欧洲车不再是油耗子——谈FSI发动机

大家都认为日本车和欧美车最大的区别就在于燃油经济性上，那么影响燃油经济性的关键在哪里呢？其实就是发动机技术。而德国大众汽车公司开发FSI发动机的目的就是想改写德国车耗油的历史，将省油进行到底。 icar

　　2006年11月11～12日,一汽奥迪在北京西坞乡村马术俱乐部，举办了一场非同寻常的马术盛 会。这次马术会是为了配合奥迪A8L 07年型荣耀上市而举行的。新A8L的核心卖点是奥迪顶尖的 FSI汽油直喷式发动机。FSI技术的产生在1993年，大众的工程师们将1989年在大众的柴油发动机上的TDI技术移植到汽油机上，打造了今天的FSI发动机。然而大众公司真正开始使用这一技术却是在2000年的路波车上，1.4L的发动机可以达到77kW的功率，平均油耗却在5L/100km以下，这在当时来说是多么惊人的数字啊。虽然路波车并没有因此而畅销，但是大众的另一个车型却因FSI受到了重视，那就是POLO。另外在奥迪A2、A3、A4、A6甚至TT车型上都已经应用了FSI技术。不过在中国上市的FSI发动机后面又跟上了一个“汽油直喷式”的尾巴，这是什么原因呢？

　　什么是FSI技术

　　FSI是Fuel Stratified Injection的缩写，意思就是燃料分层喷射技术，大众的FSI发动机的技术核心在于分层稀燃技术，它是发动机稀燃技术的一种。那么什么是稀燃呢？顾名思义就是发动机混合气中的汽油含量低，汽油与空气的混合比值最低可至1∶25。以如此低的油气混合维持发动机的运转，达到低油耗的效果，因此FSI技术的核心价值正在这个分层（Stratified）燃烧上。

　　根据发动机不同的工况，我们可以大致把它分为低负荷和高负荷两种。在低负荷状况下，发动机运用传统技术对燃油进行混合并送入发动机，由于FSI发动机采用的稀燃技术，因此混合气体在进气道中就形成了可变涡流，油气混合物以涡流状态进入燃烧室。不过FSI发动机所产生的涡流的浓度是由里到外逐渐变稀的，但是当油气混合比例达到了1∶25以上时，通过常规的火花塞点火技术就不可能将混合气体点燃。于是工程师设计出分层燃烧的方式来解决这个问题：涡流使油气混合物在火花塞周围形成一个球型气团，这个气团中央部分的油气混合比例达到1∶12左右，外层的比例可达到1∶25。火花塞点火时，先点燃中央浓度高的混合气体，然后燃烧才扩散到外层，达到完全燃烧的效果。

　　在高负荷的时候则利用高压泵在缸内直喷燃油并将空燃比调节至理论值14.6~14.7。燃油在进气行程中就开始喷射，为了保证油气混合更均匀，此时真空阀全开，加大进气量，点火时间提前，以提高动力输出。同时进行废气再循环，即使在理论空燃比的混合气燃烧中，仍然可以实现降低油耗的目的。

　　但是根据FSI发动机的稀薄燃烧原理来看，实际上是不符合环保要求的。因为FSI发动机采用了分层稀薄燃烧的技术，空气所占的比例很大，燃烧后的产物含氧量也比较高，阻碍了三元催化器的工作效率。因为三元催化器是需要利用排气中的HC或CO进行NOX还原反应的，过高的氧含量会导致三元催化器不能正常工作，当然过高的排气温度也是导致三元催化器的效率低下的一个主要原因。同时过高的排气温度也可以导致发动机长时间工作在理论空燃比之下，导致分层技术无法发挥，从而出现油耗升高的问题。因此，FSI还必须安装一套废气冷却装置，使排气温度保持在250~500°C的范围内，以便使三元催化器的工作效率更高，而且还能延长其寿命，可谓是一举两得。

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　　FSI的缺陷

　　FSI发动机综合运用了进气涡流、高压共轨、分层稀燃技术、废气再循环和废气冷却等多项技术，它能够达到很高的燃烧效率，实现惊人的省油功能。但是它也不是没有缺陷的，FSI 发动机由于喷射器的加入，以至于对设计和制造的精度要求都相当高，如果布置不合理，制造精度达不到要求，因而导致进气系统刚度不足甚至漏气，结果只能是得不偿失，所以对运用的技术要求非常高。FSI发动机对燃油品质的要求也比较高，目前国内的油品状况可能很难达到FSI发动机的要求，所以部分装配了FSI的车型也会出现了水土不服的现象。

　　为此，奥迪FSI发动机选择性的改变了ECU（行车电脑）程序，屏蔽了分层稀燃技术部分，直接采用缸内直喷技术，直接提高燃烧室内的燃油的雾化效果和气流进入的形态，以达到更高的能效和相对较低的油耗。经过严密的测试，3.6L V6 发动机同样可以达到206kW/6200rpm，360N·m/2500~5000rpm的动力输出。虽然低负荷油耗略微比带有分层技术的FSI发动机要高一点，但是相对同等级的发动机来说，是相当节油了。4.2L V8 发动机则使用FSI技术。

　　FSI发动机省油技术完全有能力有实力与日本车的VTEC、VVT-i技术等比拼，国内市场若是能够广泛改善燃油质量，我们不需要加装任何硬件设备，只需要将ECU中的分层稀燃技术的程序释放出来，解开封印，定能让纯正的大众FSI技术发放光彩。

TSI技术

TSI是大众集团开发的一套双增压技术，其实从字面上就能理解其意思。前面的T和S分别代表Turbo和Supercharger的意思，也就是涡轮增压和机械增压的相结合。而国内媒体习惯叫它双增压。这个双增压跟大众奥迪集团的双涡轮增压有很大的区别，可以说是完全两个概念。那么为什么要同时采用机械增压和涡轮增压来向发动机提供高压进气呢？既然大众已经将这套技术向量产车推广，那么在性能上肯定有它的过人之处。

要了解双增压的优越性首先得了解涡轮增压和机械增压的优缺点。其实任何一种增压它的目的都是相同的，就是要把空气压缩以后再通入到气缸当中燃烧，这样做的好处很明显，压缩以后的空气密度更大，这就意味着单位体积内的氧气分子更多。在发动机排量不变的情况下，吸入的氧气分子越多，再配合燃油喷射系统提供的更多的汽油那么可以输出更高的动力。不管是涡轮增压还是机械增压都是为了达到这一目的而设计的，只不过两者的实现手段不相同。涡轮增压发动机由一个进气涡轮来压缩空气，进气涡轮的另一头连着一个废气涡轮。

我们知道发动机的排气是高温高压的，这就意味着排气中仍然含有巨大的能量。将废气涡轮装在排气管之中则能利用排气能量来驱动涡轮高速旋转，从而能够带动进气涡轮随之高速旋转，以获得压缩进气的能量。所以涡轮增压器是不需要额外的消耗发动机能量的。而且发动机转速越高废气排放速度和能量也越大，使得涡轮的转速也越高，这样进气涡轮压缩空气的能力也越强。 

    对于涡轮增压的发动机来说，转速越高，进气效率也越高，能够发挥出来的功率就越大。所以涡轮增压器对于发动机的高速运转是非常有好处的。但是我们知道，涡轮也是有质量的，有质量的物体就会存在惯性。我们知道发动机在怠速工况时转速往往只有几百转，而且在怠速工况时涡轮是不能介入工作的。除了因为发动机转速低，排气能量不足以驱动涡轮高速运转，还有一个更重要的原因就是怠速时发动机负荷低，如果此时涡轮也参与工作那么发动机会过热，并且耗费更多不必要消耗的汽油。所以怠速工况时，进气和排气旁通阀会自动打开，此时进气和排气都没有经过涡轮，新鲜空气是直接被吸入气缸，废气也是直接排入大气中的。

由于增压发动机的压缩比都比较低（通常在8.0以下，压缩比低是因为空气被增压器压缩后会放热，如果压缩比过高会导致压缩行程时混合气继续放热，引起混合气自然），所以在涡轮介入之前发动机的动力性是非常差的。即便是低值增压，起码也要到将近1800转时涡轮才会起到作用（帕萨特1.8T的涡轮介入转速为1800转/分-2000转/分）。虽然2000转以后发动机能发挥出强大的功率，而且后劲十足，但起步时可以说毫无动力性可言，即使保时捷卡宴TURBO这样的V8涡轮增压发动机，起步同样拼不过自然吸气。这就是涡轮增压发动机的通病涡轮迟滞。这种状况是非常不适合城市驾驶的。因为我们知道城市开车经常要走走停停，所以从怠速到2000转这个转速范围段是使用得很频繁的，涡轮增压低扭差劲的缺点暴露无疑。当然，大众奥迪集团曾经试图改进过涡轮迟滞问题。

奥迪TT的1.8T发动机曾经配备过双涡轮增压。所谓双涡轮增加就是给发动机装两个增压器。一个是小直径的涡轮，由于体积小重量轻，所以接入转速较低；另一个是大直径的涡轮，在中高转速才介入。即便如此，也不能从根本上解决涡轮迟滞，仅仅只能缓解涡轮迟滞。仁者见仁智者见智，奔驰对于它的小型增压发动机并没有像大众奥迪那样采用涡轮增压，而是采用了一种没有迟滞的机械增压装置。

所谓机械增压，就是利用发动机的动力带动一个罗兹压气机，通过发动机本身的动力来压缩空气，并且燃烧压缩空气的一种增压方式。它跟空调压缩机很相似。

机械增压器的原理与发动机机油泵有些类似，也是与发动机动力相连，只不过压缩的是空气。它与涡轮增压器在性能上最大的区别就是对压气机的转速没有限制。也就是说只要罗兹压气机在转，就可以压缩空气。而涡轮增压器由于是靠高速旋转产生的空气离心力来压缩空气，所以需要非常高的转速（通常TURBO的转速能接近10万转/分钟）。所以即便发动机怠速或者处于1000转左右的低转速，也能连接机械增压器压缩进气。

不过处于经济型考虑，怠速工况时电磁离合器是断开的，也就是说怠速时压缩比并没有与发动机动力相连，不过只要踩下油门电磁离合器可以迅速连接发动机动力。所以机械增压能够给汽车带来很好的低转扭矩，让起步时冲进十足。虽然克服了涡轮增压器迟滞的缺陷，单机械增压也并非完美。由于它需要消耗发动力动力，而且增压器中的两个转子相互摩擦会损耗大量的能量。在低转速时，由于转速低损耗也就小，但如果处于高转速工况，那么这样能量损耗是非常大的。不仅经济性差，高转动力性也要受到影响。

所以涡轮增压和机械增压都有着各自的先天缺陷，而这两种增压方式的优缺点又是相互互补的。大众就是利用了这两种增压性能优缺点的互补性开发出了TSI双增压系统。那么现在再看TSI就很好理解了。他是涡轮增压与机械增压的相结合。也就是说，TSI发动机拥有两套增压系统，一套靠涡轮压缩进气，另一套靠罗兹压气机压缩进气。当然，它们什么时候起作用是由电脑说了算的。电脑即能够控制进排气旁通阀的开闭，也能控制机械增压器与发动机相连接的电磁离合器的开闭。

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，涡轮增压的进气旁通阀也是打开的，这就相当于进气绕过了涡轮，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。

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1.2bar.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1500转时，涡轮开始介入，此时的增压值提高到2.5bar。当发动机转速达到3500转/’分以上的高转速时，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2.5bar降到1.3bar。因为我们知道一旦转速上升，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。

目前大众已经在旗下的高尔夫G和新途安上配备了改发动机，排量虽然只有1.4L但是在双增压的作用下能释放出200匹的动力，这样的动力用在高尔夫V这么大的A级车上动力性是非常惊人的。这也使得高尔夫GT成为了十足的小钢炮。由于双增压能极大的提高发动机的工作效率，所以一台4气缸尽1.4L排量的发动机能释放出6缸3.0L发动机的动力，但体积却比6缸发动机要小得多。

这正好满足了大众的需求。因为大众旗下是以小型车为主，A0级的波罗和A级的高尔夫是其主打产品，这样的小车发动机舱容量有限，不适合匹配大型发动机，而且即便装入了大型多缸发动机，由于大众的FF传动方式会使得重心过于靠前影响操控，所以装增压对大众旗下的中小型车是非常有意义的。不仅功率大，而且体积小重量轻。我们可以试想如果大众果真在旗下增压发动机上全面推广双增压技术，像帕萨特的1.8TSI或者2.0TSI，笔者估计，其动力系统超过280匹马力应该不是问题。

FSI和TSI都是大众的明星发动机，其中FSI（Fuel Stratified Injection燃油分层直喷）发动机在大众集团内普及已经是大势所趋，而TSI发动机是在FSI基础上得到了进一步改善的技术。TSI是Turbochanger（涡轮增压）、Superchanger（机械增压）和Injection（直喷）的缩写，就是指同时带有涡轮增压和机械增压的双增压直喷引擎技术。在“2006年度国际最佳发动机奖”的评选中，大众汽车公司的125kw（170ps）新型1.4升TSI双增压发动机独得“1升～1.4升最佳发动机”和“2006年度最佳新型发动机”两项大奖。目前，该1390ml的TSI引擎已经配置在第五代Golf GT、同为PQ35平台的Jetta捷达、06款的Touran和07款CrossTouran还有06年的概念车Iroc上边。

虽然配备Twincharger（双增压 Supercharger＋Turbo）引擎的车辆早在80年代出现，可是一直未能解决Supercharger在高转时会阻碍引擎转数提升等问题，因而再没有新款引擎出现。直到Volkswagen经过多年时间，制造了250台原型引擎，并使用三台量产试验引擎，耐力测试累积超过300,000公里后，才正式推出这台附有Twincharger装置的TSI引擎。

作为研制这个双增压器家族的起点，大众公司选择了曾安装在Golf车型上面的EA111系列直喷FSI发动机。为了实施双增压器发动机的理论，大众公司的工程师们将新发动机的汽缸曲柄轴箱用高度弹力的灰铸铁铸造以应对更为高压的环境，并且加装了一个带有整合磁离合器和机械增压技术的冷却泵。同时对喷射系统也进行了调整，为它安装了带六个燃料出口的双孔高压喷射气门。为了能够满足更多燃料在双增压器运行期间流通的需要，大众公司将燃油喷射压力增加到了150bar的水平，同N.A（自然吸气）的FSI发动机一样，直喷嘴的位置在进气门和汽缸盖封口之间的位置。

对于TSI的2个增压器，大众公司的工程师们选择在底部安装鲁氏机械增压器，同其他的机械增压器形式不同的是，底部机械增压器压缩空气的地方是在进气道，通过两个对旋式叶片来压缩空气。压缩机和涡轮增压器是有非常紧密联系的。通过一个控制气门来保证废气增压器或者是压缩机正常工作所需要空气的进气量。在引擎高转涡轮增压器单独工作的时候，控制气门开启。这种情况下，空气沿着与传统涡轮增压发动机一样的路径通过前冷凝器和节流阀进入进气歧管。通过安装在水泵中的一个整合了电磁离合器的模块，压缩机才能够工作。在涡轮增压的条件下，离合器会使压缩机脱离联系。通过旁路气门的连续开启，快速响应的涡轮增压器能够使压缩机的压力提早降低。在低压控制下，压缩机的运行能够被限制在一个较小的范围内，从而减少燃料的消耗量。实际上，这也就意味着压缩机只是在发动机的转速达到2400rpm以后，才需要工作来产生相应的压力。废气涡轮增压器主要是在高动力输出的条件下达到更高效的水平并在中等动力输出的情况下提供足够的压力。为了提高速度，自动的压力控制器可以在压缩机需要牵引力的时候增加压力，在只需要涡轮增压器工作就可以满足需求的条件下关闭压力。在速度下降到低速范围内的时候，压缩机会再次打开来提供动力。TSI引擎将小型化技术与传统的机械增压技术和涡轮增压技术巧妙组合，在转数处于1000至2400rpm时，Supercharger会直接由引擎带动，有利增强低转时的扭力输出；及后至2400至3500rpm时，Supercharger依旧继续运作，以求减低Turbo Lag（涡轮时滞）的出现。Turbo则会在3500rpm以上时开始运作，以提供更佳的增压效果。

结果就是在发动机运行的全过程中，其驾驶品质和动力性表现都十分优异，并且消除了涡轮增压技术的滞后效应，传递的最大扭矩也进一步得到改善。兼顾了低速时的扭矩输出和高速时的功率输出，解决了两种技术各自的不足，使TSI双增压发动机以125kw的功率和百公里7.2升的油耗获得成功，同时保持最大扭矩240Nm@1750rpm～4500rpm，在优良路况中油耗甚至可降至5.9L/100km。

TSI同时具有涡轮增压和机械增压的优点，高效低排放，为低排量引擎带来了可观的动力输出，但同时TSI引擎也不是没有缺点的：制造相对复杂，维修麻烦和较高的成本都暂时限制了它的大量普及，相信随着技术的成熟，这一高效能的引擎会很快大量投入使用。

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