畢業(yè)電大機械設(shè)計制造畢業(yè)論文76論文

PAGEPAGE3淺談FSI技術(shù)及其基本工作原理FSI是FuelStratifiedInjection的詞頭縮寫，意指燃油分層噴射，是直噴式汽油發(fā)動機領(lǐng)域的一項創(chuàng)新的革命性技術(shù)。奧迪采用的FSI燃油直噴技術(shù)在同等排量下實現(xiàn)了發(fā)動機動力性和燃油經(jīng)濟性的完美結(jié)合，是當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)動機技術(shù)中最為成熟、最先進的燃油直噴技術(shù)，并引領(lǐng)了汽油發(fā)動機的發(fā)展趨勢。1緒論近年來，為了解決車用發(fā)動機排放造成的環(huán)境污染問題和日益嚴(yán)峻的能源問題，世界各國開發(fā)了許多發(fā)動機新技術(shù)。如汽油缸內(nèi)直噴、自發(fā)點火、復(fù)合火花點火、渦輪增壓、可變壓縮比、可變排量、全電子控制氣門等技術(shù)，其中奧迪汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)無論在節(jié)能還是在降低排放效果方面均十分明顯，已成為車用汽油機一個十分重要的發(fā)展方向。1.1

國內(nèi)外汽油缸內(nèi)直噴發(fā)動機研究發(fā)展?fàn)顩r按噴射方式的不同，汽油直噴發(fā)動機的發(fā)展經(jīng)過了三代。第一代稱為壁面引導(dǎo)（Wall-guided）直噴型，利用缸內(nèi)空氣流動使油氣混合物成層，實現(xiàn)了稀薄燃燒；第二代稱為按化學(xué)計量混合直噴型，以理論混合比混合燃料和空氣。而奧迪轎車FSI新發(fā)動機采用第三代直噴技術(shù)，只需將燃料噴射成霧狀，借助空氣運動以及活塞頂面特殊的凹陷形狀，便可局部形成燃料較濃的區(qū)域，通過在這一區(qū)域附近設(shè)置點火火花塞來實現(xiàn)分層燃燒（稀薄燃燒）。汽油缸內(nèi)直接噴射燃燒是汽車發(fā)動機的一項新技術(shù)。它的基礎(chǔ)技術(shù)借鑒于柴油機的燃油噴射技術(shù)，于20世紀(jì)30年代開始研制開發(fā)。但受當(dāng)時內(nèi)燃機技術(shù)水平和自動控制技術(shù)水平的限制，開發(fā)的發(fā)動機性能并不理想，長期以來進展緩慢，沒有得到實際的應(yīng)用。隨著電子控制技術(shù)的進步，各國加大了對汽油機直噴技術(shù)的研究。三菱公司與大眾公司相繼推出了批量生產(chǎn)的新機型，歐美一些著名研究機構(gòu)與生產(chǎn)企業(yè)如AVL、FEV、Bosch等也公布了各自的研究成果。這些對汽油機直噴技術(shù)研究成果基本包括：①可以實現(xiàn)分層稀燃，使汽油機壓縮比提高至12～14。②部分負(fù)荷時采用像柴油機那樣的質(zhì)調(diào)節(jié)(無節(jié)氣門的節(jié)流損失)，可大幅度提高指示效率，達到節(jié)能15%～20%的目標(biāo)，即達到直噴式柴油機的燃油經(jīng)濟性水平。③冷起動時無須加濃，降低未燃碳?xì)?。④因進氣充量溫度較低，所以具有較高的充氣效率和抗爆震特性。⑤因汽油直接噴入缸內(nèi)，即使在低溫下也具有良好的加速響應(yīng)性和優(yōu)異的瞬態(tài)驅(qū)動特性。1.2FSI技術(shù)概念FSI是FuelStratifiedInjection的縮寫。意指燃油分層噴射，是直噴式汽油發(fā)動機領(lǐng)域的一項創(chuàng)新的革命性技術(shù)。FSI技術(shù)是指改變傳統(tǒng)的汽油機在進氣管中將燃油與空氣混合的燃油供給系統(tǒng)的供油方式，而采用像柴油機一樣的，通過噴油器直接將汽油向氣缸內(nèi)噴射的供油方式。1.3FSI特點FSI發(fā)動機按照發(fā)動機負(fù)荷工況，基本上可以自動選擇2種運行模式。在低負(fù)荷時為分層稀薄燃燒，在高負(fù)荷時則為均質(zhì)理論空燃比（14.6-14.7）燃燒。在這兩種運行模式中，燃料的噴射時間有所不同，真空作動的開關(guān)閥進行開啟/關(guān)閉。在高負(fù)荷中所進行的均質(zhì)理論空燃比燃燒中，燃油則是在進氣沖程中噴射。理論空燃比的均質(zhì)混合氣易于燃燒，不必借助渦流作用，因此，由于進氣阻力減少，開關(guān)閥打開。而在全負(fù)荷以外，進行廢氣再循環(huán)，限制泵吸損失，由于直噴化而使壓縮比提高到12.1，即使在均質(zhì)理論空燃燒比混合氣燃燒中，仍能降低燃油耗。進一步說，在FSI發(fā)動機中，在低負(fù)荷與高負(fù)荷之間，作為第三運行模式而設(shè)定均質(zhì)稀薄燃燒，在這種運行模式中，燃油在進氣沖程噴射，并且由于產(chǎn)生加速稀薄混合氣燃燒的縱渦流，開關(guān)閥被關(guān)閉。這時，阻礙燃燒的廢氣再循環(huán)（EGR）暫不進行。與均質(zhì)理論空燃比燃燒不同的是，吸入空氣量超過燃油的噴射量。如上所述，根據(jù)FSI發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)，在分層稀薄燃燒到均質(zhì)理論空燃比燃燒過程中，空燃比連續(xù)變化。因此，三效催化轉(zhuǎn)化器不能夠凈化排放氣體中的NOx。這是因為三效催化轉(zhuǎn)化器要利用排氣中的HC或CO進行NOx還原反應(yīng)的緣故。在稀薄燃燒中，在排放氣體中殘留很多氧氣，不能進行NOx還原反應(yīng)。為了使NOx吸儲型催化劑獲得高效功能，其溫度必須保持在250-500℃低壓調(diào)節(jié)器的通路，使其輸油壓力升高到大約6bar。由于初級輸油壓力升高，使高壓泵吸油腔中的燃油蒸汽凝結(jié)，從而保證發(fā)動機可靠起動。電控單元根據(jù)發(fā)動機溫度和由進氣空氣質(zhì)量流量計所測的環(huán)境溫度來控制單向閥。燃油分配管(共軌)中的燃油壓力由壓力控制閥根據(jù)壓力傳感器的信號，隨發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況的變化，在50～100bar范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。燃油分配管經(jīng)過較短的高壓油管將燃油輸送給噴油器。從壓力控制閥流出的燃油在低壓下返回油箱。油箱中的燃油蒸汽經(jīng)過油箱通風(fēng)管儲存在活性炭罐中，并由發(fā)動機控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)將其輸往發(fā)動機氣缸內(nèi)燃燒掉。2.2.2

燃油供給系統(tǒng)的技術(shù)特點燃油供給系統(tǒng)的設(shè)計具有如下技術(shù)特點：l、電動燃油泵的功率消耗低，因此可節(jié)省燃油；2、燃油吸熱率非常低（僅壓縮當(dāng)前所需燃油）；3、電動燃油泵的使用壽命長；4、降低了噪聲，尤其是在怠速時；5、可以對低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)的減震器進行自診斷(通過低壓傳感器)。2.2.3

預(yù)供油壓力工況在發(fā)動機起動前,電動燃油泵需要提前向發(fā)動機提供燃油，即預(yù)供油。燃油泵預(yù)供油是為高壓油泵正常工作提供必要的燃油壓力。在下述工況時，預(yù)供油壓力必須提高到200kPa。1、發(fā)動機停機時(電動燃油泵繼續(xù)運行)；2、發(fā)動機起動前(電動燃油泵預(yù)運行)，當(dāng)點火開關(guān)接通或駕駛員車門接觸開關(guān)接通；3、在發(fā)動機起動過程中以及發(fā)動機起動后的5s之內(nèi)；4、在熱起動以及熱機運行時，時間取決于溫度(t<5s)，以防止產(chǎn)生氣阻。2.2.4

高壓系統(tǒng)組成及高壓噴油泵機構(gòu)原理高壓系統(tǒng)組成部件包括：高壓燃油分配管；高壓噴油泵；高壓油路；高壓噴油閥。高壓噴油泵由Hitachi公司制造，由兩列氣缸進氣凸輪端的三角凸輪驅(qū)動，可產(chǎn)生30～120bar的燃油壓力，壓力由油量調(diào)節(jié)閥N290根據(jù)標(biāo)定值進行調(diào)節(jié)，燃油壓力傳感器監(jiān)控燃油壓力。單活塞高壓泵沒有泄油管，將燃油送回到供油端。該泵內(nèi)集成有燃油低壓傳感器G410。該系統(tǒng)是一個根據(jù)需要來進行調(diào)節(jié)的高壓泵。也就是說，該高壓泵只將發(fā)動機控制單元內(nèi)存儲的特性曲線所規(guī)定的燃油量送入高壓油軌。與連續(xù)供油的高壓泵相比，該系統(tǒng)的優(yōu)點是消耗的驅(qū)動功率降低了，且只是輸送實際需要的燃油量。單活塞高壓泵工作時，在進油沖程，凸輪的形狀和活塞彈簧力使得泵活塞向下運動。泵內(nèi)的空間加大，燃油流入，流量控制閥將低壓閥保持在打開位置，油量控制閥被切斷電流。在有效沖程凸輪使得高壓泵活塞向上運動，這時還無法建立起壓力，因為油量控制閥還處于無電狀態(tài)。這可以防止低壓油閥關(guān)閉；在壓縮沖程，發(fā)動機控制單元這時會接通油量控制閥的電源，磁鐵被吸緊。泵內(nèi)壓力將低壓進油閥壓入其座內(nèi)。如果泵內(nèi)壓力超過油軌內(nèi)的壓力，那么單向閥就會被推開，燃油就會進入油軌。高壓噴油器是由Hitachi公司制造的，是直噴式汽油機燃油系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。高壓噴油器的噴束形狀、開啟和關(guān)閉特性以及霧化品質(zhì)等對分層充氣運轉(zhuǎn)時的燃燒穩(wěn)定性以及發(fā)動機的排放和燃油消耗著決定性的作用。它的任務(wù)就是在精確的時刻將精確的燃油量噴入燃燒室。噴油器的控制由發(fā)動機控制單元來完成，工作電壓約為65V。噴射出的燃油量由閥開啟時間和燃油壓力來決定。噴油器噴孔的布置能使噴出的油霧分布在火花塞周圍，保證噴出的油霧能形成良好的混合氣，噴油器的觸發(fā)與點火脈沖同步。為了避免產(chǎn)生氣阻，油路中有燃油不斷地沖刷噴油器，發(fā)動機的噴油采用順序噴射方式，即在每個汽缸的壓縮形成中噴油。2.3

排氣系統(tǒng)新車的排氣歧管是個鑄造件，為了防止出現(xiàn)熱應(yīng)力。排氣歧管與缸蓋的連接被分成單個法蘭。廢氣的匯流是從3缸到2缸再到1缸的，不是四葉式的，可以完全消除排氣干涉現(xiàn)象。氧傳感器安裝在三個氣缸上氣流流動的最佳位置，這樣就可以完成對各個氣缸的入調(diào)節(jié)，發(fā)動機控制系統(tǒng)就可以更好地控制每個氣缸的混合氣質(zhì)量。2.4

機油供給系統(tǒng)機油供給系統(tǒng)示意圖所示。該系統(tǒng)適用于SAEOW30機油的強制機油循環(huán)系統(tǒng)，在潔凈機油一側(cè)控制機油壓力。帶有冷啟動閥的雙中心機油泵，用于對機油冷卻器和機油濾清器的過載保護。凸輪軸調(diào)節(jié)電機和缸蓋一側(cè)鏈條總成的機油供給與缸蓋的機油供給是分開的．這樣就可以對缸蓋內(nèi)的機油進行節(jié)流。機油供給系統(tǒng)使用了新型的機油濾清器總成，這樣就可更快、更方便地更換濾清器。3

奧迪FSI新技術(shù)的技術(shù)效果證明直噴發(fā)動機潛力的是在2001年7月的勒芒24小時耐力賽上獲勝的奧迪R8，匹配了帶雙增壓的V8FSI直噴發(fā)動機。出色的表現(xiàn)使它領(lǐng)先一圈，良好的燃油經(jīng)濟性使它延長了加油的間隔，有力證明了直噴不僅動力表現(xiàn)出色，燃油還節(jié)省了8%。奧迪第一款作為量產(chǎn)車匹配直噴發(fā)動機的車型是2002年3月在日內(nèi)瓦車展展出的A21.6FSI。接下來是奧迪A4，匹配了110kW2.0LFSI發(fā)動機。有別于96kW的A4，使用了單柱塞高壓油泵，4氣門替代了5氣門，顯然是為了在燃燒室安裝汽油噴嘴以節(jié)省地方。A42.0FSI最大扭矩200Nm出現(xiàn)在3250～4250r/min，0～100km/h的加速時間是9.6s，最高時速218km/h。每百公里綜合油耗7.1L。奧迪A5所采用的最頂級發(fā)動機是新款3.2升FSI燃油直噴式發(fā)動機，采用此項技術(shù)的效果是很明顯的，不僅發(fā)動機的效率得到了提高，動力得到增強，與此同時還大大降低了油耗。奧迪A53.2FSI的最大功率達到195KW，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3000-5000rpm之間保持330Nm的強大扭矩輸出，如此強勁的動力使A5在任何時候都能隨心所欲地加速。采用6速手動變速器的奧迪A53.2FSIquattro從靜止加速到100公里/小時只要6.1秒，而最高時速被限制在250公里/小時，盡管有如此驚人的性能表現(xiàn)，其百公里油耗卻只有8.7L[15]。以A5為底子的S5是奧迪的高性能轎跑車。動力是它最大的亮點，裝配著一臺V8FSI發(fā)動機，最大功率達260KW，在轉(zhuǎn)速為3500rpm時扭矩就可達到最大的440Nm.從靜止加速到100公里/小時僅需5.1秒。奧迪A5全新高科技四缸發(fā)動機也無愧于奧迪全球領(lǐng)先發(fā)動機的名譽。功率達125千瓦(170馬力)的1.8升TFSI發(fā)動機將于2007年秋面市。它結(jié)合了渦輪增壓技術(shù)和燃油直噴技術(shù)，動力十足。與TDI發(fā)動機一樣，奧迪完善了其渦輪增壓單元的工程和工藝，將汽油發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性和動力性能提升到一個新的高度。4結(jié)束語FSI發(fā)動機在提供更大的輸出功率和扭矩的同時，進一步提高了發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性并降低排放。與相同排量的傳統(tǒng)發(fā)動機相比，F(xiàn)SI發(fā)動機燃油消耗量有明顯的降低，在能源日趨緊缺的今天更加凸現(xiàn)其優(yōu)勢。幾年來的應(yīng)用證明，在同等排量下，F(xiàn)SI比傳統(tǒng)的MFI（多點燃油進氣歧管噴射）動力性顯著提高、輸出更高的功率和扭矩、燃油消耗可降低15%，從而實現(xiàn)了發(fā)動機動力性和燃油經(jīng)濟性的完美結(jié)合，是當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)動機技術(shù)中最為成熟、最先進的燃油直噴技術(shù)，并引領(lǐng)并延伸了汽油發(fā)