缸内直喷技术最早由三菱于1996年开始量产，但是让国人开始认知并逐步得到推广的而是奥迪的FSI。可以说，节约燃油是缸内直喷技术的一个研发初衷，而分层燃烧又恰恰是实现这一目标的有效手段，同时也是缸内直喷技术的精髓与特点，但是分层燃烧技术并非完美无缺，特别是在当今严格的排放法规面前，它不得不面临被雪藏的境遇。

    直喷式汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技术，通过高压油泵将燃油以100bar以上的压力提供给位于气缸内的喷油嘴，然后通过电脑控制喷油嘴将燃油直接注入气缸。从表面来看，缸内直喷与普通的歧管喷射最大的不同在于燃油注入气缸的方式，但是这个看似简单的变化却可以对燃油喷射时间、喷射角度以及混合气的形成进行更为精准、直接的控制。

    根据直喷式汽油发动机的原理特点，理论上一般可以实现两种不同的燃烧方式：分层燃烧和均质燃烧。

    首先我们需要引入一个空燃比的概念，空燃比，即空气与燃料（汽油）的质量比，它最理想的比例是14.7:1，即1公斤的汽油完全燃烧需要消耗14.7公斤的空气，我们把14.7叫做理论空燃比。我们将实际空燃比与理论空燃比的比值定义为λ，λ=1即实际空燃比与理论空燃比一致，此时汽油燃烧最完全。当λ>1时，说明空气相对较多，此时混合气偏稀；λ<1时，说明燃油相对较多，此时混合气偏浓。一般汽油发动机混合气的浓度就处在理论空燃比附近。搞清楚这个概念，对后面内容的理解是十分必要的。

      『第一次喷射先充分混合』        『第二次喷射形成混合气较浓的区域』

    分层燃烧技术在气缸内所形成的混合气浓度并不是均匀的，在靠近火花塞的内层空间混合气偏浓，在远离火花塞的外层空间（靠近气缸壁与活塞顶部）混合气则偏稀。这样混合气就形成了由内及外、由浓到稀的状态，只有这样才算为下一步的分层燃烧做好了准备，那么这种不均匀的混合气又是如何形成的呢？

    要想实现这种混合气的状态，缸内直喷技术就必不可少了。发动机在进气行程活塞下行时，发动机电脑（ECU）会控制喷油嘴先进行一次少量的喷油，使气缸内形成稀薄混合气，此时混合气的空燃比λ>1。而在压缩行程，活塞上行时会进行第二次喷油，利用活塞顶部的特殊结构或者喷油嘴的喷射角度让火花塞附近出现混合气相对较浓的区域（λ<1），然后利用这部分较浓的混合气来引燃汽缸内的稀薄混合气，保证了在顺利点火的情况下尽可能地实现稀薄燃烧，这也正是分层燃烧的精髓所在。

    除了在进气行程和压缩行程进行两次喷油来实现分层注油模式外，还有一种方法也能达到同样的效果。这就是只在压缩行程的某一个时刻来进行一次喷油，由于特殊设计的喷油嘴角度可以使喷出的燃油恰好位于火花塞附近，这样就在火花塞附近形成了偏浓的混合气，最终同样可以达到分层燃烧。

    在分层燃烧模式下，整个空燃比λ=1.6~3（空气过量），这就可以用更少的燃油达到同样的燃烧效果，使得发动机的油耗更低。同时在分层燃烧状态下，只有火花塞附近的区域进行燃烧，最外侧极为稀薄的混合气相当于一个隔热棉，可以将通过缸壁传导所损失的热量降到最低，提高了发动机整体的热效率。

    不过分层燃烧模式并不是在发动机的任何工况下都适用的，只有在比较柔和的驾驶方式下才能实现分层燃烧，而在需要动力性能的时候，就需要转换到均质燃烧模式。该模式下，只在进气行程进行一次喷油，这样在点火前，气缸内所形成的混合气的浓度是均匀的，而且空燃比λ≈1。此外，分层燃烧技术存在着一个目前难以得到综合性解决的氮氧化物排放问题，而这也是该项技术在欧洲逐步取消的根本原因。
 说到分层燃烧技术的排放问题，就不得不说缸内直喷发动机的工作环境。由于缸内直喷发动机的高压燃油以雾化的形式直接喷入气缸，所以它可以有效吸收热量来冷却吸入的空气（物理中的气化原理），这样可以减小发动机爆震的倾向并在设计之初就适当提高发动机的压缩比，所以缸内直喷发动机的燃烧室始终处在高温、高压的工作环境下。

    在分层燃烧时，由于是稀燃模式，也就是混合气在富氧的条件下进行燃烧，此时含在混合气中的氮气和氧气会发生化学反应，而燃烧温度越高（燃烧室温度高恰恰是缸内直喷发动机的特点），氮气和氧气越容易反应，那么排出的氮氧化物也就越多。

    此时有人会想到，难道三元催化器不可以将氮氧化物转化为无毒无害的气体吗？那我们就来看看传统三元催化器的工作原理和特点。之所以叫三元催化器，是因为它的活性组分（目前主要是铂、铑、钯三种贵金属）能够同时净化HC、CO和氮氧化物这三种有害成分，使之生成无害的二氧化碳、氮气和水，但是很重要的一点，只有当混合气的空燃比处于理论空燃比附近，而且达到正常工作温度时（一般为600-800℃），三元催化器的转换效率才是最高的，这也是为什么汽油发动机混合气的浓度都处在理论空燃比附近。

    对于分层燃烧模式来说，传统的三元催化器将氮氧化物转化为氮气的速度远远跟不上燃烧产生氮氧化物的速度，为了解决这个问题，工程师们开发出了氮氧化物存储型催化器来将氮氧化物临时存储，然后适时的再转换为氮气。

    这种氮氧化物存储型转化器，通常布置在传统的三元催化器的后方，此种转化器内部有金属涂层，可以高效的将大量残留的氮氧化物转化为氮气，但是这种氮氧化物存储型转化器有一个天敌，那就是汽油中的硫，硫会使其产生更多的硫化物质，从而导致油耗上升，同时也会大大降低其转化效率，使排放增加。

    从上图可以看出，分层燃烧技术的实现离不开含硫量低的汽油，这就需要各个国家改造炼油设备，提升燃油品质，而这也是大众在国内取消分层燃烧技术的原因之一，同时额外增加的氮氧化物催化转换器也会影响到车辆的空间布局，而且会导致车辆成本的增加。

    除了增加氮氧化物存储型转化器外，还有一套系统也可以减少氮氧化物的产生。它就是废气再循环（EGR）技术。简单来说，该系统就是把燃烧后排放的一部分废气引入到进气系统中，使其和新鲜的混合气一起参与燃烧，从而达到减小氮氧化物排放的目的。

    前面说到，高温和富氧条件下燃烧时，容易产生氮氧化物，所以适当的降低燃烧室的温度是减少氮氧化物的好方法。可能有人会说，高温的废气引入到燃烧室难道不会增加燃烧室的温度吗？实际上，废气再引入到燃烧室之前会先经过冷却处理，而且进入到燃烧室中的废气占据了一部分混合气的空间，最终会使得参与燃烧的混合气更少，从而产生的热量也就相对更少，最终起到降低燃烧室温度的目的，不过此种方法依然不能大幅度的降低分层燃烧后氮氧化物的产生问题。

全文总结：

    分层燃烧技术虽然可以降低燃油消耗，但是氮氧化物排放问题却并不好解决，特别是在如今严格的排放法规面前，没有更好的方法，则只能面临“下课”。 当然，没有了分层燃烧技术的缸内直喷发动机依然存在着不小的优势，比如它可以适配高压缩比的发动机，从而提升发动机的工作效率，同时对燃油更为精准、直接的喷射控制，可以让每一滴燃油都做到物尽其用。