汽车应用新技术之燃料分层喷射技术

汽车应用新技术之燃料分层喷射技术
摘要：FSI发动机是Fuel Stratified Injection，意思是燃油分层喷射，是基于GDI（缸内直喷式发动机）的一种技术。

与常规的气道喷射点燃式发动机相比，FSI将燃油直接喷入燃烧室，由于喷雾的气化冷却作用，它优化了充气效率，由于实现了汽油机的质调节，不再需要节气门，大大降低了进气损失，分层燃烧减少了发动机的传热损失，从而增大了满负荷的输出功率并降低了部分符适的燃油消耗。

Fuel Stratified Injection engine is FSI, mean Fuel layered Injection, is based on the GDI (in cylinder engine Fuel Injection of a technology. With conventional airways jet engine, compared to ignite type FSI will fuel directly spray into the combustion chamber, due to spray cooling effect, gasification optimized charging efficiency, because realize the gasoline engine, and no need of qualitative adjustment throttle, and greatly reduce the inlet loss, stratified combustion reduces engine heat loss, thus increase the output power of filled and reducing the part with the fuel consumption.
关键词：燃油喷射分层燃烧输出功率GDI
Fuel injection Stratified combustion Output power Gasoline direct injection
正文：
FSI是Fuel Stratified Injection的字母简写，中文意思是燃料分层喷射技术，它代表着今后引擎的一个发展方向。

燃油分层喷射技术是发动机稀燃技术的一种，就是发动机混合气中的汽油含量低，汽油与空气之比可达1：25以上。

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

汽油在歧管内开始混合，然后再进入到汽缸中燃烧。

空气跟汽油的最佳混合比是14.7/1（也叫理论空燃比），传统发动机由于汽油跟空气是在进气歧管内混合，那么他们只能均匀的混合在一起，所以必须达到理论空燃比才能获得较好的动力性和经济性，但由于喷油嘴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，这样理论空燃比很难达到，这是传统发动机无法解决的一个问题。

要想解决这一难题，就必须把燃油直接喷射到汽缸中去，这就是奥迪的FSI 燃油直喷发动机可以做的。

直喷式汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技
术，通过一个活塞泵提供所需的100bar以上的压力，将汽油提供给位于汽缸内的电磁喷射器。

然后通过电脑控制喷射器将燃料在最恰当的时间直接注入燃烧室，通过对燃烧室内部形状的设计，让混合气能产生较强的涡流使空气和汽油充分混合。

然后使火花塞周围区域能有较浓的混合气，其他周边区域有较稀的混合气，保证了在顺利点火的情况下尽可能的实现稀薄燃烧。

这就是分层燃烧的精髓所在。

FSI技术采用了两种不同的注油模式
分层注油和均匀注油模式。

在发动机低速或中速运转时采用分层注油模式，此时节气门为半开状态，空气由进气管进入汽缸撞在活塞顶部，由于活塞顶部制作成特殊的形状从而在火花塞附近形成期望中的涡流。

当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷射器喷出，形成可燃气体。

这种分层注油方式可充分提高发动机的经济性，因为在转速较低、负荷较小时除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室的其它地方只需空气含量较高的混合气即可，而FSI使其与理想状态非常接近。

当节气门完全开启，发动机高速运转时，大量空气高速进入汽缸形成较强涡流并与汽油均匀混合。

从而促进燃油充分燃烧，提高发动机的动力输出。

电脑不断的根据发动机的工作状况改变注油模式，始终保持最适宜的供油方式。

燃油的充分利用不仅提高了燃油的利用效率和发动机的输出而且改善了排放。

FSI缸内直喷发动机非常适合目前油价容易上涨的市场需要。

作为奥迪公司和竞争对手抗衡的一张王牌，这款发动机有它自身强大的生命力，必然会引领发动机的发展趋势。

FSI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换器以有效净化处理排放气体。

下面分别详细阐述：
FSI发动机按照发动机负荷工况，基本上可以自动选择2种运行模式。

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。

在这两种运行模式中，燃料的喷射时间有所不同，真空作动的开关阀进行开启/关闭。

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，由于直喷
化而使压缩比提高到12.1，即使在均质理论空燃烧比混合气燃烧中，仍能降低燃油耗。

进一步说，在FSI发动机中，在低负荷与高负荷之间，作为第三运行模式而设定均质稀薄燃烧，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的喷射量。

FSI直喷发动机既然有如此多的技术优势，相应的其对发动机硬件或者油品的要求必然也很高。

首先，它的喷油器安装在燃烧室上的，汽油直接喷注到汽缸当中去，油路必须具备比缸内更高的压力才能把汽油有效的喷注到汽缸当中去。

燃油管道内的压力提高以后，管道的各个接头的密封处的强度也要随之提高。

这样，对喷油器的设计和制造工艺也提出了更高的要求。

而且由于喷油器是直接安装在燃烧室上的，那么必须需要喷油器有耐高温的能力。

其次，FSI直喷发动机的压缩比很高，达到了惊人的11.5，在这种情况下对油的标号和油质要求就很严格。

就目前中国的情况来说，必须使用98号的高清洁度汽油。

FSI与各大燃油直喷技术对比
一汽大众奥迪采用的系列FSI技术发动机让“燃油缸内直喷”这个技术术语在国内市场广为流行。

作为车迷或者汽车消费者，我们面对这样一个“新”技术，心里不免会发出不少疑问：这项技术有什么特别之处？它起源何时？谁是先驱？现在有多少公司有这种技术？国外这种技术发展到什么地步？为什么在国内唯独奥迪的FSI技术名气最大。

下面我们就围绕着这些问题，通过技术起源、技术分类和技术原理等因素来阐述“燃油直喷”这一先进发动机技术。

事实上，类似的技术上个世纪末就已经出现了，日本三菱公司的GDI是该技术的开山之做。

FSI是奥迪公司发动机燃油缸内直喷技术的简称，与其类似的竞争技术有奔驰的CGI、菲亚特的JTS系统和丰田的直喷技术。

虽然名字不同，但它们都代表了汽油缸内直喷技术，在发达国家采用该技术的发动机已经较为普遍。

奥迪名气大的原因在于它最大范围的应用在国产车上。

技术起源
三菱公司的GDI技术是早期的缸内直喷技术，只是由于三菱并没有把这项技术用在国内的三菱车上，GDI的国内知名度不大。

加上三菱汽车这几年来下滑
的太快，随着三菱的逐渐没落，这项技术并没有在三菱公司发扬光大。

技术分类
在2002年底，奔驰也上市了配有1.8L CGI汽油缸内直喷发动机的C级轿车，即C200 CGI。

峰值功率是125kW，扭矩比上一代增加了15%，这直接使该车的加速能力大幅度提高。

菲亚特的JTS属于非主流的技术，应用的车也不多，在国内更是几乎没有。

其特点是将燃油直喷和涡轮增压结合在一起，与奥迪的TFSI类似，这种发动机在高转速和低转速下都可以输出充沛的动力。

丰田在国外市场上的各车型普遍采用了直喷技术发动机，不管是低端的爱丽斯小车还是豪华车雷克萨斯。

其技术也没有太多的特别之处。

不过雷克萨斯新的LS460发动机采用了双喷油技术，在进气歧管和缸内各有一个喷油嘴，兼顾了两种喷射的优点，技术性比较先进。

可惜的是不管是丰田的直喷还是雷克萨斯的双喷油技术，它们都没有在中国国内的丰田、雷克萨斯车上出现。

关于技术原理都大同小异，前面已经有所简单介绍。

结论：与那些把汽油喷入进气歧管的发动机相比，FSI发动机的主要优势有：动态响应好、功率和扭矩可以同时提升、燃油消耗降低。

没有了分层燃烧会不会让FSI发动机的原有优势荡然无存？答案是否定的。

即使没有应用分层燃烧，FSI发动机还有能提升压缩比，降低燃烧残油量的特点。

FSI发动机采用缸内直喷，汽油在缸内蒸发产生内部冷却效果，这样就降低了爆震的可能性，可适当提升压缩比。

而进气涡旋与气门正时的配合能使没燃烧的残油得到良好的再利用。

所以，FSI发动机提高了动力，降低了油耗。

通过本门课程的学习，通过老师的热心讲解，使同学们了解到更多的先进新技术，丰富了知识，对先进的科技有了更多的认识，感谢老师的热心教导！
参考文献
[1]罗迎社材料力学武汉理工大学出版社2001年7月
[2]刘厚梗机械增压器的研究现状与开发建议[J]车用发动机.2004
[3]P HIRST 未来的涡轮增压器.国外内燃机车.1997。