大眾公司EA113系列2.0L-FSI燃油分層直噴式汽油機詳解(三)

◆文/江蘇 范明強

2003年大眾公司在1.8L-5V-92kW進氣道噴射汽油機的基礎上為第2代奧迪(Audi)A3和A4轎車開發了一種新型橫置式2.0L-4V-FSI分層直接噴射汽油機，除了將發動機功率由92kW增加到110kW使汽車的動力性得到了顯著提高外，還使汽車燃油耗降低了大約1L/100km，同時更加舒適，并達到了當時歐洲實施的歐Ⅳ廢氣排放標準。

這種采用汽油分層直接噴射(FSI)技術的直列4缸4氣門汽油機成功地解決了傳統汽車在功率、舒適性和燃油耗之間的目標沖突，表明汽油分層直接噴射技術始終是提高汽油機燃燒效率潛力最大的一種技術措施。

2004年，大眾公司在這種EA113汽油機系列平臺基礎上又開發出了世界上第一臺渦輪增壓缸內直接噴射2.0L-TFSI汽油機，功率為195kW，扭矩為350Nm。

2010年，為了給奧迪運動型轎車配備動力性能更好的汽油發動機，又將上述渦輪增壓2.0L-TFSI燃油分層直噴式汽油機的燃油過程移植到奧迪直列5缸自然吸氣2.5L-MPI多點氣門口噴射汽油機上，成功地開發出了功率250kW，扭矩450Nm的2.5L-TFSI增壓燃油分層直噴式汽油機。本文將詳細介紹4缸自然吸氣2.0L-FSI燃油分層直噴式汽油機和5缸渦輪增壓2.5L-TFSI燃油分層直噴式汽油機。

范明強

(本刊專家委員會委員)

教授級高級工程師，曾任中國第一汽車集團公司無錫研究所發動機研究室主任、湖南奔騰動力科技有限公司轎車柴油機項目部總工程師、無錫柴油機廠高級技術顧問和多所高校客座教授。

博世公司開發的新型連續變化式氧傳感器(λ傳感器)是第一次在汽油機上應用。這種LSU4.9型氧傳感器應用了一種“基準泵電流”，因此對基準空氣“中毒”現象并不敏感。借助于電控單元中新開發的控制功能模塊能夠調節這種氧傳感器的溫度，其中的測量元件被加熱到恒定的780℃。與現在使用的溫度控制相比，這種氧傳感器的信號精度得到了明顯的改善。在發動機倒拖斷油階段，這種氧傳感器在其稀薄測量范圍內進行特性曲線匹配，因此能夠滿足專門用于均質稀薄運行的信號所提出的較高要求。

圖16示出了發動機電控系統的整套傳感器和執行器。

大眾公司已成功開發用于存儲式NOx催化轉化器的調節功能。這種存儲式NOx催化轉化器只能在一定的溫度窗口內工作，但是大眾公司成功開發的專利功能可以改變這種限制，因此能夠消除這種部件的誤差，并利用到最大的NOx存儲能力，從而減少了存儲式NOx催化轉化器必須再生的次數，因而有助于降低燃油耗。

在分層運行的直接噴射汽油機上組合應用均質燃燒過程，既可以使存儲式NOx催化轉化器獲得良好的加熱特性，又能夠降低HC排放，發動機運轉穩定性也較好。

MED9.5.10型電控單元應用了一種新型的數字化爆燃調節功能模塊，從而在確定濾波頻率時獲得更大的自由度，進一步改善了雙爆燃傳感器方案的爆燃識別品質。

在實際使用中特別關注前置催化轉化器的熱負荷。為了使全負荷時降低零件溫度所要求的加濃量盡量小，應盡可能充分利用前置催化轉化器所允許的溫度范圍。一般來說，高的穩態溫度不至于損壞前置催化轉化器，特別是瞬態過渡過程的溫度峰值。讓汽車在動態試驗臺上按照事先輸入的行駛模式運行，并用專用攝像機觀測催化轉化器進口側和出口側在瞬態過渡過程中的溫度變化情況，能夠檢測到催化轉化器局部最熱的部位或短時間溫度的上升，從而能夠在試驗臺上直接找到降低催化轉化器熱負荷的措施，并證實其實際使用效果。

綜上所述，該發動機主要以4種模式運行(見圖17)：①有EGR的分層稀薄燃燒；②無EGR的均質稀薄燃燒；③有EGR的λ=1的均質燃燒；④無EGR的λ≤1的均質燃燒。

基于扭矩的發動機控制使得運轉模式的轉換在駕駛員察覺不到的情況下就實現了。實施運轉模式的選擇首先取決于燃燒過程的穩定性和燃油耗，而在稀薄燃燒運轉時，還必須評估當時的NOx質量流量。由于存儲式NOx催化轉化器的每次再生階段代表著燃油耗的提高，因此即使分層稀薄燃燒運轉的油耗要比均質稀薄燃燒運轉的低，但是在某些運轉工況點可能均質稀薄燃燒運轉模式要比分層稀薄燃燒運轉模式更為有利。

12.廢氣后處理方案

廢氣后處理裝置包括兩個集成在排氣管上的金屬載體前置催化轉化器和一個位于汽車地板下的存儲式NOx催化轉化器。

當今的存儲式NOx催化轉化器只能在一個窄的溫度窗口內工作，而且其允許的最高溫度要比傳統的三元催化器低。因此，在設計汽車地板時，一開始就要考慮到使存儲式NOx催化轉化器盡可能遠離發動機。無論是排氣管-前置催化轉化器模塊的溫度還是存儲式NOx催化轉化器的溫度都應該處于接近優化的范圍內，這樣就能夠取消諸如管子隔熱甚至可調式廢氣冷卻器等附加的冷卻措施。

在前置催化轉化器的前面各有一個連續變化式氧傳感器，而在后面各有一個躍變式氧傳感器。為了控制存儲式NOx催化轉化器的再生，在其后面裝有一個通過CAN總線與發動機電控單元相連的NOx傳感器，這與奧迪A4轎車汽油機上的結構相同。另外，在存儲式NOx催化轉化器前面還裝有一個溫度傳感器，這樣就構成了排氣系統的整套傳感器(見圖18)。通過測定前置催化轉化器吸收氧的能力來對其進行診斷，為此可有針對性地實施加濃/變稀的突變，再由前置催化轉化器后面的躍變式氧傳感器測出此時前置催化轉化器吸收氧的能力。串聯的存儲式NOx催化轉化器也具有三元催化功能，同樣能夠阻止有害物成分的通過。這種方案還能夠診斷出未來更低排放的在線診斷限值。

13.功率和扭矩

圖19示出了2.0L-FSI汽油機的功率和扭矩特性曲線，在同類競爭機型中處于領先地位。最大平均有效壓力為1.267MPa(見圖20)。值得一提的是，在低轉速范圍內具有高的扭矩，在轉速2000r/min時，扭矩達到了188Nm。

14.燃油耗

在新型奧迪A3轎車上，2.0L-FSI汽油機與同樣也是新開發的MQ250系列6擋變速器組合。這種變速器的設計選擇在5擋時達到最高車速，而6擋的行駛范圍設計得適當寬一些，由于其具有較好的靈活性，因此非常適合用作行駛擋，無須頻繁地換低擋位。但是，選用如此設計的6擋變速器，在廢氣排放試驗循環中，因為試驗中指定擋位，所以會對燃油耗有些不利影響。

圖21和圖22分別示出了傳統的5擋變速器和這種6擋變速器在發動機轉速為1000r/min時各擋位車速(V1000)的比較，以及在機動車排放組合試驗循環(MVEG)中的累計燃油消耗量的比較。

在試驗中，從2擋到5擋的短暫換擋對燃油耗有些許不利影響，但是只要在城郊行駛，車速從100km/h起就掛6擋行駛(參見圖22中的擋位曲線)，這種不利影響不再需要補償，與5擋變速器相比，這種6擋變速器在試驗循環中的燃油耗也就大約只差0.2L/100km。然而，在用戶的實際行駛中，這種6擋變速器卻明顯起到了有利的作用，因為駕駛員總是傾向于掛高一擋，因此行駛起來反而省油。雖然從技術上看設計似乎有缺憾，但是MVEG行駛試驗循環的燃油耗只有6.9L/100km，達到了該車型等級的最佳值，這充分顯示出了FSI技術的魅力。

二、渦輪增壓2.5L-TFSI燃油分層直噴式汽油機

奧迪轎車搭載直列5缸渦輪增壓汽油機具有很久的歷史。2010年，為了給奧迪運動型轎車配備動力性能更好的汽油發動機，將渦輪增壓2.0L-TFSI燃油分層直噴式汽油機的燃油過程移植到奧迪直列5缸自然吸氣2.5L-MPI多點氣門口噴射汽油機上，成功地開發出了2.5L-TFSI增壓燃油分層直噴式汽油機。將缸內分層直接噴射與渦輪增壓結合起來，2.5L排量的發動機就能達到250kW（5400～6500r/min）的功率和450Nm（1600r/min）的扭矩。在奧迪轎車上，這樣的發動機動力指標與優化匹配的6擋手動變速器相結合，能夠在適當的燃油耗下，使其加速性和動力性指標達到運動型車型的水平。差不多相隔20年后，奧迪轎車搭載的汽油機品種又增加了一種新型的直列5缸汽油機，它被搭載于奧迪TT RS型轎車上。在奧迪汽車歷史上早已報道過5缸汽油機的結構型式，從Urquattro型一直到奧迪quattro S1運動型汽車以及IMSA-GTO型汽車都裝備了5缸渦輪增壓發動機。

1.開發目標和主要技術參數

該機型的開發目標是：①在奧迪最小的運動型汽車中，使TT RS車型的功率達到250kW；②因TT車型中的發動機橫置，所以應采用緊湊的發動機-變速器總成；③盡可能通用自然吸氣125kW的2.5L-MPI多點氣門口噴射汽油機的基礎總成和奧迪發動機的標準部件；④低轉速時扭矩提升迅速，在高轉速范圍內具有高的升功率。

表4列出了該機型最主要的尺寸和特性數據，并與搭載于奧迪TTS車型的直列4缸R4-2.0L-TFSI增壓燃油分層直噴式汽油機和搭載于大眾捷達轎車的直列5缸R5-2.5LMPI多點氣門口噴射汽油機進行對照。圖23和圖24分布示出了該機型搭載于奧迪TTRS型轎車的總體局部剖視圖及縱剖視圖。

2.發動機簡介

超過4個汽缸的直列-橫置式發動機必須設計得較短，以便將發動機-變速器總成安裝在車輛前部的縱梁之間。奧迪直列式汽油機具有傳統88mm的缸心距，如果能將兩級配氣正時鏈傳動與皮帶傳動分開布置的話，那么發動機的長度還能進一步縮短。2004年以來，在北美市場上非常成功的自然吸氣直列5缸R5-2.5L-MPI多點氣門口噴射汽油機就具有這些特點。若橫置式汽油機采用增壓的方式，則還要在汽車長度方向上布置廢氣渦輪增壓器、增壓空氣管路和增壓空氣冷卻器。圖24示出該機型的長度為494mm，與目前市場上現有的發動機機型(包括普通汽油機和TDI增壓直噴式柴油機)相比，奧迪R5-2.5L-TFSI直噴式汽油機是最緊湊的，而且功率是最大的。

發動機的長度主要取決于汽缸體曲軸箱的設計和外形尺寸。通過縮小連桿厚度和主軸承寬度能夠將最外側的兩個主軸承移向發動機內側，因此能將變速器一側的正時鏈條傳動以及發動機前端的曲軸密封法蘭和扭轉減震器布置在冷卻水套下面，這樣就能節省軸向長度而使結構設計得非常緊湊。

基于強度的原因，渦輪增壓發動機軸承寬度的縮小已達到物理極限，并且不得不采用高強度材料來予以補償。出于這個原因，選用了拉伸強度為450N/mm2的蠕墨鑄鐵(GJV)作為汽缸體曲軸箱的制作材料。自1999年以來，奧迪公司就已將這種材料用于V6和V8-TDI柴油機的汽缸體曲軸箱，而在高轉速(6800r/min)增壓直噴式汽油機上已達到了新的境界。(未完待續)