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澎湃之“芯”
2007年1月末,倍受瞩目的国产斯柯达明锐上市了。该车搭载的TFSI发动机也成其亮点之一。去年上市的奥迪A6L和今年5月刚刚上市的迈腾也都采用TFSI发动机。那么究竟什么是TFSI呢,该发动机有何优点呢,本文就带读者深入了解TFSI技术。
什么是TFSI
TFSI即是FSI加Turbo的意思,中文全称为“涡轮增压缸内直喷技术”。这项技术扬名于勒芒赛赛车奥迪R8,在2001年7月的勒芒24小时耐力赛上,搭载双增压V8FSI发动机的奥迪R8一举夺冠,强大的动力表现使它领先第二名整整一圈,良好的燃油经济性使它延长了加油的间隔,有力证明了直喷不仅有出色的动力表现,燃油经济性也不可小觑,此后奥迪R8屡次夺得该项赛事的冠军,TFSI发动机也就逐渐为我们所熟悉。
要想深入了解TFSI,首先必须了解FSI(FuelStratifiedInjection,缸内分层直喷)。传统汽油发动机都是采用油气混合后注入燃烧室燃烧的方式做功,本田的VTEC发动机、丰
佳发动机的称号。
TFSI发动机的工作原理
通过上面介绍,我们知道,TFSI发动机与传统发动机的最大不同就是它所采用的FSI缸内直喷技术(传统发动机也有采用涡轮增压的),因此我们重点探讨FSI的工作原理,而对涡轮增压不再赘述。
目前大多数汽油发动机都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,并与空气形成混合气体进入燃烧室燃烧,也就是说在进入燃烧室之前已形成油气混合物。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,因此形成的混合气不是最佳的状态,燃烧时会有一部分汽油不能充分燃烧,这不仅降低了功率,而且也增大了尾气排放。
大众推出的FSI汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技术,利用一个高压泵,提供所需的100bar以上的压力,通过一个分流轨道(共轨)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;同时空气在进气管内形成最佳的涡流形态进入燃烧室内,两者在火花塞周围
形成由浓到稀的最佳混合方式。
FSI技术属于是发动机稀燃技术的一种,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,这样的优点是汽油可以最为充分的燃烧。但缺点是很难点燃。因此FSI发动机采用分层燃烧技术。即在火花塞附近混合气的浓度比较高,约为1∶12,这样很容易就可以点燃,而越远离火花塞,混合气的浓度就越低。这样,火花塞周围浓度比较高的混合气先燃烧,然后迅速波及外层稀薄的混合气。
FSI发动机可以根据发动机负荷工况,自动选择两种运行模式。在低负荷时采用分层喷射模式实现分层稀薄燃烧,在高负荷时使用均匀喷射模式实现匀质燃烧。
在低负荷时(分层稀薄燃烧),油门为半开状态,燃油系统在发动机压缩冲程喷注燃油,特别的活塞顶设计使吸入的空气和喷入的燃油形成湍流,仅在火花塞周围形成接近理论空燃比的足以燃烧的空燃混合气,来引燃整个燃烧室内的混合气;而在燃烧室的其他地方则为富含空气的高空燃比混合气,所以形成稀薄燃烧。
在高负荷时(匀质燃烧),根据吸入空气量精确控制地燃油的喷注量,燃油与空气同步注入汽缸并充分雾化混合(进气冲程),使符合理论空燃比的混合气均匀地充满燃烧室,即形成匀质燃烧,充分的燃烧使发动机动力得到淋漓尽致的发挥。而燃油的蒸发又使混合气降温去除了爆震的产生。也就是说在均匀燃烧情况下,在获得高动力输出和转矩的同时付出了较低的燃油消耗。
TFSI的另一优势就是它的清洁性,其在发动机排气端安装有实现有效控制尾气排放的重要组件,即EGR排气再循环系统。能将30%的排气再次循环至发动机的燃烧室。
发动机上还安装了两个催化式排气转化器用来控制排放:其中一个多级三元催化器位于排气岐管的排放端,也就是说离发动机很近,而另一个NOX存储型转化器则位于盘形地板下。
NOX存储型转化器是为满足燃油直喷发动机而特别设计的,在其排气侧装有一个NOX传感器。传统的三元催化式转化器无法在发动机贫燃阶段将氮氧化物充分分解;因此排气中的成分将含有大量有害的化学物质。为了将大量残留的氮氧化物转化为无害的氮气,含有钡金属涂层的存储型催化式转化器能够高效地完成这项任务。
存储型转化器由设定的运行特性和温度控制。当转化器达到饱和,发动机会在短时间内生成更浓的混合气体。这会使排气的温度升高,这时转化器涂层的钡分子便开始释放氮氧化物。氮氧化物会随之被转化为氮气。净化高浓度混合气体程序的工作频率,是由发动机的运行条件所决定的,不过平均在运行的每分钟内,会有几秒钟的时间用来净化尾气。
TFSI发动机与其他发动机的对比
TFSI发动机是大众/奥迪主打的发动机新技术,那么和竞争对手相比,它的优略又如何呢,我们首先看看比较著名的几款发动机技术。
本田VTEC发动机VTEC全称是可变气门正时和升程电子控制系统,是本田的专有技术,国产雅阁就采用该发动机。它能随发动机转速、负荷、水温等运行参数的变化,而适当地调整配气正时和气门升程,使发动机在高、低速下均能达到最高效率。在VTEC系统中,其进气凸轮轴上分别有三个凸轮面,分别顶动摇臂轴上的三个摇臂,当发动机处于低转速或者低负荷时,三个摇臂之间无任何连接,左边和右边的摇臂分别顶动两个进气门,使两者具有不同的正时及升程,以形成挤气作用效果。此时中间的高速摇臂不顶动气门,只是在摇臂轴上做无效的运动。当转速在不断提高时,发动机的各传感器将监测到的负荷、转速、车速以及水温等参数送到电脑中,电脑对这些信息进行分析处理。当达到需要变换为高速模式时,电脑就发出一个信号打开VTEC电磁阀,使压力机油进入摇臂轴内顶动活塞,使三只摇臂连接成一体,使两只气门都按高速模式工作。当发动机转速降低达到气门正时需要再次变换时,电脑再次发出信号,打开VTEC电磁阀压力开头,使压力机油泄出,气门再次回到低速工作模式。
丰田VVT-i发动机VVT全称是“VariableValveTiming”,中文意思是“可变气门正时”,由于采用电子控制单元(ECU)控制,因此丰田起了一个好听的中文名称叫“智能可变配气正时系统”。丰田凯美瑞、锐志等多款主力车型均采用VVT-i发动机技术
VVT-i是一种控制进气凸轮轴气门正时的装置,它通过调整凸轮轴转角配气正时进行优化,以获得最佳的配气正时,从而在所有速度范围内提高转矩,并能大大改善燃油经济性,有效提高汽车的功率与性能,减少油耗和废气排放。另外,它还采用了高热效、高膨胀比循环的“艾金森循环”系统,通过延时关闭进气阀门,可以在不提高实际压缩比的情况下提高膨胀比,从而把爆炸能量完全吸收,实现热效率的最大化。
VVT-i系统视控制器的安装部位不同而分成两种,一种是安装在排气凸轮轴上的,称为叶片式VVT-i,丰田PREVIA(大霸王)安装此款。另一种是安装在进气凸轮轴上的,称为螺旋槽式VVT-i,丰田雷克萨斯400、430等高级轿车安装此款。两者构造有些不一样,但作用是相同的。
我们可以通过3款典型发动机的对比,来看看各项技术之间的优略