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TSI发动机排气管黑灰的分析


TSI 发动机排气管黑灰之终结篇!!! 发动机排气管黑灰之终结篇!!!
------无聊掌柜(发表于发表于爱卡论坛 2009-01-27 09:54 )

前些天我根据论坛上很多同学反映说 TSI 发动机排气管有黑灰, 结合我 2000km 的速腾冠军版的排气管也有黑灰,以及验证过其他多 辆跑了 1 年多的其他品牌的汽车的排气管没有黑灰的情况, 查了

相关 的资料,觉得国内因为取消了分层燃烧导致出现黑灰,这几天重新查 了大量的资料,觉得这种认识是错误的。 TSI 发动机的燃烧方式非常复杂,下面简要介绍一下 (注意红色字体) : TSI 原名叫 TFSI,其中 T 代表 Turbo,FSI 是 Fuel Stratified Injection 的缩写。意指燃油分层喷射,是直喷式汽油发动机领域的 一项创新的革命性技术。 缸内直喷: 缸内直喷: FSI 技术是指改变传统的汽油机在进气管中将燃油与空气混合的 燃油供给系统的供油方式,而采用像柴油机一样的, 而采用像柴油机一样的, 而采用像柴油机一样的 通过喷油器直接 将汽油向气缸内喷射的供油方式。 采用直喷技术后, 燃油以细微滴状 将汽油向气缸内喷射的供油方式。 采用直喷技术后, 的薄雾方式进入气缸,而不是以蒸汽的方式。 的薄雾方式进入气缸,而不是以蒸汽的方式。 分层燃烧: 分层燃烧: 采用燃油直喷技术的发动机, 发动机能在火花塞点火之前把汽油 直接喷射到燃烧室,同时在 ECU 的精确控制下, 同时在 的精确控制下, 在活塞不同的行程多 次喷射,使燃气的浓度呈现分层,实现分层燃烧 次喷射,使燃气的浓度呈现分层,实现分层燃烧(既可保证火花塞稳 定点火,又不至于造成过多 NOX 生成和冒烟现象的发生)。这种技术 可以让靠近火花塞处的混合气相对较浓, 远离火花塞的混合气相对较

稀,从而更有效的实现“稀薄”点火和分层燃烧。其局限性主要是因 其局限性主要是因 为空气过量而使氮氧化合物(NOX)排放增加。 为空气过量而使氮氧化合物(NOX)排放增加。 燃烧方式: 燃烧方式: 现在的 FSI 发动机具有三种工作方式:分层充气模式、均质稀混 合气模式、均质混合气模式。在不同的工况下采用不同的空燃比。 FSI 发动机按照发动机负荷工况,基本上可以自动选择在低负荷 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。在中间负荷状态时,采用均质稀混合气模式。在三种运行模式 中,燃料的喷射时间有所不同,真空作用的开关阀进行开启/关闭来 控制进气气流的形态。 分层燃烧: 在这种工作模式中空燃比为 1.6~3。原理不仔细说,反正是在 进气、压缩等多个时间点多次小剂量喷油,最终效果是火花塞附近的 燃气浓度大,边缘浓度小,呈现分层效果。

均质稀薄燃烧: 这种工作模式的空燃比为 1.55 左右。均质稀混合气模式是一种 特殊的工作模式, 像分层充气模式一样也只能在一定的转速范围内正 常工作,并且还需要满足以下条件: a.没有与排放系统有关的故障。 a.没有与排放系统有关的故障。 没有与排放系统有关的故障 b.冷却液温度必须超过 50℃ b.冷却液温度必须超过 50℃。 c.氮氧化物催化转换器的温度为 250~500℃范围内。 c.氮氧化物催化转换器的温度为 250~500℃范围内。 d.进气道翻板必须保持关闭状态。 d.进气道翻板必须保持关闭状态。 进气道翻板必须保持关闭状态

均质燃烧: 均质混合气模式的空燃比为 1。燃油喷射并不是像分层充气模式 那样在压缩行程时发生,而是发生在进气行程中,这样燃油和空气就 有了更充足的时间来混合, 并且可以利用空气的流动旋转的涡流来击

碎燃油颗粒,使之混合更加充分。

从上面几种燃烧方式中,不能发现明显的出现黑灰(炭烟)的过程。 从上面几种燃烧方式中,不能发现明显的出现黑灰(炭烟)的过程。 重新查了资料,黑灰(炭烟)是如何形成的呢,第一反映是燃烧不充 分,但是燃烧不充分也只是产生 CO 之类的多。继续查了直喷相关技 术终于找到原因:油料在高温缺氧时,易炭化形成炭烟。 油料在高温缺氧时,易炭化形成炭烟。 油料在高温缺氧时 我们从上面的燃烧方式可以看出, 采用直喷技术后, 燃油以细微 我们从上面的燃烧方式可以看出, 采用直喷技术后, 滴状的薄雾方式进入气缸,而不是以蒸汽的方式。这种工作方式, 滴状的薄雾方式进入气缸,而不是以蒸汽的方式。这种工作方式,如 果混合的时间不够或者空气不足, 汽油与空气的混合是不均匀的, 不 果混合的时间不够或者空气不足, 汽油与空气的混合是不均匀的, 可避免地存在局部缺氧或局部富氧情况。 油料在高温缺氧时, 易炭化 可避免地存在局部缺氧或局部富氧情况。 油料在高温缺氧时, 形成炭烟。不可避免的会出现炭烟了。 形成炭烟。不可避免的会出现炭烟了。 但是,我们看到就在均质燃烧模式下, 的精确控制下, 但是,我们看到就在均质燃烧模式下,在 ECU 的精确控制下,油 料是有足够的空气和时间进行混合的, 虽然缸内直喷不可避免会出现 料是有足够的空气和时间进行混合的,

黑灰,但不应该像现实中这么严重。 黑灰,但不应该像现实中这么严重。 继续寻找原因。。。 继续寻找原因。。。 我再来看看 FSI 的排放系统: 稀薄燃烧技术的一个障碍是 NOX 的净化, 这是因为在富氧环境中 会产生大量的 NOX,为了解决此问题,FSI 发动机配置了 NOX 存储式 FSI 催化净化反应器。 发动机的排气系统中可以看出, 催化净化反应器。FSI 发动机的排气系统中可以看出,在靠近发动机 一侧安装有常用的三元催化反应器, 反应器的前后各有一个氧传感器 一侧安装有常用的三元催化反应器, 来监控工作状态。 在 来监控工作状态。 NOX 存储式催化净化反应器前部的排气温度传感 器将测得的排气温度传给发动机控制单元, 发动机控制单元用此温度 器将测得的排气温度传给发动机控制单元, 存储式催化净化反应器的温度。 并将此信息用于下面两种情 计算 NOX 存储式催化净化反应器的温度。 况:

1、在分层充气模式时混合气是比较稀的,并且 NOX 只有在 250℃~500℃之间才能存储在 NOX 存储式催化净化反应器内。 因此发 动机控制单元用此信息在监控分层充气模式时的排气温度, 在温度达 不到 NOX 存储式催化净化反应器正常工作要求时, 通过发动机控制单 元推迟点火时刻和工作模式等方法使之迅速达到催化的工作温度。 元推迟点火时刻和工作模式等方法使之迅速达到催化的工作温度。

2、NOX 存储式催化净化反应器的结构和三元催化净化器是一样 的,反应器的涂层另外用氧化钡处理过,这就可使氮氧化物在温度为 这就可使氮氧化物在温度为 250℃ 500℃之间时通过形成硝酸盐而存储起来。 除了形成硝酸盐外, 250℃~500℃之间时通过形成硝酸盐而存储起来。 除了形成硝酸盐外, 燃油中所含的硫也会存储起来。 燃油中所含的硫也会存储起来。NOX 存储式催化净化反应器的存储能

力是有限的,其饱和度由 NOX 传感器来通知发动机控制单元,发动机 控制单元会采取一定的措施来对 NOX 存储式催化净化反应器进行还 原。还原过程分成两种。

a.氮氧化物的还原。 a.氮氧化物的还原。 NOX 存储式催化净化反应器内的氮氧化物 氮氧化物的还原 当 的浓度超过发动机控制单元内的规定值时, 就会发生氮氧化物的还原 过程。发动机控制单元使得发动机从分层充气模式切换到均匀模式, 混合气变浓,排放的尾气温度升高,NOX 存储式催化净化器内的温度 也就升高, 此时所形成的硝酸盐变得不稳定, 当环境条件符合还原时, 硝酸盐就可以分解了。这时氮氧化物就转换成无害的氮气,存储的硝 酸盐清空后,该循环又重新开始。

b.硫的还原。 b.硫的还原。这是个单独的过程,因为产生的硫的化学稳定性很 硫的还原 高,这些硫在氮氧化物的还原过程中是不会分解的。硫也会占据存储 空间,这会导致在较短的间隔内存储式催化净化器就会饱和。一旦超 过了规定值, 发动机管理系统就会采取从分层充气模式切换到均质模 式工作或者是将点火时刻延迟等措施。 这就将存储式催化净化器的工 作温度提高到 650℃左右,产生的硫就发生反应并形成二氧化硫。如 果燃油中含硫较少,那么除去硫的时间间隔也长,但燃油含硫多,就

会经常进行这种还原过程。在大负荷、高转速行车时会自动去硫。

上面的技术性文字不用细看,我们只需知道,FSI 的排气系统 存储式催化净化反应器,其原 除了具有三元催化器外,还有一个 NOX 存储式催化净化反应器 理是有两个过程,储存-还原,其中还原有两种:氮氧化物的还原、 氮氧化物的还原、 氮氧化物的还原 硫的还原,这两个过程都需要高温,大众采用的方法是,延迟点火, 硫的还原 这里会不造成燃烧局部缺氧呢? FSI 燃烧方式基本只限于均匀燃烧。由于以下原因,“分层充气”的 运行工况是无法实现的。在发动机转速较低及发动机负荷较小时,体 积较大的 6 缸发动机比小排量的 4 缸发动机的热负荷要小些, 由于废 气的温度较低.催化净化器就无法达到处理 NOX 的工作温度(600℃ 以上)。

“均匀燃烧”工况可分为两种状态:1、进气歧管翻板关闭时的 均匀燃烧。 在发动机转速低于 3750r/min 或发动机负荷低于 40%时,

进气歧管翻板是关闭的(由发动机特性曲线决定)。 下部进气道被封闭, 被吸入的空气就会通过上部进气道加速后呈紊流状流入燃烧室, 燃油 喷射发生在进气冲程中。2、进气歧管翻板打开时的均匀燃烧[10]。 在发动机转速高于 3750r/min 或发动机负荷高于 40%时,进气歧管 翻板是打开的,这样就可保证发动机在高转速、大负荷时获得更多的 进气量。这个过程是通过个大容量的双级进气管来实现的,该进气管 这时切换到功率工况(短进气管),燃油喷射也是发生在进气冲程中。 看完上面的技术储备已经足够了,下面开始就不罗唆介绍结束,简要 介绍技术要点: NOx-存储式催化净化器: NOx-存储式催化净化器: 在稀混合气模式时 NOx-含量较高,传统的三元催化净化器无法 对氮氧化物进行足够的转换, 因此研制了 NOx-存储式催化净化器, 满 足 EU4 排放标准。与 NOx 化学性质相似,硫也同样存储在 NOx-存储 式催化净化器中.燃油中的硫越多, 存储式催化净化器就必须更频繁。 给催化净化器脱硫,这只有在催化净化器温度超过 650°.. C 时才 能发生。 这里要注意了,同学们要尽量加低硫汽油,如国 III 的汽油(国 II 汽油含硫 0.05,国 III0.015)。 硫的还原: 硫的还原: 硫比 Nox 更耐高温。在很短的时间间隔内频繁发生氮氧化物还原 后,就会发生硫还原。发动机控制单元由此即可判断出:催化净化气 的存储空间已被硫占满,无法再存储氮氧化物了。

为了除硫,以下过程要持续约 2 分钟:从分层充气模式切换到均 质模式两个气缸以较浓混合气工作, 两个气缸以较稀混合气工作, .. 不同的气体会聚到 Y 形管内再次燃烧, 于是可将 NOX 存储式催化净化 器的温度提高到超过 650°.. C。于是将硫转化成 SO2。 发动机启动过程: TFSI 发动机启动过程: 发动机绝大部分工作范围 lambda 1, 除了起动时混和汽稍微加浓。 – 起动阶段: 燃油空气分层高压起动。 起动几秒之后: HOSP。 – 起动几秒之后: HOSP。 暖机阶段发动机控制双喷射。 – 暖机阶段发动机控制双喷射。 – 仅冷却液 80 °C 或更高, 燃油喷射与进气同步。 发动机转速超过 3000 rpm 进气翻版打开。 HOSP = Homogen Split(均质分开模式)

工作模式: HOSP 工作模式: 进气翻板位置关闭节气门较大开启喷射时刻:第一次上止点前大 约 300°.. ;第二次喷油量较少上止点前大约 60°点火时刻延迟, 排 气门打开, 废气温度升高快。催化净化器很快达到正常工作温度。

暖机二次喷射: TFSI 暖机二次喷射: 为了迅速加热催化反应器。 在吸气过程中, 距点火上止点大约 300° 为了迅速加热催化反应器。 在吸气过程中, 时喷入部分燃油, 这部分燃油由于时间较长可均匀混合. 在压缩过程 时喷入部分燃油, 这部分燃油由于时间较长可均匀混合. 中,距点火上止点约 60°进行第二次喷射。 60°进行第二次喷射。 进行第二次喷射

由此在火花塞附近形成了较浓的混合气, 由此在火花塞附近形成了较浓的混合气,这种情况下可使点火较 晚,且可以保证发动机稳定运行。二次喷射方式 λ 的值为 1。因为 且可以保证发动机稳定运行。 排气门早已打开, 排气温度升高很快。 因此, 催化转化器在很短时间 排气门早已打开, 排气温度升高很快。 因此, 即达到其工作温度(350°)。 内(30-40 秒)即达到其工作温度(350°)。 30注意这个过程: 暖机二次喷射这个过程应该每个同学都应该感受到 注意这个过程: 就是冷车启动发动机油耗为 3~4L/H, 4L/H, 转左右的时候, 的, 转速 1100 转左右的时候, 这个过程大概 30 秒~一分钟。二次喷射的油因为混合时间较短,浓 一分钟。二次喷射的油因为混合时间较短, 度大,不可能完全蒸发,不可避免会发生燃料局部缺氧, 度大,不可能完全蒸发,不可避免会发生燃料局部缺氧,导致炭化为 炭烟。 炭烟。 同时我们也可以明白为什么冷车怠速发动机才 1100 转而油耗高达 3L/H( 1L/H), 3L/H(我试过热车踩油门让怠速达到 1100 转,油耗不会超过 1L/H), 另外,冷车抖动也是发生在这个过程,但是为什么新车不抖呢,这也 另外,冷车抖动也是发生在这个过程,但是为什么新车不抖呢, 和汽缸内的环境变差有一定的关系。 和汽缸内的环境变差有一定的关系。 全文总结: 全文总结: 1。TSI 发动机对油质要求高,特别对硫含量要求高。 2。黑灰的产生主要是在冷车启动暖机二次喷射时产生,估计硫 还原阶段需要 650 度高温时,需要延迟点火也会产生极少的黑灰。 3。从原理上看,分层燃烧对油质要求高,因为要多次极少量喷 射,喷油嘴开度小,容易堵塞,而且对燃烧、点火等需要更精确的控 制。 4。冷车抖动,发生在暖机二次喷射过程中,如何避免不明确。 得到的教训:

1。尽量加国 III 之类的低硫汽油(之前贪国 II 汽油便宜点,加 了几箱国 II 汽油) 2。 在国内油质没根本改善, 不要尝试改电脑打开分层燃烧模式。 3。排气管黑灰应该是普遍现象,有黑灰不代表发动机有问题或 燃烧不充分,仅是因为发动机的工作机制如此。 另外,根据这两天的观察,在冷车启动时,TSI 排气管喷出的是 暖的无色的气体,开了一段路水温上去后,排气管碰出的是白色雾状 的水蒸气,而且排气管在滴水。这个现象也从侧面验证了上面的理 论。


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