動(dòng)機(jī)明明是在吸氣，噴油器就已經(jīng)開始噴油了，發(fā)動(dòng)機(jī)在下一步運(yùn)動(dòng)中，就要壓縮混合氣體，和前文所述的只壓縮純空氣不相符合啊。這就引出了FSI發(fā)動(dòng)機(jī)的控制復(fù)雜性。
 
　　由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不是勻速運(yùn)轉(zhuǎn)的，時(shí)而怠速，時(shí)而加油，時(shí)而又要巡航，其實(shí)針對(duì)不同的工作狀況，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒控制都不相同。而在FSI中，只有在油門小的情況下才會(huì)實(shí)現(xiàn)“稀薄燃燒”和“分層燃燒”，在大油門的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)依然采用，或者說必須采用傳統(tǒng)的油氣混合方式，以保證功率的輸出。
 
　　其實(shí)，F(xiàn)SI燃油直接噴射技術(shù)的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止我們今天討論的原理那么簡單，要實(shí)現(xiàn)“稀薄燃燒”和“分層燃燒”，就猶如牛頓知道只要速度夠快，就能把物體送上天不會(huì)掉下來，直到前蘇聯(lián)宇航員加加林上天遨游，經(jīng)歷的時(shí)間是多么漫長。而目前在民用車領(lǐng)域，運(yùn)用較多的也就是奧迪和凱迪拉克，并且在很大程度上還沒有實(shí)現(xiàn)正真意義的“稀薄燃燒”和“分層燃燒”。但是，作為活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在這個(gè)階段，其他提升性能的手段已經(jīng)用到極致的情況下，改變汽油機(jī)混合氣的形成方式，真不乏釜底抽薪的勇氣，對(duì)這種不斷進(jìn)取開拓的工程師精神，是值得我們敬佩的。