FSI密码

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导读:FSI密码

与那些把汽油喷入进气歧管的发动机相比,FSI发动机的主要优势有:动态响应好、功率和扭矩可以同时提升、燃油消耗降低。


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。


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很窄的范围内。


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。


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。


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。


FSI发动机产生的效果可以从奥迪公司公布的发动机指标看出来。以3.2升FSI和4.2升FSI为例,对比的机型分别是以前的3.0升和4.2升汽油机。功率上,3.2升FSI发动机是257马力,比原机型的218马力提升了39马力,4.2升FSI发动机的350马力比原机型的335马力提升了15马力;在最大扭矩上,是3.2升FSI的330牛米对原机型的290牛米,4.2升FSI的440对原机型的420牛米。


最后,让我们看一看装3.2升FSI发动机的07年型奥迪A6L在测试场的表现吧。0-100公里/小时加速时间7.5秒,0-400米加速时间15.5秒,仅用27.9秒就加速到200公里/小时。




技术访谈:


奥迪汽车发动机研发部


Ralph Worvet博士


奥迪现在的FSI发动机采用4气门结构,并不是说奥迪以前使用的5气门发动机在发展方向上有问题。发动机气门越多,进气效率越高,发动机功率也越大。FSI发动机由于采用缸内直喷,喷油嘴在进气门一侧,直接挤占了气门空间,所以现阶段FSI发动机都采用4气门结构,但从发展的眼光看,多气门是一种发展趋势。


FSI发动机现阶段的主要优势体现在可以采用更高的压缩比和提高残油再利用率。高压缩比可以使动力上升、油耗降低,以前提高压缩比的最大障碍是爆震,但直喷发动机通过更精细的控制解决了部分难题。燃烧不完全也是相当困扰研究人员的一件事,传统发动机只能把残余燃料排出机外,既造成了浪费也造成了污染,而FSI发动机利用进气涡旋和进排气正时控制使部分残油得到了合理利用。


FSI发动机相对于传统机型省油没有任何疑义,它将来也还有更大的发展空间。现在研发人员还在努力工作,主要集中在优化喷油嘴、优化活塞冠、优化燃烧以及优化进气口形状等方面下工夫。如对喷油嘴的改进,不但要使喷射形状更好、雾化更好,还要尽量减小油滴。


FSI发动机发展势头很好,在德国,一半的奥迪汽油车采用FSI发动机,相信这一趋势在其它地区也会重演。目前装在国产奥迪车上的FSI与德国车上装载的完全一样,标称功率和扭矩也是相同的。虽然,两国的油品质量有一定差距,但功率标定采用的标准用油基本差不多。


油品质量对FSI发动机的运转还是有比较大的影响,因此,在正式装车之前,需要针对中国的油品状况做软件方面的调整。从实践中看,中国大城市的油品质量比较有保证,其它地区相对差一些。与欧洲汽油相比,国内汽油主要在含硫量和蒸发压力值上存在较大差异。其中,含硫量高影响催化转换器的效率,进而影响排放效果。而蒸发压力低主要对汽油雾化不利,影响燃烧的充分性。


FSI是Fuel Stratified Injection的缩写,注定了分层燃烧是其主要技术基础,实际上也确实有采用分层燃烧技术的机型。但多年实践证明,分层燃烧还没有达到理论上的效果,同时也显现出一些负面效应。如分层燃烧造成燃烧室温度高,易于产生氮氧化合物,需要增加排气后处理装置,既占用空间又增加花费。所以,目前全世界的FSI发动机都采用均质燃烧,在今后有望与涡轮增压技术更紧密的结合。


当今许多竞争对手使用发动机变排量技术来协调高动力和低油耗的矛盾,奥迪不会这么做,原因是用户调查结果不倾向于这样。一般情况下,只有8缸和12缸这样的大排量发动机采用变排量技术才比较有意义,而根据奥迪公司的调查,这样的用户群体大多数倾向于所有气缸永远工作,甚至排气声浪也要显出气势。变排量技术其实不难,只要在程序中控制不喷油就可以做到。更先进机型除了控制喷油外,还要关闭进气门,以防止空气流动和热力损失。



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