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MAINTENANCE TECHNOLOGY

缸内直喷技术

缸内直喷技术

 

缸内直喷技术,是指将喷油嘴设置在进排气门之间,高压燃油直接注入燃烧室平顺高效地燃烧,缸内直喷所宣扬的是通过均匀燃烧和分层燃烧实现了高负荷、尤其是低负荷下的燃油消耗降低,动力还有很大提升的一种技术。

缸内直喷又称FSI(Fuel Stratified Injection),即燃料分层喷射技术,代表着传统汽油引擎的一个发展方向。传统的汽油发动机是通过电脑采集凸轮位置以及发动机各相关工况从而控制喷油嘴将汽油喷入进气歧管。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,所以希望喷油嘴能够直接将燃油喷入汽缸。在近来各汽车厂商采用的发动机科技中,最炙手可热的技术非缸内直喷莫属。这套由柴油发动机衍生而来的科技目前已经大量使用在包含大众(含奥迪)、宝马、梅赛德斯-奔驰、通用以及丰田车系上。 [1]

各厂商缸内直喷技术英文缩写:大众:TSI、奥迪:TFSI、梅赛德斯-奔驰:CGI、宝马:GDI、通用:SIDI、福特:GDI、比亚迪:TI。

 

工作原理

这一技术是用来改善传统汽油发动机供油方式的不足而研制的缸内直

接喷射技术,先进的直喷式汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技术,通过一个活塞泵提供所需的100bar以上的压力,将汽油提供给位于汽缸内的电磁喷射器。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,其控制的精确度接近毫秒,其关键是考虑喷射器的安装,必须在汽缸上部留给其一定的空间。由于汽缸顶部已经布置了火花塞和多个气门,已经相当紧凑,所以将其布置在靠近进气门侧。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只能得不偿失。另外FSI引擎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引擎的要求,所以部分装配了FSI的进口高尔夫出现了发动机的水土不服。

此外,FSI技术采用了两种不同的注油模式,即分层注油和均匀注油模式。

发动机低速或中速运转时采用分层注油模式。此时节气门为半开状态,空气由进气管进入汽缸撞在活塞顶部,由于活塞顶部制作成特殊的形状从而在火花塞附近形成期望中的涡流。当压缩过程接近尾声时,少量的燃油由喷射器喷出,形成可燃气体。这种分层注油方式可充分提高发动机的经济性,因为在转速较低、负荷较小时,除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外,燃烧室的其它地方只需空气含量较高的混合气即可,而FSI使其与理想状态非常接近。当节气门完全开启,发动机高速运转时,大量空气高速进入汽缸形成较强涡流并与汽油均匀混合。从而促进燃油充分燃烧,提高发动机的动力输出。电脑不断的根据发动机的工作状况改变注油模式,始终保持最适宜的供油方式。燃油的充分利用不仅提高了燃油的利用效率和发动机的输出而且改善了排放。

实际应用

缸内直喷技术在VAG集团中被广泛运用,由Audi RS4和R8共享的4.2升FSI发动机即是其中性能强悍的代表作。其中大众集团可以算是导入缸内直喷科技最具代表性的例子,目前包含Audi和VW都已将名为FSI(奥迪品牌)或TSI(大众、斯柯达品牌)的缸内直喷发动机列为旗下车款的高阶动力来源,而且在Audi和VW车系的顶级车上,甚至更以FSI结合上涡轮增压以增大动力。

供油系统采用缸内直喷设计的最大优势,就在于燃油是以极高压力直接注入于燃烧室中,因此除了喷油嘴的构造和位置都异于传统供油系统,在油气的雾化和混合效率上也更为优异。加上近来车上各项电子系统的控制技术大幅进步,计算机对于进气量与喷油时机的判读与控制也愈加精准,因此在搭配上缸内直喷技术以使得发动机的燃烧效率大幅提升下,除了发动机得以产生更大动力,对于环保和节能也都有正面的帮助。采用缸内直喷的发动机除了材质上的讲究,就连活塞、燃烧室也都经过特别设计。但是缸内直喷科技也并非无敌,因为从经济层面来看,采用缸内直喷的供油系统除了在研发过程必须花费更大成本,在部品构成复杂且精密的情况下,零组件的价格也比起传统供油系统来得昂贵,因此这些也都是未来缸内直喷发动机尚待克服的要素。

    技术特性

现代汽车所使用的引擎,都属于内燃机引擎一类,将燃料与新鲜空气 CGI发动机已经被应用于新款奔驰E200

导入引擎的汽缸后压缩,再以火星压跳火引爆压缩的油气,以利爆炸的力量推动活塞,透过曲轴产生旋转的机械能,藉以推动车辆。在这样的过程之中,如何能让燃油与空气之间获得最佳的混合效果与燃烧效果,将决定引擎输出效能的高低。

现行被称为喷射引擎,是由(Fuel Injection)直译而来,正确的说法应是燃料喷射引擎。而燃料喷射的位置在进气歧管当中,利用喷嘴产生雾化的油气,与进气系统的新鲜空气进行均匀的混合后导入引擎。

而现行车辆所使用的歧管喷射系统,则是在1980年代所开始导入的主动式供油技术,以取代了原本机械式的化油器被动供油系统。歧管喷射系统的供油喷嘴安装在进气歧管,在引擎的进气行程时喷射注入燃油,利用喷嘴产生雾化的油气,与进气系统的新鲜空气进行均匀的混合后导入引擎,做为引擎运作的燃料。

    技术发展

在电子控制技术不断的演进之下,引擎控制系统得以透过绵密的感知器网路,随时监控引擎运作的状况,即时调整供油量,使得新鲜空气与燃料的比例,能保持在最佳的14.7:1之下,让所提供的燃油都能达成最佳的燃烧效果。 一如我们之间所提到的,空气与燃油的比例若能够保持在14.6:1的比例之下,将能获得理论上最为完美的燃烧效果,自然亦能输出最大的动力。但这样的设定,亦代表著,燃油的使用有著一定的物理极限,将无法进一步降低。面对著人口越来越多、石油越来越少的状况,歧管喷射系统遇到了瓶颈,即便电脑控制的精度越来越高、喷油嘴的雾化效果越来越好、甚至将每一汽缸的喷油独立。但种种更为精密的控制,仍无法满足新时代的要求。全球的科学家与工程师无不绞尽脑汁,希望能想出更为节省能源的方式,希望能让同样的燃油,可以输出更大的动力、行驶更远的里程。而稀薄燃烧以及缸内燃油直喷的技术就在这样的情形之下被提了出来。

为了达成节省能源的目标,科学家将空气与燃油的比例大幅下降,发展出不同于传统的歧管直喷技术,这便是稀薄燃烧技术。

稀薄燃烧技术的原理:使用稀薄燃烧技术的引擎,喷油嘴的位置不再位于进气歧管当中,而是置于气缸内,将燃油直接喷注于燃烧室。

稀薄燃烧技术的要素

汽车汽油发动机实现稀燃的关键技术归纳起来有以下三个主要方面:

一,提高压缩比。 采用紧凑型燃烧室,通过进气口位置改进使缸内形成较强的空气运动旋流,提高气流速度;将火花塞置于燃烧室中央,缩短点火距离;提高压缩比至13:1左右,促使燃烧速度加快。

二,分层燃烧。 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。 为了提高燃烧的稳定性,降低氮氧化物(NOx),现在采用燃油喷射定时与分段喷射技术,即将喷油分成两个阶段,进气初期喷油,燃油首先进入缸内下部随后在缸内均匀分布,进气后期喷油,浓混合气在缸内上部聚集在火花塞四周被点燃,实现分层燃烧。

三,高能点火。 高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成,火焰传播距离缩短,燃烧速度增快,稀燃极限大。有些稀燃发动机采用双火花塞或者多极火花塞装置来达到上述目的。

    使用稀薄燃烧的引擎,在进气行程中并不进行供油,而是在压缩行程后段才进行供油,利用高压的供油泵以及特殊的喷油嘴设计,将油气有效地集中在火星塞附近,让燃油一口气地点烧,达成最佳的燃烧效果,而空气与燃油的比例,最多可以降低至40:1以下,大幅降低了引擎运转的油耗。而为了让燃油能够精确地集由在火星塞的附近,使用稀薄燃烧技术的引擎,便需要导入缸内燃油直喷技术,以便在压缩行程进行供油,并配合特殊的活塞造型,以达成油气导引的目的。

然而,使用稀薄燃烧的技术,虽然能在燃油使用上有大幅度的节省,但是在需要大动力输出的状况之下,则并无法有效的满足。同时大量的燃油集由在火星塞附近点燃,将造成局部温度过高,使得同样导入汽缸内的氮气与氧气发生作用,产生过多的氮氧化物,造成污染。而这些问题,在经过多年的研发之后,透过更精密的控制以及最新的触媒科技,均获得了有效的解决,亦让Lexus决定将缸内燃油直喷技术导入在3GR-FSE引擎之上,推出第1款商品化的缸内直喷引擎产品。

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