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浅谈FSI技术及其基本工作原理FSI是Fuel Stratified Injection的词头缩写，意指燃油分层喷射，是直喷式汽油发动机领域的一项创新的革命性技术。奥迪采用的FSI燃油直喷技术在同等排量下实现了发动机动力性和燃油经济性的完美结合，是当今汽车工业发动机技术中最为成熟、最先进的燃油直喷技术，并引领了汽油发动机的发展趋势。1绪论近年来，为了解决车用发动机排放造成的环境污染问题和日益严峻的能源问题，世界各国开发了许多发动机新技术。如汽油缸内直喷、自发点火、复合火花点火、涡轮增压、可变压缩比、可变排量、全电子控制气门等技术，其中奥迪汽油机缸内直喷技术无论在节能还是在降低排放效果方面均十分明显，已成为车用汽油机一个十分重要的发展方向。1.1国内外汽油缸内直喷发动机研究发展状况按喷射方式的不同，汽油直喷发动机的发展经过了三代。第一代称为壁面引导（Wall-guided）直喷型，利用缸内空气流动使油气混合物成层，实现了稀薄燃烧；第二代称为按化学计量混合直喷型，以理论混合比混合燃料和空气。而奥迪轿车FSI新发动机采用第三代直喷技术，只需将燃料喷射成雾状，借助空气运动以及活塞顶面特殊的凹陷形状，便可局部形成燃料较浓的区域，通过在这一区域附近设置点火火花塞来实现分层燃烧（稀薄燃烧）。汽油缸内直接喷射燃烧是汽车发动机的一项新技术。它的基础技术借鉴于柴油机的燃油喷射技术，于20世纪30年代开始研制开发。但受当时内燃机技术水平和自动控制技术水平的限制，开发的发动机性能并不理想，长期以来进展缓慢，没有得到实际的应用。随着电子控制技术的进步，各国加大了对汽油机直喷技术的研究。三菱公司与大众公司相继推出了批量生产的新机型，欧美一些著名研究机构与生产企业如AVL、FEV、Bosch等也公布了各自的研究成果。这些对汽油机直喷技术研究成果基本包括：可以实现分层稀燃， 使汽油机压缩比提高至1214。部分负荷时采用像柴油机那样的质调节(无节气门的节流损失)，可大幅度提高指示效率，达到节能15%20%的目标，即达到直喷式柴油机的燃油经济性水平。冷起动时无须加浓，降低未燃碳氢。因进气充量温度较低，所以具有较高的充气效率和抗爆震特性。因汽油直接喷入缸内，即使在低温下也具有良好的加速响应性和优异的瞬态驱动特性。1.2 FSI技术概念FSI是Fuel Stratified Injection的缩写。意指燃油分层喷射，是直喷式汽油发动机领域的一项创新的革命性技术。FSI技术是指改变传统的汽油机在进气管中将燃油与空气混合的燃油供给系统的供油方式，而采用像柴油机一样的，通过喷油器直接将汽油向气缸内喷射的供油方式。1.3 FSI特点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。如上所述，根据FSI发动机运转状态，在分层稀薄燃烧到均质理论空燃比燃烧过程中，空燃比连续变化。因此，三效催化转化器不能够净化排放气体中的NOx。这是因为三效催化转化器要利用排气中的HC或CO进行NOx还原反应的缘故。在稀薄燃烧中，在排放气体中残留很多氧气，不能进行NOx还原反应。为了使NOx吸储型催化剂获得高效功能，其温度必须保持在250-500范围内。当超过这一温度范围发动机会自动转换到均质理论空燃比燃烧，并通过三效催化转化器进行废气处理。然而这又与燃油经济性下降相关，为此，必须增加废气冷却装置。利用这种冷却装置，排放气体通过NOx吸储型催化转化而被冷却，由于稀薄燃烧的范围宽，催化转化器的寿命也延长。然而，NOx吸储型催化转化器会受到硫侵蚀而中毒，所以必须把汽油中的含硫量尽量降低到最少。但是，如前所述，含硫低的汽油不是到处能供应的。大众汽车公司采取的措施是，把催化剂反应温度提高到650以上，从而把附着在催化剂上的硫通过燃烧而加以消除。在高速行驶时，能够保持这样高的催化剂温度，但是，在城市内行驶时则催化剂温度下降，就不能烧除附着在催化剂的硫。为此，通过NOx传感器监视硫附着在催化剂上的程度，根据监测情况提高排放气体的温度。作为其措施，一般采用点火正时延迟，尽管这样做会引起燃油经济性恶化，但是为了净化处理NOx，这是不得已而为之。2 奥迪A6 FSI发动机结构及其工作原理2.1 FSI发动机技术特性新型Audi A6发动机首次采用配备FSI技术V6发动机，技术特性如下：l 曲轴箱用铝硅铜合金制成，重量轻l 轻型塑料，双位置进气管l 配备平衡一级自由惯性力的平衡轴l 配备4气门滚柱式凸轮从动机构的低摩擦缸盖l 采用链传动机构l 前端附件由V型转动带驱动l 连续调整进排气凸轮轴l 采用西门子管理系统l 通过氧传感器和两个催化转换器控制排放l 采用计量空气的P/N系统2.2 燃油供给系统2.2.1燃油供给系统概况燃油供给系统由汽油泵，汽油滤清器，油量控制器，喷油器，高、低压传感器及燃油分配管等组成。汽油由汽油泵从油箱中泵出，经过汽油滤清器，除去杂质及水分后，再送至油量控制器和高压喷油泵，以提高压力和减少脉动，这样具有一定压力的燃油流至燃油分配管，再经各供油支管送至各缸喷油器。喷油器根据ECU的喷油指令，开启喷油阀，将高压燃油喷入气缸。燃油供给系统分为低压和高压两部分。低压系统是一种按需要来调节的系统，电动燃油泵的功率由高性能电子系统通过PWM (脉冲宽度调制)信号来调节。发动机控制单元的信号也是通过PWM传输到高性能电子系统，该泵无燃油回油管。低压传感器N410用来监控不同压力的保持状况。电动燃油泵集成在油箱内，只要低压回路中的单向阀开启，初级输油压力可保持在4bar(绝对压力)，并由低压调节器调节。在正常的运转情况下始终保持这样的状况。假如单向阀关闭，通往低压调节器的油路被切断，从而使电动燃油泵的最高输油压力升高到6bar。为确保在任何运行状况下发动机可靠起动，在低压燃油回路中设置了这个单向阀。当冷却水和外界环境达到一定温度时，电控单元将该单向阀关闭，切断电动燃油泵通往低压调节器的通路，使其输油压力升高到大约6bar。由于初级输油压力升高，使高压泵吸油腔中的燃油蒸汽凝结，从而保证发动机可靠起动。电控单元根据发动机温度和由进气空气质量流量计所测的环境温度来控制单向阀。燃油分配管(共轨)中的燃油压力由压力控制阀根据压力传感器的信号，随发动机运转工况的变化，在50100bar范围内进行调节。燃油分配管经过较短的高压油管将燃油输送给喷油器。从压力控制阀流出的燃油在低压下返回油箱。油箱中的燃油蒸汽经过油箱通风管储存在活性炭罐中，并由发动机控制系统调节将其输往发动机气缸内燃烧掉。2.2.2 燃油供给系统的技术特点燃油供给系统的设计具有如下技术特点：l、电动燃油泵的功率消耗低，因此可节省燃油；2、燃油吸热率非常低（仅压缩当前所需燃油）；3、电动燃油泵的使用寿命长；4、降低了噪声，尤其是在怠速时；5、可以对低压系统和高压系统的减震器进行自诊断(通过低压传感器)。2.2.3预供油压力工况在发动机起动前,电动燃油泵需要提前向发动机提供燃油，即预供油。燃油泵预供油是为高压油泵正常工作提供必要的燃油压力。在下述工况时，预供油压力必须提高到200kPa。1、发动机停机时(电动燃油泵继续运行)；2、发动机起动前(电动燃油泵预运行)，当点火开关接通或驾驶员车门接触开关接通；3、在发动机起动过程中以及发动机起动后的5s之内；4、在热起动以及热机运行时，时间取决于温度(t5s)，以防止产生气阻。2.2.4高压系统组成及高压喷油泵机构原理高压系统组成部件包括：高压燃油分配管；高压喷油泵；高压油路；高压喷油阀。高压喷油泵由Hitachi公司制造，由两列气缸进气凸轮端的三角凸轮驱动，可产生30120bar的燃油压力，压力由油量调节阀N290根据标定值进行调节，燃油压力传感器监控燃油压力。单活塞高压泵没有泄油管，将燃油送回到供油端。该泵内集成有燃油低压传感器G410。该系统是一个根据需要来进行调节的高压泵。也就是说，该高压泵只将发动机控制单元内存储的特性曲线所规定的燃油量送入高压油轨。与连续供油的高压泵相比，该系统的优点是消耗的驱动功率降低了，且只是输送实际需要的燃油量。单活塞高压泵工作时，在进油冲程，凸轮的形状和活塞弹簧力使得泵活塞向下运动。泵内的空间加大，燃油流入，流量控制阀将低压阀保持在打开位置，油量控制阀被切断电流。在有效冲程凸轮使得高压泵活塞向上运动，这时还无法建立起压力，因为油量控制阀还处于无电状态。这可以防止低压油阀关闭；在压缩冲程，发动机控制单元这时会接通油量控制阀的电源，磁铁被吸紧。泵内压力将低压进油阀压入其座内。如果泵内压力超过油轨内的压力，那么单向阀就会被推开，燃油就会进入油轨。高压喷油器是由Hitachi公司制造的，是直喷式汽油机燃油系统的关键部件。高压喷油器的喷束形状、开启和关闭特性以及雾化品质等对分层充气运转时的燃烧稳定性以及发动机的排放和燃油消耗着决定性的作用。它的任务就是在精确的时刻将精确的燃油量喷入燃烧室。喷油器的控制由发动机控制单元来完成， 工作电压约为65V。喷射出的燃油量由阀开启时间和燃油压力来决定。喷油器喷孔的布置能使喷出的油雾分布在火花塞周围，保证喷出的油雾能形成良好的混合气，喷油器的触发与点火脉冲同步。为了避免产生气阻，油路中有燃油不断地冲刷喷油器，发动机的喷油采用顺序喷射方式，即在每个汽缸的压缩形成中喷油。2.3排气系统新车的排气歧管是个铸造件，为了防止出现热应力。排气歧管与缸盖的连接被分成单个法兰。废气的汇流是从3缸到2缸再到1缸的，不是四叶式的，可以完全消除排气干涉现象。氧传感器安装在三个气缸上气流流动的最佳位置，这样就可以完成对各个气缸的入调节，发动机控制系统就可以更好地控制每个气缸的混合气质量。2.4机油供给系统机油供给系统示意图所示。该系统适用于SAE OW 30机油的强制机油循环系统，在洁净机油一侧控制机油压力。带有冷启动阀的双中心机油泵，用于对机油冷却器和机油滤清器的过载保护。凸轮轴调节电机和缸盖一侧链条总成的机油供给与缸盖的机油供给是分开的这样就可以对缸盖内的机油进行节流。机油供给系统使用了新型的机油滤清器总成，这样就可更快、更方便地更换滤清器。3奥迪FSI新技术的技术效果证明直喷发动机潜力的是在2001年7月的勒芒24小时耐力赛上获胜的奥迪R8，匹配了带双增压的V8FSI直喷发动机。出色的表现使它领先一圈，良好的燃油经济性使它延长了加油的间隔，有力证明了直喷不仅动力表现出色，燃油还节省了8%。奥迪第一款作为量产车匹配直喷发动机的车型是2002年3月在日内瓦车展展出的A21.6FSI。接下来是奥迪A4，匹配了110kW 2.0LFSI发动机。有别于96kW的A4，使用了单柱塞高压油泵，4气门替代了5气门，显然是为了在燃烧室安装汽油喷嘴以节省地方。A4 2.0 FSI最大扭矩200Nm出现在32504250r/min，0100km/h的加速时间是9.6s，最高时速218km/h。每百公里综合油耗7.1L。奥迪A5所采用的最顶级发动机是新款3.2升FSI燃油直喷式发动机，采用此项技术的效果是很明显的，不仅发动机的效率得到了提高，动力得到增强，与此同时还大大降低了油耗。奥迪A5 3.2 FSI的最大功率达到195KW，在发动机转速为3000-5000rpm之间保持330Nm的强大扭矩输出，如此强劲的动力使A5在任何时候都能随心所欲地加速。采用6速手动变速器的奥迪A5 3.2 FSI quattro从静止加速到100公里/小时只要6.1秒，而最高时速被限制在250公里/小时，尽管有如此惊人的性能表现，其百公里油耗却只有8.7L15。以A5为底子的S5是奥迪的高性能轿跑车。动力是它最大的亮点，装配着一台V8FSI发动机，最大功率达260KW，在转速为3500rpm时扭矩就可达到最大的440Nm.从静止加速到100公里/小时仅需5.1秒。奥迪A5全新高科技四缸发动机也无愧于奥迪全球领先发动机的名誉。功率达125千瓦(170马力)的1.8升TFSI发动机将于2007年秋面市。它结合了涡轮增压技术和燃油直喷技术，动力十足。与TDI发动机一样，奥迪完善了其涡轮增压单元的工程和工艺，将汽油发动机的燃油经济性和动力性能提升到一个新的高度。4 结束语FSI发动机在提供更大的输出功率和扭矩的同时，进一步提高了发动机的燃油经济性并降低排放。与相同排量的传统发动机相比，FSI发动机燃油消耗量有明显的降低，在能源日趋紧缺的今天更加凸现其优势。几年来的应用证明，在同等排量下，FSI比传统的MFI（多点燃油进气歧管喷射）动力性显著提高、输出更高的功率和扭矩