燃油喷射与燃烧

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一、空燃比：一切标定的基准

理论空燃比（化学计量比，λ=1）= 14.7:1（14.7 kg 空气配 1 kg 汽油），此时汽油理论上完全燃烧。

但实际标定很少一直用 λ=1：

λ	混合气	用途	后果
0.75–0.85	极浓	全负荷高功率	多余汽油汽化吸热，降低缸温和爆震风险，保护涡轮和排气门；油耗剧增、排放差
0.85–0.95	偏浓	高负荷	最大功率点通常在 λ≈0.88 附近（不是 1.0 —— 因为略浓能保证每个氧分子都找到燃料）
1.0	理论	部分负荷、巡航	三元催化器只有在 λ=1 附近才能同时处理 HC、CO、NOx
1.1–1.4	稀薄	稀薄燃烧模式	油耗最优，但 NOx 生成量高，需要额外的 NOx 存储催化器或 SCR

为什么大马力涡轮车在赛道上极其费油：为了压住爆震和排温，全负荷时 λ 可以低到 0.78。油耗比理论值高出近 30%，而这些多出来的汽油并不产生动力，纯粹用来当冷却剂。

现代技术（水冷排气歧管、更好的直喷雾化、更精确的爆震控制）正在把这个"全负荷加浓"逐步取消，欧七法规也在强制要求 λ=1 全工况运行。

二、歧管喷射（PFI / MPI）

喷油嘴装在进气歧管里，对着进气门背面喷油。

优点：

燃油有充足时间（整个进气行程加上气门关闭期）与空气混合，混合均匀度极好
燃油喷在灼热的进气门背面，汽化良好，且持续冲刷进气门，不会积碳
系统压力低（3–5 bar），泵和喷嘴便宜可靠
颗粒物（PM）排放极低

缺点：

燃油汽化吸热发生在进气道内，而不是缸内 —— 无法有效降低缸内温度，抗爆震能力有限，压缩比上不去
冷启动时部分燃油会附着在进气道壁面形成油膜（wall wetting），导致瞬态空燃比不准、冷启动排放高
无法实现分层燃烧

三、缸内直喷（GDI / FSI / TFSI / 直噴）

喷油嘴直接装在燃烧室里，压力 100–350 bar（部分达 500 bar）。

优点：

燃油在缸内汽化吸热，直接降低压缩终点温度 —— 可以把压缩比提高 1–1.5，热效率显著提升。这是直喷最大的价值。
喷射时刻完全自由，可以在一个循环内多次喷射（预喷 + 主喷 + 后喷），精确控制燃烧过程
可以实现分层燃烧：在活塞接近上止点时才喷油，让火花塞附近形成 λ≈1 的可燃混合气，而周围是极稀的空气。整体 λ 可达 2–3，泵气损失几乎为零，油耗大幅下降
冷启动无油膜问题，瞬态响应更准

缺点：

进气门积碳。这是直喷最著名的病。歧管喷射时，汽油持续冲刷进气门背面，把曲轴箱通风（PCV）带来的机油蒸气和 EGR 带来的碳烟洗掉。直喷没有这道冲刷，油污在进气门背面逐渐结焦成硬壳，堵塞气道、破坏气流。严重的需要拆缸盖做胡桃砂喷洗。
- 受影响的典型：早期大众 EA888、宝马 N54/N55、奥迪 EA113。
颗粒物（PM/PN）排放高。缸内喷射时间短，局部会存在过浓区，产生碳烟。这导致直喷汽油机必须加装汽油颗粒捕集器（GPF），欧六 d 之后是强制的。
高压油泵由凸轮轴驱动，是一个额外的机械负荷和故障点。
喷油嘴长期暴露在燃烧室，容易积碳堵塞，成本高。

四、双喷射（Dual Injection）—— 现在的主流答案

同时装两套系统：每缸一个歧管喷嘴 + 一个缸内直喷嘴。ECU 按工况选择：

冷启动 / 怠速 / 低负荷：主要用歧管喷射（避免颗粒物，且冲刷进气门防积碳）
中高负荷：直喷为主（抗爆震、高压缩比）
全负荷：两者同时工作（直喷负责降温，歧管喷射补足流量并保持雾化质量）

代价是两套燃油系统、两套泵、双倍喷嘴，成本明显上升。所以主要出现在中高端车型：丰田 D-4S（86/GR86、雷克萨斯）、大众 EA888 Gen3 以后、福特部分 EcoBoost、保时捷部分机型。

五、预燃室燃烧（Pre-Chamber / TJI）

这是近年最重要的燃烧技术突破，源自 F1。

问题背景

想同时拿到高压缩比（效率）和高增压（功率）非常困难 —— 两者都推高爆震倾向。传统办法是推迟点火，但这会牺牲效率。

爆震的本质是"火焰烧得不够快，末端混合气有时间自燃"。如果能让燃烧快到来不及自燃，问题就消失了。

原理

在主燃烧室之上做一个小的预燃室（容积约为主室的 2–3%），两者之间用若干个小孔连通。

预燃室内有自己的火花塞和一个小喷油嘴（或依靠主室的混合气渗入）
火花塞先点燃预燃室内的混合气
预燃室压力急剧升高，燃烧的火焰从多个小孔以极高速度喷射进主燃烧室
这些火焰射流像多个"火炬"同时深入主室各处，同时在多个位置引燃主室混合气

结果：主室的燃烧速度提高数倍，燃烧持续期从约 30° 曲轴转角压缩到 10° 以内。末端混合气根本来不及自燃。

收益

可以在高增压下使用 11:1 以上的压缩比
可以稳定燃烧极稀的混合气（λ 达到 2 以上），进一步降低油耗和 NOx
热效率大幅提升 —— F1 动力单元的热效率超过 50%，这项技术是主要贡献之一

量产应用

Maserati MC20 的 Nettuno V6 是第一台把这项技术用在量产车上的发动机：

3.0L 90° V6 双涡轮，630 PS（210 PS/L）
每缸两个火花塞：一个在预燃室内，一个在主燃烧室内
低负荷时只用主室火花塞（普通燃烧模式，保证稳定性和排放）
中高负荷切换到预燃室模式
压缩比 11:1，配合双涡轮

玛莎拉蒂能做到这一点，是因为它属于 Stellantis（原 FCA），而 FCA 的动力总成部门与法拉利有深厚的技术渊源。

其他跟进者：本田在 F1 项目中大量使用；一些重型天然气发动机长期使用类似的"火炬点火"技术。

六、其他燃烧概念

HCCI / SPCCI（均质压燃）

让汽油像柴油一样靠压缩自燃，但是均质的（不是柴油那种扩散燃烧）。理论上效率接近柴油机而排放接近汽油机。

难点：自燃时刻完全由缸内温度和压力决定，没有火花塞那样的直接控制手段，在瞬态工况下极难控制。

马自达的 SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition） 是唯一量产方案：仍然保留火花塞，但它不是用来点燃混合气，而是在活塞接近上止点时点燃一小团富油区，用这团火焰的膨胀作为"液压活塞"进一步压缩其余混合气，从而精确触发压燃。这台机器叫 SKYACTIV-X。

水喷射（Water Injection）

把水雾喷进进气道或缸内。水的汽化潜热极高（2260 kJ/kg，约为汽油的 6 倍），能大幅降低进气和缸内温度：

可以提前点火角、提高增压压力
可以取消全负荷加浓（省油）

BMW M4 GTS 是唯一量产过的案例（后备厢一个 5 升水箱），F1 在 1980 年代涡轮时代也大量使用。问题是需要用户定期补充蒸馏水，商业上不可行。