Gasoline Direct Injection engine直译：汽油直接注射引擎，专业术语：缸内直喷

       GDI发动机的研究始于德国，早在50年代，德国就有直喷二冲程汽油机装车应市，甚至还装到声名显赫的SL级奔驰轿车上，但是很快就销声匿迹。后来德国的设计师们，无论是奔驰、宝马，还是大众，对于汽油直接喷射都采取皱眉挥斥的态度。因为根据试验，他们认为这种发动机运转性能差，汽车几乎无法开，废气问题也无法解决，于是便停止了GDI发动机的研制开发。

      GDI发动机的研制开发，可谓花开在德国，结果却在日本。三菱汽车公司GDI发动机的研制成功令全世界的汽车制造商和发动机制造商瞠乎其后，于是世界车坛掀起了GDI发动机研制开发利用热潮。从此，汽油机的发展又迈出新的一步，这也将推动世界汽车工业的发展。

      现在我们就来详细了解下直喷式发动机的原理：直喷式发动机（缸内喷注式汽油发动机）与一般汽油发动机的主要区别在于汽油喷射的位置，目前一般汽油发动机上所用的汽油电控喷射系统，是将汽油喷入进气歧管或进气管道上，与空气混合成混合气后再通过进气门进入气缸燃烧室内被点燃作功；而缸内喷注式汽油发动机顾名思义是在气缸内喷注汽油，它将喷油嘴安装在燃烧室内，将汽油直接喷注在气缸燃烧室内，空气则通过进气门进入燃烧室与汽油混合成混合气被点燃作功，这种形式与直喷式柴油机相似，因此有人认为缸内喷注式汽油发动机是将柴油机的形式移植到汽油机上的一种创举。

在超稀薄燃烧时, 喷油时刻为压缩行程后点火前, 此时气缸内空气密度高, 燃油经高压喷嘴喷入后容易雾化;又由于活塞曲顶的作用, 使得混合气形成涡流并呈层状分布。

缸内喷注的关键在于产生与传统发动机不同的缸内气流运动状态，通过技术手段使喷射入气缸的汽油与空气形成一种多层次的旋转涡流。因此GDI采用了立式吸气口、弯曲顶面活塞、高压旋转喷射器等三种技术手段。如图：

     发动机大负荷运转时要求发动机要具有较大的升功率。GDI发动机采用直立进气使得进气阻力减小, 同时进气行程中燃油直接喷射使进气冷却, 因而提高了进气效率, 由于采用缸内直喷, 燃油在燃烧室内气化, 气化热冷却了吸入的空气, 使空气密度增加; 同时, 汽油在气缸内气化也冷却了燃烧室, 从而降低了发动机的爆震倾向, 这样在设计发动机时便可提高压缩比(有的可达12)。

    立式吸气口代替传统的横向吸气口，通过来自上方的强大下降气流，形成与以往发动机相反的缸内空气流动－纵向涡流转流。弯曲顶面活塞利用活塞顶的凸起形状，增强了这个纵向涡流转流，再通过高压旋转喷射器喷射出雾状汽油，在压缩冲程后期的点火前夕，被气体的纵涡流融合成球状雾化体，形成一种以火花塞为中心，由浓到稀的层状混合气状态。这样，从总体上看，虽然混合比达到40：1，但聚集在火花塞周围的混合气却很浓厚，很容易点火燃烧。

    在这里要特别介绍一下活塞顶的形状对缸内气流的作用。活塞在上止点位置时，活塞头顶面与气缸盖之间的间隙叫做燃烧室，燃烧室的容积是决定发动机性能的重要因素。GDI活塞顶面的凸起部分象屋顶，又称“弯曲顶面活塞”，它缩小了燃烧室的容积，有助于形成强势涡流。缩小燃烧室容积必然提高了压缩比，因此GDI的压缩比达到12：1，比以往发动机高出1/3左右。压缩比提高了，缸内温度必然也随之提高，有助于稀燃。压缩比高，输出功率增大，这样也就弥补了稀燃带来的功率损失。 压缩比提高也就是说缸内压力提高了，与之配合的是高压燃料泵，用高压方式将汽油送进燃烧室内。但是，汽油的性质决定压缩比只能局限于一定的限度内，否则就会出现爆燃，为了避免这一现象，GDI分两步喷射的过程，第一步在进气冲程中喷射汽油以降低气体温度，适应高压缩比；第二步在压缩冲程后期喷射汽油，形成上面阐述过的层状混合气形态。如图：

这是一环扣一环的技术，相辅相成，缺一不可。

  稀燃技术有省油的优点，但因为高压高温环境也会产生NOx（氮氧化物）排放过高的现象。GDI采用了EGR技术解决这个问题。所谓EGR是指排气再循环技术，将排出气缸已经燃烧过的部分气体利用气门重叠时间再回到气缸中，降低燃烧的最高温度从而降低NOx的排放量，据介绍GDI的NOx下降了90%。

  缸内喷注式汽油发动机的优点是油耗量低，升功率大。混合比达到40:1（一般汽油发动机的混合比是15:1），也就是人们所说的“稀燃”。机内的活塞顶部一半是球形，另一半是壁面，空气从气门冲进来后在活塞的压缩下形成一股涡流运动，当压缩行程行将结束时，在燃烧室顶部的喷油嘴开始喷油，汽油与空气在涡流运动的作用下形成混合气，这种急速旋转的混合气是分层次的，越接近火花塞越浓，易于点火作功。由于缸内喷注压缩比达到12，与同体积的一般发动机相比功率与扭矩都提高了10％。

5.送进气缸里的燃油雾化自然是越细越好，但浓度范围比常规发动机所用的燃油浓度比例大些，这样对“化油器”的调整要简单好办些。

FSI，Fuel Stratified Injection它所代表的单词直译为供给燃油分层注射——分层燃烧技术

     理论上，FSI发动机有至少两种燃烧模式：分层燃烧和均质燃烧，有人还把均质燃烧模式细分为均质稀燃模式和均质燃烧模式。从FSI所代表的Fuel Stratified Injection含义上看，分层燃烧应该是FSI发动机的精髓与特点，不过也可以理解为它的研发起点和基础。

      分层燃烧的好处在于热效率高、节流损失少、有限的燃料尽可能多地转化成工作能量。分层燃烧模式下节气门不完全打开，保证进气管内有一定真空度（可以控制废气再循环和碳罐等装置）。这时，发动机的扭矩大小取决于喷油量，与进气量和点火提前角关系不大。

      分层燃烧模式在进气过程中节气门开度相对较大，减少了一部分节流损失。进气过程中的关键是进气歧管中安置一翻版，翻版向上开启（原理性质，实际机型可能有所不同）封住下进气歧管，让进气加速通过，与ω形活塞顶配合，相成进气涡旋。

      分层燃烧时喷油时间在上止点前60°至上止点前45°，喷射时刻对混合气的形成有很大影响，燃油被喷射在活塞顶的凹坑内，喷出的燃油与涡旋进气结合形成混合气。混合气形成发生在曲轴转角40°至50°范围内，如果小于这个范围，混合气无法点燃，若大于，就变成均质状态了。分层燃烧的过量空气系数一般在1.6-3之间。

      点火时，只有火花塞周围混合状态较好的气体被点燃，这时周围的新鲜空气以及来自废气再循环的气体形成了很好的隔热保护，减少了缸臂散热，提升了热效率。点火时刻的控制也很重要，它只在压缩过程终了的一个很窄的范围内。

均质稀燃模式混合气形成时间长，燃烧均匀，通过精确控制喷油，可以达到较低的混合气浓度。均质稀燃的点火时间选择范围宽泛，有很好的燃油经济性。 ㊣ 均质稀燃与分层燃烧的进气过程相同，油气混合时间加长，形成均质混合气。燃烧发生在整个燃烧室内，对点火时间的要求没分层燃烧那么严格。均质稀燃的过量空气系数大于1。

      均质燃烧则能充分发挥动态响应好，扭矩和功率高的特点。均质燃烧进气过程中节气门位置由油门踏板决定，进气歧管中的翻版位置视不同情况而定。当中等负荷时，翻版依然是关闭的，有利于形成强烈的进气旋流，利于混合气的形成与雾化。当高速大负荷时，翻版打开，增大进气量，让更多的空气参与燃烧。均质燃烧的喷油、混合气形成与燃烧和均质稀燃模式基本一样。均质燃烧情况下过量空气系数小于或等于1。 以上三种燃烧状态是FSI发动机特有的燃烧控制模式，但其中有些方面还停留在理论优势方面。现在奥迪在全球发布的FSI发动机还都采用均质燃烧模式，这不是说分层燃烧不可实现，而只是说分层燃烧实施的成本或时机还不成熟。主要表现在分层燃烧用稀混合气，提高了缸内温度也提高了氮氧化物这样的有害排放物。对于稀混合气，普通的三元催化器很难把氮氧化物转换干净，那么需要额外的降低氮氧化物的催化转换器，无疑加重了空间和成本的负担。另外，现阶段高硫含量的汽油对此催化器损害很大，因此还有改造炼油设备，提升燃油品质的成本。

      没有了分层燃烧会不会让FSI发动机的原有优势荡然无存？答案是否定的。即使没有应用分层燃烧，FSI发动机还有能提升压缩比，降低燃烧残油量的特点。FSI发动机采用缸内直喷，汽油在缸内蒸发产生内部冷却效果，这样就降低了爆震的可能性，可适当提升压缩比。而进气涡旋与气门正时的配合能使没燃烧的残油得到良好的再利用。这样，FSI发动机仍能在提高动力，降低油耗方面有较大的作为。

       FSI发动机产生的效果可以从奥迪公司公布的发动机指标看出来。以3.2升FSI和4.2升FSI为例，对比的机型分别是以前的3.0升和4.2升汽油机。功率上，3.2升FSI发动机是257马力，比原机型的218马力提升了39马力，4.2升FSI发动机的350马力比原机型的335马力提升了15马力；在最大扭矩上，是3.2升FSI的330牛米对原机型的290牛米，4.2升FSI的440对原机型的420牛米。

FSI 主要优势在：

1、燃烧热效率一般可以提高8-12%左右。

2、炉渣含炭量可以降至10%左右。

3、提高煤种适应性。

4、改造后锅炉可以满负荷运行。

5、升温升压快，点火方便。

6、故障率低，使原来烧损挡渣器、侧密封烧煤斗的现象从根本上消除。

7、消除因重力作用造成的炉排进煤斗时而形成的两侧块多，中间煤粉多的不均匀给煤状态，达到均匀布煤并分层。

8、改造费用适宜，回收成本快，基本上半年之内收回成本。

8.不使用大量匀质燃汽，不用担心有大规模燃汽受压爆燃事故，故发动机压缩比可以提高，这对于平时提高发动机的做功效率很有好处。1.分层燃烧的定义是：燃烧是分浓度层次的，燃烧区中心的燃料浓度较高，燃烧区域外围是空气较多，最后的结果是“完全燃烧!?”。

2.要求在点火瞬间，火花塞电极处燃汽的浓度正好，以便可靠点火。其他区域有些偏差不要紧;但多年来最难做到的也就是这一点!!。

3.在发动机“小油门”或怠速时，气缸内只要求在火花塞区域有一点点浓郁燃汽，其他区域都是新鲜空气，可以实现燃油完全燃烧干净。

4.因燃烧到最后的结果是含氧空气还有多余，燃烧可以完全透彻，所以发动机燃油效率极高，常规发动机的不良燃烧污染物也几乎没有。

6.因为在“小油门”时有多余的空气将燃烧区域与缸壁、活塞隔开，所以发动机受热不是很严重，发动机作功效率因散热少而有所提高。

7.多数“分层燃烧”的发动机结构是用喷咀对准火花塞喷射雾态燃油，在一点火小室内实施高浓度燃料的点火，而后再扩散燃烧到全部。

9.这类燃烧方式与常规发动机相反，小油门时极端节油状态特好，适应了多数车辆平时多用小油门，偶尔才使用大油门的实际使用状况。

10.因缸内不全是充满匀质燃汽，所以发动机的“升功率”略微低些，但排量的增加和散热系统的减少，发动机的总重量基本上应差不多。

    “ 分层燃烧”的目的是合理应用“气多油少”的安排，将油料的燃烧进行的完全彻底，所以在发动机中实施分层燃烧一定是以“气多油少”为基本布局。最难最关键的一点是：局部燃汽的浓度要迁就电火花的点火，只要能点着火，其他部分的燃料可多可少就是“油门大小”。