汽车发动机技术

1、自然吸气相对涡轮增压的优点：1.相比之下温度稍低，从而产生的积碳问题轻一些。2.发动机寿命相对长些。3.动力输出相对较为线性。4技术可靠性高、耐久性好以同等动力输出而不是同等排量来比较，涡轮发动机因为排量更小，所以在涡轮不全力工作的状态下，它比同等动力水平的自然吸气发动机更加省油。例如：一台1.8T发动机动力水平相等于另一台2.4L自然吸气发动机，彼此都全力工作时，大家的油耗可能差不多；但当这两台发动机在90km/h等速巡航这种低负荷工作时，1.8T发动机的涡轮由于未充分介入工作，这时气缸内部实际工作排量只有 1.8L，而另一台自然吸气发动机工作排量始终为2.4L，这时候1.8T带涡轮的比2.

2、4L自然吸气的更省油。增压就是将空气预先压缩然后再供入气缸，以期提高空气密度、增加进气量的一项技术。由于进气量增加，可相应地增加循环供油量，从而可以增加发动机功率。同时，增压还可以改善燃油经济性。实践证明，在小型汽车发动机上采用涡轮增压或机械增压，当汽车以正常的经济车速行驶时，不仅可以获得相当好的燃油经济性，而且还由于发动机功率增加，可以得到驾驶人所期望的良好的加速性。第一节 概述增压有涡轮增压、机械增压和气波增压等三种基本类型。实现空气增压的装置称为增压器。各种增压类型所用的增压器分别称为涡轮增压器、机械增压器和气波增压器。机械增压器由发动机曲轴经齿轮增速器驱动，或由曲轴齿形传动带轮经齿形传

3、动带及电磁离合器驱动。机械增压能有效地提高发动机功率，与涡轮增压相比，其低速增压效果更好。另外，机械增压器与发动机容易匹配，结构也比较紧凑。但是，由于驱动增压器需消耗发动机功率，因此燃油消耗率比非增压发动机略高。第一节 概述涡轮增压器由涡轮机和压气机构成。将发动机排出的废气引入涡轮机，利用废气所包含的能量推动涡轮机叶轮旋转，并带动与其同轴安装的压气机叶轮工作，新鲜空气在压气机内增压后进入气缸。涡轮增压也称排气涡轮增压，涡轮增压器与发动机没有机械的联系。涡轮增压的优点是经济性比机械增压和非增压发动机都好，并可大幅度地降低有害气体的排放和噪声水平。涡轮增压的缺点是低速时转矩增加不多，而且在发动机工

4、况发生变化时，瞬态响应差，致使汽车加速性，特别是低速加速性较差。气波增压器中有一个特殊形状的转子，由发动机曲轴带轮经传动带驱动。在转子中发动机排出的废气直接与空气接触，利用排气压力波使空气受到压缩，以提高进气压力。气波增压器结构简单，加工方便，工作温度不高，不需要耐热材料，也无需冷却。与涡轮增压相比，其低速转矩特性好，但是体积大，噪声高，安装位置受到一定的限制。目前，这种增压器还只能在低速范围内使用。由于柴油机的最高转速比较低，因此多用于柴油机上。第二节 机械增压一、机械增压系统电控汽油喷射式发动机上所采用的一种机械增压系统示意图。图中机械增压器6为罗茨式压气机，由曲轴带轮12经传动带和电磁离

5、合器带轮11驱动增压器6工作。空气经增压器增压后再经中冷器7降温，然后进入气缸。当发动机在小负荷下运转时不需要增压，这时电控单元(ECU)17根据节气门位置传感器3的信号，使电磁离合器断电，增压器停止工作。与此同时，电控单元向进气旁通阀5通电使其开启，空气经旁通阀及旁通管道进入气缸。爆燃传感器9安装在发动机机体上，它将发动机发生爆燃的信号传输给电控单元，电控单元则发出相应的指令减小点火提前角，以消除爆燃。二、机械增压器在机械增压器当中，罗茨式压气机最广为人知。它由转子、转子轴、传动齿轮、壳体、后盖和齿轮室罩等构成。在压气机前端装有电磁离合器及电磁离合器带轮。在罗茨式压气机中有两个转子。发动机曲

6、轴带轮经传动带、电磁离合器带轮和电磁离合器驱动其中的一个转子，而另一个转子则由传动齿轮带动与第一个转子同步旋转。转子的前后端支承在滚子轴承上，滚子轴承和传动齿轮用合成高速齿轮油润滑。在转子轴的前后端装置油封，以防止润滑油漏入压气机壳体内。第二节 机械增压罗茨式压气机的转子有两叶的，也有三叶的。通常两叶转子为直线型，而三叶转子为螺旋型。三叶螺旋型转子有较低的工作噪声和较好的增压器特性。在相互啮合的转子之间以及转子与壳体之间都有很小的间隙，并在转子表面涂敷树脂，以保持转子之间以及转子与壳体间较好的气密性。转子用铝合金制造。第二节 机械增压罗茨式压气机的工作原理。当转子旋转时，空气从压气机入口吸入，

7、在转子叶片的推动下空气被加速，然后从压气机出口压出。出口与进口的压力比可达1.8。罗茨式压气机结构简单、工作可靠、寿命长，供气量与转速成正比。三、电磁离合器电磁离合器安装在传动带轮中。电控单元根据发动机工况的需要，发出接通或切断电磁离合器电源的指令，以控制增压器的工作。当接通电源时，电磁线圈通电，主动板吸引从动摩擦片，使离合器处于接合状态，增压器工作。当切断电源时，电磁线圈断电，主动板与从动摩擦片分开，增压器停止转动。一、涡轮增压系统1. 单涡轮增压涡轮增压系统分为单涡轮增压系统和双涡轮增压系统。只有一个涡轮增压器的增压系统为单涡轮增压系统。涡轮增压系统除涡轮增压器之外，还包括进气旁通阀、排气

8、旁通阀和排气旁通阀控制装置等。2. 双涡轮增压六缸汽油喷射式发动机的双涡轮增压系统。其中两个涡轮增压器并列布置在排气管中，按气缸工作顺序把1、2、3缸作为一组，4、5、6缸作为另一组，每组三个气缸的排气驱动一个涡轮增压器。因为三个气缸的排气间隔相等，所以增压器转动平稳。另外，把三个气缸分成一组还可防止各缸之间的排气干扰。此系统除包括涡轮增压器、进气旁通阀、排气旁通阀及排气旁通阀控制装置之外，还有中冷器、谐振室和增压压力传感器等。二、 涡轮增压器的结构及工作原理车用涡轮增压器由离心式压气机和径流式涡轮机及中间体三部分组成。增压器轴通过两个浮动轴承支承在中间体内。中间体内有润滑和冷却轴承的油道，还

9、有防止机油漏入压气机或涡轮机中的密封装置等。1.离心式压气机离心式压气机由进气道、压气机叶轮、无叶式扩压管及压气机蜗壳等组成。叶轮包括叶片和轮毂，并由增压器轴带动旋转。当压气机旋转时，空气经进气道进入压气机叶轮，并在离心力的作用下沿着压气机叶片之间形成的流道，从叶轮中心流向叶轮的周边。空气从旋转的叶轮获得能量，使其流速、压力和温度均有较大的增高，然后进入叶片式扩压管。扩压管为渐扩形流道，空气流过扩压管时减速增压，温度也有所升高。即在扩压管中，空气所具有的大部分动能转变为压力能。扩压管分叶片式和无叶式两种。无叶式扩压管实际上是由蜗壳和中间体侧壁所形成的环形空间。无叶式扩压管构造简单，工况变化对压

10、气机效率的影响很小，适于车用增压器。叶片式扩压管是由相邻叶片构成的流道，其扩压比大，效率高，但结构复杂，工况变化对压气机效率有较大的影响。蜗壳的作用是收集从扩压管流出的空气，并将其引向压气机出口。空气在蜗壳中继续减速增压，完成其由动能向压力能转变的过程。压气机叶轮由铝合金精密铸造，蜗壳也用铝合金铸造。2.径流式涡轮机涡轮机是将发动机排气的能量转变为机械功的装置。径流式涡轮机由蜗壳、喷管、叶轮和出气道等组成。蜗壳4的进口与发动机排气管相连，发动机排气经蜗壳引导进入叶片式喷管。喷管是由相邻叶片构成的渐缩形流道。排气流过喷管时降压、降温、增速、膨胀，使排气的压力能转变为动能。由喷管流出的高速气流冲击

11、叶轮，并在叶片所形成的流道中继续膨胀作功，推动叶轮旋转。涡轮机叶轮经常在900高温的排气冲击下工作，并承受巨大的离心力作用，所以采用镍基耐热合金钢或陶瓷材料制造。用质量轻并且耐热的陶瓷材料可使涡轮机叶轮的质量大约减小2/3，涡轮增压加速滞后的问题也在很大程度上得到改善。喷管叶片用耐热和抗腐蚀的合金钢铸造或机械加工成形。蜗壳用耐热合金铸铁铸造，内表面应该光洁，以减少气体流动损失。第三节 涡轮增压3.转子涡轮机叶轮、压气机叶轮和密封套等零件安装在增压器轴上，构成涡轮增压器转子。转子以超过100000r/min，最高可达200000r/min的转速旋转，因此，转子的平衡是非常重要的。增压器轴在工作中

12、承受弯曲和扭转交变应力，一般用韧性好、强度高的合金钢40Cr或18CrNiWA制造。4.增压器轴承增压器轴承的结构是车用涡轮增压器可靠性的关键之一。现代车用涡轮增压器都采用浮动轴承。浮动轴承实际上是套在轴上的圆环。圆环与轴以及圆环与轴承座之间都有间隙，形成双层油膜。圆环浮在轴与轴承座之间。一般内层间隙为0.05mm左右，外层间隙大约为0.1mm。轴承壁厚约34.5mm，用锡铅青铜合金制造，轴承表面镀一层厚度约为0.0050.008mm的铅锡合金或金属铟。在增压器工作时，轴承在轴与轴承座中间转动。增压器工作时产生轴向推力，由设置在压气机一侧的推力轴承承受。为了减少摩擦，在整体式推力轴承两端的止推

13、面上各加工有四个布油槽；在轴承上还加工有进油孔，以保证止推面的润滑和冷却。三、增压压力的调节在汽车涡轮增压系统中设置进、排气旁通阀，是调节增压压力最简单、成本最低而又十分有效的方法。排气旁通阀的工作原理。控制膜盒中的膜片将膜盒分为上、下两个室，上室为空气室经连通管与压气机出口相通，下室为膜片弹簧室，膜片弹簧作用在膜片上，膜片通过连动杆与排气旁通阀连接。当压气机出口压力，也就是增压压力低于限定值时，膜片在膜片弹簧的作用下上移，并带动连动杆将排气旁通阀关闭；当增压压力超过限定值时，增压压力克服膜片弹簧力，推动膜片下移，并带动连动杆将排气旁通阀打开，使部分排气不经过涡轮机直接排放到大气中，从而达到控

14、制增压压力及涡轮机转速的目的。在有些发动机上，排气旁通阀的开闭由电控单元控制的电磁阀操纵。电控单元根据发动机的工况，由预存的增压压力脉谱图确定目标增压压力，并与增压压力传感器检测到的实际增压压力进行比较，然后根据其差值来改变控制电磁阀开闭的脉冲信号占空比，以此改变电磁阀的开启时间，进而改变排气旁通阀的开度，控制排气旁通量，借以精确地调节增压压力虽然排气旁通阀在涡轮增压汽车发动机上得到了广泛的应用，但是排气旁通之后，排气能量的利用率下降，致使在高速大负荷时发动机的燃油经济性变差。在大排量重型车用涡轮增压发动机上多采用涡轮机喷管出口截面可变的涡轮增压器，简称变截面涡轮增压器。在这种涡轮增压器中，通

15、过改变喷管出口截面积来调节增压压力。当发动机低速运行时，缩小喷管出口截面积，使喷管出口的排气流速增大，涡轮机转速随之升高，增压压力和供气量都相应增加；当发动机高速工作时，增大喷管出口截面积，使喷管出口的排气流速减小，涡轮机的转速相对降低，这样增压器将不会超速，增压压力也不致于过高。在有叶径流式涡轮机中，可以采用转动喷管叶片的方法来改变喷管出口截面积。喷管叶片与齿轮相连，齿轮与齿圈啮合，当执行机构往复移动时，齿圈或向左或向右转动，带动与其啮合的齿轮转动，并使喷管叶片随其转动，从而使喷管出口截面积发生改变。对于无叶径流式涡轮机，可以在喷管出口处安装轴向移动的挡板来调节无叶喷管出口截面积。改变涡轮机

16、进口截面积方法。在涡轮机的进口处安装一个可摆动27°角的舌片，可动舌片的转轴固定在涡轮机壳体上，可动舌片的摆动即涡轮机进口截面积的变化由电控单元根据柴油机的转速信号进行控制。TSI    在国外大众的1.4T发动机上以及进口尚酷1.4T，TSI代表的是Twincharger Fuel Stratified Injection这几个单词首字母的缩写，通过字母表面意思可以理解为双增压+分层燃烧+喷射的意思。TSI发动机是在FSI技术的基础之上,安装了一个涡轮增压器和一个机械增压器,鉴于涡轮增压和机械增压的特性，机械增压可以从怠速开始就能为发动机提供增压效果,

17、弥补了涡轮增压系统的延时缺点,所以TSI是一种极高效率的发动机形式,会是动力性与燃油燃油经济性的完美统一。Twincharger Fuel Stratified Injection    不过，国内生产的1.4T发动机则阉割了机械增压和分层燃烧，仅保留了涡轮增压和缸内直喷。    而大众1.8/2.0TSI中的“TSI”则代表着Turbo Fuel Stratified Injection,通过字母表面意思可以理解为涡轮增压+分层燃烧+缸内直喷的意思，不过国内则省掉了分层燃烧。TFSI    F

18、SI是大众/奥迪的汽油缸内直喷技术，FSI可将燃油直接喷入燃烧室，降低了发动机的热损失，从而增大了输出功率并降低了燃油消耗，对于燃油经济性和动力性都有帮助。    TFSI就是带涡轮增压（T)的FSI发动机，简称TFSI，一般奥迪系列车型会这么称呼，大众系列直喷且带增压的发动机简称为TSI。    不过由于国内油品的问题，国产奥迪TFSI并没有使用分层燃烧技术。FSI    FSI，它所代表的单词直译为燃油分层喷射，它是大众汽车直喷发动机的标志代码。那么FSI发动机有什么好处？装载它的汽车又能带给我们怎样

19、的惊喜呢？    与那些把汽油喷入进气歧管的发动机相比，FSI发动机的主要优势有：动态响应好、功率和扭矩可以同时提升、燃油消耗降低。FSI是目前大众主推的发动机技术     理论上，FSI发动机有至少两种燃烧模式：分层燃烧和均质燃烧，有人还把均质燃烧模式细分为均质稀燃模式和均质燃烧模式。从FSI所代表的Fuel Stratified Injection含义上看，分层燃烧应该是FSI发动机的精髓与特点，不过也可以理解为它的研发起点和基础。    分层燃烧的好处在于热效率高、节流损失少、有限的燃料尽

20、可能多地转化成工作能量。分层燃烧模式下节气门不完全打开，保证进气管内有一定真空度（可以控制废气再循环和碳罐等装置）。这时，发动机的扭矩大小取决于喷油量，与进气量和点火提前角关系不大。    分层燃烧模式在进气过程中节气门开度相对较大，减少了一部分节流损失。进气过程中的关键是进气歧管中安置一翻版，翻版向上开启（原理性质，实际机型可能有所不同）封住下进气歧管，让进气加速通过，与形活塞顶配合，相成进气涡旋。    分层燃烧时喷油时间在上止点前60°至上止点前45°，喷射时刻对混合气的形成有很大影响，燃油被喷射在

21、活塞顶的凹坑内，喷出的燃油与涡旋进气结合形成混合气。混合气形成发生在曲轴转角40°至50°范围内，如果小于这个范围，混合气无法点燃，若大于，就变成均质状态了。分层燃烧的空燃比一般在1.6-3之间。    点火时，只有火花塞周围混合状态较好的气体被点燃，这时周围的新鲜空气以及来自废气再循环的气体形成了很好的隔热保护，减少了缸臂散热，提升了热效率。点火时刻的控制也很重要，它只在压缩过程终了的一个很窄的范围内。  分层燃烧演示视频    均质稀燃模式混合气形成时间长，燃烧均匀，通过精确控制喷油，可以达

22、到较低的混合气浓度。均质稀燃的点火时间选择范围宽泛，有很好的燃油经济性。    均质稀燃与分层燃烧的进气过程相同，油气混合时间加长，形成均质混合气。燃烧发生在整个燃烧室内，对点火时间的要求没分层燃烧那么严格。均质稀燃的空燃比大于1。FSI发动机结构图    均质燃烧则能充分发挥动态响应好，扭矩和功率高的特点。均质燃烧进气过程中节气门位置由油门踏板决定，进气歧管中的翻版位置视不同情况而定。当中等负荷时，翻版依然是关闭的，有利于形成强烈的进气旋流，利于混合气的形成与雾化。当高速大负荷时，翻版打开，增大进气量，让更多的空气参与燃烧。均质燃烧

23、的喷油、混合气形成与燃烧和均质稀燃模式基本一样。均质燃烧情况下空燃比小于或等于1。    以上三种燃烧状态是FSI发动机特有的燃烧控制模式，但其中有些方面还停留在理论优势方面。现在奥迪在全球发布的FSI发动机还都采用均质燃烧模式，这不是说分层燃烧不可实现，而只是说分层燃烧实施的成本或时机还不成熟。主要表现在分层燃烧用稀混合气，提高了缸内温度也提高了氮氧化物这样的有害排放物。对于稀混合气，普通的三元催化器很难把氮氧化物转换干净，那么需要额外的降低氮氧化物的催化转换器，无疑加重了空间和成本的负担。另外，现阶段高硫含量的汽油对此催化器损害很大，因此还有改造炼油设备，提升

24、燃油品质的成本。奔驰的CGI发动机也采用了直喷技术    没有了分层燃烧会不会让FSI发动机的原有优势荡然无存？答案是否定的。即使没有应用分层燃烧，FSI发动机还有能提升压缩比，降低燃烧残油量的特点。FSI发动机采用缸内直喷，汽油在缸内蒸发产生内部冷却效果，这样就降低了爆震的可能性，可适当提升压缩比。而进气涡旋与气门正时的配合能使没燃烧的残油得到良好的再利用。这样，FSI发动机仍能在提高动力，降低油耗方面有较大的作为。      FSI发动机产生的效果可以从奥迪公司公布的发动机指标看出来。以3.2升FSI和4.2升

25、FSI为例，对比的机型分别是以前的3.0升和4.2升汽油机。功率上，3.2升FSI发动机是257马力，比原机型的218马力提升了39马力，4.2升FSI发动机的350马力比原机型的335马力提升了15马力；在最大扭矩上，是3.2升FSI的330牛米对原机型的290牛米，4.2升FSI的440对原机型的420牛米。 大众在国内生产的发动机取消了分层燃烧，仅剩直喷SIDI    通用将燃油直喷技术的代号为SIDI，SIDI是Spark Ignition Direct Injection的缩写，直译为火花点燃直接喷射技术。   

26、其实现的原理和一般的直喷发动机并无二致：凸轮轴驱动的燃油泵为供油系统提供高压燃油，共轨喷油嘴将高压燃油直接注入汽缸，点火时间就可以得到精确的控制，而且高压喷射和极细的喷嘴设计则保证了喷油量的精确计算。缸内直喷技术代替了传统MPFI（多点电喷）技术之后，发动机在低转速下燃烧效率被进一步提升。6孔喷油嘴    另外，通用的SIDI技术依靠的是缸内均质燃烧来提升效率，并没有使用稀薄分层燃烧技术。由于国内油品的限制，引入国内的直喷发动机均不使用分层燃烧，通用的SIDI也没有例外。不过没有使用分层燃烧也是SIDI发动机拥有不挑食的优势，官方产品手册上也并没有对SIDI发动机

27、做出任何特殊的养护要求，这也是它相比大众系直喷发动机最大的优势所在。大众集团中有两个不同的发动机技术都叫做TSI，这显然很容易让公众迷惑。大众通过两个“TSI”不同的颜色来将其区别，在车尾部的后标上，两种“TSI”标识中字母“I”的颜色也不同，真正的“TSI”三个字母保持同色，一般为银色，而由TFSI而来的“TSI”中“I”为红色。比如速腾冠军版、迈腾、明锐所使用的1.8TSI的I就是红色的，因此都是单涡轮增压的直喷发动机而已，而引进国内的1.4TSI也将是单涡轮增压版，而不是德国原厂的双涡轮增压版。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

28、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%。大众技术编辑简介大众的TSI技术（Twincharger Stratified Injection）指双增压（涡轮和机械增压）分层喷射技术。涡轮增压的原理是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入汽缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，发动机的输出功率就得到了较大的提升。增压带来的好处是“既让马儿跑得快，又让马儿吃得少”，通常情况下加装涡轮增压器以后的发动机功率和扭矩要提高20%-40

29、%，但废气涡轮在结构简单，性能突出的背后也有它的弊端，由于叶轮的惯性作用对油门的突然变化反应迟缓，在急加速的情况下，会有短暂的发动机“不出力”的现象。此外，废气涡轮依靠发动机油散热，工作时过高的温度和超过每分钟30000次的转速都会让涡轮增压器在保养或使用不当时成为易损部件。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增大一些，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。涡轮增压器涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出

30、的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。与机械增压器合称双增压（Twincharger）。机械增压器（Super-charging）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

31、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。燃油直喷技术（Injection）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。性能强劲机械增压填补了涡轮增压产生迟滞时的动力输出，燃油直喷技术令发动机对燃料的使用效率提高到新的高度，更全面的是，大众集团此次采用了博格华纳提供的水冷涡轮增压器，新匹配的冷却系统解决了涡轮增压器的冷却问题，也更延长了使用寿命和耐用性。在欧洲，搭载双增压发动机的高尔夫