速腾14TSI发动机结构原理与常见故障.docx

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速腾14TSI发动机结构原理与常见故障

毕业设计文件

设计论文题目速腾1.4TSI发动机结构原理与常见故障

摘要

一汽-大众始终致力于科技创新，在为客户提供超值驾乘体验的同时，更关注创造发展与环境之间的和谐共生，为此在国内最先应用了TSI发动机，为客户制造了动力卓越，绿色环保的时代座驾。

一汽－大众是首家使用1.4TSI发动机的中国汽车生产企业。

为了追赶世界先进水平，为给国内用户提供更加完美的产品，响应全球节能降耗战略和国家政策的号召，体现高度的企业社会责任，一汽-大众适时引进了1.4TSI这款高效、经济、节能、环保的先进涡轮增压缸内直喷发动机，现此款发动机已经应用到速腾车上。

本论文主要介绍了1.4TSI发动机进气系统、冷却系统、供油系统及发动机管理系统，和大多数增压发动机一样，这个TSI发动机也只有一个废气涡轮增压，而不同的是该涡轮增压具有两个冷却系统，这样就能够延长涡轮增压器的使用寿命。

在供油方面，此款发动机采用了由凸轮轴驱动的机械式高压油泵，日后维护简单，成本较低。

管理系统采用的是博世MotronicMED17，此系统是在博世MotronicMED9基础上发展得到的。

区别主要在以下几个方面：

更快的处理器、阶越式氧传感器、氧传感器、取消K线、-30°C低温下高压分层启动。

关键词：

1.4TSI；涡轮增压；直喷；速腾

Abstract

FAW-Volkswagenhasalwaysbeencommittedtotechnologicalinnovation,valuingforthedrivingexperienceofcustomers,whilealsoconcernedaboutcreatingtheharmonybetweendevelopmentandenvironment.Todothis,it’sthefirstdomesticcompanywhichapplicantstheTSIengine,andcreateatimeofexcellentpower,greenenvironmental.FAW-Volkswagenisthefirstautomobilemanufacturertouse1.4TSIengineinChina.Inordertocatchupwithadvancedleveloftheworld,providingmoreperfectproductforthedomesticusers,respondingtothecalloftheglobalenergysavingstrategiesandnationalpolicies,andreflectingthehighdegreeofcorporatesocialresponsibility,FAW-Volkswagenintroduced1.4TSIadvancedturbodirectinjectionengine,whichisefficient,economical,energysavingandenvironmental,nowtheenginehasbeenappliedtoSagitar.

Thispaperintroducesthe1.4TSIengineintakesystem,coolingsystem,fuelsystemandenginemanagementsystem,asmostofsuperchargedengines,TSIenginealsohasanexhaustgasturbocharger,andthedifferenceisthattheturbochargerhastwocoolingsystems,soitcanextendthelifeoftheturbocharger.Inoilterms,thisengineusesmechanicalhighpressureoilpump,whichisdrivenbycamshaft,thefuturemaintenanceissimple,lowcost.ManagementsystemusesBoschMotronicMED17,whichhasbeendevelopedbasedontheBoschMotronicMED9.Differencemainlyinthefollowingaspects:

Quickerprocessors,orderstyleoxygensensor,theoxygensensor,canceltheKline,High-pressurelayerstartupunder-30°Clowtemperature.

Keywords:

1.4TSI;turbocharged;DISI；Sagitar

绪言

大众1.4TSI发动机是大众集团在发动机领域一个里程碑式的产品。

它的出现使得大众集团在小排量发动机设计上有了质的提高。

在大盘集团的理论指导下设计出的这款发动机在动力性、经济性、稳定性和环保安全性方面绐用户超乎想象的感觉。

这款发动机是在1.4TSI双涡轮增压发动机的基础上改进而成．虽只使用了个废气涡轮增压器，但和同级别其他发动机相比．其优势从参数来看是显而易见的。

该款发动机已经装备在了高尔夫A6和速腾上，日后大众集团还有计划装备在迈腾上。

从主要技术参数进行纵向对比，其扭矩值超过了宝来、宝来R和速腾上装备的1.8T发动机（非TSI）的数值。

比传统的2.0L发动机的各项数据更是有着天壤之别，其性能的提升显而易见。

1技术特点与数据

与之前的两款TSI不同的是，这款1.4LTSI只使用了一个涡轮增压,见图1-1。

特殊的设计实现了在常用的低转速具有较大的扭矩。

从1500rpm到4000rpm都可以实现最大扭矩200Nm，特性曲线见图1-2。

另外一个特别之处是在进气歧管中有一个的水冷式的中冷器，由于进气门和活塞的改进，从而取消了进气歧管翻板。

图1-11.4LTSI发动机

图1-2特性曲线

2主要系统与部件

2.1进气系统

进气系统从空气滤清器开始，经过废气涡轮增压器、节气门控制单元以及进气歧管直接到进气门。

为了改善在低转速时的废气涡轮增压器的工作性能，进气系统设计为一个尽可能紧凑的构造。

在进气系统中装配了两个具有进气温度传感器的压力传感器，它们分别处于节气门控制单元之前以及在进气歧管之上的增压空气冷却器之后。

涡轮增压对进气的压缩导致进气的压力和温度的升高，增压气体通过冷却来保证气缸内足够的进气量。

在以前的双涡轮增压发动机上，通过装在机舱前端的中冷器来实现，1.4LTSI则是通过液体冷却器实现的。

冷却器通过发动机水冷系统工作，安装在进气歧管上，见图2-1。

增压气体流过冷却器，将大部分热量传递给气体冷却器和冷却液。

冷却液依靠水泵的动力被泵到气体冷却器，然后回流到前端的散热器来冷却。

增压气体冷却系统是一个独立的系统，涡轮增压的冷却也连在这个系统中，如图2-2。

图2-1进气系统

图2-2增压气体的冷却

2.2缸盖

缸盖基本上和1.4LTSI双涡轮增压的发动机是一样的。

由于燃烧控制的改进，不再需要进气歧管翻板的控制。

为保证气缸内形成很好的涡流，进气道的角度被调整到几乎水平的角度，见图2-3。

在气门座上有一个倾斜的凸峰来保证进气吹过气门顶在汽缸内形成特殊的涡流通过采用4个凸轮来驱动高压泵使得凸轮轴的升程可以更小，从而使得凸轮轴和凸轮轴室的直径可以小一些。

因此，总共减轻了大约450克的重量。

图2-3缸盖

2.3单增压的废气涡轮增压器

和大多数增压发动机一样，这个TSI发动机也只有一个废气涡轮增压。

由于很小的增压压力就能达到最大输出功率90KW，所以它可以很好的达到低速大扭矩和燃油消耗率的设计要求。

和以前的TSI发动机一样，涡轮增压和排气道共同构成一个总成。

为了在发动机关闭后，涡轮增压的轴承温度不致过高，涡轮增压器和冷却系统连通，同时也和润滑系统相连来保证轴承的润滑和冷却。

另外，电控的涡轮增压循环阀和用于旁通阀式的增压压力限制的压力单元也都集成在涡轮增压器总成上，见图2-4。

图2-4废气涡轮增压器

使用涡轮增压的目的是为了保证动力性和燃油经济性。

这就意味着，在经常使用的低转速区域，需要一个最大的扭矩输出。

它是通过尽量减小涡轮增压器的转动元件的转动惯量来实现的。

这样设计的结果就是在1250rpm的时候，就可以达到最大输出扭矩的80%，在1500rpm的时候就达到了最大输出扭矩200Nm，最大输出功率在5000到5500rpm之间达到。

排气歧管的材料可以承受950°C的高温。

和之前的TSI发动机相比涡轮和叶轮的尺寸分别从45mm降至37mm和从51mm降至

41mm。

由此，涡轮迟滞现象得到减缓，废气需要驱动的质量变小了，可以更快的产生需要的压力。

旁通阀和压力单元内的膜片的直径都增大到26mm，从而一个比较低的压力就可以打开旁通阀，见图2-5。

这样就可以实现在低转速区域保持比较大的增压压力来保证好的动力性，同时，在部分负荷的时候降低增压压力来满足燃油经济性。

图2-5旁通阀

图2-6说明了涡轮增压系统的构成和进气的路径。

和双涡轮增压的TSI最大的区别就是没有使用空气压缩机，同时增压气体是通过进气歧管内的冷却液冷却器来冷却的。

新鲜空气经过空气滤清器被吸入，然后在涡轮增压器内被叶轮增压。

最大增压压力达到1.8bar的绝对压力。

增压压力的控制主要是靠增压压力传感器G31和进气温度传感器G299。

图2-6增压系统结构

增压压力再循环控制的是增压后的进气量。

两个都带进气温度传感器的进气压力传感器的信号配合使用来保证精确控制。

它们分别是增压压力传感器G31和进气温度传感器G299、进气压力传感器G71和进气温度传感器G42，见图2-7。

增压压力传感器G31用来控制增压压力。

进气温度传感器G299用于对增压压力的修正，因为温度对增压空气的密度有影响。

另外，当温度过高的时候，会通过降低增压压力的方式来保护发动机。

发动机控制单元通过安装在进气歧管上的进气压力传感器和进气温度传感器来计算冷却器后的进气歧管内的进气量。

根据计算出的进气量，按照迈普图来调整增压压力直至达到最高的1.8bar的绝对压力。

进气压力传感器在发动机管理系统内用于测量大气压力，被用来修正增压压力再循环的控制，因为随着海拔的增加，进气的密度会降低。

增压压力限制阀由发动机电脑控制，通过接通压力单元内压力来控制涡轮增压，来打开旁通阀，使得只是一部分废气经过涡轮进入排气道，由此来调节涡轮的输出功率和增压压力。

图2-7增压压力与温度传感器

2.4冷却系统

这款发动机有两个独立的冷却系统—一个用于发动机的冷却，另一个用于增压空气的冷却，如图2-8。

这两个冷却系统只在两个位置相交，通过这种方式，使得它们共用一个储液罐，但两个系统的温差可以高达100°C。

发动机冷却系统的特点有两点，一是双循环冷却系统实现缸盖和缸体的温度不同，二是冷却液分配腔内使用单行程的节温器。

增压气体冷却系统的特点有如下三点，一是具有独立的冷却液循环泵，二是冷却器在进气歧管内，三是可对涡轮增压器冷却。

图2-8冷却系统简图

2.4.1增压空气的冷却

大众公司首次采用这种冷却方式。

将一个气液热交换器布置在进气歧管内来冷却增压空气，如图2-9。

使得从涡轮增压到喷嘴的进气道空间减少到4.8L，比双涡轮增压的11L的空间减少一半还多。

这样，涡轮增压需要压缩的容积就减小了，同时可以更快的获得增压压力。

冷却液循环泵根据负荷来被控制以达到冷却增压空气的目的。

将前端的附加散热器内的冷却液吸出，泵入冷却器和涡轮增压器。

在大负荷的时候，经过冷却的进气温度和大气温度的差值可以达到大约20℃到25℃之间。

图2-9增压气体的冷却

2.4.2冷却液循环泵V50

冷却液循环泵根据负荷来操作控制，将冷却液从附加散热器中吸出，泵入进气歧管内冷却器和涡轮增压器，见图2-10和图2-11。

图2-10冷却液循环泵

图2-11冷却器

2.4.3冷却器

冷却器由许多铝叶片组成，在里面有冷却液流过的管路。

热空气流过铝叶片，将热量传递出去，再传给冷却液，然后冷却液再被泵入前端的附加散热器来冷却。

2.4.4涡轮增压器

发动机运转的时候，涡轮增压器主要是靠机油冷却，如图2-12。

冷却液只在必要的时候才被泵到涡轮增压器。

发动机关闭后，冷却液循环泵会工作480s，来避免在涡轮增压器的冷却循环管路内形成气阻。

图2-12涡轮增压器

2.5供油系统

按需调整的供油系统很大程度上是从双涡轮增压的TSI发动机上改进得到的。

电动燃油泵和高压燃油泵都能随时按照发动机的需求提供准确的供油量。

电功率和机械功率都被减至最小以达到节油的目的。

低压系统是完全相同的，只是高压系统有一些改变。

2.5.1高压系统的改进

高压燃油泵靠进气凸轮轴端的四方凸轮来驱动，见图2-13，它的冲程是3mm。

限压阀在高压燃油泵内，这样就可以把油轨到低压端的回油管取消了。

高压燃油泵的控制原理发生了改变，在高压泵工作初期，限压阀关闭，油压直接达到油轨，这样的好处就是冷启动的时候，油压建立的更快。

图2-13供油高压系统

2.5.2喷嘴

六孔高压喷嘴的喷束形状进行了优化，如图2-14。

到目前为止，喷嘴的喷束形状都是椭圆或者圆形的，这样设计的目的是防止在全负荷的时候或二次喷射加热三元催化的时候，燃油粘在活塞顶。

图2-14喷嘴

图2-15高压泵

2.5.3高压泵

单柱塞的高压燃油泵用螺栓倾斜的安装在凸轮轴盖上，见图2-15，靠进气凸轮轴上的四方凸轮来驱动，每个凸轮轮廓的行程是3mm。

另一个特点是当它不工作的时候，不会将燃油泵入高压系统。

2.5.4燃油压力限制阀

限压阀集成在高压燃油泵内，作用是在发生燃油热膨胀和故障的时候，为系统提供过压保护。

它是一个机械阀，在压力超过140bar的时候打开，打开的是在泵内从高压端到低压端的回流油道，然后燃油再被压回高压端，见图2-16。

图2-16限压阀

图2-17吸油过程

2.5.5高压燃油泵的功能

吸油过程中，见图2-17，靠泵活塞的下行提供吸油的动力，同时打开进油阀，燃油被吸入了泵腔。

在泵活塞行程的最后1/3段，燃油压力调节阀通电，使得在泵活塞向上运动的初期进油阀仍然打开来进行回油。

回油行程过程中，如图2-18，为了控制实际的供油量，进油阀在泵活塞向上运动的初期还是打开的，多余的燃油被泵活塞挤回低压端。

缓压器的作用就是吸收这个过程中产生的压力波动。

图2-18回油过程

图2-19泵油过程

泵油行程中，如图2-19，在初期时燃油压力调节阀断电，使得进油阀在泵腔内升高的压力和阀内的关闭弹簧共同作用下关闭。

泵活塞上行在泵腔内产生压力，当压力超过油轨内压力时，出油阀就被打开，燃油被泵入油轨。

3发动机管理系统

3.1系统概览

图3-1和图3-2分别描述了此发动机的传感器与执行元件。

图3-1传感器

图3-2执行元件

3.2博世MotronicMED17.5.20

博世MotronicMED17是在博世MotronicMED9基础上发展得到的，见图3-3。

区别主要在以下几个方面：

更快的处理器、阶越式氧传感器、氧传感器、取消K线、-30°C低温下高压分层启动，如图3-4。

图3-3发动机控制单元

图3-4高压分层启动

由于高压燃油泵的改进，使得供油系统可以在很快的时间内建立起60bar的压力，实现了-30°C低温下的高压分层启动。

燃油在点火之前喷射，由于缸内温度条件和高压的作用，使得混合气混合充分，从而降低了启动所需的供油量和碳氢化合物的排放。

3.3传感器

3.3.1增压压力传感器G31和进气温度传感器2G299

这两个传感器靠螺栓固定在节流阀体之前的进气管上，来检测这一区域的进气温度和压力，见图3-5。

此传感器起到如下作用：

计算增压压力的修正值（温度对于空气密度的影响已经考虑在内）、保护发动机（如果温度超过设定值，增压压力会被降低-控制冷却液循环泵，如果冷却器前后的空气温差小于8℃，那么冷却液循环泵就会被激活）、监控冷却液循环泵的工作状况（如果两个传感器的温度小于2℃，说明循环泵失效，OBD警报灯会亮起）。

如果两个传感器同时失效，用默认值来替代，增压压力和动力性都会下降。

图3-5增压压力传感器

图3-6进气压力传感器

3.3.2进气压力传感器G71和进气温度传感器G42

这两个传感器安装在进气歧管冷却器之后的位置，见图3-6，监控这一区域的进气压力和温度。

发动机控制单元根据这个信号和发动机转速来计算进气量，同时控制冷却液循环泵，如果冷却器前后的空气温差小于8°C，那么冷却液循环泵就会被激活。

监控冷却液循环泵的工作状况，如果两个传感器的温度小于2°C，说明循环泵失效，OBD警报灯会亮起。

如果信号失效，节流阀体信号和G299的温度信号来替代，涡轮增压器的控制使用默认值。

3.3.3燃油压力传感器G247（高压）

这个传感器安装在进气歧管下方靠近飞轮一侧，见图3-7，用螺栓紧固在塑料制成的油轨上。

它监控燃油系统高压部分的压力，并且把信号传给发动机控制单元。

发动机控制单元根据这个信号，调节燃油压力调节阀来控制油轨内的燃油压力。

如果这个信号反映出燃油压力无法调整了，燃油压力调节阀会在泵油行程也通电，处于常开状态，这时整个系统压力降低至低压端的压力5bar。

如果这个信号失效了，燃油压力调节阀会在泵油行程也通电，处于常开状态，这时整个系统压力降低至低压端的5bar，发动机的输出扭矩和功率都会大幅下降。

图3-7燃油压力传感器

图3-8燃油压力调节电磁阀

3.4执行元件

3.4.1燃油压力调节电磁阀N276

这个电磁阀装在高压泵的侧面，此元件按需求控制进入油轨的油量，如图3-8。

和双涡轮增压的1.4LTSI发动机的区别是，燃油压力调节阀不通电就关闭，这也就是说当这个阀失效的时候，燃油压力会一直上升，直到达到140bar时限压阀打开。

发动机控制单元根据高压的情况匹配喷嘴打开时间，同时发动机转速限定在3000rpm。

在打开高压系统之前，必须要释放高压。

以前的将调节阀的插头拔掉，电磁阀不通电，电磁阀常开，压力就会下降。

由于调节阀在不通电的情况下就关闭，所以拔掉插头后，燃油压力不会下降。

因此在功能导航中的释放高压系统压力的选项也包括在故障导航选项里面，可以在发动机运转的时候用此选项来打开调节阀来释放压力。

需要注意的是当系统升温时，系统压力会再次上升。

3.4.2冷却液循环泵继电器J496、冷却液循环泵V50

这个继电器在发动机舱内左侧的E-box内，见图3-9。

用来控制冷却液循环泵V50工作的大电流，继电器失效，冷却液循环泵失去控制。

其作用把前端独立的散热器内的冷却液泵到冷却器和涡轮增压器。

它在下面几种情况下会被开启：

每次发动机启动后的短时间内、输出扭矩持续在100Nm以上的时候、进气歧管内增压空气温度持续超过50°C、两个温度传感器之间的温差小于8°C、发动机每工作120s，其工作10s，避免涡轮增压器产生热量积聚、关闭发动机后，根据迈普图决定从0至480s之间的工作时间，避免涡轮增压器过热而产生气阻。

如果这个泵失效，很可能会产生过热现象。

这个泵本身并不带诊断功能，通过对比两个进气温度传感器的信号来识别冷却系统故障，OBD警报灯会点亮。

图3-9冷却液循环泵继电器

图3-10冷却液循环泵

4故障案例

4.1速腾1.4TSI加速无力

故障现象：

用户反应此车出现加速无力，并且有时发动机EPC及排放灯报警，经过我们的路试，此故障的确存在。

故障分析：

此车因为此故障已经进站多次，有的时候没有故障记忆，有的时候会出现关于G31的电器故障或者增压压力不足，首先检查了G31的相关线路及元件，没有发现有故障，然后对增压压力不足的情况进行检查，经过确认，各个管路没有漏气的现象，而且在动力不足的时候并没有出现故障记忆（已经做完电脑升级），于是又找到一台同样的车辆，我让

同事在1000、2000、3000转时读取三个关键数值：

高压燃油压力、进气压力、喷油时间。

结果是进气压力和喷油时间异常（具体的数据没有抄写），经过分析，主要的原因是因为电脑得到进气压力低的信号后减少喷油量，说明电脑应该是好的，那么主要问题出现在进气压力低，那么进气压力低的话对两个压力传感器（G31、G71）进行更换，没有好转，那么问题点有三点，一个是进气不畅，一个是排气不畅，另外一个是增压器本身有问题，然后进行检查，当检查增压器时，发现了一个问题，增压器本身的真空单元与增压器本身脱落，如图4-1、图4-2：

图4-1真空单元

图4-2真空单元与增压器的连接

具体的原因分析：

真空单元及N75的工作状态（正常时）

图4-3增压系统简图

图4-4增压压力调整电磁阀

在发动机工作时（除超负荷），增压器的旁通阀应该处于关闭状态，N75（1为低压侧，2为高压侧，3为压力单元）处于通电状态，此时N75的1-3导通

，如图4-3与图4-4。

真空单元及N75的工作状态（出现故障时）

图4-5增压系统简图

图4-6增压压力调整电磁阀

出现故障时，由于真空单元与增压器脱开，相当于N75断电状态（也可以理解为超负荷切断），此时N75的2-3导通，如图4-5与图4-6，此时高压气体会通过2打向3，并且克服弹簧的弹力使增压器的旁通阀打开并处于常开，由于J220通过反馈信号没有得到预期的压力，所以它会误认为是G31出现了问题，当J220对G31和G71进行比较后，发现传感器没有损坏，它又会报增压压力不足的故障。

故障处理：

更换涡轮增压器总成。

总结

事实证明，在同等排量的情况下，采用燃油缸内直喷技术比传统的多点喷射技术的发动机功率和扭矩显著提高。

汽油经新型高压燃油泵和6孔喷油器直接喷入气缸内与涡轮增压器压缩进来的空气混合，带来了更理想的油气混合及更高的压缩比，使燃烧过程更充分，动力输出更强劲。

当然这是技术不断改进的综合成果，从而实现了发动机动力性和燃油经济性的完美结合，是当今汽车工业发动机技术中最成熟、最先进的燃油直喷技术，引领并延伸了汽油发动机的发展趋势。

新一代增压技术：

1.4TSI发动机的涡轮增压器的动力来自发动机排出的废气。

涡轮增压系统能够提高进气压力，增加进气量，使得TSI比非增压发动机和其他增压发动机效率更高，在明显改善动力性的同时，油耗也有较大幅度的下降。

在道路条件优良的工况下则具有更低的油耗。

而且车辆动态响应更迅速，中速加速性能更强。

值得一提的是TSI发动机熄火后，一个独立的冷却系统会自动启动，继续为发动机降温，保护涡轮增压系统。

1.4TSI发动机的涡轮增压器采用新的增压空气冷却技术，使涡轮增压器响应更灵敏，在发动机转速1500r/min-4500r/min范围内可以达到高于200Nm扭矩输出，通常3500r/min以下是驾驶车辆常用的转速范围。

另外，1.4TSI发动机摒弃了正时皮