人的心臟需要血液和氧氣的不斷注入，才能保持強勁的跳動並維持全身的生理機能。而汽車的“心臟”發動機也是一樣，它需要燃油和氧氣的不斷攝入才能使得汽車擁有充沛的動力性能，本次我們就通俗解讀一下目前發動機領域十分主流的渦輪增壓缸內直噴發動機的技術原理。
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什麼是渦輪增壓缸內直噴發動機
提到渦輪增壓直噴發動機，就需要先將這一專有名詞拆開，渦輪增壓發動機和缸內燃油直噴系統。
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渦輪增壓發動機
渦輪增壓發動機，顧名思義，在自然吸氣式發動機的基礎上加入了渦輪增壓器以輔助發動機產生更強勁的動力。也許很多朋友或是更多女性朋友們並不瞭解發動機，我打一個醫學上的比方（本人並非學醫，所以對於醫學層面表達的並不嚴謹，只是舉一個通俗一點的例子，有不妥之處請見諒）。
發動機好比是人類的心臟，而渦輪增壓器起到的作用就好比是速效救心丸的藥效。正常情況下，身體的生理機能是由心臟的跳動所產生的壓力讓血液和養分通過血管的流動而來，而得了心律不齊等心臟病的病人往往常吃的一種藥物是速效救心丸，這種藥物起到的作用是擴張血管，在心臟正常跳動的節奏下，讓更多的血液和氧氣得到流通，從而獲得更多的能量。
同樣原理，渦輪增壓器則是幫助發動機提高空氣進氣量，使得氣缸內的燃燒更劇烈，活塞運動的能量就越大，發動機整體迸發的能量也就越多。
以上是渦輪增壓發動機的基本原理，真正的渦輪增壓直噴發動機不止以上這麼簡單，需要有多種設備加以支持，就如同人一樣，除了心臟以外，還需要肺、肝臟、腎臟等器官的輔助才能獲得更強的生命力。
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缸內直噴
傳統發動機的燃油系統是通過進氣道進行噴射的，通過氣門的開啟，燃油混合氣進入燃燒室由火花塞點燃並釋放能量。而燃油直噴系統則是直接將汽油噴入燃燒室，通過搭載的多孔噴油嘴進行噴射，其ECU可精確控制噴油量，使之達到最佳工作狀態。
進氣道噴油不容易控制混合氣濃度。同時，容易在進氣道內殘留油汙。燃油直噴則解決了上述問題，但是需要ECU精確控制噴油量和氣門開度
燃油直噴系統的誕生，離不開傳統進氣道噴射系統所存在的弊端。
首先，後者無法精確控制混合氣濃度。我們知道，純空氣或者純汽油，都是不可燃燒的，能夠在氣缸內點燃的，是這兩種物質的混合體。以質量為計算單位，14.7份的空氣和1份的汽油，能夠充分燃燒。
當空氣大於18份或者小於9份時，則點不著，在這個範圍內，混合氣濃度大，發動機就有勁，其實當你踩下油門的時候，發動機電腦就是在配這個空氣和油的比例。需要更省油，就要更多的空氣，更少的油，但是到達臨界點時，就點不著火了。
空氣與汽油比例為14.7：1時汽油能夠充分燃燒。此時，油越多燃燒的越猛烈，當空氣減至9：1時，火會熄滅
其次，是壓縮極限問題。我們知道，汽油隨著新鮮空氣進入氣缸，首先是經過活塞的壓縮後才被火花塞點燃的。如果把10份的汽油和空氣混合的氣體壓縮成1份，那麼這臺發動機的壓縮比就為10。無論是理論還是實際都證明了，提高發動機的壓縮比是提高做功效率的最好方法。
但問題是，隨著壓縮比的提高，氣缸內的溫度會過高，混合氣不用火花塞點火就會自燃（柴油發動機就是這麼來的）。如果活塞還沒有運動到最高點的時候，就有一股強大的力量把活塞往反方向推，這也就形成了爆震。隨之而來的還有一系列的排放問題。
本著以上兩種問題，工程師來嘗試稀薄燃燒和分層燃燒兩種概念。
首先，稀薄燃燒就是利用氣缸壓力將大於18份的空氣進行壓縮，然後再由火花塞點燃，就達到了油少、做功還大的目的，實驗結果是成功的。
而分層燃燒則是先點燃火花塞附近的高濃度的混合氣，利用其燃爆的壓力和高溫點燃位於其他位置的低濃度的混合氣，其作用也是用少量的油做最大的功。最後實驗結果也是成功的。但兩者必須要同時滿足一個條件——就是採用缸內燃油直噴系統。
於是，這一系統誕生了。也就是說，缸內燃油直噴系統是為了實現這兩種燃燒理念而被研發出來的，但是就目前的技術來說，無論是稀薄燃燒還是分層燃燒，都只能在低轉速下進行，到了高轉速，還是採取傳統的儘量滿足空氣比油為14.7比1這一比例燃燒。
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渦輪增壓缸內直噴發動機進行了哪些優化？
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發動機內部
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多孔噴油嘴
多孔噴油嘴噴出的汽油就如同淋雨中的花灑，壓力越大孔越多，汽油霧化的效果就越好。噴油嘴噴油的壓力很大，有些發動機可達到200Bar,全程由發動機ECU精確控制。
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活塞
活塞是發動機中最重要的工作部件，正是它不斷地往復運動，帶動曲軸，我們的汽車才能任意馳騁。所以它的工作強度、形狀設計等就顯得尤為重要。
活塞由輕量化鋁合金打造，短火力岸式設計。為了減少摩擦和噪音，裙部及活塞銷帶有石墨塗層。
活塞手裡面採用不規則設計，目的是讓空氣燃油混合氣形成氣旋並充分燃燒，同時增加合理受力面積，實現做工最大化。
減輕重量也是重中之重。活塞底部需進行掏空處理，同時考慮到受力位置，採用了薄厚不一的底部設計。
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雙頂置凸輪軸
這是目前多數渦輪增壓直噴發動機所採用的配氣結構。其兩個頂置凸輪軸分別控制進氣門和排氣門，在發動機運轉過程中，通過進氣VANOS（可變凸輪軸正時控制，紅色部分）系統來精確控制氣門的開閉時間和重疊角度。
當然，有的發動機也採用了進排氣凸輪軸正時控制系統。VANOS可同時控制進氣70度曲軸轉角和排氣50度曲軸轉角的可變角度，讓氣門更準確地開合。
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集成式排氣管
目前，很多渦輪增壓缸內直噴發動機採用了與缸蓋集成式排氣管技術，與傳統的外掛是排氣管相比，這樣做的好處是除了減小發動機本身質量以及體積外，也更有利於發動機的快速暖機和散熱。
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渦輪增壓器
一般的渦輪增壓器的主體分為渦輪外殼、渦輪葉輪和壓氣機葉輪，輔助的系統有集成電控洩壓閥，旁通閥總成、雙冷卻系統和中冷器總成組成。
大概佈局以圖為例，紅色部分是雙渦管排氣道，紫色是渦輪增壓器，黃色部分是渦輪冷卻水泵。紫紅色是進氣道，綠色部分是空氣濾芯。
其工作原理是發動機排出的廢氣通過渦管排氣道進入渦輪室推動渦輪葉輪的同時排出，渦輪葉輪帶動對面的壓氣機葉輪旋轉，可達220000rpm的壓氣機葉輪將外界空氣通過空氣濾清器和氣道引入渦輪室，再由氣道將吸入的空氣帶入中冷器（渦輪增壓器與發動機之間的冷卻系統），經過冷卻的空氣由進氣歧管引入至氣缸燃燒室內，更多的空氣可以讓發動機動力更加強勁，週而復始，強勁動力便源源不斷。
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洩壓閥
在市區行車，走走停停在所難免，此時，駕駛員腳下斷斷續續的油門也使得發動機進氣道內的節氣門開開合合，當節氣門開啟時，也就是油門踩下時，隨著發動機轉速升高，發動機排出的廢氣推動渦輪旋轉，渦輪開始工作。
當鬆開油門時，節氣門開度減少或關閉，發動機進氣量減少恢復低轉速。而渦輪增壓器由於慣性作用依然在工作，依然會有源源不斷的空氣進入進氣道，如果進氣道中的氣體不及時排走，會使得壓力集聚升高，輕則加速不暢，重則節氣門損壞或進氣管爆裂。
紅色區域為洩壓閥總成
這時候，就需要一個洩壓裝置來釋放壓縮的空氣，這就是洩壓閥的作用。目前，有機械式和電子式兩種，機械式的內排式洩壓閥依靠廢氣作為驅動裝置，使真空盒內的活塞移動形成真空將廢氣排出。而電子式洩壓閥由發動機ECU控制，由渦輪出口的壓力傳感器做出判斷，精確控制洩壓閥的開啟或關閉。
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電控旁通閥
旁通閥實際上就是一個排氣洩壓閥，主要目的是來控制渦輪的旋轉速度。我們知道，渦輪的轉速與發動機排出的廢氣量有關，越多則轉速越快，當渦輪轉速達到上限時，處於保護的目的，旁通閥就會開啟，將多餘的廢氣排向排氣管內，減少渦輪的轉速，保證渦輪增壓器在一個穩定的工作範圍內。
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雙冷卻系統
渦輪增壓器的工作環境非常惡劣，飽受高溫高壓所困擾，為保證其能夠正常工作，其可承受溫度需要控制在一定範圍，那麼就需要一套單獨的冷卻系統，這樣就出現了主冷卻系統和副冷卻系統。
主冷卻系統主要負責給發動機降溫
副冷卻系統主要負責給渦輪增壓器降溫
當然，除了發動機本身的主冷卻系統外，有的技術先進的發動機還搭載有機油冷卻系統。
經過冷卻後的機油噴入活塞內，在起到潤滑的同時，也降低了缸內溫度
另外，目前比較先進的渦輪增壓直噴發動機的渦輪增壓器也採用了單獨的雙冷卻系統，分別是渦輪機油冷卻和渦輪電子水泵冷卻系統。
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中冷器
中冷器是渦輪增壓器與發動機進氣歧管中間的冷卻系統，它只存在於渦輪增壓發動機上。上文中講到了渦輪增壓器是依靠發動機排出的廢氣進行運轉的，廢氣的溫度非常高，通過渦輪增壓器的傳導及壓縮，增壓器排出的空氣溫度也會變得非常高。
如果直接輸送進氣歧管進入燃燒室的話，會導致發動機燃燒溫度過高，造成發動機爆震等故障，那麼就需要空氣在進入進氣歧管前先進行冷卻，此時，中冷器就發揮了作用。
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自動啟停系統
為了適應國內日益嚴苛的排放法規以及降低油耗，目前絕大多數渦輪增壓直噴發動機都搭載了自動啟停系統。
啟停控制系統
當駕駛者踩下制動踏板或手動擋車型擋位掛入空擋後，車輛停止，發動機熄火。自動擋車型擋位掛入空擋後，可以鬆開制動踏板。當想要繼續行駛時，擋位掛入D擋，鬆開制動踏板或踩下離合器，發動機瞬間啟動。如遇走走停停的路況，駕駛者可以手動關閉此功能。
通過本次的通俗解讀，相信朋友們對渦輪增壓缸內直噴發動機有了一個大概的解了。我們只是羅列了一些對於此類技術先進的發動機做出的具有代表性改變的部分，而對於其他部分比如缸體、曲軸、進排氣、油泵等會依據不同品牌機型做出設計上的改變，在這裡就不一一例舉了。
