大众FSI发动机详细介绍

youligang1985

德国大众的FSI发动机
德国大众FSI发动机是因为能够实现杰出的燃油经济性而声明大造的。FSI发动的历史其实也不算很长：

1989年，大众 集团开始在柴油发动机制造领域发展TDI，最先用在公交车的增压柴油机上；

1993年开始装配大众集团在欧洲最成功的车型高尔夫。他们利用电子控制系统把相似的原理用在汽油机上也就造就了今天的FSI发动机。

而德国人真正开始使用FSI发动机的车型是2000年的Lupo，1.4L 发动机可以输出77kW， 平均油耗只在五升以下虽然这款车并没有成为大众的畅销车型，但是它的FSI发动机引擎却为大众在后续新车的省油技术上得到了很好的延续。于是有一款 63kW的1.4L 的FSI发动机用在了德国非常受欢迎的车型——波罗身上，另外在奥迪的A2、A3、A4甚至在TT上也有应用。

FSI 是Fuel Stratified Injection 的词头缩写，意指燃油分层喷射。燃油分层喷射技术是发动机稀燃技术的一种。什么叫稀燃？顾名思义就是发动机混合气中的汽油含量低，汽油与空气之比可达1：25以上。

大 众FSI发动机利用一个高压泵，使汽油通过一个分流轨道（共轨）到达电磁控制的高压喷射气门。它的特点是在进气道中已经产生可变涡流，使进气流形成最佳的 涡流形态进入燃烧室内，以分层填充的方式推动，使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。如果稀燃技术的混合比达到25：1以上，按照常规是无法点燃 的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12：1左右，外层逐渐稀薄。浓混合气点燃 后，燃烧迅速波及外层。

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。

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（这就是为什么带FSI发动机的车型高速行驶比在城市内行驶要省油的原因了）。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。

当然，FSI发动机能够达到充分的燃烧效率，实现惊人的省油功能，但也不是没有缺陷的，FSI发动机由于喷射器的加入导致了对设计 和制造的要求都相当的高，如果布置不合理、制造精度达不到要求导致刚度不足甚至漏气，那样的话只能是得不偿失，所以对运用的技术要求非常高。另外FSI发 动机对燃油品质的要求也比较高，目前国内的油品状况可能很难达到FSI发动机的要求，所以部分装配了FSI的车型也会 出现了水土不服的情况。


FSI是Fuel Stratified Injection的英文缩写，意指燃油分层喷射。燃油分层喷射技术是电喷发动机利用电子芯片经过计算分析精确控制喷射量进入气缸燃烧，以提高使发动机混和燃油比例，进而提高发动机效率的一种技术。

　　与传统技术把燃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。
FSI与传统汽油发动机的区别
传统的汽油发动机是通过电脑采集凸轮轴位置以及发动机各相关数据从而控制喷油嘴将汽油喷入进气歧管。汽油在歧管内开始混合，然后再进入到汽缸中燃烧。空气跟汽油的最佳混合比是14.7/1（也叫理论空燃比），传统发动机由于汽油跟空气是在进气歧管内混合，所以必须达到理论空燃比才能获得较好的动力性和经济性。但由于喷油嘴离燃烧室有一定的距离，汽油同空气的混合情况受进气气流和气门开关的影响较大，并且微小的油颗粒会吸附在管道壁上，这就的理论空燃比很难达到，这是传统发动机很难解决的一个技术问题。

　　把燃油直接  FSI发动机示意图喷射到汽缸中就可以解决这一难题。直喷式汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技术，通过一个高压油泵泵提供所需的100bar以上的压力，将汽油提供给位于汽缸内的电磁燃油喷嘴。然后通过电脑控制喷射器将燃料在最恰当的时间直接注入燃烧室，通过对燃烧室内部形状的设计，让混合气能产生较强的涡流使空气和汽油充分混合。然后使火花塞周围区域能有较浓的混合气，其他周边区域有较稀的混合气，保证了在顺利点火的情况下尽可能的实现稀薄燃烧。

　　如右图所示，高压喷油嘴是直接向气缸内喷射燃油的。而传统发动机的喷油嘴则安排在了进气道中。这就是缸内直喷的最明显特征。
FSI发动机效果
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。
FSI技术的发展——TFSI、TSI
FSI是给发动机的喷射方式带来了革命，它让一款普通发动机的各种性能都得到了提升，而FSI再往上发展就变得更加容易了。 TFSI是在FSI基础上加入了涡轮增压技术;而TSI技术与FSI并没有什么相关性。

　　
TFSI
TFSI（涡轮增压燃油分层喷射发动机），这个比FSI多出来的T字代表的则是涡轮增压（Turbocharger），而发动机本身也的确是在FSI发动机的基础上增加了一个涡轮增压器。涡轮增压是利用排气的高温高压推动废气涡轮高速转动，在带动进气涡轮压缩进气，提高空气密度，同时电脑控制增大喷油量，配合高密度的进气，因此可以在排量不变的条件下提高发动机工作效率。

　　由于涡轮增压器是靠排气推动的，因此在发动机转速低时涡轮并不工作。但在这个时候涡轮还是转动的，只是排气压力不够，达不到增大进气压力的效果。随着转速的上升（约1500转或以上），排气压力逐渐加大涡轮就进入了正常的工作状态，达到增压的目的和效果。

　　但是，当转速接近额定的时候（约5000转或以上），发动机本身的内压超过了排气压力，这时的涡轮同样是不工作的。实际上发动机的一般工作区间正在1500－5000内，所以涡轮增压以它优越的经济性和动力性得到了众多用户的认可。不过怎么说还是有点缺陷，这两个区间的动力缺失如何解决呢，高转速我们可以换个大点的涡轮，可是低转速的动力空挡也会同时加大。很自然的一款无可挑剔的发动机应运而生，TSI把所有问题解决的更巧妙更能打动人心。

　　
TSI
TSI（涡轮机械增压发动机）的设计非常巧妙，它实际上是把一个涡轮增压器(Turbocharger)和机械增压器(Supercharger)一起装到一台发动机里面。上文我们讲到涡轮增压发动机在较低和较高转速时都有一个动力的空挡，为了进一步提高发动机的效率，增加一个机械增压装置，并让它在低转速时加大进气压力。而涡轮增压器的尺寸可以再大一些，去弥补高转速时的动力空挡，从而达到一个从低到高转速的全段优异动力表现。

　　另外，涡轮增压器由于废气涡轮的惯性，会有发动机相应的迟滞现象。而机械增压器则是由发动机转轴直接带动，能够随着发动机转速变化而迅速且线性地改变转速。2005年，大众1.4升直喷汽油发动机首先搭载了这套系统，它的最大功率达到了惊人的170马力。（国产1.8T发动机的最大功率也才150马力）。

　　需要注意的是，国产迈腾、速腾等车型最新的TSI发动机实际上跟前面说到的TSI并不是一回事，迈腾1.8TSI和即将搭载在速腾身上的1.4TSI发动机实际上就是TFSI发动机，它里面并没有机械增压器。原因众说纷纭，有人说是国内的油品不达标，才导致许多技术都不能顺利国产。
技术详解——FSI发动机燃烧模式
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。

　　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
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
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。

　　
小结
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。

老车友

理论学习。

wikisha

最后一段解决了我的疑问~

Aporia

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