Bottom 奧迪3.0L TFSI V6機械增壓發動機技術解析

最近在微博上看到介紹奧迪A6L三十周年年型的文章，裡面提到了它搭載的是一台V6機械增壓發動機，因為最近很少看到有單獨搭載機械增壓發動機的車型，而且目前為止也沒仔細研究過這台曾經連續獲得過多次沃德十佳的經典機頭，就去查了點資料。

查完資料發現這台發動機還是有它的過人之處的，便想以工程師的視角從技術層面來解讀一下這台發動機為什麼能蟬聯多次沃德十佳。

我們先來回顧一下這台發動機的前身。

3.0L TFSI的前身是2004年奧迪推出的第一款帶缸內直噴的V6發動機， 3.2L FSI。

這裡插播一則名詞講解——FSI是什麼意思

相信在神車宣傳團隊的宣傳攻勢下，很少有人沒聽說過渦輪增壓+雙離合的黃金組合的。

但大眾發動機型號里的FSI，TFSI，TDI，TSI一般用戶可能並搞不清楚指的是什麼。

弄明白以後其實也不算太複雜，有沒有T表示有沒有增壓器（之所以不說是渦輪增壓是因為本文中的機械增壓發動機也叫TFSI（我也是這次查了資料才發現這個問題），TSI里的T有的代表雙增壓有的代表渦輪增壓，總而言之命名規則亂成一鍋粥VW銷售很多也並搞不清楚）；FSI的全稱是Fuel Stratified Injection，也就是分層噴射（關於分層噴射的原理我就不展開講了，畢竟網上一搜一大把）；TDI是渦輪增壓柴油直噴發動機（Deisel）。

朱思遠：國產的TSI發動機基本上都省略了機械增壓和分層燃燒部分，國際上是一種什麼情況？

解釋完什麼是FSI以後，我們回到3.2L FSI這台發動機本身上來。

最近查了資料發現，這台發動機也曾經在2005年被評為沃德十佳發動機，現在回過頭來看這台機頭上搭載的技術，就能看出德國人在採用先進技術上還是很激進的。

十幾年前的機頭已經搭載了分層燃燒，可變進氣歧管，進排氣門連續可變正時等技術。

3.0L TFSI作為這台發動機的後繼機種，可以說有了一個非常好的底子。

接下來我們正式進入本文主角3.0TFSI的解析環節。

先貼一段官方簡介。

Audi 3.0L-V6-TFSI發動機是奧迪公司首款使用機械式增壓器的發動機。這是一種使用羅茨式增壓器的發動機，它是以奧迪V型發動機家族中的3.2L-V6-自然吸氣式發動機為基礎而開發的。

新技術再結合FSI燃燒方式，就形成了一種發動機結構，該結構在緊湊性、聲響效果、響應特性和燃油消耗方面具有極為出色的表現。

該發動機的特性曲線展開得很寬，所以它可以滿足從舒適到極具運動性這樣一個很寬的使用範圍。這種運動性設計是專為美國的特殊顧客群體而準備的。這方面重要的是所謂的「起步特性」，其目的是要在城市循環中能獲得儘可能好的加速性能（指在任何兩次紅燈之間行駛時）。

3.0L-V6-TFSI發動機的動力展開性能絕佳，但也非常適合舒適駕駛方式，因此這種發動機在奧迪系列車型中獲得了廣泛應用。

從歷史上來看，使用機械式羅茨增壓器對於奧迪公司來說並不是一個全新的技術。傳奇賽車AUTO UNION（銀箭）的發動機上就已經使用了羅茨增壓器。這種賽車配備的是大排量發動機，可多達12個汽缸，採用一個甚至是兩個羅茨增壓器來增壓。在1934-1939年，著名賽車手Hans Stuck和Bernd Rosemeyer駕駛AUTO UNION賽車多次獲得國際汽車大獎賽的勝利並打破車速的世界記錄。

其中的重點就是首款使用機械增壓器的發動機了。

這裡插播一段技術講解——機械增壓好處都有啥。

從基本原理上來講，機械增壓最大的好處就是響應快，不像渦輪增壓必然會有渦輪遲滯。然後就是不像渦輪增壓需要大量空氣來推動，中低速時就能提供較大的扭矩增幅。當然相應的機械增壓肯定也有缺點，比如會消耗發動機產生的動力，以及在本身動力性能不足的發動機上完全無法發揮功能（這也是小排量發動機只能搭載渦輪增壓的原因）。

順便貼一個機械增壓工作原理的視頻。

渦輪增壓和機械增壓到底孰優孰劣，並沒有一個固定的答案，那麼奧迪當年為什麼最後選擇了機械增壓呢？自然是工程師們根據各項性能指標進行了綜合判斷。

立項的時候，工程師們提出了兩個方案，一個是機械增壓，另一個是雙渦輪增壓，那到底應該選哪個好呢？在遇到這種問題的時候，工程師和鍵盤車神的區別就是，他們會用數據而不是鍵盤來說話。在經過一輪實驗後，就有了下面那張圖。在take-off和Emissions兩項性能上，機械增壓完爆雙渦輪增壓，在Package上機械增壓也要明顯優於渦輪增壓。雖然Power比雙渦輪增壓差了少許，但整體來講機械增壓的優勢更為明顯，最終選擇機械增壓也是順理成章的了。

話題偏得有點遠，我們繼續介紹發動機。

先貼一張這台發動機以及奧迪過往的V6發動機的技術參數。

單從數據上來講，以今天的眼光來看，數值並不是太過亮眼，但在八年前的發動機上能有這個數值，其實已經是當時的頂級水準了。並且和他的前身相比，動力性能有了極大幅提升（雖然是理所當然的，畢竟3.2L FSI是自然吸氣）。

這裡關於動力提升有一個問題值得一提，那就是耐久性的問題。3.0L TFSI是基於3.2L FSI進行開發的，動力大幅提升的背後，是燃燒後的最大缸內壓力也會大幅提升，用腳趾頭想想大家應該都能想到，如果不做任何處理髮動機壽命肯定會大幅縮短。

為了不讓耐久性下降奧迪的工程師們做了什麼工作呢？

針對缸體，他們通過改變熱處理方式，以提升材料強度。並把主軸承螺栓強度等級從9.8提升到了10.9。

針對曲軸，也進行了強度的提升。

針對活塞，進行了抗磨塗層處理，在降低串氣和機油消耗的同時，也減輕了磨損。

在這裡我插一句題外話，那些熱衷於刷ECU提升動力的車友，如果改裝店沒有配套給你改裝硬體，你就要做好發動機壽命變短的心理準備。

接下來摘錄一些關於這台發動機的增壓器的設計細節。

汽車發動機的機械增壓器一般都是羅茨增壓器，相比於老式的三葉片羅茨增壓器，3.0L TFSI採用的是四葉片設計，每片葉片間的間隔是160°，供氣更連續，波動更小。

而且通過合理的設計，這台增壓器正好整個內置於發動機的V型缺口中，完全沒有破壞整體結構，而且也滿足行人保護要求。

羅茨式增壓器由曲軸通過第二套皮帶來驅動。這個驅動是永久式的，不是由電磁離合器來接通和關閉的。這兩套皮帶通過公用扭轉振動減振器內的橡膠層將曲軸振動隔離開。這樣可在低轉速和全負荷工況改善諧振情況，而且降低了皮帶負荷。

羅茨式增壓器的聯接是通過去耦合元件(SSI = Single Spring Isolator）來實現的。這個去耦合元件集成在增壓模塊的傳動殼體內。其作用是在負荷變化過程中優化扭矩的變化曲線。該增壓器運轉極其安靜（優化了噪音），且提高了傳動皮帶的壽命。皮帶更換間隔里程為12000km。

該增壓器的兩個四葉片式轉子以扭轉160°的方式布置。兩個轉子都採用免維護滾動軸承來工作。為了使磨合階段的磨損儘可能小，轉子表面塗有一層石墨層。該塗層可保證零件處於最佳密封狀態，防止漏氣（轉子與轉子之間以及轉子與轉子孔之間）。從而可增大發動機的功率。

另外，關於增壓器的壓力控制，因為羅茨式增壓器的驅動是永久式的（就是一直在被驅動著）。因此如果沒有增壓壓力調節機構的話，羅茨式增壓器在任何轉速時都會產生相對於這個轉速的最大氣流（也就是最大增壓壓力）。但是，並非在所有工況都需要增壓，因為增壓時增壓器壓力側會形成很高的阻力，這種阻力會造成發動機出現不必要的功率損失。因此，必須有相應的措施能調節增壓壓力。在較舊的系統上，採用電磁離合器來關閉皮帶驅動機構，從而達到限制增壓壓力的目的。3.0L TFSI發動機則是採用調節翻板控制單元來調節增壓壓力。該控制單元用螺栓固定在增壓模塊內，將壓力側與進氣側連接起來。旁通翻板打開時，輸送過來的部分空氣就可通過打開的旁通通道被引回到羅茨式增壓器的進氣側。這個旁通翻板的作用類似於渦輪增壓器的泄壓閥。

因為增壓器設計出色，發動機進氣系統，燃油系統，炭罐，排氣系統，冷卻系統的布置都是和3.2L FSI是一樣的，節約了重新設計布置方案的開發成本。

接下來講一講燃燒系統。

直噴可以提高充量係數，降低爆震傾向，本身就是和增壓相性非常好的技術，奧迪通過機械增壓+直噴的系統，充分挖掘了這台發動機的潛能。

通過合理設計燃燒室性狀以及進氣道性狀，使得進入氣缸的空氣能夠形成強烈的滾流，並穩定地和燃料進行充分混合，從而提高了充量係數，且提高了燃燒效率。

在開發燃燒系統的過程中，於開發初期相比，3000rpm的扭矩提高了35Nm，斷油轉速也被提高到了7000rpm，從而得到了一個寬廣的動力區間。

這台發動機的噴油嘴是與Continental合作開發的。這種六孔式噴嘴被設計成在發動機各種工況下都能保證燃油和空氣能夠充分混合，還大幅提高了單位時間噴油量（提高了25%，為23cc/s），這樣就減小了相同噴油量下的噴油持續時間（在全負荷時小於4毫秒），可以根據需要選擇合適的噴油時期，還降低了燃油噴射到氣缸壁和活塞頂部造成機油稀釋的風險。而且這種高相應噴油嘴可以做到在一個循環內最大三次的多次噴射。

從最終結果來看，這款噴油嘴大大降低了HC的排放，提升了燃燒速度，並降低了爆震傾向。

最後我們來看一下這款發動機的動力響應和油耗。

超高的動力響應是這款發動機最大的賣點，在300ms時就能完成從0負荷到滿負荷的壓力提升，並且在150ms就能達到90%的最大壓力，它的動力響應速度超過了很多自然吸氣發動機。尤其是在車重較重的車輛以及駕駛環境惡劣的路面行駛時它的這個特點就會顯得極為重要。

然後就是油耗。在2,000 rpm/2 bar的工況下，它的BSFC是368 g/kWh，在機械增壓發動機中屬於優秀水平，油耗最低點的數值是238 g/kWh。從下圖可以看出通過變速箱齒比和換擋曲線的設計，實際使用區間基本沿著最低油耗區間走（但畢竟是八年前的發動機，那時候沒有9速變速箱，不然可以更靠近最低油耗點）。

最後的最後做個總結。

上圖是3.0L TFSI開發過程示意圖，油耗從3.2L FSI的10.9L/100km降低到了現在的9.4L/100km，80-120加速性能從6s降低到了5.25秒（2009年款數據）。

通過寫這篇分析文查閱的相關資料，個人認為搭載了這台結合了機械增壓和分層燃燒技術，且有寬廣扭矩平台的發動機的奧迪A6L三十周年年型應該是一輛兼顧舒適和運動取向的好車，而且搭配上現在的7速雙離合變速器，油耗應該會比過去更低。

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