浅析大众FSI发动机技术

王宗祥

[摘 要]文章重点介绍了大众FSI发动机的组成系统和工作原理，以及与进气管喷射发动机的不同点。

[关键词]FSI；发动机技术；工作原理

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

1 引 言

汽车使用低污染节能发动机一直是政府和专业人士的目标，世界各国也都在寻找高压缩比、稀燃和快速燃烧的方案。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。改善燃烧室内的火焰燃烧过程和采用新型的代用燃料或燃料添加剂则是解决以上问题的常用办法。大众汽车公司在受到柴油机燃油喷射，副燃烧室首先着火（作为火源），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。

2 FSI发动机系统组成

2.1 进气系统

大众FSI发动机的进气系统包括热膜空气质量流量计、电子节气门（EGAS）、进气管压力传感器、废气再循环（EGR）阀和进气滚流阀（或涡流阀）等。其中前四种部件与电控进气道喷射汽油机上相同，在此只重点论述缸内直喷式汽油机所应用的进气滚流阀和涡流阀。

大众FSI发动机采用进气滚流的进气空气流动。发动机的基本结构对于气体流动方案的选择起着决定性的作用。在四气门汽油机上，若气门夹角较大，则大多采用滚流支持的直喷式燃烧过程比较有利，而气门夹角较小时则采用涡流支持的直喷式燃烧过程。对于两气门汽油机而言，则大多选择涡流支持的直喷式燃烧过程。大众FSI汽油机所应用的进气滚流是进气空气通过进气道的导向而在汽缸中形成的绕垂直于汽缸中心线的轴线旋转的充量运动。

2.2 燃油系统

2.2.1 系统组成

低压电动燃油泵、燃油滤清器、高压燃油泵、燃油计量阀、蓄压油管、燃油压力传感器、高压喷油器等。如图1、图2所示。2.2.2 电动燃油泵

低压燃油系统的压力是由燃油箱中的电动燃油泵提供的，装在燃油箱上部的燃油泵控制单元J538根据脉宽调制信号，控制电动燃油泵工作，使低压燃油系统压力维持在0.05～0.5MPa。在冷热启动时使低压燃油系统的压力达到0.65MPa左右，用以保证发动机的正常启动及工作。

2.3 系统构成及工作过程

FSI燃油系统由低压系统和高压系统两部分构成，低压系统的油压为0.05～0.6 MPa，高压系统的油压随发动机负荷和转速的不同，在4～11 MPa变化。单活塞高压油泵由凸轮轴驱动，产生高油压。压力限制阀用于保护工作在高压下的零件，它在压力高于12 MPa时打开泄压，使高压部分与低压部分连通，当压力降低后立即关闭，这样高压系统中最高压力总是不会超过12 MPa。燃油压力传感器G247检测高压系统中的燃油压力，并反馈给ECM形成对油压的闭环控制。燃油压力调节器N290由电磁衔铁控制针阀的开闭，针阀打开时泄压，关闭时升压，出于安全考虑，断电时针阀打开，通电时针阀关闭，发动机控制单元ECM通过控制针阀开闭的时间比率来控制高压系统的油压。高压汽油通过一个分流轨道（高压共轨）到达电磁喷油器，然后通过电脑控制高压喷油器将燃料在恰当的时间直接注入燃烧室，其控制的精确度接近毫秒。为了能在较短时间内喷出大量的燃油，电脑控制高压喷油器由90V的直流电压控制。

2.4 点火系统

FSI发动机的点火系统普遍采用分缸独立高能点火系统，各缸的高能点火线圈直接与火花塞相连，这与现代先进的进气道喷射汽油机无异，但FSI发动机的火花塞具有更高的性能。

2.5 排放系统

由于环保的需要及实现可持续发展的要求，要求除对于如NOX、CO、HC这些有害气体尽可能地减少外，尽量减少能形成温室效应的CO2和相应的减少能源的浪费已成为当今发动机发展的方向。据试验，在空燃比等30的稀混合气模式下发动机依然可以工作，因此采用FSI技术其节油效果最高可达20%。稀薄燃烧技术的一个障碍是NOX的净化，这是因为在富氧环境中会产生大量NOX，为了解决此问题，FSI发动机配置了NOX存储式催化净化反应器。从FSI发动机的排气系统中可以看出，在靠近发动机一侧安装有常用的三元催化反应器，反应器的前后各有一个氧传感器来监控工作状态。在NOX存储式催化净化反应器前部的排气温度传感器将测得的排气温度传给发动机控制单元，发动机控制单元用此温度计算NOX存储式催化净化反应器的温度，并将此信息用于下面两种情况：

（1）在分层充气模式时混合气是比较稀的，并且NOX只有在250℃～500℃才能存储在NOX存储式催化净化反应器内。

（2）NOX存储式催化净化反应器的结构和三元催化净化器是一样的，反应器的涂层另外用氧化钡处理过，这就可使氮氧化物在温度为250℃～500℃时通过形成硝酸盐而存储起来。除了形成硝酸盐外，燃油中所含的硫也会存储起来。NOX存储式催化净化反应器的存储能力是有限的，其饱和度由NOX传感器来通知发动机控制单元，发动机控制单元会采取一定的措施来对NOX存储式催化净化反应器进行还原。

3 FSI发动机燃烧系统的特点

3.1 喷射油束引导

喷射油束引导的燃烧过程由于喷油器和火花塞布置得非常紧凑，直接位于喷射油束的边缘，混合汽向火花塞的输送实际上仅依靠喷射油束的能量，在不同的发动机负荷即不同的喷油量时，获取形成混合汽所需的空气是通过调节喷射油束的物理参数—贯穿深度来实现的，而充量运动和燃烧室的几何形状的影响较小。同时，由于火花塞与喷油器之间的间距较小，其燃烧过程可用于混合汽形成的时间非常短，使得只有非常少的混合汽能够可靠地点燃，因而其分层燃烧的能力极为有限，而且混合气的点燃是在一个过量空气系数具有很大梯度的范围内实现的，因而对于局部过量空气系数的波动（例如因喷射油束的差异）反应极其敏感，其燃烧过程强烈地依赖于喷射油束的形状及其特性的误差。另一方面，喷射油束对火花塞的直接撞击，不仅会导致采用普通电极材料的火花塞寿命缩短，而且还出现了难以解决的火花塞易于积胶等方面的问题。此外，这种喷射油束引导的燃烧系统由于喷油器必须紧靠火花塞，至少在四气门汽油机的情况下，还带来一个附加的缺点，即会明显地减小气门尺寸。

3.2 壁面引导

对于壁面引导的燃烧过程，喷油器与火花塞彼此之间的间距较大，此时燃烧室壁面（由燃烧室凹坑的几何形状来调整）将喷射的燃油导向火花塞，同时进气道和燃烧室凹坑几何形状所产生的充量运动（滚流或涡流）起到了辅助作用。在这种燃烧过程中，在着火之前有较长的混合汽准备时间，因此能够在较大的区域内形成可点燃的空燃混合汽，从而使得壁面引导的燃烧过程对喷油的误差并不敏感。

3.3 空气气流引导

空气引导的燃烧过程主要是依靠充量运动（滚流或涡流）将燃油中已准备好的气态部分从喷射油束输往火花塞，并且还必须确保在喷射油束和充量运动的共同作用下，在发动机负荷/转速特性场的宽广范围内，获得足够多的充量分层和混合汽均质化。

大众FSI分层稀燃直喷式汽油机为例，活塞顶面有两个特殊造型的导向坑，确保在分层稀燃（FSI）燃烧过程中获得所期望的燃油壁面导向和空气气流导向的组合效应。借助于气流导向坑的形状特别是以其流出角所形成的气流，使燃油喷束在撞到燃油导向坑背风面之前首先受到制动。由于进气空气滚流和喷油的这种相互作用，使喷出燃油中的一小部分在上止点前55°CA 就已形成了很好的混合汽。处在燃油导向坑背风面的燃油到达坑的底部，并从那里转向火花塞方向（上止点前49°CA）。这部分燃油从燃油导向坑离开以后，被气流导向坑上方一直存在的空气滚流挤向火花塞，使得到点火时刻在火花塞下方已准备好了良好的空燃混合汽，以确保稳定可靠地点燃（上止点前30°CA）。此外，由于滚流的强度随转速而增强，因此诸如喷油压力和喷油定时等喷射参数必须作相应的调整来适应工况的变化，以保持空气气流、喷射油束和燃烧室几何形状三者之间良好的配合。

4 缸内直喷式与进气道喷射式汽油机的比较

电喷式汽油机按喷射位置可分为两种形式：进气道喷射式和缸内直喷式。两者主要差别在于混合气的制备过程不一样。进气道喷射发动机（FTP）当进气门关闭时将燃油喷在各缸进气阀的背面，进气冲程中油气混合物进入气缸。在冷起动过程中，由于蒸发不完全，燃油会在进气道、进气阀背部表面形成油膜，实际喷入的燃油量远远超过了按化学当量比计算得到的喷油量，HC排放显著增加，因此对进气道喷射汽油机而言，在美国FTP排放测试中最初的90s内经常产生HC总量90%的情况。相反，缸内直喷式汽油机（FSI）避免了进气道湿壁现象的问题，为燃油的精确计量提供了方便，相应地降低了冷起动过程中HC的排放量，提高了发动机的瞬态响应速度，发动机基本上在第二个工作循环就能正常运转起来。

5 结 论

FSI发动机根据负荷和转速的大小采用不同燃油喷射和燃烧方式。当前节能环保的要求给FSI的发展提供了动力，借助于先进的电子控制技术能准确地调节燃油的供给，可根据需要改变喷油定时和喷油次数，能自由控制气缸内的混合状态、燃烧室内的燃油分布，使混合气实现分层分布，完成稀薄燃烧，采用分层充气或均质充气时结合涡轮增压技术，通过提高空气利用效率减小发动机的尺寸，可以进一步提高发动机经济性；FSI发动机分层稀燃区域可以实现节油20%～25%，优化FSI发动机燃烧技术采用新一代燃烧系统，扩大分层稀燃范围，可进一步提高FSI发动机的经济性并同时大大地降低排放污染。随着喷射技术和排气后处理技术的进步以及发动机管理系统的不断完善，FSI发动机必将取代PFI发动机成为车辆的标准配置。