作者:程冠華

發展沿革概述

1.4升近年來歷經與其他福斯/奧迪車系引擎歷經相同的演化過程;也就是從缸內直噴FSI化,再到增壓化。1.4有一點不同是它的增壓系統為機械增壓與渦輪增壓併用的雙增壓系統。雙增壓的主要目的是在一定的輸出功率之下,儘量簡小引擎所佔的空間,要縮小引擎空間就必須減少的排氣量。

這種小排氣量/大馬力的引擎設定,除了可以減少機械空間所佔的空間之外,還有油耗較低、二氧化碳排放量較低的優點。

同時裝置兩套增壓系統,引擎本身以及周邊次系統必須有所修改,才足以因應伴隨著雙增壓系統所帶來的高溫/高壓的額外負荷。以下將針對本引擎的特殊之處逐部位說明。

氣缸部分

1.4TSI的氣缸本體採用傳統的灰鑄鐵材質,沒有跟隨潮流改用鋁合金材質的原因是灰鑄鐵的剛性較佳,較能承受雙增壓的高負荷。

氣缸襯套採上層開放式(Open-Deck)結構,也就是氣缸襯套與氣缸外壁之間,沒有腹樑等結構支撐物。

活塞與曲軸

這部分的結構大抵上沿用1.4FSI的設計(台灣地區未引進),並在部分結構上加強強度。活塞部分是鋁合金壓鑄而,為了順應缸內直噴的需求,活塞表面的形狀係經過電腦模擬設計而成,可幫助吸入空氣形成穩定的燃燒渦流,活塞裙的表面經過滲碳硬化處理,以增強硬度並降低與汽缸之間的摩擦力。

用來連接活塞與連桿的活塞固定銷,為了因應較高的爆發壓力,直徑從17mm增加至19mm。

曲軸的幾何形狀大致相同,但製程採鍛造,如此不但可增加強度,同時也可降低運轉震動。

 

 

氣缸蓋

1.4TSI的氣缸蓋當然也是沿用1.4FSI加上一些修改而成;為了因應排放廢氣的高溫與高壓,排氣門採鈉金屬填充,如此可降低排氣門溫度達攝氏100度之多!排氣門座以及排氣門彈簧也增加了強度。

凸輪軸上蓋

進氣門凸輪軸和排氣門凸輪軸分別以3個具軸承作用的固定點固定於氣缸蓋上,比較特殊的是它的凸輪軸上蓋,不單是遮蔽作用而已,還具有結構上受力的作用;高壓燃油幫浦就安裝在凸輪軸上蓋之上,

1.4TSI高壓燃油幫浦需要比1.4FSI更高的輸出壓力,為了滿足更高的噴油量與燃油噴量,高壓燃油幫浦的行程增加了5~5.7公厘。進氣門凸輪軸與高壓燃油幫浦之間,有一個沿著幫浦凸輪滾度,並接受其施力的滾動頂桿,作用是降低摩擦力,增加工作效率。

凸輪軸之驅動系統

1.4TSI與1.4FSI同樣不再用正時皮帶,而改用永久不必更換、無保養問題的鍊條系統。為了因應更高的運轉負荷,鍊條材質進一步加強,採用高乘載合金鋼材做為原料。

如同正時皮帶需要張力器調整張力,鍊條同樣需要張力器:如右圖所示,驅動凸輪軸與機油幫浦的上下兩條鍊條居有專屬的張力器。

1.4TSI與其他福斯/奧迪新進引擎一樣,均有有調整正時的功能,調整器位於進氣凸輪軸的末端,最大調整角度可達40度。

凸輪軸上蓋

1.4TSI的綜合皮帶如同一般引擎,是作為傳輸動力給發電機、冷氣壓縮機、水幫浦之類的周邊輔助裝置之用。

為了提供穩定的動力來源,以產生較精準的增壓值,機械增壓器使用獨立的皮帶。

如右圖所示,綜合皮帶與機械增壓器皮帶均有的獨自的張力器+舵輪組,以確保皮帶無論處於何種負荷之下,均能維持正確的張力。

 

機械增壓器與渦輪增壓器

兩種增壓系統各有其優缺點,且恰為互補。例如機械資壓器的優點是:引擎在低轉即可有作用、增壓迅速、不需額外的潤滑冷卻系統,缺點是:需耗費引擎動力作為動力源,運作效率不佳。渦輪增壓的優點是:由於係以排放廢氣作為動力來源,所以運作效率極佳,缺點是:在排氣量較小的引擎上,中低轉速的加壓壓力不足、會產生高溫增加引擎的熱負荷。所以理論上來說,同時使用兩種增壓系統是效率最高的增壓系統,在以往因為開發成本過高,以及可靠度不佳的疑慮,少有車廠運用在量產車上。所以1.4TSI的推出,象徵福斯/奧迪集團對於自家的製造技術與設計能力有著極端充分的信心。

 

下圖是雙增壓系統空氣管路概略圖。從圖中可看到,新鮮空氣通過空氣濾清器過濾雜質後,會先經過機械增壓器的增壓,再通過渦輪增壓器的增壓。引擎轉速從怠速到2400rpm時,機械增壓器會持續增壓,其壓力大小由調節閥控制,從2400~3500rpm,則選擇性增壓(平時增壓器離合器分離動力),例如以等速行駛時,忽然重踩油門,渦輪增壓器反應不及,機械增壓器離合器便會銜接動力,讓增壓器作用。渦輪增壓器則是不論轉速為何持續增壓,壓力大小由進器壓力控制電磁閥控制,其命令來自於引擎控制電腦。

控制電腦會依據引擎轉速、負荷來決定引擎進氣量,以產生需要的扭力。它會判斷渦輪增壓器產生的增壓是否充足,是否需要開啟機械增壓。

引擎負荷低時,控制電腦會切換至自然進氣模式。如右圖所示,調節閥全開、機械增壓器無動作,渦輪增壓器雖然有增壓,但壓力極低。

當引擎的負荷稍高且引擎轉速低於2400rpm時,控制電腦下令機械增壓離合器銜接動力,並關閉調節閥,讓機械增壓器增壓。經過機械增壓器增壓的空氣,到了渦輪增壓器,再被進一步增壓。如果節氣門全開,這裡的空氣壓力最高可達2.5大氣壓力。

機械增壓器和渦輪增壓器,如右圖所示各自有獨立的壓力感應器,控制電腦得以隨時得知管路內的增壓壓力。

當引擎轉速介於2400~3500rpm的範圍時,排放廢氣已經有足夠的量讓渦輪增壓器產生有效增壓。如果引擎沒有特殊的負荷,渦輪增壓器負責增壓工作,機械增壓器則無作用。

引擎負荷如果突然增加,例如在定速行駛時,駕駛人急踩油門,引擎瞬間需要非常高的輸出,控制電腦就會啟動機械增壓器離合器,讓機械增壓作用,並調整調節閥以獲得適當的增壓壓力。

引擎轉速在3500rpm以上時,渦輪增壓器在任何負荷下均可供應足夠的增壓壓力,所以機械增壓器不會有作用。如右圖所示,機械增壓器離何氣處於分離狀態,機械增壓器無作用,調節閥全開,空氣不通過機械增壓器,而由渦輪增壓器增壓。

節汽門全開的狀況下,此時的增壓壓力最高可達2.0大氣壓力。

 

機械增壓器的構造

右圖圖上是機械增壓器以及驅動皮帶的周邊實體圖。可以清楚看到,機械增壓器的動力來源是綜合皮帶繞經水幫浦皮帶盤,再經由機械增壓器離合器傳輸而來的。

由於皮帶盤直徑大小所產生的轉速比值,還有機械增壓器內部轉子直徑的影響,機械增壓器的轉速為引擎轉速的5倍!其最高轉速可達17500rpm。

機械增壓器內部構造如右圖中所示,其中同步齒輪與步進齒輪密封於潤滑油之中,是不可拆卸的封閉機體。它的加壓機構就是兩個對轉的轉子,最高加壓壓力值為1.75大氣壓力。

機械增壓器的壓縮原理是:上面的轉子以逆時鐘方向旋轉,下面的是順時鐘方向,兩者相互對轉,這造成入口的壓力低、體積大,所以空氣會被吸入, 空氣到了出口端會被較小的容積壓縮,故產生加壓空氣。

調節閥的運作原理是:空氣會從高壓往低壓處流動,當節流閥打開時,被機械增壓器增壓的空氣會從調節閥回流,再進入機械增壓器內加壓,如此一來可減低機械增壓器的負擔,亦降低了引擎的動力消耗。

機械增壓器的隔音

運轉時會產生極大噪音是機械增壓器的先天問題,為了降低噪音,1.4TSI除了運用:改良內部齒輪、提高轉軸硬度、增強外殼強度,等積極械措施來降低噪音量之外,還使用了許多隔音材料,在空氣吸入端以及加壓端均有隔音發泡,增壓器本體也被發泡棉以及外殼包覆。

雖說如此,1.4TSI在運轉時還是會發出明顯可聞的運轉噪音;例如在2000~3000rpm機械增壓器最有可能全力運轉的轉速區域,會有明顯的" 嗡嗡"聲響。當離合器切斷時會有"喀 "的電磁閥動作聲響。這些不可避免的運轉噪音是準車主不可不注意的地方。

渦輪增壓器系統元件

就如同其他同時期的渦輪增壓器一般,渦輪增壓器、排氣歧管、壓力罐已經整合為一,其優點是車廠的生產成本較低,缺點是車主的維修成本較高。

為了保護渦輪增壓器,1.4TSI的冷卻系統備有電動幫浦,可以在引擎熄火之後保持循環,防止增壓器過熱。引擎熄火之後,最高可運轉15分鐘以上。

持續增壓會產生極高的排氣溫度,排氣歧管的設計可承受攝氏1050的高溫。

 

進氣冷卻器

經過渦輪增壓器加壓的空器溫度最高可達攝氏200度!空氣溫度越高密度越低,燃燒效率越差。多半渦輪增壓引擎會裝置進氣冷卻器,1.4TSI也不例外。位置是空氣最容易流通的車頭前方,以獲得最佳卻效率。

機油循環管路

渦輪增壓系統需要額外的冷卻與潤滑效果,所以1.4TSI的機油循環系統與1.4FSI並不相同。

它的機油幫浦與1.4FSI一樣是以免保養鍊條驅動的雙樞型式。"雙樞"顧名思義有兩個中心軸,藉由偏心旋轉來壓縮機油,以增高壓力。

引擎轉速不可能維持恆定,使用引擎動力的本系統,輸出壓力始終維持在3.5大氣壓力上下,因為雙樞式幫浦內部有壓力調整機構控制油壓。如果油壓高於3.5bar,兩個軸心內的壓縮空間會減小,以降低輸出壓力。如果油壓低於3.5bar,壓縮空間會增加,以增加輸出油壓。

冷卻系統

1.4TSI的冷卻系統與1.6FSI(相同)是雙迴路系統;也就是氣缸蓋與氣缸有各自的冷卻水迴路。在氣缸蓋部分,冷卻水由外環圈流向內環圈,這種流動冷卻方式稱為『橫流式』冷卻,這種方式的好處是氣缸蓋的溫度比較平均,冷卻水出口與入口溫差較小,對於氣缸蓋的保護較周全。

大約有1/3的冷卻水流向氣缸蓋,2/3流向氣缸。這種雙迴路系統的好處是:氣缸溫度上升至工作溫度的速度較快,氣缸的磨損速率較低。氣缸蓋的恆定溫度較低,冷卻效果較好,可抑制爆震的發生。

結論

本文礙於篇幅,沒有提到FSI的作用原理,有興趣者敬請參閱『剖析2.0FSI/2.0T-FSI引擎』一文。至於準車主非常關心的可度,依照福斯/奧迪車系以往在機械增壓器與渦輪增壓器的歷史紀錄,以及本地氣溫/交通狀態的影響,問題發生機率以及維修成本應該相當高。