德国大众1.4L FSI发动机技术解密-经典

德国大众1.4L TSI发动机技术(图)

最近，有一条消息在国内车坛炒得沸沸扬扬：一汽大众速腾将装备“大众”最新的1.4L TSI发动机。为了提升传统汽油机的节能性，世界各国汽车制造商研发了许多先进的发动机技术，如可变气门、稀薄燃烧、汽油缸内直喷、可变压缩比等，其中一些技术已得到广泛运用。对于汽油机，通过减小排量及在部分负荷时转移发动机的工况点，便可以提高发动机的节能性。然而，减小排量也意味着降低了发动机的动力。为了提升减小排量后发动机的动力，汽车制造商往往会采用发动机增压技术。然而，汽油机增压后容易产生爆震却又限制了发动机动力性的提升，汽油缸内直喷技术便是有效解决这一问题的办法。德国大众公司于2001年推出FSI（Fuel Stratified Injection）燃油分层喷射技术，该技术直接将燃油以较高压力精确地喷入燃烧室内。与传统的汽油燃油喷射技术相比，FSI的功率可提高10％以上，而燃油消耗却降低了10％。德国大众公司通过将增压技术和FSI技术相结合，最新推出了双增压器分层燃烧直接喷射TSI（Twincharged stratified injection）发动机技术。采用TSI技术的发动机具有小巧、宁静、节能、大扭矩和高环保性等特点（图1）。

双增压系统的组成

TSI的增压系统采用两级串联增压方式，其独特之处在于系统的第一级采用了罗茨式机械增压器，第二级为废气涡轮增压器。增压系统的气路也由两级组成，即：第一级进气管、进气转换阀、罗茨式机械增压器、增压进气管1、连接管1和第二级的增压进气管2、中冷器连接管2、涡轮增压器、电子节气门组成（图2）。进气转换阀由系统自动控制，以调整空气在气路中的方向和流量，从而使系统的增压压力与发动机工况相匹配。

罗茨式机械增压器的驱动形式

缩机、发电机和电磁离合器主动轮。为防止传动带松弛打滑，保证有效地传递动力，由一套自动张紧机构和张紧轮保持传动带适度的张紧度。第二级传动带专门用来驱动机械增压器，也设有一套自动张紧装置和张紧轮，电磁离合器的从动轮作为第二级传动带的主动轮。电磁离合器的接合和分离完全由电子控制（图4） 3），第一级传动带同时驱动空调压

罗茨式机械增压器的动力是由曲轴带轮经两级楔形传动带驱动的（图，以适应增压系统的增压压力和发动机的工况。

增压系统的工作原理

增压系统的总体布置和气路如图5所示。罗茨式机械增压器直接由发动机通过传动带驱动，提高了发动机在低转速的进气压力，瞬态响应加快，也提高了低速转矩特性。与普通机械增压器不同的是，罗茨式增压器并不是被发动机驱动不停地工作，而是由电控系统通过电磁离合器切换实现动力传递的接合和分离。当发动机在高转速范围，由于废气能量高，涡轮增压器充分发挥作用，机械增压器和涡轮增压器的工作被电控系统自动转换。控制转换阀确保了不同工况点空气通道的转换，当废气涡轮增压器单独工作时，空气转换阀完全开启，进气流不经过机械增压器，直接供给涡轮增压器空气，空气被增压后经过中冷器后进入节气门。对于这种两级串联布置形式的双增压器系统，最大的挑战是避免压气机出现喘振或阻塞，并把两个串联增压器的相互作用调整到与发动机工况相匹配。

为保证机械增压器和涡轮增压器协调工作并与发动机的工况相匹配，对进气道的转换是非常必要的。在低转速区域，空气控制阀完全关闭，空气全部进入机械增压器，增压后送往涡轮增压器压气机的输入端。这时虽然涡轮转速较低，但压气机输出端仍然保持了较高的输出压力，因而消除了普通涡轮增压器在低转速时的“迟滞”现象，也保证了发动机在低转速时获得大扭矩。此时，机械增压器工作在持续工况区6a）。

（图6c）。 1.8bar（1bar=100kPa）的增压压力；机械增压器和涡轮增压器1500r/min时的最大增压压力约为2.5bar2400r/min即能获得2.5bar的增压压力；对于废气涡轮增压器，其理想的增压迟滞”。TSI发动机通过电磁离合器接合机械增压器，6b）。 3500r/min

当发动机处于中等转速时，因废气能量增加，涡轮增压器的增压能力增强。为避免负荷过大，必须调低机械增压器的增压比。此时电控空气控制阀部分开启，机械增压器的高压空气经阀体回流到机械增压器的低压端（即入口处），因而降低了输往涡轮增压器的输入压力。通过调整进气控制阀的开度，可以维持两级增压后的正常压力，同时也降低了一级增压器的热负荷。机械增压器工作在过渡工况区（图

当发动机转速继续升高，废气能量继续增大，涡轮增压器的增压比也增大，若达到满足系统需要的增压压力时，已经不需要机械增压器参与增压。此时空气控制阀被完全开启，驱动机械增压器的电磁离合器被切断，机械增压器停止工作，属于涡轮增压器的单独工况区（图

此后，若发动机转速仍继续升高，为避免系统增压压力过高损坏涡轮增压器，旁通阀开启，降低涡轮转速，使系统保持正常的增压压力。为避免发动机在高转速时突然关闭节气门导致压气机过高的背压，电控的超速循环空气阀打开，把压缩空气引回压气机的进气口，从而避免了增压器转速降低太快。

实现双增压器与发动机工况的最优匹配

机械增压器在略高于怠速转速时即能产生共同工作时，经两级增压，发动机在，如果仅由机械增压器单独增压，发动机转速仅需要达到压力出现在中、高转速，而它的缺点是发动机低转速时由于废气能量低导致增压压力的不足，发动机低转速时出现动力不足和加速“在发动机低转速段获得较高增压压力，克服了废气涡轮增压器在这一转速段增压不足的缺点。而当发动机转速接近时，电