一汽大眾邁騰1.8TSI發動機雙增壓技術的研究

【摘要】 TSI是大眾集團開發的一套雙增壓器分層直接噴射技術，通過對雙增壓技術的研究，使我們對如何提高發動機工作效率，改善燃油經濟性有了新的認識。

【關鍵詞】 TSI 機械增壓 渦輪增壓

1.8TSI發動機是一汽大眾邁騰（Magotan）的一款發動機。TSI是Twincharged（雙增壓）、stratified（分層）和Injection（燃油直噴）的首字母縮寫。TSI發動機是在FSI技術的基礎之上，安裝了一個渦輪增壓器和一個機械增壓器，鑒于渦輪增壓和機械增壓的特性，機械增壓可以從怠速開始就能為發動機提供增壓效果，彌補了渦輪增壓系統的延時缺點，所以TSI是一種極高效率的發動機形式。

1. 雙增壓原理

任何一種增壓它的目的都是相同的，就是要把空氣壓縮以后再通入到氣缸當中燃燒，這樣可以使空氣密度更大，這就意味著單位體積內的氧氣分子更多。在發動機排量不變的情況下，吸入的氧氣分子越多，再配合燃油噴射系統提供的更多的汽油，那么可以輸出更高的動力。不管是渦輪增壓還是機械增壓都是為了達到這一目的而設計的，只不過兩者的實現手段不相同。

1.1渦輪增壓原理

我們知道發動機的排氣是高溫高壓的，這就意味著排氣中仍然含有巨大的能量。將廢氣渦輪裝在排氣管之中則能利用排氣能量來驅動渦輪高速旋轉，從而能夠帶動進氣渦輪隨之高速旋轉，以獲得壓縮進氣的能量。所以渦輪增壓器是不需要額外的消耗發動機能量的。而且發動機轉速越高廢氣排放速度和能量也越大，使得渦輪的轉速也越高，這樣進氣渦輪壓縮空氣的能力也越強。

對于渦輪增壓的發動機來說，轉速越高，進氣效率也越高，能夠發揮出來的功率就越大。所以渦輪增壓器對于發動機的高速運轉是非常有好處的。但是我們知道，渦輪也是有質量的，有質量的物體就會存在慣性。發動機在怠速工況時轉速往往只有幾百轉，而且在怠速工況時渦輪是不能介入工作的。除了因為發動機轉速低，排氣能量不足以驅動渦輪高速運轉，還有一個更重要的原因就是怠速時發動機負荷低，如果此時渦輪也參與工作，那么發動機會過熱，并且耗費更多不必要消耗的汽油。所以怠速工況時，進氣和排氣旁通閥會自動打開，此時進氣和排氣都沒有經過渦輪，新鮮空氣是直接被吸入氣缸，廢氣也是直接排入大氣中的。

由于增壓發動機的壓縮比都比較低，所以在渦輪介入之前發動機的動力性是非常差的。即便是低值增壓，起碼也要到將近1800轉/分時渦輪才會起到作用（帕薩特1.8T的渦輪介入轉速為1800轉/分-2000轉/分）。這種狀況是非常不適合城市駕駛的。因為城市開車經常要走走停停，所以從怠速到2000轉/分這個轉速范圍段是很頻繁使用的。

1.2 機械增壓原理

所謂機械增壓，就是利用發動機的動力帶動一個羅茨壓氣機，通過發動機本身的動力來壓縮空氣的一種增壓方式。機械增壓器的原理與發動機機油泵有些類似，也是與發動機動力相連，只不過壓縮的是空氣。它與渦輪增壓器在性能上最大的區別就是對壓氣機的轉速沒有限制。也就是說只要羅茨壓氣機在轉，就可以壓縮空氣。而渦輪增壓器由于是靠高速旋轉產生的空氣離心力來壓縮空氣，所以需要非常高的轉速（通常渦輪的轉速能接近10萬轉/分鐘）。所以即便發動機怠速或者處于1000轉左右的低轉速，也能連接機械增壓器壓縮進氣。

不過出于經濟性考慮，怠速工況時電磁離合器是斷開的，也就是說怠速時壓氣機并沒有與發動機動力相連，不過只要踩下油門，電磁離合器可以迅速連接發動機動力。所以機械增壓能夠給汽車帶來很好的低轉扭矩，讓起步時沖勁十足。雖然克服了渦輪增壓器遲滯的缺陷，但機械增壓也并非完美。由于它需要消耗發動機動力，而且機械增壓器中的兩個轉子相互摩擦會損耗大量的能量。在低轉速時，由于轉速低損耗也就小，但如果處于高轉速工況，那么能量損耗是非常大的。不僅經濟性差，高轉速時的動力性也要受到影響。

2. 雙增壓工作過程

2.1雙增壓系統的結構

渦輪增壓和機械增壓都有著各自的先天缺陷，而這兩種增壓方式的優缺點又是相互互補的。大眾就是利用了這兩種增壓性能優缺點的互補性開發出了TSI雙增壓系統，也就是說，TSI發動機擁有兩套增壓系統，一套靠渦輪壓縮進氣，另一套靠羅茨壓氣機壓縮進氣。電腦既能夠控制進排氣旁通閥的開閉，也能控制機械增壓器與發動機相連接的電磁離合器的開閉。如圖，機械增壓器和渦輪增壓器在進氣道中是被串聯在一起的。空氣從空氣過濾器進入到進氣管以后，首先要經過機械增壓器，然后通過進氣管的引導再經過渦輪增壓器，最后進入到進氣歧管當中去。雖然機械增壓器和渦輪增壓器是相互串聯在一起的，但兩者并不都是同時工作。

2.2怠速工況時雙增壓的運行過程

當發動機處于怠速工況時（通過節氣閥開度傳感器可以測得），機械增壓器的電磁離合器是分離的，此時發動機與機械增壓器之間動力是斷開的（這就意味著增壓器沒有消耗發動機功率），而且機械增壓器附近的進氣旁通閥打開，空氣并沒有流經機械增壓器，而是從旁通閥直接流過；到了渦輪增壓器的位置，渦輪增壓的進氣旁通閥也是打開的，這就相當于進氣繞過了渦輪，直接被吸入氣缸。也就是說在怠速工況時，渦輪增壓器和機械增壓器都是不工作的，這相當于一臺自然吸氣發動機。

2.3部分負荷工況時雙增壓的運行過程

當發動機在部分負荷工況下低轉速運轉時（通過節氣閥傳感器檢測到少許油門開度，而且通過發動機轉速傳感器檢測到轉速處于低速運轉），電腦會接通機械增壓器的電磁離合器，并且關閉機械增壓器附近的進氣旁通閥，讓機械增壓器開始工作，此時的增壓值為1.2bar。機械增壓器有低轉速時增強扭矩的特點，而且在低轉速時對發動機功率的消耗并不大。所以既能夠獲得良好的油門響應，又能夠增大發動機扭矩輸出。當發動機超過1500轉/分時，渦輪增壓開始介入，此時的增壓值提高到2.5bar。當發動機轉速達到3500轉/分以上的高轉速時，電磁離合器切斷機械增壓器的動力，使之停止工作，此時完全依靠渦輪增壓來進行增壓，因為一旦轉速上升，機械增壓器會消耗大量發動機能量，而中高轉速恰是渦輪增壓的強項。

2.4雙增壓系統的優點

雙增壓系統不僅避免了渦輪遲滯，讓渦輪有足夠的加速時間，還在很大程度上增加了低轉扭矩。如圖1所示，紅色表示扭矩曲線，綠色表示功率曲線。發動機轉速從1000rpm開始，扭矩值的爬升是非常快的。這主要得益于在低轉速時機械增壓的作用。

結語

本文主要簡述了一汽大眾邁騰1.8TSI發動機的雙增壓技術的工作原理和各工況下的工作過程。TSI發動機的雙增壓技術很好地發揮了機械增壓和渦輪增壓各自的優點，同時又避免了二者的缺陷，兩者揚長避短，優勢互補，實現了發動機功率轉矩大、燃油經濟性好的設計目標。我們通過對TSI發動機雙增壓技術的研究，對于以后如何提高發動機效率，更好地實現電腦控制發動機運行有了新的認識。

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