浅谈FSI技术在奥迪车发动机上的使用基本原理

中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2013）08-0111-02

日益严峻的能源和环境问题使得人们在追求车用汽油机良好动力性的同时对汽油机的燃油经济性和排放提出愈来愈高的要求。为了解决汽油机的燃油消耗率高和排污率大的问题。各国都在寻找高压缩比，稀燃和快燃的方案。但是高压缩比受到汽油辛烷值和爆震的限制，稀燃受到部分负荷时着火和燃烧稳定性的制约。大众公司在受到柴油机燃油喷射，副燃烧室首先着火，副燃烧室混合气浓度高以及组织气流运动促进燃烧等思路的启发下，开发了FSI这项新技术。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。

一、FSI概念及其优缺点

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。FSI技术对发动机的排放具有很重要的影响。当较少的燃料在一个富氧的环境中燃烧时，HC 和CO 的产生量会大大减少。另一方面，氮氧化含物的产生却会有所上升。为了避免这个问题的发生，则可以利用适当的废气再循环（EGR）来抑制NOX 产生，FSI 发动机一般采用了30%的EGR 比率，并配置了NOX 存储式催化净化反应器，通过这些措施可以使FSI发动机的尾气排放得到很好的控制。

采用直喷技术后，燃油以细微滴状的薄雾方式进入气缸，而不是以蒸汽的方式。这也意味着当燃油雾滴吸收热量变为可燃蒸汽时，实际上对发动机气缸起到了冷去的作用。这种冷却作用降低了发动机对辛烷值的要求，所以其压缩比可以有所增加。正如柴油一样，采用较高的压缩比可以调高燃料的效率，采用FSI技术的另一优点是能够加快油气混合气的燃烧速度，这使得FSI发动机与传统发动机相比，更有利于废气循环。让发动机燃烧非常稀薄的油气混合气体也就意味着其每个燃烧冲程燃烧的燃料量更少，因而从产生的动率也就更小。当汽车在高速或高负荷下行驶时就会出现动力不足的情况，因此要配备一个电子系统，用来检测来自的发动机各种运转情况和探测驾驶员希望在高负荷或高车速下操纵汽车，喷射脉冲就会提前在进气冲程进行更多的燃油喷射，以确保提供高负荷时所需要的大功率，而在正常情况下，诸如城市市区的低负载驾驶情况，燃油在压缩冲程延迟喷射，这时喷油系统提供极稀薄的油气混合物分层，从而提高了发动机的燃油经济性，但是，FSI 同时也要面临PFI（Port Fuel Injection 的缩写，意指进气口燃油喷射）所没有的困难。如在要求的工作范围内如何对分层燃烧进行有效的控制；确定怎样的喷油控制策略来保证较好的负荷切换，以适应于FSI 的喷油器设计，解决小负荷时HC 排放过高，大负荷时NOX 排放过高并有碳烟形成，及由于汽油自润滑性差导致的燃油喷射系统和缸壁磨损等，这些是FSI 开发中常遇到的困难。此外，原有的三效催化转化器不适用于FSI，需要开发专用的稀燃NOX 催化转化器。

二、FSI发动机工作模式

理论上，FSI发动机有至少两种燃烧模式：分层燃烧和均质燃烧，有人还把均质燃烧模式细分为均质稀燃模式和均质燃烧模式。从FSI所代表的Fuel Stratified Injection含义上看，分层燃烧应该是FSI发动机的精髓与特点，不过也可以理解为它的研发起点和基础。

分层燃烧

分层燃烧的好处在于热效率高、节流损失少、有限的燃料尽可能多地转化成工作能量。分层燃烧模式下节气门不完全打开，保证进气管内有一定真空度（可以控制废气再循环和碳罐等装置）。这时，发动机的扭矩大小取决于喷油量，与进气量和点火提前角关系不大。

分层燃烧模式在进气过程中节气门开度相对较大，减少了一部分节流损失。进气过程中的关键是进气歧管中安置一翻版，翻版向上开启（原理性质，实际机型可能有所不同）封住下进气歧管，让进气加速通过，与ω形活塞顶配合，相成进气涡旋。

分层燃烧时喷油时间在上止点前60°至上止点前45°，喷射时刻对混合气的形成有很大影响，燃油被喷射在活塞顶的凹坑内，喷出的燃油与涡旋进气结合形成混合气。混合气形成发生在曲轴转角40°至50°范围内，如果小于这个范围，混合气无法点燃，若大于，就变成均质状态了。分层燃烧的空燃比一般在1.6-3之间。

很窄的范围内。

1.均质稀燃

均质稀燃模式混合气形成时间长，燃烧均匀，通过精确控制喷油，可以达到较低的混合气浓度。均质稀燃的点火时间选择范围宽泛，有很好的燃油经济性。点火时，只有火花塞周围混合状态较好的气体被点燃，这时周围的新鲜空气以及来自废气再循环的气体形成了很好的隔热保护，减少了缸臂散热，提升了热效率。点火时刻的控制也很重要，它只在压缩过程终了的一个

均质稀燃与分层燃烧的进气过程相同，油气混合时间加长，形成均质混合气。燃烧发生在整个燃烧室内，对点火时间的要求没分层燃烧那么严格。均质稀燃的空燃比大于1。

2.均质燃烧

均质燃烧则能充分发挥动态响应好，扭矩和功率高的特点。均质燃烧进气过程中节气门位置由油门踏板决定，进气歧管中的翻版位置视不同情况而定。当中等负荷时，翻版依然是关闭的，有利于形成强烈的进气旋流，利于混合气的形成与雾化。当高速大负荷时，翻版打开，增大进气量，让更多的空气参与燃烧。均质燃烧的喷油、混合气形成与燃烧和均质稀燃模式基本一样。均质燃烧情况下空燃比小于或等于1。以上三种燃烧状态是FSI发动机特有的燃烧控制模式，但其中有些方面还停留在理论优势方面。现在奥迪在全球发布的FSI发动机还都采用均质燃烧模式，这不是说分层燃烧不可实现，而只是说分层燃烧实施的成本或时机还不成熟。主要表现在分层燃烧用稀混合气，提高了缸内温度也提高了氮氧化物这样的有害排放物。对于稀混合气，普通的三元催化器很难把氮氧化物转换干净，那么需要额外的降低氮氧化物的催化转换器，无疑加重了空间和成本的负担。另外，现阶段高硫含量的汽油对此催化器损害很大，因此还有改造炼油设备，提升燃油品质的成本。

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。这样，FSI发动机仍能在提高动力，降低油耗方面有较大的作为。

三、FSI 发动机特点

FSI 发动机特点是：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换器以有效净化处理排放气体。

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。

四、 FSI发动机的注油模式

直喷式汽油发动机采用两种不同的注油模式，即分层注油和均匀注油模式。分层注油方式可充分发挥燃料的经济效益，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。当节气门完全开启，发动机高速运转时，大量空气高速进入气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。直喷式汽油发动机技术之所以能够实现分层注油原理，是因为它可控制燃烧室内的注油过程，并在完成点火之前直接注入燃料，这样就可大幅度减少燃烧所需的燃料，提高FSI发动机经济效益。FSI发动机按照发动机负荷工况，基本上可以自动选择分层注油和均匀注油两种运行模式 。在这两种运行模式中，真空作动的开关阀根据燃料喷射时间不同而进行开启和关闭。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，仍能降低油耗。

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