廣義上來說,所有在缸內插噴油嘴的都可以叫缸內直噴(direct injection)。而FSI(fuel stratified injection)應該譯作缸內分層噴射,是直噴的一種,特指在缸內形成不均勻混合氣的直噴方式。至於GDI,TFSI這類名字,GDI的G指的是汽油,那噴其他燃油就不是直噴了嗎?所以這類名字更多的是不同廠家為了迴避專利起的不同的名字,通用的直噴就叫SIDI(spark-ignition direction injection)。
知道了名字的區別,我們要先了解一下為什麼要缸內直噴。
普通點燃式(SI)發動機會在進氣道進行噴射,進氣以後在缸內行程均勻混合氣(Homogeneous Charge),然後點燃,其優點是排放很低。柴油機的直噴會形成極不均勻的混合氣(可以理解成分層噴射),所以在富氧的地方會有大量氮氧化物(NOx)排放,在缺少氧氣的地方會有大量碳煙排放(soot)。汽油機是均勻混合氣,NOx和soot都很少。但是汽油機也有缺點,因為是形成了均勻混合氣在進入缸內,為了防止爆震,發動機壓縮比不能太高,尤其是在流行了渦輪增壓以後,為了防止爆震,必須降低壓縮比,而壓縮比可以說是和發動機效率最直接相關的一個量,沒有之一。
所以使用缸內直噴,噴出的燃油小液滴在氣化的時候可以降低混合氣溫度(蒸發製冷),所以可以適當使用更高的壓縮比,這也是為什麼現在都是渦輪增壓+缸內直噴的組合。為了形成均勻混合氣,噴射時機會很早,在進氣門關閉以後就會進行噴射。
那麼如何進一步提高發動機效率呢?答案是使用分層噴射(stratification)。分層噴射時,透過設計噴油嘴幾何、壓力和噴油時機,在缸內不形成均勻的混合氣,可以實現更稀薄的燃燒和更高的壓縮比。在空燃比很大的情況下(即空氣非常多),燃燒效率會更高,燃燒更充分,同時熱力學上由於混合氣比熱容比略高,也會提高效率,所以熱效率是很高的,但是過於稀薄的混合氣無法點燃,那麼可以透過在火花塞附近行程較濃的混合氣,而其他位置用更稀薄的混合氣來進行點火。並且,由於噴射時機比普通直噴晚,壓縮比可以更高,稀薄燃燒也是更高壓縮比的原因之一。總而言之,分層噴射的應用使得稀燃和高壓縮比得以實現,以此獲得很高的熱力學效率。
那為什麼用得很少?在前面比較汽油機和柴油機特性的時候,說到柴油機缸內混合氣是不均勻的,會產生NOx和soot排放,而均質的汽油機則很少。在使用分層燃燒的時候,因為混合氣也不均勻,同時也是富氧,會形成NOx,並且汽油機的三元催化器會無法使用,必須使用其他昂貴的處理NOx的後處理裝置,這會大幅提高成本,所以分層燃燒其實應用並不廣泛。
廣義上來說,所有在缸內插噴油嘴的都可以叫缸內直噴(direct injection)。而FSI(fuel stratified injection)應該譯作缸內分層噴射,是直噴的一種,特指在缸內形成不均勻混合氣的直噴方式。至於GDI,TFSI這類名字,GDI的G指的是汽油,那噴其他燃油就不是直噴了嗎?所以這類名字更多的是不同廠家為了迴避專利起的不同的名字,通用的直噴就叫SIDI(spark-ignition direction injection)。
知道了名字的區別,我們要先了解一下為什麼要缸內直噴。
普通點燃式(SI)發動機會在進氣道進行噴射,進氣以後在缸內行程均勻混合氣(Homogeneous Charge),然後點燃,其優點是排放很低。柴油機的直噴會形成極不均勻的混合氣(可以理解成分層噴射),所以在富氧的地方會有大量氮氧化物(NOx)排放,在缺少氧氣的地方會有大量碳煙排放(soot)。汽油機是均勻混合氣,NOx和soot都很少。但是汽油機也有缺點,因為是形成了均勻混合氣在進入缸內,為了防止爆震,發動機壓縮比不能太高,尤其是在流行了渦輪增壓以後,為了防止爆震,必須降低壓縮比,而壓縮比可以說是和發動機效率最直接相關的一個量,沒有之一。
所以使用缸內直噴,噴出的燃油小液滴在氣化的時候可以降低混合氣溫度(蒸發製冷),所以可以適當使用更高的壓縮比,這也是為什麼現在都是渦輪增壓+缸內直噴的組合。為了形成均勻混合氣,噴射時機會很早,在進氣門關閉以後就會進行噴射。
那麼如何進一步提高發動機效率呢?答案是使用分層噴射(stratification)。分層噴射時,透過設計噴油嘴幾何、壓力和噴油時機,在缸內不形成均勻的混合氣,可以實現更稀薄的燃燒和更高的壓縮比。在空燃比很大的情況下(即空氣非常多),燃燒效率會更高,燃燒更充分,同時熱力學上由於混合氣比熱容比略高,也會提高效率,所以熱效率是很高的,但是過於稀薄的混合氣無法點燃,那麼可以透過在火花塞附近行程較濃的混合氣,而其他位置用更稀薄的混合氣來進行點火。並且,由於噴射時機比普通直噴晚,壓縮比可以更高,稀薄燃燒也是更高壓縮比的原因之一。總而言之,分層噴射的應用使得稀燃和高壓縮比得以實現,以此獲得很高的熱力學效率。
那為什麼用得很少?在前面比較汽油機和柴油機特性的時候,說到柴油機缸內混合氣是不均勻的,會產生NOx和soot排放,而均質的汽油機則很少。在使用分層燃燒的時候,因為混合氣也不均勻,同時也是富氧,會形成NOx,並且汽油機的三元催化器會無法使用,必須使用其他昂貴的處理NOx的後處理裝置,這會大幅提高成本,所以分層燃燒其實應用並不廣泛。