“FSI”燃油直噴技術原理探析

　　自從100多年前，汽油機被發(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進步，從機械控制到電子控制的控制理論進步，從功率需求到環(huán)保需要的意識進步，充分展現了工程師們獨特的想象力和不懈追求,從燃油的計量、空氣的混合、氣門的開閉，將活塞式汽油機的性能推至前人不敢想象的高度。

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

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

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

 
圖一  (資料圖片)   

　　然而，將燃油在缸外噴射，面臨著永遠無法解決的兩個問題。
 
　　第一個問題稱為“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，能夠在氣缸內點燃的，是這兩種物質的混合體。我們通過一般常識會想到，油太少，氣太多，肯定是點不著的，其實反之亦然。工程師在大量試驗的基礎上得知：以質量為計算單位，14.7份的空氣和1份的汽油，能夠充分燃燒，當空氣大于18份或者小于9份時，不好意思，點不著，在這個范圍內，混合氣濃度大，發(fā)動機就有勁，其實當你踩下油門的時候，發(fā)動機電腦就是在配這個空氣和油的比例。需要更省油，就要更多的空氣，更少的油，但人家就是不點火，你能怎么著？
 
　　第二個問題就是“壓縮極限問題”。我們知道，汽油隨著新鮮空氣進入氣缸，首先是經過活塞的壓縮才點燃的。如果把10份的汽油和空氣混合的氣體壓縮成1份，那么我們就把這臺發(fā)動機的壓縮比稱為10.無論是理論還是實際都證明了，提高發(fā)動機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，氣缸內的溫度會過高，混合氣不用火花塞點火就會自燃。請網友想象一下，當活塞還沒有運動到最高點的時候，就有一股強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)動機完成了壓縮后在噴油，那么發(fā)動機壓縮的是純空氣，應該能把壓縮比再提高吧？答案是令人興奮的。在試驗中，曾經將空氣配置到100份去燃燒1份的汽油，發(fā)動機依然能工作，壓縮比也可以提升到12以上。于是，就出現了我們現在常聽說了“稀薄燃燒”和“分層燃燒”概念。

 
        圖二  (資料圖片)    

　　很多人會混淆“燃油直噴技術” ，“稀薄燃燒”和“分層燃燒”三者。其實，“稀薄燃燒”的意思是指在氣缸內汽油遠遠少于空氣的意思，“分層燃燒”是指氣缸內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。而因為理論在試驗中得到了驗證，就開發(fā)出了“燃油直噴技術”，為的就是實現前兩個燃燒理論。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。細心的網友可能會發(fā)現這么一個問題：圖二中的發(fā)動機明明是在吸氣，噴油器就已經開始噴油了，發(fā)動機在下一步運動中，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)動機的控制復雜性。
 
　　由于汽車發(fā)動機不是勻速運轉的，時而怠速，時而加油，時而又要巡航，其實針對不同的工作狀況，發(fā)動機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實現“稀薄燃燒”和“分層燃燒”，在大油門的時候，發(fā)動機依然采用，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，FSI燃油直接噴射技術的復雜性遠遠不止我們今天討論的原理那么簡單，要實現“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掉下來，直到前蘇聯宇航員加加林上天遨游，經歷的時間是多么漫長。而目前在民用車領域，運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現正真意義的“稀薄燃燒”和“分層燃燒”。但是，作為活塞式發(fā)動機已經發(fā)展到現在這個階段，其他提升性能的手段已經用到極致的情況下，改變汽油機混合氣的形成方式，真不乏釜底抽薪的勇氣，對這種不斷進取開拓的工程師精神，是值得我們敬佩的。