汽车发动机VVT技术与FSI技术分析
摘要：随着科技的迅猛发展，发动机出现了许多新技术，VVT-i和FSI就是其中最为引人注目的两个，本文从这两个新技术的技术和使用层面分别讨论了两种技术的发展，对未来新技术的涌现有借鉴价值。

关键字：VVT-i，FSI，可变气门，缸内直喷，丰田，大众
近年来,当代汽车发动机飞速发展,新技术不断涌现和应用,带动汽车性能得到极大改善,其中有大名鼎鼎的丰田VVT-i和德国的FSI，下面就这些新技术的一些基本原理做简单介绍。

智能可变气门正时系统
近年生产的丰田轿车，大都装配了标注有“VVT-i”字样的发动机，经过商业宣传，很多人已经知道VVT-i这一新名词，但它的具体内容却鲜为人知。

VVT 是英文缩写，全称是“Variable Valve Timing”，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“智慧型可变气门正时系统”。

该系统主要控制进气门凸轮轴，又多了一个小尾巴“i”，就是英文“Intake”（进气）的代号。

这些就是“VVT-i”的字面含义了。

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，从而提高发动机在所有转速范围内的动力性、燃油经济性，降低尾气的排放。

VVT-i系统由传感器、ECU和凸轮轴液压控制阀、控制器等部分组成。

ECU储存了最佳气门正时参数值，曲轴位置传感器、进气歧管空气压力传感器、节气门位置传感器、水温传感器和凸轮轴位置传感器等反馈信息汇集到ECU 并与预定参数值进行对比计算，计算出修正参数并发出指令到控制凸轮轴正时液压控制阀，控制阀根据ECU指令控制机油槽阀的位置，也就是改变液压流量，把提前、滞后、保持不变等信号指令选择输送至VVT－i控制器的不同油道上。

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，丰田凌志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。

叶片式VVT－i控制器由驱动进气凸轮轴的管壳和与排气凸轮轴相耦合的叶轮组成，来自提前或滞后侧油道的油压传递到排气凸轮轴上，导致VVT－i控制器管壳旋转以带动进气凸轮轴，连续改变进气正时。

当油压施加在提前侧油腔转动壳体时，沿提前方向转动进气凸轮轴；当油压施加在滞后侧油腔转动壳体时，沿滞后方向转动进气凸轮轴；当发动机停止时，凸轮轴液压控制阀则处于最大的滞后状态。

螺旋槽式VVT-i控制器包括正时皮带驱动的齿轮、与进气凸轮轴刚性连接的内齿轮，以及一个位于内齿轮与外齿轮之间的可移动活塞，活塞表面有螺旋形花键，活塞沿轴向移动，会改变内、外齿轮的相位，从而产生气门配气相位的连续改变。

当机油压力施加在活塞的左侧，迫使活塞右移，由于活塞上的螺旋形花键的作用，进气凸轮轴会相对于凸轮轴正时皮带轮提前某个角度。

当机油压力施加在活塞的石侧，迫使活塞左移，就会使进气凸轮轴延迟某个角度。

当得到理想的配气正时，凸轮轴正时液压控制阀就会关闭油道使活塞两侧压力平衡，活塞停止
移动。

现在，先进的发动机都有“发动机控制模块”（ECM），统管点火、燃油喷射、排放控制、故障检测等。

丰田VVT－i发动机的ECM在各种行驶工况下自动搜寻一个对应发动机转速、进气量、节气门位置和冷却水温度的最佳气门正时，并控制凸轮轴正时液压控制阀，并通过各个传感器的信号来感知实际气门正时，然后再执行反馈控制，补偿系统误差，达到最佳气门正时的位置，从而能有效地提高汽车的功率与性能，尽量减少耗油量和废气排放。

优点: (1) 相位角调节范围宽。

(2) 功率可提高10 %～20 %。

(3) 油耗可降低3 %～5 %。

有“保持”、“提高”、“迟后”等功能,满足了发动机低速、高速、中小负荷、大负荷及对配气正时的要求。

其工作原理:(1) 怠速工况—转速低,混合气流速慢,进气提前角应小,使进气重叠角减小,以防止回火。

(2) 中等负荷工况,转速高,混合气流速加快,惯性能量较大,进气门应早开,加大重叠角,可使废气排出量加大,提高容积效率。

(3) 大负荷工况,转速相对降低,混合气流速变慢,应使进气门早开程度减小,以防止回火,用加大晚关程度来加大扭矩值。

VTEC 机构在本田Accord (协和) 发动机上使用,意思是可变气门正时与升程电子控制,相位转换点2300～2500rPmin。

Passat - B5 - 218L - V6 发动机相位转换点是1300rPmin。

缸内直喷式汽油机
缸内直喷式汽油机系统简称GDI 系统,又因为燃油是分层燃烧,故又称FSI 系统。

而现在FSI的知名度已经大大超过了GDI。

我国上海大众和一汽大众所生产的“斯克达- 明锐”(SKODA - Octavia - 118T - FSI) 和“迈腾”(Magotan - 118T - FSI) 缸内直喷式汽油机乘用车,已经投入市场,实现了“低油耗、低污染、高功率”的梦想。

压缩比12～13 :1 ;A/ F = 30～40 :1 ;超稀薄分层燃烧;动力性+ 10 %;经济性- 40 %;对燃油无质量要求;“三个涡流”实现超稀薄分层燃烧。

中小负荷工况时的喷油特点:轿车在市内行驶占有的时间75 %～85 % ,多在中、小负荷工况下工作,应在压缩行程后期喷油,以经济超稀薄混合气成分为主,为分层燃烧方式。

大负荷工况时的喷油特点:为了获得大功率值,应加浓可燃混合气,以动力性为主,采用“两次喷油方式”。

第一次是在进气行程,喷入适量燃油,形成均质燃烧混合气,此为“补救功能”;第二次是在压缩行程的后期喷油,形成浓稀不均的层状混合气,再点火燃烧。

因此,在大负荷工况时,一个工作循环中,喷油器发生两次脉冲信号。

“两次喷射”也可在起动工况、急加速工况出现,以调节空燃比A/ F 的大小,改善使用性能。

缸内直喷技术（GDI），燃油以细微滴状的薄雾方式进入汽缸，而不是以蒸汽的方式。

这也就意味着当燃油雾滴吸收热量变为可燃蒸汽时，实际上对发动机的汽缸起到了冷却的作用。

这种冷却作用降低了发动机对辛烷的需要，所以其压缩比可以有所增加。

而且正如柴油一样，采用较高的压缩比可以提高燃料的效率。

采用GDI技术的另一个优点是它能够加快油气混合气体的燃烧速度，这使得GDI 发动机和传统的化油器喷射发动机相比，可以很好地适应废气再循环工艺。

采用计算机来模拟进出燃烧室的燃料和空气流的情况是一项突破性的技术。

燃烧室和活塞的形状、喷油脉冲的能量和方向、活塞和发动机热量的运动情况都会影响油气混合物雾滴的位置。

这项技术采用了指燃油分层喷射。

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两种运行模式。

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.所以实际上FSI发动机有三种工作模式：分层稀薄燃烧，均质稀薄燃烧，均质理论空燃比燃烧。

参考文献：
[1]骆洪山、赵应彩，当代汽车发动机新技术简介，《农机使用与维修》2009年第二期
[2] 孟昭宁，丰田VVT-i发动机新技术，实用汽车技术2004—7
[3] 张元江，发动机制造新技术，天津汽车1994--4。