淺析大眾FSI發(fā)動機(jī)技術(shù)

王宗祥

[摘 要]文章重點(diǎn)介紹了大眾FSI發(fā)動機(jī)的組成系統(tǒng)和工作原理，以及與進(jìn)氣管噴射發(fā)動機(jī)的不同點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]FSI；發(fā)動機(jī)技術(shù)；工作原理

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.41.048

1 引 言

汽車使用低污染節(jié)能發(fā)動機(jī)一直是政府和專業(yè)人士的目標(biāo)，世界各國也都在尋找高壓縮比、稀燃和快速燃燒的方案。但是高壓縮比受到汽油辛烷值和爆震的限制，稀燃受到部分負(fù)荷時著火和燃燒穩(wěn)定性的制約。改善燃燒室內(nèi)的火焰燃燒過程和采用新型的代用燃料或燃料添加劑則是解決以上問題的常用辦法。大眾汽車公司在受到柴油機(jī)燃油噴射，副燃燒室首先著火（作為火源），副燃燒室混合氣濃度高以及組織氣流運(yùn)動促進(jìn)燃燒等思路的啟發(fā)下，開發(fā)了FSI這項(xiàng)新技術(shù)。

2 FSI發(fā)動機(jī)系統(tǒng)組成

2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)

大眾FSI發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)包括熱膜空氣質(zhì)量流量計、電子節(jié)氣門（EGAS）、進(jìn)氣管壓力傳感器、廢氣再循環(huán)（EGR）閥和進(jìn)氣滾流閥（或渦流閥）等。其中前四種部件與電控進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)上相同，在此只重點(diǎn)論述缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)所應(yīng)用的進(jìn)氣滾流閥和渦流閥。

大眾FSI發(fā)動機(jī)采用進(jìn)氣滾流的進(jìn)氣空氣流動。發(fā)動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)對于氣體流動方案的選擇起著決定性的作用。在四氣門汽油機(jī)上，若氣門夾角較大，則大多采用滾流支持的直噴式燃燒過程比較有利，而氣門夾角較小時則采用渦流支持的直噴式燃燒過程。對于兩氣門汽油機(jī)而言，則大多選擇渦流支持的直噴式燃燒過程。大眾FSI汽油機(jī)所應(yīng)用的進(jìn)氣滾流是進(jìn)氣空氣通過進(jìn)氣道的導(dǎo)向而在汽缸中形成的繞垂直于汽缸中心線的軸線旋轉(zhuǎn)的充量運(yùn)動。

2.2 燃油系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)組成

低壓電動燃油泵、燃油濾清器、高壓燃油泵、燃油計量閥、蓄壓油管、燃油壓力傳感器、高壓噴油器等。如圖1、圖2所示。2.2.2 電動燃油泵

低壓燃油系統(tǒng)的壓力是由燃油箱中的電動燃油泵提供的，裝在燃油箱上部的燃油泵控制單元J538根據(jù)脈寬調(diào)制信號，控制電動燃油泵工作，使低壓燃油系統(tǒng)壓力維持在0.05～0.5MPa。在冷熱啟動時使低壓燃油系統(tǒng)的壓力達(dá)到0.65MPa左右，用以保證發(fā)動機(jī)的正常啟動及工作。

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成及工作過程

FSI燃油系統(tǒng)由低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，低壓系統(tǒng)的油壓為0.05～0.6 MPa，高壓系統(tǒng)的油壓隨發(fā)動機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的不同，在4～11 MPa變化。單活塞高壓油泵由凸輪軸驅(qū)動，產(chǎn)生高油壓。壓力限制閥用于保護(hù)工作在高壓下的零件，它在壓力高于12 MPa時打開泄壓，使高壓部分與低壓部分連通，當(dāng)壓力降低后立即關(guān)閉，這樣高壓系統(tǒng)中最高壓力總是不會超過12 MPa。燃油壓力傳感器G247檢測高壓系統(tǒng)中的燃油壓力，并反饋給ECM形成對油壓的閉環(huán)控制。燃油壓力調(diào)節(jié)器N290由電磁銜鐵控制針閥的開閉，針閥打開時泄壓，關(guān)閉時升壓，出于安全考慮，斷電時針閥打開，通電時針閥關(guān)閉，發(fā)動機(jī)控制單元ECM通過控制針閥開閉的時間比率來控制高壓系統(tǒng)的油壓。高壓汽油通過一個分流軌道（高壓共軌）到達(dá)電磁噴油器，然后通過電腦控制高壓噴油器將燃料在恰當(dāng)?shù)臅r間直接注入燃燒室，其控制的精確度接近毫秒。為了能在較短時間內(nèi)噴出大量的燃油，電腦控制高壓噴油器由90V的直流電壓控制。

2.4 點(diǎn)火系統(tǒng)

FSI發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)普遍采用分缸獨(dú)立高能點(diǎn)火系統(tǒng)，各缸的高能點(diǎn)火線圈直接與火花塞相連，這與現(xiàn)代先進(jìn)的進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)無異，但FSI發(fā)動機(jī)的火花塞具有更高的性能。

2.5 排放系統(tǒng)

由于環(huán)保的需要及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的要求，要求除對于如NOX、CO、HC這些有害氣體盡可能地減少外，盡量減少能形成溫室效應(yīng)的CO2和相應(yīng)的減少能源的浪費(fèi)已成為當(dāng)今發(fā)動機(jī)發(fā)展的方向。據(jù)試驗(yàn)，在空燃比等30的稀混合氣模式下發(fā)動機(jī)依然可以工作，因此采用FSI技術(shù)其節(jié)油效果最高可達(dá)20%。稀薄燃燒技術(shù)的一個障礙是NOX的凈化，這是因?yàn)樵诟谎醐h(huán)境中會產(chǎn)生大量NOX，為了解決此問題，F(xiàn)SI發(fā)動機(jī)配置了NOX存儲式催化凈化反應(yīng)器。從FSI發(fā)動機(jī)的排氣系統(tǒng)中可以看出，在靠近發(fā)動機(jī)一側(cè)安裝有常用的三元催化反應(yīng)器，反應(yīng)器的前后各有一個氧傳感器來監(jiān)控工作狀態(tài)。在NOX存儲式催化凈化反應(yīng)器前部的排氣溫度傳感器將測得的排氣溫度傳給發(fā)動機(jī)控制單元，發(fā)動機(jī)控制單元用此溫度計算NOX存儲式催化凈化反應(yīng)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℃～500℃才能存儲在NOX存儲式催化凈化反應(yīng)器內(nèi)。

（2）NOX存儲式催化凈化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和三元催化凈化器是一樣的，反應(yīng)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℃～500℃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。NOX存儲式催化凈化反應(yīng)器的存儲能力是有限的，其飽和度由NOX傳感器來通知發(fā)動機(jī)控制單元，發(fā)動機(jī)控制單元會采取一定的措施來對NOX存儲式催化凈化反應(yīng)器進(jìn)行還原。

3 FSI發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)的特點(diǎn)

3.1 噴射油束引導(dǎo)

噴射油束引導(dǎo)的燃燒過程由于噴油器和火花塞布置得非常緊湊，直接位于噴射油束的邊緣，混合汽向火花塞的輸送實(shí)際上僅依靠噴射油束的能量，在不同的發(fā)動機(jī)負(fù)荷即不同的噴油量時，獲取形成混合汽所需的空氣是通過調(diào)節(jié)噴射油束的物理參數(shù)—貫穿深度來實(shí)現(xiàn)的，而充量運(yùn)動和燃燒室的幾何形狀的影響較小。同時，由于火花塞與噴油器之間的間距較小，其燃燒過程可用于混合汽形成的時間非常短，使得只有非常少的混合汽能夠可靠地點(diǎn)燃，因而其分層燃燒的能力極為有限，而且混合氣的點(diǎn)燃是在一個過量空氣系數(shù)具有很大梯度的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，因而對于局部過量空氣系數(shù)的波動（例如因噴射油束的差異）反應(yīng)極其敏感，其燃燒過程強(qiáng)烈地依賴于噴射油束的形狀及其特性的誤差。另一方面，噴射油束對火花塞的直接撞擊，不僅會導(dǎo)致采用普通電極材料的火花塞壽命縮短，而且還出現(xiàn)了難以解決的火花塞易于積膠等方面的問題。此外，這種噴射油束引導(dǎo)的燃燒系統(tǒng)由于噴油器必須緊靠火花塞，至少在四氣門汽油機(jī)的情況下，還帶來一個附加的缺點(diǎn)，即會明顯地減小氣門尺寸。

3.2 壁面引導(dǎo)

對于壁面引導(dǎo)的燃燒過程，噴油器與火花塞彼此之間的間距較大，此時燃燒室壁面（由燃燒室凹坑的幾何形狀來調(diào)整）將噴射的燃油導(dǎo)向火花塞，同時進(jìn)氣道和燃燒室凹坑幾何形狀所產(chǎn)生的充量運(yùn)動（滾流或渦流）起到了輔助作用。在這種燃燒過程中，在著火之前有較長的混合汽準(zhǔn)備時間，因此能夠在較大的區(qū)域內(nèi)形成可點(diǎn)燃的空燃混合汽，從而使得壁面引導(dǎo)的燃燒過程對噴油的誤差并不敏感。

3.3 空氣氣流引導(dǎo)

空氣引導(dǎo)的燃燒過程主要是依靠充量運(yùn)動（滾流或渦流）將燃油中已準(zhǔn)備好的氣態(tài)部分從噴射油束輸往火花塞，并且還必須確保在噴射油束和充量運(yùn)動的共同作用下，在發(fā)動機(jī)負(fù)荷/轉(zhuǎn)速特性場的寬廣范圍內(nèi)，獲得足夠多的充量分層和混合汽均質(zhì)化。

大眾FSI分層稀燃直噴式汽油機(jī)為例，活塞頂面有兩個特殊造型的導(dǎo)向坑，確保在分層稀燃（FSI）燃燒過程中獲得所期望的燃油壁面導(dǎo)向和空氣氣流導(dǎo)向的組合效應(yīng)。借助于氣流導(dǎo)向坑的形狀特別是以其流出角所形成的氣流，使燃油噴束在撞到燃油導(dǎo)向坑背風(fēng)面之前首先受到制動。由于進(jìn)氣空氣滾流和噴油的這種相互作用，使噴出燃油中的一小部分在上止點(diǎn)前55°CA 就已形成了很好的混合汽。處在燃油導(dǎo)向坑背風(fēng)面的燃油到達(dá)坑的底部，并從那里轉(zhuǎn)向火花塞方向（上止點(diǎn)前49°CA）。這部分燃油從燃油導(dǎo)向坑離開以后，被氣流導(dǎo)向坑上方一直存在的空氣滾流擠向火花塞，使得到點(diǎn)火時刻在火花塞下方已準(zhǔn)備好了良好的空燃混合汽，以確保穩(wěn)定可靠地點(diǎn)燃（上止點(diǎn)前30°CA）。此外，由于滾流的強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速而增強(qiáng)，因此諸如噴油壓力和噴油定時等噴射參數(shù)必須作相應(yīng)的調(diào)整來適應(yīng)工況的變化，以保持空氣氣流、噴射油束和燃燒室?guī)缀涡螤钊咧g良好的配合。

4 缸內(nèi)直噴式與進(jìn)氣道噴射式汽油機(jī)的比較

電噴式汽油機(jī)按噴射位置可分為兩種形式：進(jìn)氣道噴射式和缸內(nèi)直噴式。兩者主要差別在于混合氣的制備過程不一樣。進(jìn)氣道噴射發(fā)動機(jī)（FTP）當(dāng)進(jìn)氣門關(guān)閉時將燃油噴在各缸進(jìn)氣閥的背面，進(jìn)氣沖程中油氣混合物進(jìn)入氣缸。在冷起動過程中，由于蒸發(fā)不完全，燃油會在進(jìn)氣道、進(jìn)氣閥背部表面形成油膜，實(shí)際噴入的燃油量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了按化學(xué)當(dāng)量比計算得到的噴油量，HC排放顯著增加，因此對進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)而言，在美國FTP排放測試中最初的90s內(nèi)經(jīng)常產(chǎn)生HC總量90%的情況。相反，缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)（FSI）避免了進(jìn)氣道濕壁現(xiàn)象的問題，為燃油的精確計量提供了方便，相應(yīng)地降低了冷起動過程中HC的排放量，提高了發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)速度，發(fā)動機(jī)基本上在第二個工作循環(huán)就能正常運(yùn)轉(zhuǎn)起來。

5 結(jié) 論

FSI發(fā)動機(jī)根據(jù)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的大小采用不同燃油噴射和燃燒方式。當(dāng)前節(jié)能環(huán)保的要求給FSI的發(fā)展提供了動力，借助于先進(jìn)的電子控制技術(shù)能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)燃油的供給，可根據(jù)需要改變噴油定時和噴油次數(shù)，能自由控制氣缸內(nèi)的混合狀態(tài)、燃燒室內(nèi)的燃油分布，使混合氣實(shí)現(xiàn)分層分布，完成稀薄燃燒，采用分層充氣或均質(zhì)充氣時結(jié)合渦輪增壓技術(shù)，通過提高空氣利用效率減小發(fā)動機(jī)的尺寸，可以進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性；FSI發(fā)動機(jī)分層稀燃區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)節(jié)油20%～25%，優(yōu)化FSI發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)采用新一代燃燒系統(tǒng)，擴(kuò)大分層稀燃范圍，可進(jìn)一步提高FSI發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性并同時大大地降低排放污染。隨著噴射技術(shù)和排氣后處理技術(shù)的進(jìn)步以及發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)的不斷完善，F(xiàn)SI發(fā)動機(jī)必將取代PFI發(fā)動機(jī)成為車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置。