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1、FSI与传统汽油发动机的区别 9FSI发动机效果 9FSI技术的发展TFSI、TSI 9技术详解FSI发动机燃烧模式 10参考文献 11标题：摘要：汽车发动机种类繁多，仅仅按气缸的空间排布和汽缸数分就可以分为多个种类，而其中的V10发动机从性能上讲独具一格。本文就V10发动机做一系统全面的探究，其中以奥迪R8V10FSI和宝马M5V10发动机为主要探究对象。关键字：V10发动机 探究 结构及工作原理 宝马M5 FSI技术 奥迪R8 正文V10发动机概况引言内燃机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机和多缸发动机。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机；有两个以上气缸的发动机称为多缸发动机。如双缸、三缸

2、、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸发动机。现代车用发动机多采用四缸、六缸、八缸发动机。内燃机按照气缸排列方式不同可以分为单列式和双列式。单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的；双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角180（一般为90）称为v型发动机，若两列之间的夹角=180称为对置式发动机。性能V10发动机的平衡性不是特好，因此，V10发动机算不得上是发展比较成熟的发动机，目前多用于高性能跑车上，市售版汽车上则较少使用，目前用V10发动机的车型中奥迪R8及宝马M5、M6最具代表。V型10缸新型发动机排量为5.0L，最大输

3、出功率为378kW（507bhp），最大扭矩为520Nm。V10引擎采用自然吸气，从8250rpm起进入红区限制（发动机转速界限）。与上一代M5配备的V型8缸引擎相比，V10输出功率增加了25%，确保了1L排量超过100bhp的输出功率，这使M5具有了赛车般的超凡性能。V10引擎，将气缸倾斜角设置成了90，目的是为了平衡曲轴的运转；为了确保耐爆缸、高旋转及振动的刚性，它的曲轴箱采用了舵芯骨架结构。支撑曲轴的轴承有6个，该公司在V型引擎上采用支架构造，尚属首次。V10引擎每个气缸有4个阀门，配备bi-VANOS（可变阀门正时结构）。该引擎配套使用的变速箱为7速自动MT“SMG”。特点是缩短了变速

4、时间，与以前的SMG相比，变速时间缩短了20%左右。另外，它还设定了配合运动模式的11种选配方式。V10发动机结构及工作原理发动机对于汽车的重要性不言而喻，它由机体组、曲柄连杆机构、配气机构、供油及燃油分配系统、电子传感器、点火系统和润滑系统以及散热系统等方面组成。它们各司其职综合在一起最终保证了发动机运转所必须的三要素可燃混合气、电火花和汽缸压力。V10发动就是有10个气缸且呈V型排布的发动机。现以宝马M5为例对其机构性能做一探究性介绍。一.机体组：对于四冲程发动机来说，机体组由上到下可分为五块，分别是气门室盖、汽缸盖、缸体、曲轴箱和油底壳。根据工作压力和使用车辆成本的不同，材料主要选择铸铁

5、、铝合金以及镁铝合金。其中铸铁的硬度较强，适用于涡轮增压车型，但散热效果差，所以往往都将压缩比设计的较低。铝合金重量轻，散热好，但硬度不强，主要用于高转的自然吸气车型。宝马M5的V10发动机零件一览二.曲柄连杆机构：所谓曲柄连杆机构实际上就是我们通常所说的曲轴、连杆、活塞、活塞环、大小瓦。这些部件的作用主要就是用来将可燃混合气被点燃后爆发出的力量传递到离合器和变速箱中，根据发动机用途（强调马力输出或相对更低的油耗）来设计不同质量和惯性的曲轴及曲柄。另外，机体组中和曲柄连杆机构的相互设计配合也往往决定了一款发动机的转速高低。一般来说，大缸径短冲程时的设计主要是为了更加追求转速高，功率大。而小缸径

6、长冲程式的设计则多用来载重或者纯正越野车之类更强调低转大扭矩的车。宝马M5上的凸轮轴三.配气机构：配气机构的主要作用就是根据发动机的实时需要而提供相应的可燃混合气。它由两方面组成，其中发动机内部主要包括正时皮带（优点是噪音小，缺点是需要更换）或正时链条（优点是免于更换，但十万公里左右要调整松紧度，缺点是噪音大）或正时齿轮（优点是不用更换，不用维护，缺点是重量大、惯性大），凸轮轴、液压气门顶、气门、气门弹簧以及气门油封。它们之间的相互关系其实不难理解，讲的通俗一点就是曲轴旋转的力通过正时皮带传送到凸轮轴，然后再由凸轮轴带动气门进行上下运动。除上述部件外，在发动机的外部还有一些为了配气的最终目的而

7、工作的，按照从外到里的安装按后顺序分别是，空滤、空气流量计、进气温度传感器、节气门、进气歧管等。当然，在一些多点或单点电喷的发动机当中，还在进气歧管上安装了燃油分配器。宝马M5上缸盖四.供油及燃油分配系统：汽油从油箱进入到汽缸中进行燃烧来产生动力，这不难理解。不过，在这个过程中，汽车各部件间的相互配合却是非常重要的。简单的来说，就是行车电脑根据许许多多的传感器（进气温度、空气流量、节气门开度、水温传感、爆震传感、氧传感、曲轴转速、档位和发动机负荷等）来不断的调整喷油时机和喷油量。目前国际上主流的技术已经能够将喷油嘴安装到缸体上，喷油头在燃烧室内，这就是直喷。它多带来的直接好处就是喷射更准确，输

8、出扭矩更强，也更加的环保。宝马M5上缸盖侧面五.电子传感器：这方面刚才已经讲了，电喷车的工作就像是一个系统庞大的国家，中央政府（行车电脑）需要个个部委（传感器）来不断反馈相关信息然后调整政策。而结果就是不断的完善，不断的进步，运转的越来越好。同样，如果其中的某一个零件发生故障，传递来错误的信息，那结果可想而之，不但会发生故障，而且还有可能连累到其他传感器的“安危”。宝马M5上的Valvetronic可变气门升程技术的电路板及驱动马达六.点火系统：点火系统的部件主要包括、电瓶、点火开关、行车电脑、分电器、点火线圈、缸线以及火花塞。这套系统的主要作用就是将电瓶里的低压电被放大到数万伏后通过分电器来

9、不断在每一个汽缸中点燃混合气。这套系统一般来说不容易损坏，但火花塞是一个耗材，一般来说3万公里更换一次。宝马M5上缸盖底面七.润滑系统：四冲程发动机的内部润滑主要有两种方式，分别是压力润滑和飞溅润滑。前者主要通过机油泵将机油源源不断的输送到凸轮轴、活塞底部、瓦片等等地方，而飞溅润滑的意思就是通过曲轴的旋转将机油甩出，目的是让缸桶内形成油膜，来进行润滑。很多高性能的赛车都采用干式油底壳式的设计，它只是通过机油泵将两组甚至更多的储油罐内的机油进行压力润滑到各个组件中，避免了传统方式所存在的惯性和润滑不良等问题。当然，除了润滑之外，机油还有散热以及密封等作用。V10发动机的主要性能及特点1、公路上的

10、一级方程式技术具有这种品质的新V10发动机把系列化生产发动机的技术极限提高到了前所未有的标准。就作用在不同材料上的负载和作用力而言，可以用一个对比数据清楚地说明这意味着什么：转速达到8,000转/分钟时，10个活塞中的每一个都要在一秒内跑完约20米的距离。而当BMW F1的转速达到18,000 转/分钟时，每个活塞的每秒行程也不过是25米。但是，在赛车运动中是无需特别考虑耐用性这个因素的，而BMW M的发动机则不同，它的使用寿命必须和车辆本身一样长。同时还必须考虑不同的天气变化、各种各样交通状况、以及典型的M驾驶风格。2、507马力开创驾驶动力特性的全新境界这款高转速10缸发动机在7,750转

11、/分钟时达到507马力（373千瓦）的最大输出功率。但相对于其输出功率和性能来说，它仍是一款仅重240千克的轻质发动机。而另一方面，就升输出功率而言，它绝对是一个“重量级”选手，轻松地超过了每升100马力的极限，它的比输出功率甚至可以与赛车发动机相媲美。3、10气缸：来自赛车运动的概念 10气缸是高性能运动发动机的最佳概念：这种发动机的尺寸、部件数量和排量都非常合适。每个气缸的排量为500立方厘米，其尺寸经由发动机专家们的最严格计算，非常精确。4、紧凑结构带来更高强度和更佳舒适性作为世界领先的发动机制造商，BMW的直列发动机久负盛名。现在，设计这款10缸发动机的BMW M GmbH的工程师们把

12、两列5气缸组按90的V形角相邻排列，气缸列之间距离17毫米，从而形成一个非常紧凑和动感的结构。之所以选择90角，是出于震动和舒适考虑而采取的质量平衡，巧妙地解决了无震动的高平稳性与高标准的部件强度之间的利益冲突。气缸曲轴箱采用低压模铸造工艺制成，并采用超低共熔铝硅合金，其中硅的含量至少占17%。气缸套的制造工艺中采用了硬硅晶体，带有铁涂层的活塞直接在无涂层的气缸内运行。气缸冲程75.2毫米，气缸内径92.0毫米，总排量4999毫升。和一级方程式的发动机缸体一样，M发动机的缸体也是BMW位于慕尼黑北部兰茨胡特的轻合金铸造厂生产的。5、和赛车运动中一样的台板结构高发动机转速，高燃烧压力和温度都对曲

13、轴箱提出了极高的要求。因此BMW Motorsport的工程师们利用一种源自赛车运动的技术，即被称作台板的结构，将曲轴箱设计得非常紧凑、并且极为坚固。BMW和10气缸发动机是第一款采用这种台板结构的量产V型发动机。铝质台板和灰铸铁镶嵌物确保了非常精确的曲轴支承，特别是它可以使主轴承公差在整个工作温度范围内都处于很小的限度之内。灰铸铁镶嵌物减弱了铝质壳体的热膨胀，而且特殊的开口可以与周围的铝质框架相连。同时这种结构还可以满足发动机的声效要求。特殊的设计带来高水平的强度，精致的平衡带来最佳的精度，在6个轴承中运转的高强度钢质锻造曲轴仅重21.8千克。这种曲轴具有很小的质量惯性，但扭转强度却非常高。

14、其中两个连杆与5个按72角分隔排列的曲轴颈联动。气缸之间的距离仅有98毫米，互动的短曲轴设计使低重量基础上的高水平弯曲和扭转强度成为可能。6、无处不在的轻质工程技术重量经过优化的空心活塞采用耐高温铝合金制成，表面带有铁涂层，包括活塞销和环在内仅重481.7克。压缩高度27.4 毫米，压缩比12.0:1。活塞由连接着主机油管的机油喷嘴冷却。而梯形连杆长140.7毫米，重量也得到了优化，采用断裂技术制造，材质为高强度钢。这种设计有效地降低了发动机内的摆动质量，每个连杆都采用70MnVS4锻造，包括轴瓦在内仅重623克。V10发动机的单体铝质气缸盖也是在BMW位于兰茨胡特的铝合金铸造厂制造的。为了尽

15、可能快地让三元催化转换器中的催化剂达到适合的温度，气缸盖内集成了空气导管，用于进行二次喷气。另一个特点是BMW发动机每缸4气门的典型配置，气门由球形杯式挺杆通过液压气门间隙补偿进行控制。挺杆直径仅为28毫米，重31克。而进气门直径35毫米，排气门直径30.5毫米。7、降低维护开支的特别创新进气门是专为V10制造的。气门杆的直径被减少到仅有5毫米，丝毫不会阻碍进气管中的空气流动。气门间隙由液压气门间隙补偿自动控制，有助于降低拥有成本。发动机更强的动力也就意味着需要更有效地冷却，特别是在燃烧室周围。利用其横流冷却概念，V10发动机显著降低了制冷系统中的压力损失，确保了气缸盖中均匀的温度分布，并降低

16、了所有临界点的峰值温度。每个气缸的周围都有适量的冷却空气平稳流过，以提供一致的最佳制冷效果。为了实现这一效果，冷却空气从曲轴箱经过发动机的出气侧，经过气缸盖和进气侧的集流带流至节温器或冷却器。8、制动时不会破裂的润滑液膜在全力制动的时候，BMW M6的反向加速最高可达1.3 g。在这样的极端情况下，流回作为中间储存装置的油底壳的机油可能就不够了，特别是在油底壳受空间限制被安装在前桥副车架之下的时候。如果最坏的情况出现，润滑工作可能完全中断。为了有效地防止这种意外的发生，BMW M6的发动机采用了一个被称为“准干式油底壳”的系统，这套系统集成有两个油底壳：一个位于前桥副车架之前，另一个在副车架之

17、后。集成在压缩机油泵壳体中的一个回流泵把机油从前面的小油底壳中抽出，并把机油压到后面的大油底壳中。回流孔和压缩机油泵抽取点与车辆的加速和驱动力之间的配合非常精确。9、10个电子控制的独立节气门再次反映了赛车运动的极高标准，10个气缸中的每一个都带有自己的节气门，每列气缸都由一个独立的调节器进行控制。尽管这种系统在机械结构上极为精密、复杂，但这是发动机获得理想自发响应的最佳解决方案。为了能让发动机在低转速时具有灵敏的响应，同时在需要时可以尽可能快地生成动力，以实现最高标准的动感性能，节气门通过两个非接触式霍尔电位器以200次/秒的速度扫描和评估油门踏板的位置进行控制。发动机管理系统通过两个调节器

18、控制10个独立节气门的位置，对运转条件的各种变化做出精确的反应。当然，不言而喻，所有这些都是在极短的时间里发生的，节气门只需120毫秒的时间就可以完全打开，这基本相当于一位普通驾驶员踩下油门踏板的时间。带给驾驶者的好处就是极佳的发动机响应，令车辆的操控极为“灵动、敏捷”，没有一丝延迟，而且驾驶者可以精确地控制所需的发动机动力。同时，节气门的电子控制使从超速到部分负载的过程非常平稳和协调，反之亦然。V10发动机通过延伸到两个进气腔中的10个气流经过优化的进气喇叭口吸入所需的空气。进气腔与喇叭口都采用了含30%玻璃纤维的轻质复合材料制成。10、清洁、环保的高性能运动型发动机在排气系统的设计中，始终

19、围绕着降低背压和优化动态气流这两个方面进行，以提高发动机功率和扭矩。排气系统分两条气流通道向后延伸，直至消音器，然后通过4根极具BMW M风格的排气管排出废气。而且，与M5相比，M6的排气声效显得更加强劲有力。正如人们对每一个BMW M车款所期待的那样，每个排气管上都配有两个三元催化转换器，对10个气缸排出的废气进行处理，达到了严格的EU4标准。两个催化转换器安装在底板里，每个排气管中靠近发动机的地方还有一个催化转换器。由于采用了薄壁式排气歧管，这些催化转换器可以很快地达到其最佳工作温度，这对冷车起动来说非常有好处。该系统的特色之处还包括压力损失少、机械强度高。11举世无双的发动机控制单元MS

20、 S65发动机管理系统是V10出色的性能和排放管理的关键。它一方面确保了发动机所有功能和车辆控制系统的最佳协调，另一方面，与SMG变速箱的配合也非常好。FSI技术FSI是Fuel Stratified Injection的英文缩写，意指燃油分层喷射。燃油分层喷射技术是电喷发动机利用电子芯片经过计算分析精确控制喷射量进入气缸燃烧，以提高使发动机混和燃油比例，进而提高发动机效率的一种技术。 与传统技术把燃油喷入进气歧管的发动机相比，FSI发动机的主要优势有：动态响应好、功率和扭矩可以同时提升、燃油消耗降低。FSI与传统汽油发动机的区别传统的汽油发动机是通过ECU采集曲轴信号盘和凸轮轴位置以及发动机

21、各相关数据从而控制喷油嘴将汽油喷入进气歧管。汽油在歧管内开始混合，然后再进入到汽缸中燃烧。空气跟汽油的最佳混合比是14.7/1（也叫理论空燃比），传统发动机由于汽油跟空气是在进气歧管内混合，所以必须达到理论空燃比才能获得较好的动力性和经济性。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，这就的理论空燃比很难达到，这是传统发动机很难解决的一个技术问题。把燃油直接喷射到汽缸中就可以解决这一难题。直喷式汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技术，通过一个高压油泵泵提供所需的100bar以上的压力，将汽油提供给位于汽缸内的电磁燃油

22、喷嘴。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，通过对燃烧室内部形状的设计，让混合气能产生较强的涡流使空气和汽油充分混合。然后使火花塞周围区域能有较浓的混合气，其他周边区域有较稀的混合气，保证了在顺利点火的情况下尽可能的实现稀薄燃烧。FSI发动机效果FSI发动机产生的效果可以从奥迪公司公布的发动机指标看出来。以3.2升FSI和4.2升FSI为例，对比的机型分别是以前的3.0升和4.2升汽油机。功率上，3.2升FSI发动机是257马力，比原机型的218马力提升了39马力，4.2升FSI发动机的350马力比原机型的335马力提升了15马力；在最大扭矩上，是3.2升FSI的330牛米

23、对原机型的290牛米，4.2升FSI的440对原机型的420牛米。FSI技术的发展TFSI、TSIFSI是给发动机的喷射方式带来了革命，它让一款普通发动机的各种性能都得到了提升，而FSI再往上发展就变得更加容易了。TFSI是在FSI基础上加入了涡轮增压技术;而TSI技术与FSI并没有什么相关性。TFSITFSI（涡轮增压燃油分层喷射发动机），这个比FSI多出来的T字代表的则是涡轮增压（Turbocharger），而发动机本身也的确是在FSI发动机的基础上增加了一个涡轮增压器。涡轮增压是利用排气的高温高压推动废气涡轮高速转动，在带动进气涡轮压缩进气，提高空气密度，同时电脑控制增大喷油量，配合高密

24、度的进气，因此可以在排量不变的条件下提高发动机工作效率。由于涡轮增压器是靠排气推动的，因此在发动机转速低时涡轮并不工作。但在这个时候涡轮还是转动的，只是排气压力不够，达不到增大进气压力的效果。随着转速的上升（约1500转或以上），排气压力逐渐加大涡轮就进入了正常的工作状态，达到增压的目的和效果。但是，当转速接近额定的时候（约5000转或以上），发动机本身的内压超过了排气压力，这时的涡轮同样是不工作的。实际上发动机的一般工作区间正在15005000内，所以涡轮增压以它优越的经济性和动力性得到了众多用户的认可。不过怎么说还是有点缺陷，这两个区间的动力缺失如何解决呢，高转速我们可以换个大点的涡轮，可

25、是低转速的动力空挡也会同时加大。很自然的一款无可挑剔的发动机应运而生，TSI把所有问题解决的更巧妙更能打动人心。TSITSI（涡轮机械增压燃油分层喷射发动机）的设计非常巧妙，它实际上是把一个涡轮增压器（Turbocharger）和机械增压器（Supercharger）一起装到一台发动机里面。TSI中的T不是指Turbocharger而是Twincharger（双增压）的意思。上文我们讲到涡轮增压发动机在较低和较高转速时都有一个动力的空挡，为了进一步提高发动机的效率，增加一个机械增压装置，并让它在低转速时加大进气压力。而涡轮增压器的尺寸可以再大一些，去弥补高转速时的动力空挡，从而达到一个从低到高

26、转速的全段优异动力表现。另外，涡轮增压器由于废气涡轮的惯性，会有发动机相应的迟滞现象。而机械增压器则是由发动机转轴直接带动，能够随着发动机转速变化而迅速且线性地改变转速。2005年，大众1.4升直喷汽油发动机首先搭载了这套系统，它的最大功率达到了惊人的170马力。（国产1.8T发动机的最大功率也才150马力）。需要注意的是，一汽-大众和上海大众对他们的1.4TFSI和1.8TFSI发动机的称呼，二者都称为1.4TSI和1.8TSI，这个称呼是极不负责的。同时，厂商为了避免大家对TFSI简称TSI产生异议，他们对此解释为：“因为一贯体系中我们一般采用3个字作为发动机特有技术的称呼，所以这次我们把

27、TFSI简称为TSI，其中T代表涡轮增压，SI代表直喷技术”。国产迈腾、速腾等车型最新的TSI发动机实际上跟前面说到的TSI并不是一回事。迈腾1.8TSI和即将搭载在速腾身上的1.4TSI发动机实际上阉割了机械增压和燃油分层技术。当然，这也是国产化之后处于油品和成本问题的考虑。因为，一个机械增压套件少说也得1.5万元，5万公里就需要更换一次，外加10万多公里还需要换更贵的涡轮增压。技术详解FSI发动机燃烧模式理论上，FSI发动机有至少两种燃烧模式：分层燃烧和均质燃烧，有人还把均质燃烧模式细分为均质稀燃模式和均质燃烧模式。从FSI所代表的Fuel Stratified Injection含义上看

28、，分层燃烧应该是FSI发动机的精髓与特点，不过也可以理解为它的研发起点和基础。分层燃烧分层燃烧的好处在于热效率高、节流损失少、有限的燃料尽可能多地转化成工作能量。分层燃烧模式下节气门不完全打开，保证进气管内有一定真空度（可以控制废气再循环和碳罐等装置）。这时，发动机的扭矩大小取决于喷油量，与进气量和点火提前角关系不大。分层燃烧模式在进气过程中节气门开度相对较大，减少了一部分节流损失。进气过程中的关键是进气歧管中安置一翻版，翻版向上开启（原理性质，实际机型可能有所不同）封住下进气歧管，让进气加速通过，与形活塞顶配合，相成进气涡旋。分层燃烧时喷油时间在上止点前60至上止点前45，喷射时刻对混合气的

29、形成有很大影响，燃油被喷射在活塞顶的凹坑内，喷出的燃油与涡旋进气结合形成混合气。混合气形成发生在曲轴转角40至50范围内，如果小于这个范围，混合气无法点燃，若大于，就变成均质状态了。分层燃烧的空燃比一般在1.6-3之间。点火时，只有火花塞周围混合状态较好的气体被点燃，这时周围的新鲜空气以及来自废气再循环的气体形成了很好的隔热保护，减少了缸臂散热，提升了热效率。点火时刻的控制也很重要，它只在压缩过程终了的一个很窄的范围内。均质稀燃均质稀燃模式混合气形成时间长，燃烧均匀，通过精确控制喷油，可以达到较低的混合气浓度。均质稀燃的点火时间选择范围宽泛，有很好的燃油经济性。均质稀燃与分层燃烧的进气过程相同

30、，油气混合时间加长，形成均质混合气。燃烧发生在整个燃烧室内，对点火时间的要求没分层燃烧那么严格。均质稀燃的空燃比大于1。均质燃烧均质燃烧则能充分发挥动态响应好，扭矩和功率高的特点。均质燃烧进气过程中节气门位置由油门踏板决定，进气歧管中的翻版位置视不同情况而定。当中等负荷时，翻版依然是关闭的，有利于形成强烈的进气旋流，利于混合气的形成与雾化。当高速大负荷时，翻版打开，增大进气量，让更多的空气参与燃烧。均质燃烧的喷油、混合气形成与燃烧和均质稀燃模式基本一样。均质燃烧情况下空燃比小于或等于1。小结以上三种燃烧状态是FSI发动机特有的燃烧控制模式，但其中有些方面还停留在理论优势方面。现在奥迪在全球发布

31、的FSI发动机还都采用均质燃烧模式，这不是说分层燃烧不可实现，而只是说分层燃烧实施的成本或时机还不成熟。主要表现在分层燃烧用稀混合气，提高了缸内温度也提高了氮氧化物这样的有害排放物。对于稀混合气，普通的三元催化器很难把氮氧化物转换干净，那么需要额外的降低氮氧化物的催化转换器，无疑加重了空间和成本的负担。另外，现阶段高硫含量的汽油对此催化器损害很大，因此还有改造炼油设备，提升燃油品质的成本。没有了分层燃烧会不会让FSI发动机的原有优势荡然无存？答案是否定的。即使没有应用分层燃烧，FSI发动机还有能提升压缩比，降低燃烧残油量的特点。FSI发动机采用缸内直喷，汽油在缸内蒸发产生内部冷却效果，这样就降低了爆震的可能性，可适当提升压缩比