谍报：德国大众１．４Ｌ　ＴＳＩ发动机技术

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

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3)，第一级传动带同时驱动空调压缩机、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)，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(图6a)。

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6b)。

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6c)。

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1．8bar(1bar=100kPa)的增压压力；机械增压器和涡轮增压器共同工作时，经两级增压，发动机在1500r／min时的最大增压压力约为2．5bar，如果仅由机械增压器单独增压，发动机转速仅需要达到2400r／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“迟滞”。TSI发动机通过电磁离合器接合机械增压器，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3500r／min时，电磁离合器切断机械增压器动力，使之停止工作，随后仅由涡轮增压器单独工作就能提供足够的增压压力。机械增压器停止工作，避免了机械增压器在高转速段效率低的缺点。如图7所示，机械增压器工作在持续工况区和动态工况区，在这两个工况区与涡轮增压器联合增压，动态工况区主要应付加速工况时，机械增压器与涡轮增压器协同增压以满足对额外动力的需求，而涡轮增压器几乎在整个转速范围内都持续工作，但它在高于3500r／min时单独工作。可见，两种增压器的缺点在这一联合增压系统中被彼此相互克服了，实现了优势互补。TSI在任何转速内都能获得强大扭矩。1．4L TSI的外特性是1250～6000r／min范围内输出的最小扭矩为200 N·m，1750～4000r／min转速范围内可输出220N·m的最大扭矩(如图8)。

1．4L TSI发动机的主要性能指标远

远超越了EA113系列的2．0L FSI发动机(表1)。虽然TSI只配备于大众A级车上。但卓越的性能将使其在与其它级别车型的竞争中取得一定的优势。

(编辑　安琦)

小贴士：

TSI是大众公司对传统汽油机进行性能改造的大胆尝试，其实质是在保证高性能前提下，减小发动机的排量。它融合了TDI柴油机和FSI汽油机的设计理念，采用了双增压技术，使其具有以下的技术特点：

1．TSI在没有采用可变压缩比、闭缸控制等复杂技术的前提下减小了排量，有利于降低成本。

2．TSI发动机的综合性能非常出众，实现了排量最小化、功率扭矩最大化、油耗最低化、排放更加环保的目标。

3．Twincharged双增压技术实现了机械增压与涡轮增压的完美结合，成功解决了增压器之间的协调，两种增压器优势互补，并与发动机工况实现优化的匹配。

4．基于FSI发动机为基础进行设计，充分发挥了汽油缸内直喷的性能优势，结合Twincharged使TSI成为传统汽油机减小排量的技术典范。

5．TSI增压系统巧妙地通过电子控制的空气转换阀、废气旁通阀、超速循环空气阀以及电磁离合器实现对增压压力的优化控制，既避免了汽油机产生爆震，又确保了发动机的高输出、低油耗、高环保性能。

【编辑观点】

1．4L TSI虽然是目前采用最先进发动机技术装备的出色发动机，在油价不断上涨的今天，这种小排量、高效率的发动机也是未来发动机发展的方向。但是这种先进的发动机需要有高质量的燃油作为保障，国内市场的油品是否能够满足它的需要，“大众”必须要进行详细调研。如果大众为了保证中国市场的汽车品质而对发动机进行一些重新调校，比如降低发动机功率和转速等，一旦出现这种情况，大众还有没有必要把这款发动机引进到中国就值得斟酌了。毕竟“大众”在国内市场推出的1．8T发动机最大功率已经达到120KW，最大扭矩为225N·m，与这款1．4L TSI发动机相差无几。虽然1．4L TSI发动机的油耗要低于1．8T发动机，但是前者对油品要求更高。奥迪FSI发动机在欧洲市场至少需要使用95号超级无铅汽油，那技术含量更高的TSI发动机在中国市场近用98号超级汽油应该是必须的。虽然从油耗上看，1．4L TSI发动机要比1．8T发动机低一些，但是对于车主却不一定省钱。油价上的差距让1．4L TSI的经济性与1．8T发动机相比没有太大的优势，而且价格还要高一些。这样看来，中国币场引进1．4L TSI发动机的象征意义要远大于其实际意义。

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