1、大眾汽車FSl發動機技術解析(組圖)2008-6-16 14:17:27 來源：奧杰汽車網 編輯:yayaFSI作為大眾集團與本田的VTEC、豐田 的 WT-I等相抗衡的發動機新技術，是近幾年脫穎而出的世界上新型汽油發動機技術。FSl發動機在2000年開始應用在批量生產的車型上，先后搭載在大眾高爾夫、路波、寶來、波羅、帕薩特、奧迪等不同型號的車型上。國內 2006年新上市的新奧迪 A6L轎車就采用了 FSl發動機。燃油分層直接噴射 FSl( FUel Stratified IinjeCtion )使發動機在分層充氣、均質稀混合氣、均 混合氣等條件下運轉，發動機在不同的混合氣條件下都可以得到較好

2、的發動機性能。FSl發動機是將燃油直接噴入燃燒室，達到發動機需要的混合氣濃度，以增加發動機的扭矩和功率， 同時也提高了燃油經濟性、降低油耗。但是FSl技術對于燃油的品質要求比較高。1989年，大眾集團開始在柴油發動機制造領域發展柴油渦輪增壓直噴TDI(TUrbOCharged-DireCt-InjeCtiO n)發動機，最先用在公交車的增壓柴油機上。大眾公司又利用電子控制系統把相似的原理應用在汽油機上形成了現在的FSl技術的基礎。2000年底大眾第一次用FSl發動機配備路波車，1.4L發動機可以輸出77kW ,平均百公里油耗只在5L以下。最近FSl發動機又應用在高爾夫、寶來上，所采用的1.6L

3、, 81kW的FSl發動機，油耗僅為6.2L1OOkm ,擁有了比以前更強勁的輸出，與油耗 6.9L100km、輸出77kW的普通 發動機的差距顯而易見。隨后FSl又應用在波羅上，另外在奧迪的A2、A3、A4甚至在TT上也有應用。FSl系統使發動機的污染更小、燃油經濟性更好、而且使發動機輸出更加強勁。 日趨成熟起來的FSl技術，在大眾集團內已經普遍采用。FSI特點是能夠降低泵吸損失，在低負荷時確保低油耗，但需要增加特殊催化轉化器以 有效凈化處理排放氣體。大眾FSI發動機是利用一個高壓泵， 使汽油通過一個共軌管到達電磁控制的高壓噴油器。 它的特點是在進氣道中產生可變渦流，使進氣流形成最佳的渦流形

4、態以分層填充的方式進入到燃燒室內，使混合氣體集中在位于燃燒室中央的火花塞周圍。混合氣的空燃比達到25:1，以上，根據燃燒理論這種稀薄混合氣是無法點燃的，因此需要采用由濃至稀的分層燃燒方式。通過缸內空氣的運動在火花塞周圍形成易于點火的濃混合氣，空燃比達到12:1左右，外層逐漸稀薄。濃混合氣點燃后，燃燒迅速波及外層。FSl發動機與傳統的燃油噴射系統在工作原理上有一定的差異。主要表現在充氣系統、 燃油系統和排放系統等方面。充氣系統FSI發動機采用的是類似柴油機工作方式將高壓汽油直接噴入氣缸爆發燃燒以獲得動力。 相對于傳統的汽油發動機而言，采用這種工作方式后由于汽油直接噴入每一個氣缸，結合稀薄燃燒技術

5、，使汽油直噴發動機在部分負荷范圍內采用專門的充氣模式來工作成為了現實。現在的FSl發動機具有三種工作方式：分層充氣模式、均質稀混合氣模式、均質混合氣 模式。在不同的工況下采用不同的過量空氣系數。FSI發動機按照發動機負荷工況，基本上可以自動選擇在低負荷時為分層稀薄燃燒，在 高負荷時則為均質理論空燃比 (14.6-14.7)燃燒。在中間負荷狀態時，采用均質稀混合氣模式。 在三種運行模式中，燃料的噴射時間有所不同，真空作用的開關閥進行開啟/關閉來控制進氣氣流的形態。1.分層充氣模式在這種工作模式中過量空氣系數為1.6-3。過量空氣系數大于 1為稀混合氣，過量空氣系數等于1為均質混合力，過量空氣系數

6、小于1為濃混合氣。在分層充氣模式下，空氣經過 接近全開的節氣門(節氣門不能完全打開，因為要保持一定的真空用于活性炭罐裝置和廢氣 再循環裝置)引入燃燒室。此時，進氣歧管閥會將下部進氣道完全關閉，這樣吸入的空氣在 上部進氣道流動的速度就加快了，于是空氣會呈旋渦狀流入氣缸內。活塞上的凹坑會增強這種渦旋流動效果，與此同時，節氣門會進一步打開，以便盡量減小節流損失。在壓縮行程上 止點前約60°時，高壓燃油以100-15Obar的壓力噴入到火花塞附近。燃油的噴射時刻對混合 氣的形成有很大的影響，混合氣形成只發生在40°-50 °曲軸轉角之間，如果曲軸轉角小于這個范圍就無法點燃

7、混合氣，如果曲軸轉角大干這個范圍混合氣就變成均質充氣了，如此稀薄的均質混合氣是無法點燃的。由于燃油噴射角非常小，所以燃油霧氣實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火性能的混合氣， 這些混合氣在壓縮行程中被點燃。另外在燃燒后，被點燃的混合氣與氣缸壁之間會出現一個 隔離用的空氣層，它的作用是降低通過發動機缸體散發掉的熱量，提高了熱效率。分層充氣模式并不是在整個特性曲線范圍內都能實現的。特性曲線范圍受到限制，這是 因為當負荷增大時，需要使用較濃的混合氣，燃油消耗方面的優勢也就隨之下降了。2均質稀混合氣模式圖3 L型進氣道帚有控JHq漁的編板S4 V&

8、#189;ni帶有拽制P的制板眄分JB充r進氣逋圏At)分)tnffiSa5分BA5frIII L陸"分展充T SH處過程BSA®分展兗咗過程這種工作模式的過量空氣系數為1.55左右，在這種工作模式下也和分層充氣一樣是節氣門開度大，進氣歧管關閉。只不過是在點火上止點前300°左右時噴入燃油，形成混合氣的時間也就比較長，有利于形成均勻的稀混合氣，此種工作模式稱為均質稀混合氣模式。均質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速范圍內正常工作，并且還需要滿足以下條件：a. 沒有與排放系統有關的故障。b. 冷卻液溫度必須超過 50C。C.氮氧化

9、物催化轉化器的溫度為250-500 C范圍內。d.進氣閥必須保持關閉狀態。均質稀薄燃燒，在這種運行模式中，燃油在進氣沖程噴射，并且由于產生加速稀薄混合氣 燃燒的縱渦流，開關閥被關閉。這時，阻礙燃燒的廢氣再循環（EGR）暫不進行。與均質理論空燃比燃燒不同的是，吸入空氣量超過燃油噴射量燃燒的需要，此時的過量空氣系數大于 1。田74均質混合T喊油過程007Y均SWie合代形成過程7均質混合r培燒過覆3均質混臺氣模式均質混合氣模式的過量空氣系數為1。節氣門開度按照油門踏板的位置來控制，在發動機負荷較大且轉速較高時，進氣閥就會完全打開，于是吸入的空氣就經過上、下進氣道進入 氣缸。燃油噴射并不是像分層充氣

10、模式那樣在壓縮行程時發生，而是發生在進氣行程中，這樣燃油和空氣就有李更充足的時間來混合，并且可以利用空氣的流動旋轉的渦流來擊碎燃油顆粒，使之混合更加充分。均質模式的優點在于燃油是直接噴入燃燒室內，而吸入的空氣可抽走一部分燃油汽化時所產生的熱量。這種內部冷卻可以降低爆震趨勢，因此可以提高發動機的壓縮比和熱效率。在高負荷中所進行的均質理論空燃比燃燒中，燃油則是在進氣沖程中噴射。理論空燃比的均質混合氣易于燃燒，不必借助渦流作用，因此，由于進氣阻力減少， 開關閥打開。而在全負荷以外，進行廢氣再循環，限制泵吸損失，采用直噴化可使壓縮比提高到12:1 ,即使在均質理論空燃比混合氣燃燒中，仍能降低燃油耗。燃

11、油系統FSl發動機的燃油系統由低壓系統和高壓燃油系統兩部分構成。在低壓系統中，電動燃 油泵把3-6bar的燃油經濾清器供應給高壓泵，從高壓燃油泵來的回油直接進入燃油箱。低 壓系統中，發動機正常工作時的工作壓力為3bar左右，起動時達到 6bar的壓力。FSl發動機一般是以單柱塞高壓泵將從低壓系統中過來的低壓燃油加壓到100-150bar（取決于發動機的轉速和負荷），然后送入共軌管，由共軌管再把燃油分配到各個高壓噴油器。共軌管設計 的足夠大，以至于可以補償在噴油時產生的輕微的壓力波動。為了能在較短的時間內噴出大量的燃油，FSl發動機使用高達90V的直流電壓來控制高壓噴油器。排放系統缸內直噴技術是

12、伴隨著稀燃技術的產生而產生的。由于環保的需要及實現可持續發展的要求，除對NoX ,CO、HC這些有害氣體盡可能的減少外， 盡量減少能形成溫室效應的 （C02） 二氧化碳和相應的減少能源的浪費已成為當今發動機發展的方向。據試驗，在過量空氣系數等于3的稀混合氣模式下發動機依然可以工作，因此采用FSl技術其節油效果最高可達 20%。稀薄燃燒技術的一個障礙是NOX的凈化，這是因為在富氧環境中會產生大量的NOX ,為了解決此問題，FSl發動機配置了存儲式 NOX催化轉化器。FSl發動機的排氣系統中可以看出， 在靠近發動機一側安裝有常用的三效催化轉化器，轉化器的前后各有一個氧傳感器來監控工作狀態。在存儲式

13、 NOX催化轉化器前部的排氣溫度傳感器將測得的排氣溫度傳給發動機控 制單元，發動機控制單元用此溫度計算存儲式NOX催化凈化轉化器的溫度，并將此信息用于下面兩種情況。1在分層充氣模式時混合氣是比較稀的，并且NOX只有在250 C -500 C之間才能存儲在存儲式NOX催化轉化器內。因此發動機控制單元用此信息在監控分層充氣模式時的排氣溫度，在溫度達不到存儲式 NoX催化轉化器正常工作要求時，通過發動機控制單元推遲點火 時刻和工作模式等方法使之迅速達到催化的工作溫度。2.存儲式NOX催化轉化器的結構和三效催化轉化器是一樣的，轉化器的涂層另外用氧化鋇處理過，這就可使氮氧化物在溫度為250 C -50O

14、C之間時通過形成硝酸鹽而存儲起來。除了形成硝酸鹽外，燃油中所含的硫也會存儲起來。存儲式NOX催化轉化器的存儲能力是有限的，其飽和度由 NOX傳感器來通知發動機控制單元，發動機控制單元會采取一定的措施 來對存儲式NOX催化轉化器進行還原。還原過程分成兩種。-7fl*桿甌伍曲聚 .JO-JUtC. L-.fJt軌就IeMai力卅侈比/I 口4 竹 TJIlNfI IWX匚HjCfiJ1: IE + MliBL&r5SCG63煙妙渥劭21a. 氮氧化物的還原。當存儲式NOX催化轉化器內的氮氧化物的濃度超過發動機控制單元內的規定值時，就會發生氮氧化物的還原過程。發動機控制單元使得發動機從分層充

15、氣模式切換到均勻模式，混合氣變濃，排放的尾氣溫度升高，存儲式NOX催化轉化器內的溫度也就升高，此時所形成的硝酸鹽變得不穩定，當環境條件符合還原時，硝酸鹽就可以分解了。 這時氮氧化物就轉換成無害的氮氣，存儲的硝酸鹽清空后，該循環又重新開始。b. 硫的還原。這是個單獨的過程，因為產生的硫的化學穩定性很高，這些硫在氮氧化物的還原過程中是不會分解的。硫也會占據存儲空間， 這會導致在較短的間隔內存儲式催化轉化器就會飽和。一旦超過了規定值，發動機管理系統就會采取從分層充氣模式切換到均質模 式工作或者是將點火時刻延遲等措施。這就將存儲式NOX催化轉化器的工作溫度提高到650 C左右，產生的硫就發生反應并形成

16、二氧化硫（SO2）。如果燃油中含硫較少，那么除去硫的時間間隔也長，但燃油含硫多，就會經常進行這種還原過程。在大負荷、高轉速行車時會自動去硫。FSI燃料分層噴射技術代表著傳統汽油發動機的一個發展方向。傳統的汽油發動機是通過電腦采集凸輪位置以及發動機各相關工況從而控制噴油器將汽油噴入進氣歧管。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氣氣流和氣門開關的影響較大，并且微小的油顆粒會吸附在管道壁上，所以希望噴油器能夠直接將燃油噴入氣缸。FSl發動機技術就是大眾集團開發的用來改善傳統汽油發動機供油方式的不足而研制的缸內直接噴射 技術。先進的直噴式汽油發動機采用類似于柴油發動機的供油技術，

17、通過一個柱塞泵提供所需的10Obar以上的壓力，將汽油提供給位于氣缸內的電磁閥噴油器。然后通過電腦控制噴油器將燃料在恰當的時間直接注入燃燒室，其控制的精確度接近毫秒，其關鍵是考慮噴油器的安裝，必須在氣缸上部留給其一定的空間。由于氣缸頂部布置了火花塞和多個氣門，已經相當緊湊，所以將其布置在進氣門側。由于噴油器的加入導致了對設計和制造的要求都相當的高。另外FSl發動機對燃油品質的要求也比較高，目前國內的油品狀況可能很難達到FSl發動機的要求，所以部分裝配了FSl進口發動機的波羅轎車出現了發動機對油品的不適應，為此上海大眾重新改寫了波羅發動機控制單元的軟件。»» 磚!畫TNmbmhid ll*ft< KttMH此外，FSl技術采用了兩種不同的注油模式，即分層注油和均勻注油模式。發動機低速 或中速運轉時采用分層注油模式。此時節氣門為半開狀態， 空氣由進氣管進入氣缸撞在活塞頂部，由于活塞頂部制作成特殊的形狀從而在火花塞附近形成期望中的渦流。當壓縮過程接近尾聲時，少量的燃油由噴油器噴出，形成可燃氣體。這種分層注油方式可充分提高發動機的經濟性，因為在轉速較低、負荷較小時除了火花塞周圍需要形成濃度較高的油氣混合物外， 燃燒室的其它地方只需空氣含量較高的混合氣即可，而FSl使其與理想狀態非常