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1、1绪论1 绪论1.1 选题背景随着当今汽车行业技术的迅猛发展，汽车发动机追求的是一种节能、低排、高性能的方向，德国大众汽车公司在2007年开发出来的一款发动机就同时具备了小巧、宁静、节能、大转矩和高环保性能。它就是双增压缸内分层直喷汽油发动机( Twincharged Stratified Injection,TSI)，汽油发动机具备了高压、分层直喷、增压、精密等诸多现代发动机技术特点。 具有高效节能、转矩与功率大、更加环保以及体积小巧、噪声低等性能特点，同时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，节约了很大的成本。降低排量的同时提升发动机动力性是未来发动机技术的发展
2、的方向，更符合节能环保的要求。大众汽车TSI汽油发动机以涡轮增压和机械增压，再加上缸内直喷技术实现了对发动机动力的提升，同时又凭借新一代空气动力学优化，让进气气流的分布状态有助于降低能量损耗，从而达到使涡轮增压器能够更早更快起动、动态响应更加灵敏。其最明显的优势特征在于TSI汽油发动机在低转速时即可产生高扭矩，并在一个很宽的转速范围内保持最大扭矩输出，动力输出持续饱满。TSI汽油发动机的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。因为其优异的性能，符合了发动机节能、低排、高性能的发展方向。所以被很多车型所运用，如大
3、众CC、奥迪A4L、进口尚酷等，车上配置的都是TSI汽油发动机，而且这些车型的销量也非常的可观。 1.2 研究的目的及意义通过研究分析大众TSI汽油发动机的关键技术，要了解它小巧、宁静、节能、大转矩和高环保性能的特点所在。在油价不断上涨的今天，社会提倡资源节约型社会，任何事都讲究高效率。小排量、高效率的发动机被越来越多的人所青睐。而大众公司新开发的TSI汽油发动机正是顺应了社会的需要，TSI汽油发动机运用了发动机最先进的技术，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，同时能够满足了高效率和大功率的要求，通过分析大众TSI汽油发动机的关键技术与原理，要掌握涡轮增压和机械增压
4、技术之间是怎样结合在一起的，以及TSI汽油发动机运用的缸内直喷技术。要从分析的过程中了解该发动机节能高效环保和大扭矩的特点所在，并要求深入掌握该发动机的各种技术。 在城市中走走停停，发动机最主要的工况集中在中小负荷，这使大排量发动机不得不经常把节气门开度放在很小的位置，造成巨大的泵气损失；而在同样情况下，大众TSI汽油发动机的涡轮增压器并不参与工作，相当于一款低排量的自然吸气发动机，显现出节省燃油的优势；而在高负荷时，TSI汽油发动机则通过涡轮增压增加进气量，从而产生更高的动力，达到与大排量发动机相同甚至更优的动力性能。此外，发动机排量减小可以有效降低发动机的体积和重量，对于整车布置和降低油耗
5、都会带来直接的益处。 虽然TSI汽油发动机有着许多优异的性能，但是也存在着许多弊端，如对燃油的品质要求较高和对发动机的材质要求高，通过分析，要对TSI汽油发动机有一个全面的认识。1.3 国内外汽油机技术的发展现状目前，为了在发动机高输出功率、低尾气排放和燃油经济之间寻找到平衡点，各大厂商频频使用涡轮增压系统。涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩，让车子更有劲。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率。如今之汽车市场，多家车企都有各自的一套涡轮增压系统，可谓一直上演着“T”字之争，每家车企运用涡轮增压发动机有各自特点和优势。宝马汽车公司的BMW
6、760Li、X5M、新一代Z4等新品均搭载双涡轮增压技术和高精度直喷系统。其中，BMW760Li使其12缸动力单元可实现400Kw最大功率，并且在转速仅为1500r/min时就可以提供750 Nm的最大扭矩。两个涡轮增压器布置在双侧气缸的外部，每个增压器负责给6个气缸压入新鲜空气，帮助它的最大扭矩区间从1500RPM上升到5000RPM。X5M搭载了宝马的4.4升V8双涡轮增压发动机，配备了高精度直喷系统（High Precision Injection，HPI），最大功率408KW/6000转，峰值扭矩678 Nm /15005650r/min。沃尔沃S80L3.0T6AWD搭载了先进的3.
7、0L直列六缸涡轮增压发动机0至100公里/小时加速仅需7.2秒，如果用风驰电掣来形容似乎一点也不为过。而T6发动机所采用的双涡流技术，分两个阶段吸入废气，流入的气体分成两部分，分别流入三个气缸。双涡流技术使用了更紧凑、更高效的涡轮增压器，并使其反应迅速，与双涡轮增压器不相上下。3.0T6AWD车型配有沃尔沃全轮驱动系统，采用了电控液压离合器，在前后轮之间分配驱动力，以确保所有情况下的最大道路附着力。大众公司则是采用了涡轮增压与机械增压的结合的技术，也就是TSI汽油发动机，涡轮增压与机械增压相结合在搭上缸内分层直喷。目前，大众公司已经有三款TSI汽油发动机已实现了中国本地化生产，它们分别是1.4
8、TSI、1.8TSI及2.0TSI涡轮增压直喷汽油发动机。为了适应中国市场，当TSI实现中国本地化生产后大众公司对它的技术有了一定的改进，去掉了机械增压，只剩下涡轮增压和缸内分层直喷技术。不过即使这样TSI还是保持了很好的技术特点。在很宽泛的发动机转速范围内，这三款TSI汽油发动机的动力性表现优异，兼顾了低速时的高扭矩输出和高速时的高功率输出，也保持了较低的燃油消耗及尾气排放。 1.4TSI汽油发动机：最新1.4TSI汽油发动机被装配于速腾、迈腾、高尔夫和朗逸等车型。1.4TSI汽油发动机以1.4L的低排量获得相当于2.0L普通发动机的动力输出。1.4TSI汽油发动机在5000r/min的最大
9、功率输出可达到96kW，在17503500r/min可保持220Nm的最大扭矩输出。1.8TSI汽油发动机（如图1-1所示），最新1.8TSI涡轮增压直喷汽油发动机已经装配于迈腾和速腾冠军版等车型。1.8TSI涡轮增压直喷汽油发动机在5000r/min的最大功率输出可达到118kW。 在15004200r/min可保持250Nm的最大扭矩动力输出。动力输出可以与一款普通2.4L汽油发动机相媲美。2.0TSI汽油发动机：最新2.0TSI汽油发动机已经装配于Eos、Tiguan以及迈腾等车型。以装配于迈腾的2.0TSI（如图1-2所示）涡轮增压直喷汽油发动机为例，在51006000r/min的最大
10、功率输出可达到147Kw，1700至5000r/min可保持280Nm的最大扭矩输出，这让它的动力输出可以与一款普通V型6缸汽油发动机相媲美。 图1-1 大众1.8 TSI汽油发动机图1-2 搭载2.0TSI汽油发动机的大众迈腾 1.4 论文主要研究内容这篇文章主要研究大众TSI汽油发动机的关键技术：可变截面涡轮增压技术，罗茨式机械增压技术和缸内直喷技术的工作原理、结构组成、优缺点的分析,以及涡轮增压与机械增压是怎样协调组合在一起工作的。最后，对TSI汽油发动机常见的故障和相应的维修方法做简单的分析。第 26 页 共 31 页2 TSI汽油发动机的基本结构及工作原理2 TSI汽油发动机的基本结
11、构及工作原理2.1 大众TSI的基本结构对TSI汽油发动机的结构组成而言，与一般发动机相比，除了基本机构都相同外，存在的不同点就是有两个增压器和两套独立的冷却系统。两个增压器分别是可变截面涡轮增压器和罗茨式机械增压器，两套冷却系统一套主要用于发动机自身冷却的发动机冷却系统，另一套冷却系统主要用于涡轮增压器和增压空气的冷却，是通过电动冷却液循环泵驱动冷却液实现。如图2-1所示。图2-1大众TSI汽油发动机各部件拆解图2.2 大众TSI汽油发动机增压系统的工作原理 TSI汽油发动机使用了一系列的装置来提高发动机的工作效率，其采用的措施有：废气涡轮增压，罗茨式机械增压，还有缸内直喷分层燃烧和控制压力
12、的措施，并通过这些措施的相互配合来工作来达到提高效率的目的。 如下图2-2所示，机械增压器和涡轮增压器在进气道中是被串联在一起的。空气从空气过滤器进入到进气管以后，首先要经过机械增压器，然后通过进气管的引导再经过涡轮增压器，最后进入到进气歧管当中去。虽然机械增压器和涡轮增压器是相互串联在一起的，但两者并不都是同时工作。当发动机处于怠速工况时（通过节气阀开度传感器可以测得），机械增压器的电磁离合器是分离的，此时发动机与机械增压器之间动力是断开的（这就意味着增压器没有消耗发动机功率），而且机械增压器附近的进气旁通阀打开，空气并没有流经机械增压器，而是从旁通阀直接吸入；到了涡轮增压器的位置，涡轮增压
13、的进气旁通阀也是打开的，这就相当于进气绕过了涡轮增压器，直接被吸入气缸。也就是说在怠速工况时，涡轮增压器和机械增压器都是不工作的，这相当于一台自然吸气发动机。 _$ 6 W 当发动机在部分负荷工况下低转速运转时（通过节气阀传感器检测到又少许油门开度，而且通过发动机转速传感器检测到转速处于低速运转），电脑会接通机械增压器的电磁离分离，并且关闭机械增压旁通阀，让机械增压器开始工作，此时的增压值为120kPa.我们知道机械增压器有增强低速扭矩的特点，而且在低转速时对发动机功率的消耗并不大。所以既能够获得良好的油门相应，又能够增大发动机扭矩输出。当发动机超过1500r/min时，涡轮开始介入，此时的增
14、压值提高到250kPa。当发动机转速达到3500r/min以上的高转速时，机械增压器开始停止增压，此时完全依靠涡轮增压来进行增压，增压值从250kPa降到130kPa。因为一旦转速上升，机械增压器会消耗大量发动机能量，而中高转速是涡轮增压的强项，这样不仅避免了涡轮迟滞，让涡轮有足够的加速时间，还在很大程度上增加了低转扭矩，降低高转速时机械增压器产生的噪音。这样彻底解决了两种增压方式的缺陷，达到了一种完美增压的效果。 图2-2 大众TSI增压系统工作原理图3 TSI汽油发动机的关键技术分析3 TSI汽油发动机的关键技术分析3.1 可变截面涡轮增压器的分析涡轮增压器是现代增压发动机的关键部件。它利
15、用发动机排气能量的动力，吹动涡轮，带动共轴的压气机轮一起高速旋转，压气机将新鲜空气压缩后，供给发动机工作，从而使发动机功率大幅度提高，油耗率下降，噪声和排污减少，有效改善发动机的动力、经济和环保性能。涡轮增压器是高效、节能、环保高科技产品，它与发动机配套工作，日益广泛应用于汽车、工程机械、发电机组、船舶等各领域。一般的涡轮增压器安装在发动机的进排气歧管上，处在高温，高压和高速运转的工作状况下，其工作环境非常恶劣，工作要求又比较苛刻，因此对制造的材料和加工技术都要求很高。所以，一般发动机采用的涡轮增压器的寿命都是有限的，而TSI汽油发动机采用的是可变截面涡轮增压器，不存在涡轮增压器的保养成本高的问题，而且这套系统和发动机的寿命相同，也不需要按照里程进行更换，如图3-1所示可变截面涡轮增压器的汽油发动机。涡轮增压系统的心脏是可调涡流截面的导流叶片。这些导流叶片可在低转速、低排气量的工况下关闭，从而增大发动机的进气压力。与传统涡轮增压器相比，这极大地改善了低转速时的响应时间和加速能力。采用可变涡轮截面技术的汽油发动机在所有转速范围内的效率均明显高于目前采用的标准放气阀式的涡轮增压器。相应地，在各个转速范围内的节油性能更加出众。 图3-1 可变截面涡轮增压器为了更好的了解可变截面涡轮的
