大眾汽車-FSI發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)解析(組圖)

1、9博士教材 大眾汽車 FSI發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)解析（組圖）2008-6-16 14:17:27來(lái)源: 奧杰汽車網(wǎng)編輯:yaya       FSI作為大眾集團(tuán)與本田的VTEC、豐田 的VVT-I等相抗衡的發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)，是近幾年脫穎而出的世界上新型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。FSI發(fā)動(dòng)機(jī)在2000年開始應(yīng)用在批量生產(chǎn)的車型上，先后搭載在大眾高爾夫、路波、寶來(lái)、波羅、帕薩特、奧迪等不同型號(hào)的車型上。國(guó)內(nèi)2006年新上市的新奧迪A6L轎車就采用了FSI發(fā)動(dòng)機(jī)。      燃油分層直接噴射FSI（Fuel Str

2、atified Iinjection）使發(fā)動(dòng)機(jī)在分層充氣、均質(zhì)稀混合氣、均混合氣等條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的混合氣條件下都可以得到較好的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。FSI發(fā)動(dòng)機(jī)是將燃油直接噴入燃燒室，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)需要的混合氣濃度，以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率，同時(shí)也提高了燃油經(jīng)濟(jì)性、降低油耗。但是FSI技術(shù)對(duì)于燃油的品質(zhì)要求比較高。      1989年，大眾集團(tuán)開始在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域發(fā)展柴油渦輪增壓直噴TDI(Turbocharged-Direct-Injection)發(fā)動(dòng)機(jī)，最先用在公交車的增壓柴油機(jī)上。大眾公司又利用電子控制系統(tǒng)把相似的原理應(yīng)用在汽油機(jī)上形成

3、了現(xiàn)在的FSI技術(shù)的基礎(chǔ)。2000年底大眾第一次用FSI發(fā)動(dòng)機(jī)配備路波車，1.4L發(fā)動(dòng)機(jī)可以輸出77kW，平均百公里油耗只在5L以下。最近FSI發(fā)動(dòng)機(jī)又應(yīng)用在高爾夫、寶來(lái)上，所采用的1.6L, 81kW的FSI發(fā)動(dòng)機(jī)，油耗僅為6.2L/1OOkm，擁有了比以前更強(qiáng)勁的輸出，與油耗6.9L/100km、輸出77kW的普通發(fā)動(dòng)機(jī)的差距顯而易見。隨后FSI又應(yīng)用在波羅上，另外在奧迪的A2、A3、A4甚至在TT上也有應(yīng)用。FSI系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)的污染更小、燃油經(jīng)濟(jì)性更好、而且使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出更加強(qiáng)勁。日趨成熟起來(lái)的FSI技術(shù)，在大眾集團(tuán)內(nèi)已經(jīng)普遍采用。     

4、; FSI特點(diǎn)是能夠降低泵吸損失，在低負(fù)荷時(shí)確保低油耗，但需要增加特殊催化轉(zhuǎn)化器以有效凈化處理排放氣體。      大眾FSI發(fā)動(dòng)機(jī)是利用一個(gè)高壓泵，使汽油通過(guò)一個(gè)共軌管到達(dá)電磁控制的高壓噴油器。它的特點(diǎn)是在進(jìn)氣道中產(chǎn)生可變渦流，使進(jìn)氣流形成最佳的渦流形態(tài)以分層填充的方式進(jìn)入到燃燒室內(nèi)，使混合氣體集中在位于燃燒室中央的火花塞周圍。混合氣的空燃比達(dá)到25:1，以上，根據(jù)燃燒理論這種稀薄混合氣是無(wú)法點(diǎn)燃的，因此需要采用由濃至稀的分層燃燒方式。通過(guò)缸內(nèi)空氣的運(yùn)動(dòng)在火花塞周圍形成易于點(diǎn)火的濃混合氣，空燃比達(dá)到12:1左右，外層逐漸稀薄。濃混合氣點(diǎn)燃后，

5、燃燒迅速波及外層。      FSI發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的燃油噴射系統(tǒng)在工作原理上有一定的差異。主要表現(xiàn)在充氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和排放系統(tǒng)等方面。      充氣系統(tǒng)      FSI發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是類似柴油機(jī)工作方式將高壓汽油直接噴入氣缸爆發(fā)燃燒以獲得動(dòng)力。相對(duì)于傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，采用這種工作方式后由于汽油直接噴入每一個(gè)氣缸，結(jié)合稀薄燃燒技術(shù)，使汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷范圍內(nèi)采用專門的充氣模式來(lái)工作成為了現(xiàn)實(shí)。   

6、0;  現(xiàn)在的FSI發(fā)動(dòng)機(jī)具有三種工作方式：分層充氣模式、均質(zhì)稀混合氣模式、均質(zhì)混合氣模式。在不同的工況下采用不同的過(guò)量空氣系數(shù)。      FSI發(fā)動(dòng)機(jī)按照發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷工況，基本上可以自動(dòng)選擇在低負(fù)荷時(shí)為分層稀薄燃燒，在高負(fù)荷時(shí)則為均質(zhì)理論空燃比(14.6-14.7)燃燒。在中間負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，采用均質(zhì)稀混合氣模式。在三種運(yùn)行模式中，燃料的噴射時(shí)間有所不同，真空作用的開關(guān)閥進(jìn)行開啟/關(guān)閉來(lái)控制進(jìn)氣氣流的形態(tài)。      1. 分層充氣模式    &#

7、160; 在這種工作模式中過(guò)量空氣系數(shù)為1.6-3。過(guò)量空氣系數(shù)大于1為稀混合氣，過(guò)量空氣系數(shù)等于1為均質(zhì)混合力，過(guò)量空氣系數(shù)小于1為濃混合氣。在分層充氣模式下，空氣經(jīng)過(guò)接近全開的節(jié)氣門(節(jié)氣門不能完全打開，因?yàn)橐３忠欢ǖ恼婵沼糜诨钚蕴抗扪b置和廢氣再循環(huán)裝置)引入燃燒室。此時(shí)，進(jìn)氣歧管閥會(huì)將下部進(jìn)氣道完全關(guān)閉，這樣吸入的空氣在上部進(jìn)氣道流動(dòng)的速度就加快了，于是空氣會(huì)呈旋渦狀流入氣缸內(nèi)?；钊系陌伎訒?huì)增強(qiáng)這種渦旋流動(dòng)效果，與此同時(shí)，節(jié)氣門會(huì)進(jìn)一步打開，以便盡量減小節(jié)流損失。在壓縮行程上止點(diǎn)前約60°時(shí)，高壓燃油以100-150bar的壓力噴入到火花塞附近。燃油的噴射時(shí)刻對(duì)混合氣的形成

8、有很大的影響，混合氣形成只發(fā)生在40°-50°曲軸轉(zhuǎn)角之間，如果曲軸轉(zhuǎn)角小于這個(gè)范圍就無(wú)法點(diǎn)燃混合氣，如果曲軸轉(zhuǎn)角大干這個(gè)范圍混合氣就變成均質(zhì)充氣了，如此稀薄的均質(zhì)混合氣是無(wú)法點(diǎn)燃的。由于燃油噴射角非常小，所以燃油霧氣實(shí)際并不與活塞頂接觸，即稱之為所謂的“空氣引入”方式。并且只在火花塞附近聚集了具有良好點(diǎn)火性能的混合氣，這些混合氣在壓縮行程中被點(diǎn)燃。另外在燃燒后，被點(diǎn)燃的混合氣與氣缸壁之間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)隔離用的空氣層，它的作用是降低通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體散發(fā)掉的熱量，提高了熱效率。      分層充氣模式并不是在整個(gè)特性曲線范圍內(nèi)都能實(shí)

9、現(xiàn)的。特性曲線范圍受到限制，這是因?yàn)楫?dāng)負(fù)荷增大時(shí)，需要使用較濃的混合氣，燃油消耗方面的優(yōu)勢(shì)也就隨之下降了。2.均質(zhì)稀混合氣模式      這種工作模式的過(guò)量空氣系數(shù)為1.55左右，在這種工作模式下也和分層充氣一樣是節(jié)氣門開度大，進(jìn)氣歧管關(guān)閉。只不過(guò)是在點(diǎn)火上止點(diǎn)前300°左右時(shí)噴入燃油，形成混合氣的時(shí)間也就比較長(zhǎng)，有利于形成均勻的稀混合氣，此種工作模式稱為均質(zhì)稀混合氣模式。均質(zhì)稀混合氣模式是一種特殊的工作模式，像分層充氣模式一樣也只能在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)正常工作，并且還需要滿足以下條件：    &

10、#160; a.沒(méi)有與排放系統(tǒng)有關(guān)的故障。      b.冷卻液溫度必須超過(guò)50。      c.氮氧化物催化轉(zhuǎn)化器的溫度為250-500范圍內(nèi)。      d.進(jìn)氣閥必須保持關(guān)閉狀態(tài)。 均質(zhì)稀薄燃燒，在這種運(yùn)行模式中，燃油在進(jìn)氣沖程噴射，并且由于產(chǎn)生加速稀薄混合氣燃燒的縱渦流，開關(guān)閥被關(guān)閉。這時(shí)，阻礙燃燒的廢氣再循環(huán)(EGR)暫不進(jìn)行。與均質(zhì)理論空燃比燃燒不同的是，吸入空氣量超過(guò)燃油噴射量燃燒的需要，此時(shí)的過(guò)量空氣系數(shù)大于1。3.均質(zhì)混臺(tái)氣模式

11、      均質(zhì)混合氣模式的過(guò)量空氣系數(shù)為1。節(jié)氣門開度按照油門踏板的位置來(lái)控制，在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較大且轉(zhuǎn)速較高時(shí)，進(jìn)氣閥就會(huì)完全打開，于是吸入的空氣就經(jīng)過(guò)上、下進(jìn)氣道進(jìn)入氣缸。燃油噴射并不是像分層充氣模式那樣在壓縮行程時(shí)發(fā)生，而是發(fā)生在進(jìn)氣行程中，這樣燃油和空氣就有李更充足的時(shí)間來(lái)混合，并且可以利用空氣的流動(dòng)旋轉(zhuǎn)的渦流來(lái)?yè)羲槿加皖w粒，使之混合更加充分。均質(zhì)模式的優(yōu)點(diǎn)在于燃油是直接噴入燃燒室內(nèi)，而吸入的空氣可抽走一部分燃油汽化時(shí)所產(chǎn)生的熱量。這種內(nèi)部冷卻可以降低爆震趨勢(shì)，因此可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比和熱效率。在高負(fù)荷中所進(jìn)行的均質(zhì)理論空燃比燃燒中，燃

12、油則是在進(jìn)氣沖程中噴射。理論空燃比的均質(zhì)混合氣易于燃燒，不必借助渦流作用，因此，由于進(jìn)氣阻力減少，開關(guān)閥打開。而在全負(fù)荷以外，進(jìn)行廢氣再循環(huán)，限制泵吸損失，采用直噴化可使壓縮比提高到12:1，即使在均質(zhì)理論空燃比混合氣燃燒中，仍能降低燃油耗。      燃油系統(tǒng)      FSI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油系統(tǒng)由低壓系統(tǒng)和高壓燃油系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。在低壓系統(tǒng)中，電動(dòng)燃油泵把3-6bar的燃油經(jīng)濾清器供應(yīng)給高壓泵，從高壓燃油泵來(lái)的回油直接進(jìn)入燃油箱。低壓系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的工作壓力為3bar左右，起動(dòng)時(shí)達(dá)到6

13、bar的壓力。FSI發(fā)動(dòng)機(jī)一般是以單柱塞高壓泵將從低壓系統(tǒng)中過(guò)來(lái)的低壓燃油加壓到100-150bar(取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷)，然后送入共軌管，由共軌管再把燃油分配到各個(gè)高壓噴油器。共軌管設(shè)計(jì)的足夠大，以至于可以補(bǔ)償在噴油時(shí)產(chǎn)生的輕微的壓力波動(dòng)。為了能在較短的時(shí)間內(nèi)噴出大量的燃油，F(xiàn)SI發(fā)動(dòng)機(jī)使用高達(dá)90V的直流電壓來(lái)控制高壓噴油器。      排放系統(tǒng)      缸內(nèi)直噴技術(shù)是伴隨著稀燃技術(shù)的產(chǎn)生而產(chǎn)生的。由于環(huán)保的需要及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的要求，除對(duì)NOx，CO、HC這些有害氣體盡可能的減少外

14、，盡量減少能形成溫室效應(yīng)的（CO2）二氧化碳和相應(yīng)的減少能源的浪費(fèi)已成為當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的方向。據(jù)試驗(yàn)，在過(guò)量空氣系數(shù)等于3的稀混合氣模式下發(fā)動(dòng)機(jī)依然可以工作，因此采用FSI技術(shù)其節(jié)油效果最高可達(dá)20%。稀薄燃燒技術(shù)的一個(gè)障礙是NOx的凈化，這是因?yàn)樵诟谎醐h(huán)境中會(huì)產(chǎn)生大量的NOx，為了解決此問(wèn)題，F(xiàn)SI發(fā)動(dòng)機(jī)配置了存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)化器。FSI發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)中可以看出，在靠近發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)安裝有常用的三效催化轉(zhuǎn)化器，轉(zhuǎn)化器的前后各有一個(gè)氧傳感器來(lái)監(jiān)控工作狀態(tài)。在存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)化器前部的排氣溫度傳感器將測(cè)得的排氣溫度傳給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元用此溫度計(jì)算存儲(chǔ)式NOx催化凈化轉(zhuǎn)化器的溫度，

15、并將此信息用于下面兩種情況。      1.在分層充氣模式時(shí)混合氣是比較稀的，并且NOx只有在250-500之間才能存儲(chǔ)在存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)。因此發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元用此信息在監(jiān)控分層充氣模式時(shí)的排氣溫度，在溫度達(dá)不到存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)化器正常工作要求時(shí)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元推遲點(diǎn)火時(shí)刻和工作模式等方法使之迅速達(dá)到催化的工作溫度。      2.存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)和三效催化轉(zhuǎn)化器是一樣的，轉(zhuǎn)化器的涂層另外用氧化鋇處理過(guò)，這就可使氮氧化物在溫度為250-500之間時(shí)通過(guò)形成硝酸鹽而存儲(chǔ)起來(lái)

16、。除了形成硝酸鹽外，燃油中所含的硫也會(huì)存儲(chǔ)起來(lái)。存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)化器的存儲(chǔ)能力是有限的，其飽和度由NOx傳感器來(lái)通知發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元會(huì)采取一定的措施來(lái)對(duì)存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)行還原。還原過(guò)程分成兩種。      a.氮氧化物的還原。當(dāng)存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的氮氧化物的濃度超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元內(nèi)的規(guī)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生氮氧化物的還原過(guò)程。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元使得發(fā)動(dòng)機(jī)從分層充氣模式切換到均勻模式，混合氣變濃，排放的尾氣溫度升高，存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的溫度也就升高，此時(shí)所形成的硝酸鹽變得不穩(wěn)定，當(dāng)環(huán)境條件符合還原時(shí)，硝酸鹽就可以分解了。

17、這時(shí)氮氧化物就轉(zhuǎn)換成無(wú)害的氮?dú)猓鎯?chǔ)的硝酸鹽清空后，該循環(huán)又重新開始。      b.硫的還原。這是個(gè)單獨(dú)的過(guò)程，因?yàn)楫a(chǎn)生的硫的化學(xué)穩(wěn)定性很高，這些硫在氮氧化物的還原過(guò)程中是不會(huì)分解的。硫也會(huì)占據(jù)存儲(chǔ)空間，這會(huì)導(dǎo)致在較短的間隔內(nèi)存儲(chǔ)式催化轉(zhuǎn)化器就會(huì)飽和。一旦超過(guò)了規(guī)定值，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)就會(huì)采取從分層充氣模式切換到均質(zhì)模式工作或者是將點(diǎn)火時(shí)刻延遲等措施。這就將存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)化器的工作溫度提高到650左右，產(chǎn)生的硫就發(fā)生反應(yīng)并形成二氧化硫（SO2）。如果燃油中含硫較少，那么除去硫的時(shí)間間隔也長(zhǎng)，但燃油含硫多，就會(huì)經(jīng)常進(jìn)行這種還原過(guò)程。在大負(fù)荷、

18、高轉(zhuǎn)速行車時(shí)會(huì)自動(dòng)去硫。      FSI燃料分層噴射技術(shù)代表著傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向。傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是通過(guò)電腦采集凸輪位置以及發(fā)動(dòng)機(jī)各相關(guān)工況從而控制噴油器將汽油噴入進(jìn)氣歧管。但由于噴油器離燃燒室有一定的距離，汽油同空氣的混合情況受進(jìn)氣氣流和氣門開關(guān)的影響較大，并且微小的油顆粒會(huì)吸附在管道壁上，所以希望噴油器能夠直接將燃油噴入氣缸。FSI發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)就是大眾集團(tuán)開發(fā)的用來(lái)改善傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)供油方式的不足而研制的缸內(nèi)直接噴射技術(shù)。先進(jìn)的直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)采用類似于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的供油技術(shù)，通過(guò)一個(gè)柱塞泵提供所需的100bar以上的壓力，將汽油提供給位于氣缸內(nèi)的電磁閥噴油器。然后通過(guò)電腦控制噴油器將燃料在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間直接注入燃燒室，其控制的精確度