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FSI/TSI/TDI技术透析 详解大众发动机 [复制链接]

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离线衡水草根
 

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只看楼主 倒序阅读 使用道具 楼主   发表于: 2011-02-13
大众集团在中国获得了巨大的成功,每年的销量已经能轻松的达到百万辆的水平。国内的消费者为什么会一如既往的选择大众品牌的汽车呢,仅仅说他们来中国早是不够的。最重要的还得是大众的技术力量强、销售网络覆盖完善、品牌认知度等多种因素结合在一起,才造就了大众的成功。


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想想10年前,人们买车基本不太考虑发动机的事情,各种当时先进的技术也只能是一种厂家的宣传手段而已,并不能真正打动消费者。再看看今天,消费者越来越关心科技含量的问题了,这款发动机有什么特殊技术等类似的问题越来越多的出现在媒体的报道中。这次,我们就给大家讲讲大众集团这两年的最新发动机科技,或许可以从一个侧面了解到大众成功的秘诀。
FSI 燃油分层喷射发动机
FSI这个词汇越来越多的出现在一汽大众车辆的标示上,FSI到底有什么神奇力量呢?FSI是Fuel Stratified Injection的词头缩写,直接翻译为燃油分层喷射,也可以说是缸内直接喷射。该技术的运用使FSI发动机与传统发动机相比拥有更低的油耗、更好的环保和更大的输出功率和扭力。燃油分层喷射技术是发动机稀薄燃烧技术的一种。

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传统的汽油发动机是通过电脑采集凸轮轴位置以及发动机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。

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FSI发动机示意图如上图所示,高压喷油嘴是直接向气缸内喷射燃油的。而传统发动机的喷油嘴则安排在了进气道中。这就是缸内直喷的最明显特征。
FSI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。基础打好了,害怕摩天大厦盖不成嘛,TFSI就是一个最好的例子: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。

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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。

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装载在奥迪上的TFSI发动机
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1500-5000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。


TSI涡轮机械增压发动机
TSI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。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转速的全段优异动力表现。

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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)
“S”是Super-charging机械增压器的简称
机械增压器采用皮带与引擎曲轴皮带盘连接,利用引擎转速来带动机械增压器内部叶片,以产生增压空气送入引擎进气歧管内,整体结构相当简单,工作温度于70℃-100℃,这是普通轿车的正常温度,不同于涡轮增压器靠引擎排放的废气驱动,必须接触400℃-900℃的高温废气,因此机械增压系统对于冷却系统、润滑油脂的要求与自然进气引擎相同,无需特殊保养,较低的转速也令其使用寿命大大加长。机械增压引擎的出力表现与自然吸气引擎极为相似,既没有了涡轮增压介入时的鲁莽,又赚取了更大的马力和扭力,所以机械增压引擎在加速时的表现更加顺滑和线性。
“I”是Injection(燃油直喷)的简称
缸内燃油直喷技术,顾名思义。供油系统采用缸内直喷设计的最大优势,就在于燃油是以极高压力直接注入于燃烧室中,因此除了喷油嘴的构造和位置都异于传统供油系统,在油气的雾化和混合效率上也更为优异。加上近来车上各项电子系统的控制技术大幅进步,计算机对于进气量与喷油时机的判读与控制也愈加精准,因此在搭配上缸内直喷技术以使得发动机的燃烧效率大幅提升下,除了发动机得以产生更大动力,对于环保和节能也都有正面的帮助。
TSI国产版:国内南北大众引进时省略了机械增压等部分
不过要注意的是,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发动机实际上并没有机械增压器。
国内南北大众引进国产的 TSI发动机省略了机械增压和分层燃烧部分(Fuel Stratified Injection),我们只能感受到单涡轮和缸内直喷技术的搭配。省略的部分也不是完全没有道理,除了高成本的价格门槛外,双增压会大副提高发动机的压缩比,相对应的使用的燃油的标准也大大提高,相对于燃油质量普遍一般的国内市场,有时候高科技的减配也是无奈而必须的。

类似进口1.4TSI发动机是双涡轮增压、机械增压、缸内直喷、分层燃烧技术相结合的整体,即改善了起步加速,又具有充足的后劲,可谓是动力澎湃,提高了燃油效率,降低了油耗,约可以节省20--30%燃油,效率却提高了30--50%。
在国内,TSI的T代表涡轮增压,Si代表燃油直喷,而不是T与FSI的简称,并没有燃油分层喷射技术,因为国内燃油质量一般,达不到分层喷射的要求。一般国产的大众系列车型会这么称呼。

在国外TSI就是上面的解释,在这里T就代表Twincharger的意思,就是双增压(涡轮和机械增压)的意思,Si就是 Stratified Injection,燃油分层喷射的意思。

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速腾装备的1.4 TSI发动机 大众集团在华发动机工厂介绍大众一汽发动机(大连)有限公司

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大众大连发动机制造的2.0TSI发动机上海大众发动机厂

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大众TDI柴油机
TDI发动机采用涡轮增压中冷和柴油直喷技术,所谓柴油直喷是把燃料直接喷射到主燃烧室,而不是以前常见的喷射到预燃室内。柴油直喷技术以前在大型柴油机中出现过,经过改进和细化,现在已经能够应用到乘用车柴油机上。与大众以往柴油机相比,TDI机型拥有许多优势。
电控燃油喷射系统带来更大的功率、更少的碳烟排放、更小的噪音和更佳的经济性。在大众的TDI发动机上,喷油时间和喷油量都由电脑控制,而以前的柴油机采用机械控制方式。冷启动按钮已经消失,相应的操作由发动机自动完成。
TDI机型上的Garret VNT15 可变截面涡轮增压器使增压技术达到一个新的台阶,它有更快的响应(尽管以前机型的增压滞后现象也比较轻微),起效范围更加宽广,同时不会造成排气背压过高的问题。在大众的TDI发动机中,增压响应被控制在0.25秒内,驾驶员根本感觉不到增压滞后的存在。
电子排放控制包括EGR(废气再循环),有效地降低了氮氧化物的排放,从前大众柴油机上没有该装置是由于机械控制很难做到非常恰当。喷嘴设计的改进和喷油压力的提高意味着噪音和排放的降低,两段式喷口设计使压力增加平缓并降低了发动机工作过程中的敲击声。
一体式燃烧室比以前的预燃式燃烧室减少了热量损失,冷启动变得更容易,以前选装的缸体加热装置也没有必要再安装了。即使在零下10度,新加热塞设计能使加热周期缩短10秒。一体式燃烧室允许更低的压缩比(18.5:1或19.5:1对老机型的22:1或23:1),可以降低发动机的噪音和震动,进而提升耐久性。
TDI发动机的燃油系统有自己的特征,现在有三种燃油喷射系统,首先是分配泵系统,由燃油泵向喷嘴顺序供油(旧机型油压在931巴,新机型压力更高),喷油时间和喷油量都由电脑控制。大多数大众TDI发动机使用博世VP 37 电控分配泵,通常它安装在发动机前端,由正时皮带驱动。分配泵和喷嘴之间是高压钢油管。这一系统应用在90和100马力的4缸1.9升机型上,还有2.5升5缸机以及150马力2.5升V-6上。在分配泵内,燃油首先通过叶片提升压力,随后旋转柱塞泵把压力进一步提升并按顺序把燃油送到每一缸喷油。每个喷嘴包含带回位弹簧的活塞,一旦燃油压力超过设定值,喷口即打开。5个喷口直径极小。回位弹簧按两级工作,即预喷在低压下进行,主喷则在高压下进行。主喷可以在混合器点火后继续进行,有效地降低了发动机的噪音。提高燃油喷射压力可以显著地改善排放水平,例如奥迪A4 TDI把喷射压力提升到1368巴,把排气颗粒水平降低了20%。所付出的代价是把燃油泵中的柱塞加粗1毫米。
其它大众TDI机型如115马力和150马力1.9升4缸机,1.2和1.4升3缸机采用泵喷嘴技术,在这些机型上,每缸有自己的小型高压燃油泵,由进排气凸轮轴驱动,泵喷嘴由低压叶片泵供油,当活塞接近压缩行程的上至点时,泵喷嘴的主泵活塞受到激发,但喷油量由附在其上的电磁阀控制,多余油量由旁通阀流回。电磁阀通电时,旁通阀关闭,燃油以高压形式通过喷嘴喷出,要停止喷油,只要给电磁阀断电,燃油即从旁通阀回流。喷油时间就是电磁阀开启时间,且每缸的燃油喷射是独立完成的,便于精确控制。
最后一种是高压共轨喷射系统,它的概念有点类似于汽油机喷射系统,只不过油轨内的压力提高了1000倍。中央油泵把高压油送入油轨,在油轨上对应每缸有相应的电磁阀控制燃油进入喷嘴。尽管说起来简单,但超高压使系统建造并不容易。这套系统应用在180马力2.5升V6机和3.3升V8机型上。
涡轮增压器的作用是增加发动机的进气量,使功率和扭矩都有较大幅度的增长。它工作起来就像一台微型航空发动机,涡轮位于柴油机排气系统上,把排气能量转换成旋转动能,驱动压缩机把更多的进气送入燃烧室。增压器与发动机没有任何的机械连接,因此不会消耗发动机的能量,其润滑和冷却由发动机上引出的机油来完成。

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