大众汽车-FSI发动机技术解析(组图)

大众汽车FSI发动机技术解析（组图）2008-6-16 14:17:27来源: 奥杰汽车网编辑:yayaFSI作为大众集团与本田的VTEC、丰田的VVT-I等相抗衡的发动机新技术，是近几年脱颖而出的世界上新型汽油发动机技术。

FSI发动机在2000年开始应用在批量生产的车型上，先后搭载在大众高尔夫、路波、宝来、波罗、帕萨特、奥迪等不同型号的车型上。

国内2006年新上市的新奥迪A6L轿车就采用了FSI发动机。

燃油分层直接喷射FSI（Fuel Stratified Iinjection）使发动机在分层充气、均质稀混合气、均混合气等条件下运转，发动机在不同的混合气条件下都可以得到较好的发动机性能。

FSI发动机是将燃油直接喷入燃烧室，达到发动机需要的混合气浓度，以增加发动机的扭矩和功率，同时也提高了燃油经济性、降低油耗。

但是FSI技术对于燃油的品质要求比较高。

1989年，大众集团开始在柴油发动机制造领域发展柴油涡轮增压直喷TDI(Turbocharged-Direct-Injection)发动机，最先用在公交车的增压柴油机上。

大众公司又利用电子控制系统把相似的原理应用在汽油机上形成了现在的FSI技术的基础。

2000年底大众第一次用FSI发动机配备路波车，1.4L发动机可以输出77kW，平均百公里油耗只在5L 以下。

最近FSI发动机又应用在高尔夫、宝来上，所采用的1.6L, 81kW的FSI发动机，油耗仅为6.2L/1OOkm，拥有了比以前更强劲的输出，与油耗6.9L/100km、输出77kW的普通发动机的差距显而易见。

随后FSI又应用在波罗上，另外在奥迪的A2、A3、A4甚至在TT 上也有应用。

FSI系统使发动机的污染更小、燃油经济性更好、而且使发动机输出更加强劲。

日趋成熟起来的FSI技术，在大众集团内已经普遍采用。

FSI特点是能够降低泵吸损失，在低负荷时确保低油耗，但需要增加特殊催化转化器以有效净化处理排放气体。

大众FSI发动机是利用一个高压泵，使汽油通过一个共轨管到达电磁控制的高压喷油器。

它的特点是在进气道中产生可变涡流，使进气流形成最佳的涡流形态以分层填充的方式进入到燃烧室内，使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。

混合气的空燃比达到25:1，以上，根据燃烧理论这种稀薄混合气是无法点燃的，因此需要采用由浓至稀的分层燃烧方式。

通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，空燃比达到12:1左右，外层逐渐稀薄。

浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。

FSI发动机与传统的燃油喷射系统在工作原理上有一定的差异。

主要表现在充气系统、燃油系统和排放系统等方面。

充气系统FSI发动机采用的是类似柴油机工作方式将高压汽油直接喷入气缸爆发燃烧以获得动力。

相对于传统的汽油发动机而言，采用这种工作方式后由于汽油直接喷入每一个气缸，结合稀薄燃烧技术，使汽油直喷发动机在部分负荷范围内采用专门的充气模式来工作成为了现实。

现在的FSI发动机具有三种工作方式：分层充气模式、均质稀混合气模式、均质混合气模式。

在不同的工况下采用不同的过量空气系数。

FSI发动机按照发动机负荷工况，基本上可以自动选择在低负荷时为分层稀薄燃烧，在高负荷时则为均质理论空燃比(14.6-14.7)燃烧。

在中间负荷状态时，采用均质稀混合气模式。

在三种运行模式中，燃料的喷射时间有所不同，真空作用的开关阀进行开启/关闭来控制进气气流的形态。

1. 分层充气模式在这种工作模式中过量空气系数为1.6-3。

过量空气系数大于1为稀混合气，过量空气系数等于1为均质混合力，过量空气系数小于1为浓混合气。

在分层充气模式下，空气经过接近全开的节气门(节气门不能完全打开，因为要保持一定的真空用于活性炭罐装置和废气再循环装置)引入燃烧室。

此时，进气歧管阀会将下部进气道完全关闭，这样吸入的空气在上部进气道流动的速度就加快了，于是空气会呈旋涡状流入气缸内。

活塞上的凹坑会增强这种涡旋流动效果，与此同时，节气门会进一步打开，以便尽量减小节流损失。

在压缩行程上止点前约60°时，高压燃油以100-150bar的压力喷入到火花塞附近。

燃油的喷射时刻对混合气的形成有很大的影响，混合气形成只发生在40°-50°曲轴转角之间，如果曲轴转角小于这个范围就无法点燃混合气，如果曲轴转角大干这个范围混合气就变成均质充气了，如此稀薄的均质混合气是无法点燃的。

由于燃油喷射角非常小，所以燃油雾气实际并不与活塞顶接触，即称之为所谓的“空气引入”方式。

并且只在火花塞附近聚集了具有良好点火性能的混合气，这些混合气在压缩行程中被点燃。

另外在燃烧后，被点燃的混合气与气缸壁之间会出现一个隔离用的空气层，它的作用是降低通过发动机缸体散发掉的热量，提高了热效率。

分层充气模式并不是在整个特性曲线范围内都能实现的。

特性曲线范围受到限制，这是因为当负荷增大时，需要使用较浓的混合气，燃油消耗方面的优势也就随之下降了。

2.均质稀混合气模式这种工作模式的过量空气系数为1.55左右，在这种工作模式下也和分层充气一样是节气门开度大，进气歧管关闭。

只不过是在点火上止点前300°左右时喷入燃油，形成混合气的时间也就比较长，有利于形成均匀的稀混合气，此种工作模式称为均质稀混合气模式。

均质稀混合气模式是一种特殊的工作模式，像分层充气模式一样也只能在一定的转速范围内正常工作，并且还需要满足以下条件：a.没有与排放系统有关的故障。

b.冷却液温度必须超过50℃。

c.氮氧化物催化转化器的温度为250-500℃范围内。

d.进气阀必须保持关闭状态。

均质稀薄燃烧，在这种运行模式中，燃油在进气冲程喷射，并且由于产生加速稀薄混合气燃烧的纵涡流，开关阀被关闭。

这时，阻碍燃烧的废气再循环(EGR)暂不进行。

与均质理论空燃比燃烧不同的是，吸入空气量超过燃油喷射量燃烧的需要，此时的过量空气系数大于1。

3.均质混台气模式均质混合气模式的过量空气系数为1。

节气门开度按照油门踏板的位置来控制，在发动机负荷较大且转速较高时，进气阀就会完全打开，于是吸入的空气就经过上、下进气道进入气缸。

燃油喷射并不是像分层充气模式那样在压缩行程时发生，而是发生在进气行程中，这样燃油和空气就有李更充足的时间来混合，并且可以利用空气的流动旋转的涡流来击碎燃油颗粒，使之混合更加充分。

均质模式的优点在于燃油是直接喷入燃烧室内，而吸入的空气可抽走一部分燃油汽化时所产生的热量。

这种内部冷却可以降低爆震趋势，因此可以提高发动机的压缩比和热效率。

在高负荷中所进行的均质理论空燃比燃烧中，燃油则是在进气冲程中喷射。

理论空燃比的均质混合气易于燃烧，不必借助涡流作用，因此，由于进气阻力减少，开关阀打开。

而在全负荷以外，进行废气再循环，限制泵吸损失，采用直喷化可使压缩比提高到12:1，即使在均质理论空燃比混合气燃烧中，仍能降低燃油耗。

燃油系统FSI发动机的燃油系统由低压系统和高压燃油系统两部分构成。

在低压系统中，电动燃油泵把3-6bar的燃油经滤清器供应给高压泵，从高压燃油泵来的回油直接进入燃油箱。

低压系统中，发动机正常工作时的工作压力为3bar左右，起动时达到6bar的压力。

FSI发动机一般是以单柱塞高压泵将从低压系统中过来的低压燃油加压到100-150bar(取决于发动机的转速和负荷)，然后送入共轨管，由共轨管再把燃油分配到各个高压喷油器。

共轨管设计的足够大，以至于可以补偿在喷油时产生的轻微的压力波动。

为了能在较短的时间内喷出大量的燃油，FSI发动机使用高达90V的直流电压来控制高压喷油器。

排放系统缸内直喷技术是伴随着稀燃技术的产生而产生的。

由于环保的需要及实现可持续发展的要求，除对NOx，CO、HC这些有害气体尽可能的减少外，尽量减少能形成温室效应的（CO2）二氧化碳和相应的减少能源的浪费已成为当今发动机发展的方向。

据试验，在过量空气系数等于3的稀混合气模式下发动机依然可以工作，因此采用FSI技术其节油效果最高可达20%。

稀薄燃烧技术的一个障碍是NOx的净化，这是因为在富氧环境中会产生大量的NOx，为了解决此问题，FSI发动机配置了存储式NOx催化转化器。

FSI发动机的排气系统中可以看出，在靠近发动机一侧安装有常用的三效催化转化器，转化器的前后各有一个氧传感器来监控工作状态。

在存储式NOx催化转化器前部的排气温度传感器将测得的排气温度传给发动机控制单元，发动机控制单元用此温度计算存储式NOx催化净化转化器的温度，并将此信息用于下面两种情况。

1.在分层充气模式时混合气是比较稀的，并且NOx只有在250℃-500℃之间才能存储在存储式NOx催化转化器内。

因此发动机控制单元用此信息在监控分层充气模式时的排气温度，在温度达不到存储式NOx催化转化器正常工作要求时，通过发动机控制单元推迟点火时刻和工作模式等方法使之迅速达到催化的工作温度。

2.存储式NOx催化转化器的结构和三效催化转化器是一样的，转化器的涂层另外用氧化钡处理过，这就可使氮氧化物在温度为250℃-500℃之间时通过形成硝酸盐而存储起来。

除了形成硝酸盐外，燃油中所含的硫也会存储起来。

存储式NOx催化转化器的存储能力是有限的，其饱和度由NOx传感器来通知发动机控制单元，发动机控制单元会采取一定的措施来对存储式NOx催化转化器进行还原。

还原过程分成两种。

a.氮氧化物的还原。

当存储式NOx催化转化器内的氮氧化物的浓度超过发动机控制单元内的规定值时，就会发生氮氧化物的还原过程。

发动机控制单元使得发动机从分层充气模式切换到均匀模式，混合气变浓，排放的尾气温度升高，存储式NOx催化转化器内的温度也就升高，此时所形成的硝酸盐变得不稳定，当环境条件符合还原时，硝酸盐就可以分解了。

这时氮氧化物就转换成无害的氮气，存储的硝酸盐清空后，该循环又重新开始。

b.硫的还原。

这是个单独的过程，因为产生的硫的化学稳定性很高，这些硫在氮氧化物的还原过程中是不会分解的。

硫也会占据存储空间，这会导致在较短的间隔内存储式催化转化器就会饱和。

一旦超过了规定值，发动机管理系统就会采取从分层充气模式切换到均质模式工作或者是将点火时刻延迟等措施。

这就将存储式NOx催化转化器的工作温度提高到650℃左右，产生的硫就发生反应并形成二氧化硫（SO2）。

如果燃油中含硫较少，那么除去硫的时间间隔也长，但燃油含硫多，就会经常进行这种还原过程。

在大负荷、高转速行车时会自动去硫。

FSI燃料分层喷射技术代表着传统汽油发动机的一个发展方向。

传统的汽油发动机是通过电脑采集凸轮位置以及发动机各相关工况从而控制喷油器将汽油喷入进气歧管。

但由于喷油器离燃烧室有一定的距离，汽油同空气的混合情况受进气气流和气门开关的影响较大，并且微小的油颗粒会吸附在管道壁上，所以希望喷油器能够直接将燃油喷入气缸。