缸内直喷发动机原理分析
直喷发动机的产生，必然拥有其最本质的原因，这使我们不得不追溯现代发动机的发展，并且我们深知现代内燃机的发展方向，应该是更低的燃油消耗和有害气体排放，这样一来，发动机能量转化的效率自然也就很高了。换位思考，假设我们是发动机设计师，很容易就能够想到实现上述目的的方法，比较务实的途径有三，要么控制进气，要么控制喷油，要么油气一起控制。控制进气的方法深入之后，便孕育出了许多先进技术，诸如当今日系车主打的可变气门正时技术，可变气门升程技术，等等。控制喷油这一途径更容易举出实例，从化油器燃油供给系统到现已普及的电控喷油系统就很能说明问题。
缸内直喷技术，我认为应该把它归为第三类，它来源于稀薄燃烧，这是一种让一定量的燃油在过量的空气中燃烧的技术，它的目的是为了让燃烧更加充分，从而达到省油的目的。若想省油，说起来似乎很简单，少喷油便可以，但是少到什么程度才合适，才能在保障动力性能不受太大影响的前提下，实现燃烧效率的最优化呢？众所周知，理论空燃比是保证气缸内的混合气能够被点燃的前提，其数值是14.7，当实际空燃比超过理论值时，我们假设达到了25，这时燃油浓度很低，便很难被点燃，仅靠提高点火能量是远远不够的。但是我们设想一下，如果此时在火花塞附近的燃油浓度比较高，能够达到理论空燃比，那么此时这团较浓的混合气就变的极容易点燃，而如果用这个较浓的混合气去点燃其它的混合气，显然也是很容易的，这种点火方式就是分层燃烧，所谓分层便可以理解成是在气缸内产生混合气的浓度梯度，如何形成较明显的浓度梯度，成为我们提出的下一个问题。
不难想到，在一个玻璃杯中装满清水，假设杯子就是气缸，水就是被吸入的空气，如果这时滴入几滴墨水，便可以清晰的看到，墨水还没来得及被水稀释时，杯口处的清水已慢慢变色，但杯底却没有受到影响，依然清澈。发动机的缸内直喷技术便与其类似，杯中的清水是在进气冲程中吸入的新鲜口空气，墨水就是燃油。
然而，采用缸外喷射的发动机，燃油喷射在进气歧管内完成，情况则完全不同。我们知道，燃油先被喷射到充满空气的进气歧管中，在进气门打开活塞向下运动的同时，缸内会形成一个很大的负压，燃油和空气在这时被吸入，吸气过程中便会在气缸内形成许多涡流，这些涡流会使它们得到充分的混合，也就是说进入气缸后的混合气已经得到了较充分的混合，点燃这种已经充分混合的稀薄混合气就会变得十分困难。继续用上面的例子，就等同于我们已经将墨水滴入自来水管中，这样杯子接到的水就则已被均匀染色。因此得出结论，缸内直喷便可实现分层燃烧，从而达到稀薄燃烧之目的。
在达到这个目的的设计当中，主要分为两大阵营，一个是日本三菱的GDI，另一个是大众的FSI。虽然这两家公司的设计师都是要达到同样的分层燃烧的目的，但是在手法上却有所区分。
GDI发动机的喷油器布置于气缸顶部，离火花塞和进气门都很近的位置，在进气行程中，进行第一次喷油，但是喷油量极少，仅使缸内形成较低浓度的混合气，目的在于为分层燃烧做准备。当压缩行程中活塞即将到达上止点时，喷油器第二次喷油，由于喷出的燃油是漏斗形，因此越靠近喷油器浓度就越高，而火花塞离喷油器很近，显然，此时在火花塞附近的燃油浓度也是很高的，从而使缸内混合气具有一定的浓度梯度，也就是所谓的分层。这时，火花塞附近较浓的混合气很容易被点燃，这部分点燃的气体会继续引燃剩余的混合气，从而达到分层点火燃烧的目的。
FSI发动机则更加复杂，其喷油器位于进气门下部附近，同样采用与GDI发动机类似的两段喷油，但在第二次喷油时，喷油嘴方向正对活塞上的U型凹槽，喷射出来的燃油，会随着凹槽形状改变方向，并产生涡流，使喷入的燃油与小部分空气混合，最终运动到火花塞附近，形成火花塞附近较浓的混合气，在这一时刻将其点燃，并进一步引燃较稀的混合气，实现分层燃烧。但是如果转速过高，喷油时产生的涡流会变的强烈起来，反而会对进排气产生影响，便降低了燃烧效率，因此不能将转速调教过高，这样一来，转速低时燃烧充分，是此类发动机低转速便可输出高扭矩的直接原因，至于省油，更是理所当然的事情。
但是任何事情都有其不完备之处，由于燃烧效率的提高和吸入空气量的增多，排放气体中，CO、CH等还原气体量明显减少，需要在三元催化器中消除的NOx、O含量反而增加，使三元催化剂参与的氧化还原反应难以有效进行，为了有效减少NOx 的排放，需要在三元催化剂之后，设置氮氧化物摧化转化器，并且高效工作。可是，氮氧化物催化转化器很容易硫中毒，这就要求燃油中的硫含量足够低。可是，中国的油品中硫含量恰恰很高，从而限制了缸内直喷发动机在中国的普及。众所周知，国内并不是没有硫含量低的汽油，这些汽油主要被国有石化企业用于出口，中国人却不能享有，实在令人无奈。我也提醒广大直喷发动机用户，原厂提供的燃油添加剂有改善燃油品质的作用，因此一定不能节省，或者说对自己的爱车只能多不能少。
另外我还了解到，为解决这一问题，奥迪的2.0TFSI发动机采用了延时点火的方式。也就是把点火推迟到最佳点火时机之后。从原理上讲，相同的混合气体状态，燃烧的速率是一定的，因而当点火时机延迟之后，一部分气体还没有完成燃烧过程便被排出气缸，并且在排气歧管中继续燃烧，这部分燃烧对发动机的功率输出没有任何贡献，只是增高了排放气体的温度。温度的增加使得燃油中的硫能够在三元催化剂中经催化燃烧，变成对其后的氮氧化物催化转化器无毒害的硫化物。但是，不言而喻，这个解决方案是以牺牲燃烧效率、降低功率输出为代价的。
FSI发动机演示动画
