一款1.4L排量小型化的發(fā)動(dòng)機(jī)是如何與“渦輪增壓+機(jī)械增壓+缸內(nèi)直噴“技術(shù)協(xié)調(diào)運(yùn)用的？下面我們以多圖來解讀一下這款大眾1.4TSI發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理。
大眾1.4TSI發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)非常簡單，它是大眾的一款1.4升汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率125kw，最大扭矩240Nm/1750rpm~4500rpm，搭載這款發(fā)動(dòng)機(jī)的大眾高爾夫GT百公里綜合油耗僅為7.2升，在優(yōu)良路況中油耗甚至可降至5.9升。——1.4L的排量油耗低而輸出功率超過許多2.3L發(fā)動(dòng)機(jī)。在國外，這類強(qiáng)力發(fā)動(dòng)機(jī)通常是用在性能版車型上的，在提升性能的同時(shí)價(jià)格也不菲。在大眾，1.4TSI就被用在了強(qiáng)調(diào)操控性的高爾夫GT上。
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紅色的Golf在1.4TSI的驅(qū)動(dòng)下，猶如紅色旋風(fēng)
把它“掏出來”看清楚點(diǎn)(下圖)——的確，它比普通發(fā)動(dòng)機(jī)要復(fù)雜多了。
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從前后兩個(gè)方向看大眾1.4TSI發(fā)動(dòng)機(jī)
為什么這款發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)有這么復(fù)雜？因?yàn)檫@同它的功能有關(guān)。首先來看TSI的組成，T代表Turbo-charging(廢氣渦輪增壓)，S代表Super-charging(機(jī)械增壓)，I代表Fuel Stratified Injection(燃油分層直噴)。“以最低的油耗獲得最大的功率”是對(duì)TSI發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)的準(zhǔn)確概括，TSI發(fā)動(dòng)機(jī)將小型化技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)械增壓技術(shù)和渦輪增壓技術(shù)巧妙組合，兼顧了低速時(shí)的扭矩輸出和高速時(shí)的功率輸出，解決了兩種技術(shù)各自的不足。
也就是說，TSI比普通發(fā)動(dòng)機(jī)多了廢氣渦輪增壓和機(jī)械增壓這兩項(xiàng)配置，還包括燃油直噴的功能，所需的機(jī)件自然要多。其次，為了讓這些附加的裝置能夠正常地工作，還會(huì)有其他附屬零件的配置。這樣才能做到“1+1>2”，也難怪1.4TSI會(huì)比較復(fù)雜了。那么它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何呢？它又是怎么工作的呢？
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| 1.4TSI發(fā)動(dòng)機(jī)幾大部件分解圖 |
增壓，顧名思義就是增加壓力。那么，它是增加哪里的壓力，有什么作用，又是怎么增壓的呢？
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1.4TSI上大名鼎鼎的廢氣渦輪增壓套件
渦輪增壓。渦輪增壓是目前全世界汽車廠商運(yùn)用最為廣泛的發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)，它可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出廢氣產(chǎn)生的能量，來大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。其工作原理是，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣驅(qū)動(dòng)廢氣渦輪高速旋轉(zhuǎn)，廢氣渦輪再帶動(dòng)進(jìn)氣渦輪以同樣的速度旋轉(zhuǎn)，以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大氣的壓力將空氣壓縮到氣缸內(nèi)助燃。由于空氣的易壓縮性，因此在渦輪增壓下的進(jìn)氣量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自然吸氣的進(jìn)氣量，這樣就提高了引擎的功率輸出。
換句話說就是，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的熱廢氣是帶有能量的，渦輪增壓就相當(dāng)于廢物利用，重新收集了一部分廢熱，增加輸出功率。因此，要得到同樣的功率，有增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)就能做得更小，也就更輕，從而提高了操控降低了油耗。
但是，渦輪增壓有個(gè)先天的缺陷，就是渦輪遲滯，即發(fā)動(dòng)機(jī)必須達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速才能啟動(dòng)渦輪，現(xiàn)在換用小渦輪后解決了一部分時(shí)滯問題。除此之外，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比通常還得降低，比如到6.5:1以下，來避免氣缸過熱。這樣做的結(jié)果就是在低速渦輪沒有介入的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出甚至還不如自然吸氣機(jī)型。另一個(gè)問題是達(dá)到渦輪介入的轉(zhuǎn)速后，增壓導(dǎo)致動(dòng)力輸出陡增，破壞了動(dòng)力的平穩(wěn)輸出和操控的準(zhǔn)確性。為了解決這些缺陷，汽車工業(yè)發(fā)展出了不少方法：使用帶旁通的渦輪增壓套件減小遲滯，采用中冷器提高壓縮比改善低轉(zhuǎn)速的動(dòng)力輸出，采用新材料渦輪降低運(yùn)動(dòng)慣性，雙渦輪增壓以及機(jī)械增壓等。
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中冷器結(jié)構(gòu)圖及中冷器散熱片的組成示意圖
1.4TSI發(fā)動(dòng)機(jī)是有中冷器的，即在渦輪增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)之間引入了一個(gè)中冷器。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)直接排出的廢氣溫度通常高達(dá)8、9百度，會(huì)造成渦輪本體、進(jìn)氣溫度升高，加之壓縮空氣時(shí)做功，增壓壓縮進(jìn)氣缸的氣體就有可能過熱而造成汽油預(yù)燃而發(fā)生爆震，影響動(dòng)力輸出；同時(shí)，高溫也是引擎的隱形殺手。所以，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)通常會(huì)引入中冷器來降低進(jìn)氣溫度。一般來說，使用中冷后能減小50～60度的進(jìn)氣溫度（離開臨界值），可以適當(dāng)?shù)奶岣甙l(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比，改善低轉(zhuǎn)速時(shí)的動(dòng)力輸出；同時(shí)由于冷空氣的密度大，所以在相同條件下，這種設(shè)計(jì)可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣密度，因此發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率更高。
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機(jī)械增壓技術(shù)。機(jī)械增壓的歷史比較悠久，在上世紀(jì)60年代渦輪增壓技術(shù)出現(xiàn)以前，機(jī)械增壓是當(dāng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的主流增壓技術(shù)。機(jī)械增壓的壓縮機(jī)直接被發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸帶動(dòng)，它的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)性好（完全沒有遲滯）。但是它本身需要消耗一部分能量，因此機(jī)械增壓不能產(chǎn)生特別強(qiáng)大的動(dòng)力，尤其是在高轉(zhuǎn)速時(shí)，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生大量的摩擦，損失能量，從而影響到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高。不過，機(jī)械增壓器在中低轉(zhuǎn)速時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出有明顯改善，但峰值功率出現(xiàn)較早，發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速較低。另外，配置機(jī)械增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)可以在任何時(shí)候，都能輸出源源不斷的扭力，大大減小換擋頻率。
機(jī)械增壓在發(fā)動(dòng)機(jī)中低轉(zhuǎn)速時(shí)效果好，而渦輪增壓則能在高速時(shí)起到很大的提升作用；因此，如果能夠把它們結(jié)合起來就能避免各自的不足，很自然地在寬范圍內(nèi)提供所需的動(dòng)力了：
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1.4TSI發(fā)動(dòng)機(jī)工作示意圖
注：其中紅色是廢氣通道，藍(lán)色是進(jìn)氣系統(tǒng)，機(jī)械增壓和渦輪增壓串聯(lián)
1.在低轉(zhuǎn)速時(shí)，由機(jī)械增壓提供大部分的增壓壓力，這些壓力也用來驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器，因此渦輪增壓器的啟動(dòng)更平順，響應(yīng)速度更快。
2.在1500rpm時(shí)，兩個(gè)增壓器同時(shí)提供增壓壓力，其總增壓值達(dá)到2.5bar（如果渦輪增壓器單獨(dú)工作，只能產(chǎn)生1.3bar的增壓壓力）。隨著轉(zhuǎn)速的提高，渦輪增壓器能使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更大的功率，與此同時(shí)，機(jī)械增壓器的增壓壓力逐漸降低。
3.在轉(zhuǎn)速超過3500rpm時(shí)，由渦輪增壓器提供所有的增壓壓力，此時(shí)機(jī)械增壓器在電磁離合器的作用下完全與發(fā)動(dòng)機(jī)分離，防止消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率。
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機(jī)械增壓及渦輪增壓的不同階段工作情況示意圖
為了讓駕駛者更為明白地掌握發(fā)動(dòng)機(jī)所處工況，廠家還比較人性化地在儀表臺(tái)提供了一個(gè)Boost表，描述的是渦輪機(jī)即時(shí)增壓狀況。這樣，有沒有增壓，表針動(dòng)沒動(dòng)一目了然；表針越向右擺，表示此刻增壓比越高，非常直觀。
FSI燃油直噴技術(shù)。FSI直噴的噴油嘴共有6個(gè)噴油孔，其噴油壓力高達(dá)150bar！FSI即發(fā)動(dòng)機(jī)利用一個(gè)高壓泵，使汽油通過一個(gè)分流軌道（共軌）到達(dá)電磁控制的高壓噴射氣門。它共有兩種運(yùn)行方式，發(fā)動(dòng)機(jī)按照負(fù)荷工況，自動(dòng)進(jìn)行選擇，以保證足夠的燃油經(jīng)濟(jì)性：
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汽油直噴示意圖
低負(fù)荷時(shí)的特點(diǎn)是在進(jìn)氣道中已經(jīng)產(chǎn)生可變渦流，此時(shí)節(jié)氣門為半開狀態(tài)，空氣由進(jìn)氣管進(jìn)入汽缸撞在活塞頂部，由于活塞頂部制作成特殊的形狀從而在火花塞附近形成期望中的渦流。然后，進(jìn)氣流形成最佳的渦流形態(tài)進(jìn)入燃燒室內(nèi)，以由濃至稀的分層填充的方式推動(dòng)，使混合氣體集中在位于燃燒室中央的火花塞周圍。因?yàn)橄∪技夹g(shù)的混合比達(dá)到25：1以上，按照常規(guī)是無法點(diǎn)燃的，所以最內(nèi)層要易于點(diǎn)火，混合比大概在12：1左右，然后一層一層地向外燃燒。這樣能夠節(jié)約燃料。而在高負(fù)荷中所進(jìn)行的均質(zhì)理論空燃比（14.6-14.7）燃燒中，大量空氣高速進(jìn)入汽缸形成較強(qiáng)渦流，燃油則是在進(jìn)氣沖程中噴射。
應(yīng)用FSI技術(shù)要求提高壓縮比，而使用渦輪則要求降低壓縮比，這二者在配置了我們上面談到的中冷器后達(dá)到了平衡，即10:1。另外，F(xiàn)SI 發(fā)動(dòng)機(jī)由于噴射器的加入導(dǎo)致了對(duì)設(shè)計(jì)和制造的要求都相當(dāng)?shù)母撸绻贾貌缓侠?、制造精度達(dá)不到要求導(dǎo)致剛度不足甚至漏氣只能得不償失。另外FSI發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油品質(zhì)的要求也比較高。但是，在應(yīng)用了“渦輪增壓＋機(jī)械增壓＋燃油直噴”技術(shù)之后，這款引擎發(fā)生了質(zhì)的變化。大眾是在EA 111的1.4 FSI發(fā)動(dòng)機(jī)（1390cc, 66Kw/88Hp, 4缸4氣門）基礎(chǔ)上進(jìn)行的雙增壓設(shè)計(jì)，而這款發(fā)動(dòng)機(jī)（1.4TSI發(fā)動(dòng)機(jī)）與我們所熟悉的POLO GP上的那個(gè)1.4 4v 55kw是一樣的不過動(dòng)力輸出的確是天壤之別：前者是后者的一倍還要多
型號(hào) 1.4TSI 1.4FSI 1.4V
排量mm 1390 1390 1390
缸徑X沖程mm 75.6X76.5 76.5X75.6 76.5X75.6
壓縮比 10:1 10.5:1
最大功率Kw/rpm 125 66 55
最大扭矩Nm·rpm 240 150 135
從1.4TSI的工況圖上可以看到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1000轉(zhuǎn)時(shí)，輸出的扭矩就已經(jīng)高達(dá)176NM，要知道好多1.6或1.8甚至2.0的發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩也就這個(gè)水平。低速大扭矩帶來大操控感受果然非同尋常，配置1.4TSI的Golf GT的0~100km/h加速時(shí)間小于8s。
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1.4TSI的發(fā)動(dòng)機(jī)工況圖
Golf GT裝載1.4TSI的參數(shù)：
最大車速：220kM/h
0--100kM/h : 7.9s
80--120kM/h: 8.0s
使用98#超級(jí)汽油時(shí)的油耗為：
城市道路：9.6L/100kM;
良好道路：5.9L/100kM;
平均：7.2L/100kM;
CO2（二氧化碳）排放量：173mg/km
最后要指出的是，1.4TSI的綜合表現(xiàn)雖然很好，但正如前面所講，廠家推出1.4TSI幾乎就榨干了這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的所有潛力，其活塞連桿等恐怕再難承受更大的壓力了，要玩改裝可別選它了。
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