大眾公司EA113系列2.0L-FSI燃油分層直噴式汽油機詳解(二)

◆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(chǔ)上為第2代奧迪(Audi)A3和A4轎車開發(fā)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(fā)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(dāng)時歐洲實施的歐Ⅳ廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。

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

2004年，大眾公司在這種EA113汽油機系列平臺基礎(chǔ)上又開發(fā)出了世界上第一臺渦輪增壓缸內(nèi)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(fā)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(fā)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(fā)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(shù)顧問和多所高校客座教授。

6.排氣歧管-催化器模塊

用于新型奧迪A3轎車的2.0L-FSI汽油機采用了雙排氣歧管。圖12示出了雙排氣歧管相對于單排氣歧管在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提高發(fā)動機扭矩的效果。

與開發(fā)進氣模塊一樣，開發(fā)排氣歧管-催化器模塊也同時設(shè)計了多種前置催化器位置，并運用了不同的技術(shù)方案，以便在催化器中獲得最佳的氣體流動?，F(xiàn)在該機所應(yīng)用的技術(shù)方案是滿足所有要求的最佳折中方案，它采用不銹鋼制成排氣歧管-催化器殼一體化的結(jié)構(gòu)型式。這種不銹鋼材料具有特別低的熱膨脹性，能夠明顯地降低零件中的熱應(yīng)力。由于排氣門與前置催化器之間的廢氣流程很短，因此無需應(yīng)用雙層中空隔熱排氣管的技術(shù)方案。

在開發(fā)排氣歧管-催化器模塊時已通過計算了解了它們所承受的振動負荷和熱應(yīng)力，因此在進行部件試驗時就已達到了計算優(yōu)化的狀態(tài)。模塊支撐采用兩個支架分別用螺栓連接在兩個催化器柔性軟管的連接法蘭上，其中一個支架用螺釘直接固定在汽缸體曲軸箱上，另一個支架則用螺釘固定在變速器殼上。

在開發(fā)過程中，特別重視氧傳感器(λ傳感器)周圍和催化器中的廢氣流動，為此進行了三維流動計算，使催化器金屬載體中的廢氣均勻分布，并將其所產(chǎn)生的壓力梯度與其他發(fā)動機前置催化器方案得到的大量經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行比較。圖13示出了開發(fā)初期基本型與經(jīng)優(yōu)化后定型產(chǎn)品前置催化器中廢氣分布的均勻性狀況。

為了對發(fā)動機艙內(nèi)相鄰零件進行熱屏蔽，用兩片簿鋼板罩殼分別罩住兩個前置催化器，而裝在排氣歧管上方的隔熱板是為了防止向上的熱輻射。這種隔熱板采用一種特殊的工藝制造而成，以避免這種薄鋼板會產(chǎn)生的折痕。

7.附件

在發(fā)動機一側(cè)，除了機油濾清器模塊外，還有許多其他部件，如節(jié)溫器殼、輔助設(shè)備支架和爆燃傳感器等。

節(jié)溫器能夠按特性曲線場運行工況的要求進行控制，將冷卻水出口溫度調(diào)節(jié)在90～105℃范圍內(nèi)，以較高的冷卻水溫度運轉(zhuǎn)，特別在低負荷工況范圍內(nèi)能明顯降低燃油耗。

發(fā)電機和空調(diào)壓縮機固定在質(zhì)量優(yōu)化的輔助設(shè)備支架上，而機械式彈簧漲緊器能夠使其傳動皮帶適當(dāng)?shù)貪q緊。新型VDA空調(diào)壓縮機用螺釘固定在支架上，它沒有傳動離合器，而是在外部根據(jù)需要調(diào)節(jié)的。

由于新型奧迪A3轎車采用了機電式轉(zhuǎn)向助力器，因此取消了傳統(tǒng)的機械式轉(zhuǎn)向助力泵。

8.廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

該機的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)采用了一種旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥。這種旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥因其幾何特性而能在達到較大流量的同時仍具有良好的小流量計量精度，并且采用鑲在調(diào)節(jié)閥上的活塞環(huán)來密封。由于空氣濾清器與進氣管之間的距離較短，因此這種旋轉(zhuǎn)式的EGR調(diào)節(jié)閥無法像縱置發(fā)動機一樣采用空氣冷卻方案，而改用現(xiàn)在的這種水冷卻閥安裝在排氣歧管上的汽缸蓋上的方案。廢氣取氣口的位置在2-3缸催化器的后面，因此大大降低了EGR系統(tǒng)和進氣系統(tǒng)產(chǎn)生積炭的可能。

廢氣被直接導(dǎo)入塑料進氣管，為了不超過允許的溫度，EGR管與其連接的法蘭是隔熱的。EGR管在進氣管上的導(dǎo)入位置也有不同的方案，一種非常簡單的方案在廢氣均勻分布和進氣管所達到的表面溫度上達到最佳。這種廢氣管的末端被封閉，而在其側(cè)面有一個大孔，讓廢氣逆著新鮮空氣流動方向以稍微朝下的角度流出。借助于熱紅外線攝象來校驗進氣管壁上的溫度分布。圖14示出了在某個高EGR率試驗工況點進氣管表面的溫度分布情況。試驗已可靠地排除了因再循環(huán)廢氣較多而超過允許溫度的可能性。同時，通過試驗確定了進氣壓力/溫度傳感器的最佳位置，該傳感器測量進氣管中的壓力和溫度作為發(fā)動機的負荷信號，而所確定的傳感器位置能夠測量出與廢氣混合的新鮮空氣具有代表性的溫度。

9.燃油系統(tǒng)

在奧迪A2轎車1.6L汽油機上應(yīng)用的是三柱塞高壓燃油泵，在奧迪2.0L-FSI汽油機上已改用可按需調(diào)節(jié)供油量的單柱塞高壓燃油泵，并懸掛安裝在凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的旁邊。與前者相比，由于泵油量可按需調(diào)節(jié)，因此大大降低了高壓燃油泵的傳動功率。泵油量的調(diào)節(jié)是由集成在油泵上的電子控制油量調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)的，當(dāng)高壓腔內(nèi)的燃油壓力達到所要求的壓力時，該調(diào)節(jié)閥就打開返回進油口的旁通油路，而膜片式壓力阻尼器能夠減小進油油路中的壓力波動。這種高壓燃油泵由位于進氣凸輪軸軸端的凸輪傳動，該凸輪上的兩個凸起相差180°。由于兩次相鄰的噴射只有一次泵油行程，在第一次噴射后燃油共軌中的壓力會減小，因此第二次噴射的噴油時間由發(fā)動機電控單元進行修正，以使第二次噴油仍能噴射出相同的燃油量。

與奧迪A4轎車上的FSI汽油機相比，這種新型高壓燃油泵的進油油路是按需進行調(diào)節(jié)的，為此在低壓進油油路中安裝了一個壓力傳感器。由于燃油箱中的電動燃油泵只供應(yīng)實際所必需的燃油量，因此減少了的傳動電功率明顯地降低了燃油耗。同時，還具有改變低壓進油油路壓力的可能性，在易發(fā)生汽阻危險的運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)(如熱啟動)，低壓進油油路壓力能夠在短時間內(nèi)從0.4MPa提高到0.5MPa。

1 0.燃燒過程

2.0 L-FSI汽油機的燃燒過程是在奧迪A4轎車原先所使用的FSI汽油機的基礎(chǔ)上重新開發(fā)，采用了空氣引導(dǎo)的燃燒過程，并應(yīng)用無級調(diào)節(jié)的滾流閥將空氣滾流引入燃燒室并導(dǎo)向活塞頂部(見圖15-a)。這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)均質(zhì)充量運行，也能夠?qū)崿F(xiàn)分層充量運行(見圖15-b)，由發(fā)動機電控單元根據(jù)負荷狀況和加速踏板的位置操縱滾流閥的開關(guān)始終選擇最佳的運轉(zhuǎn)模式。在全負荷時，F(xiàn)SI汽油機通常以均質(zhì)充量運行方式工作，而在部分負荷時，以分層充量運行方式工作，此時僅僅在火花塞附近聚集著易著火的化學(xué)計量空燃比，而在其余的燃燒室空間內(nèi)充滿著空氣明顯過量的稀薄混合汽，因此這種FSI燃燒方式具有很大的節(jié)油潛力。在這種運轉(zhuǎn)方式中，燃油以22.5°的角度噴入燃燒室，恰好噴在火花塞的下方，因此油霧并不會與燃燒室頂部或活塞頂面接觸，因而也稱為“空氣引導(dǎo)燃燒”方式。

由于活塞頂凹坑具有特殊的形狀，燃燒室中占優(yōu)勢的滾流氣流被向上引導(dǎo)到火花塞附近，燃油滴與空氣之間具有很大的相對速度，從而形成了比較濃的混合汽，同時油霧和已汽化的燃油蒸汽也將被直接引導(dǎo)到火花塞。因此，與壁面引導(dǎo)燃燒方式相比，這種空氣引導(dǎo)燃燒方式噴油器與火花塞之間的路程明顯較短，因而反映到噴油和著火之間的時間間隔也明顯短很多。

燃油束與被活塞頂凹坑向上引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的滾流之間的相互作用對空氣引導(dǎo)燃燒過程的可靠性具有決定性的作用。在FSI燃燒過程中，隨著運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變化，通常流動狀況將會發(fā)生激烈的變化，但是通過改變噴油壓力和滾流強度能使燃油和空氣的流動始終處于最佳狀態(tài)。由于燃油束以很平坦的角度噴入燃燒室，因此能夠很早就開始噴油而不會沾濕活塞，這樣就有足夠的時間用于混合汽形成，使燃油在整個燃燒室內(nèi)均勻分布，從而有助于燃燒室充量的均質(zhì)化。全負荷均質(zhì)運轉(zhuǎn)時還能夠在具有高抗爆燃性的同時，獲得非常有效而又潔凈的燃燒，降低了HC的排放。因此，這種空氣引導(dǎo)燃燒過程能夠在較大的轉(zhuǎn)速和負荷范圍內(nèi)非常穩(wěn)定地工作，并能夠適用于未來的增壓和高轉(zhuǎn)速方案。

特別是在特性曲線場中，以上兩種運轉(zhuǎn)模式之間還能夠?qū)崿F(xiàn)一種以過量空氣系數(shù)λ≈1.5運行的“均質(zhì)稀薄燃燒”。這種模式不采用EGR運轉(zhuǎn)，與分層運轉(zhuǎn)模式相比，在平均有效壓力較高的情況下NOx排放具有明顯的優(yōu)勢。

1 1.發(fā)動機控制及其應(yīng)用

為了在奧迪A3轎車上應(yīng)用2.0L-FSI汽油機，將發(fā)動機電控系統(tǒng)MED7.1.1型改進成MED9.5.10型。這種發(fā)動機電控單元的配置和印刷電路板都是專門按照2.0L-FSI汽油機的要求設(shè)計的。由于采用了32位微處理器和新的印刷電路板布置，使MED9.5.10型電控單元具有更高的運算能力，而且未來還可以進一步開發(fā)出運算能力大大提高的控制功能。

同樣，新開發(fā)的65V功率輸出級代替迄今通常使用的90V功率輸出級來驅(qū)動高壓噴油器。這種新的功率輸出級的成本較低，而且由于發(fā)熱量較小，電控單元可以設(shè)計的更加緊湊。為了減少新的功率輸出級的能量消耗，博世(Bosch)公司開發(fā)出了一種改進型HDEV1.1噴油器，減輕了開啟階段的運動質(zhì)量，從而減少了所必需消耗的能量。這種噴油器的噴霧形狀與縱置發(fā)動機上所使用的噴油器完全一樣，開啟特性的變化很小，但可通過改變噴油時間來補償。

在FSI汽油機上第一次采用進氣壓力作為發(fā)動機負荷信號，這種壓力-轉(zhuǎn)速(p-n)控制模式可以取消通常使用的進氣空氣質(zhì)量流量測量裝置。除了EGR、可調(diào)式進氣管和可連續(xù)調(diào)節(jié)的進氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)之外，還必須應(yīng)用可連續(xù)調(diào)節(jié)的進氣滾流閥，因此這種電控系統(tǒng)應(yīng)用在2.0L-FSI汽油機上是迄今最復(fù)雜的程序。

模擬殘留在汽缸中的殘余廢氣，以及先前進入進氣管經(jīng)過進氣過程又被吸入汽缸的廢氣是計算汽缸中空氣質(zhì)量重要的特性參數(shù)。同時，采集發(fā)動機負荷信號要應(yīng)用下列傳感器信號：①集成在發(fā)動機電控單元中的海拔高度傳感器測量環(huán)境壓力；②安裝在進氣管上的傳感器測量吸入空氣的溫度；③節(jié)流閥位置傳感器(在電子節(jié)氣門上)；④通過進氣管上的壓力-溫度復(fù)合傳感器測量進氣管中的溫度和壓力；⑤EGR閥位置傳感器；⑥滾流閥位置傳感器；⑦進氣凸輪軸相位。(未完待續(xù))