大眾奧迪EA888系列1.8L增壓燃油分層直噴式汽油機詳解(二)

◆文/江蘇 范明強

(接上期)

9.發動機附件

該機型的廢氣渦輪增壓器和進氣管等附件是在功率為147kW的2.0L-TFSI增壓分層直噴式汽油機批量生產使用的部件基礎上進一步開發而成的，而在開發噴油系統時必須考慮到發動機的性能及廢氣排放法規。

(1)廢氣渦輪增壓器-排氣歧管模塊

1.8L-TFSI汽油機的廢氣渦輪增壓器模塊，其開發目標是將該模塊集成適用于所有的現有汽車系列而不會改變相鄰部件的結構。為此，采用了廢氣渦輪增壓器-排氣歧管模塊化結構型式(見圖14)，使其能通用于包括右方向盤在內的所有發動機縱置式和橫置式驅動方案，并能實現催化轉化器靠近發動機安裝。這種廢氣渦輪增壓器的基礎是K03系列的一種增壓器，采用廢氣軸向流出的5.88渦輪與博格瓦納渦輪系統(Borg Warner Turbo System)公司生產的2074 DCB型壓氣機相配對，并與2.0L-TFSI汽油機類似也應用了由排氣歧管與渦輪殼集成的整體式模塊件，它選用D5S高耐熱合金灰鑄鐵作為材料，允許廢氣溫度高達950℃。該增壓器還具有一個水冷卻的中間軸承殼體，并帶有一個外部機油接口。同時，通過對控制膜盒和操縱廢氣放氣閥的杠桿系統的徹底修改，廢氣渦輪增壓器的調節質量得到了明顯的改善，整個廢氣渦輪增壓器模塊滿足了開發方案所提出的熱力學和安裝技術方面的要求。

這種增壓器的轉子(壓氣機葉輪和渦輪機葉輪)與老機型相比已做了改進，能適應有關功率和加速性方面的熱力學指標的要求。應用了一種經優化的渦輪機葉輪，其背部加高使熱力學性能得到了優化。由于空氣動力學更加有效，因此即使慣性矩稍有增加，但效率提高了4%，因此這種廢氣渦輪增壓器在低轉速范圍內的加速性得到了明顯的提高，而且高轉速范圍內流經渦輪的流量也能增大。

由于發動機的裝配狀況已有所變化，因此鋁制壓氣機殼根據具體情況已重新設計，出氣彎管、消音器殼、電控倒拖旁通空氣閥、活性碳罐和增壓壓力調節閥都直接集成或用螺栓連接在壓氣機殼上。

緊接著壓氣機出氣口裝有一個脈動消音器，它能夠減小各種壓力脈動。在流體機械上，這種壓力脈動的頻率取決于葉片的數量，并對發動機噪聲產生不利的影響。臨界頻率大約在2400Hz或5000Hz，只有采用雙腔消音裝置才能滿足高消音效果的要求。1型和2型(批量生產用)消音器的消音效果如圖15所示。

(2)進氣模塊

現有2.0L-147kW-TFSI增壓分層直噴式汽油機的進氣模塊零件在熱力學和成本方面已經過優化，可以用于該機型新設計的進氣模塊。這種新型的進氣模塊總成(見圖16)，除了基體之外，還包含有滾流閥及其用于操縱滾流閥的附件，例如氣動執行器、開關閥和滾流閥位置反饋傳感器等，另外進氣模塊總成還包括了節氣門以及活性碳罐導管和燃油管道，這些部件都用自攻螺釘方式固定在基體上。為了使進入進氣管的氣流達到最佳的均勻分布，將汽缸體曲軸箱通風和活性碳罐通風的引入口位置布置在節氣門后面的直通空氣管道上。

進氣模塊基體自身是由上下兩半殼體組成，其模具分型面的選擇使焊縫避開氣道或滾流閥軸承范圍，以防止由于上下兩半殼體的錯位而引起空氣流動的不連續性，這是采用將滾流閥板插在模具中以后再進行注塑的方法來實現的。同時，采取在基體上下表面附加加強筋、局部加大壁厚以及優化焊縫分布位置等措施來提高基體的破裂強度和改善其聲學特性。

由于基體選用了35%玻璃纖維加強的耐高溫PA66 GF35高強度尼龍作為材料，為實現非常大的氣門重疊提供了前提條件。當然，對滾流閥的材料要求同樣也較高，為了將氣流正確地導入汽缸蓋，滾流閥位于進氣管靠近汽缸蓋的一端，同時為了提高耐高溫性，必須將滾流閥板連同轉軸一起做成一個零件，而且這樣還能夠獲得高的扭轉剛度。正是出于這樣的原因，滾流閥軸及其操縱杠桿都采用PPS工程塑料作為材料。

由于至今滾流閥仍布置在進氣道中，因此現在采用了一種流動優化的高剛度簸箕形滾流閥，其形狀設計得與進氣道內壁貼合得較好，關閉時能使其周圍不留孔隙，從而可使產生的進氣滾流更強烈，而在其打開的時候又不會妨礙進氣流動，增加流動阻力，因此與2.0L-TFSI機型相比，其滾流強度提高了20%。

就熱力學而言，滾流閥可以放棄中間位置的調節，因而開與關兩個位置的氣動調節器就足以能夠滿足要求了。但是，由于放棄了電控調節器而又應用了塑料滾流閥軸，因此為了診斷的需要必須應用一個反饋滾流閥位置信息的傳感器，它被安裝在執行器對面滾流閥軸的自由端。

(3)燃油系統

該機型燃油系統的所有零件和功能模塊都體現出了FSI最新的技術狀態，并在2.0L-TFSI汽油機的基礎上得到了進一步的發展。

在開發燃油系統的時候特別重視在全球市場范圍內的使用適應性，這除了對現有燃油的適應性之外，還必須滿足有關車載診斷系統(OBD)和防止燃油蒸發等方面的要求。為了提高耐腐蝕性能，燃油系統的所有零件都用不銹鋼和黃銅制成。除了高壓噴油器之外，燃油系統其余的密封部位都是焊接或用金屬密封的。系統無回油，并第一次取消了低壓傳感器，系統的低壓輸油壓力為0.35～0.60MPa。

該機型應用了博世(Bosch)公司生產的泵油量可按需調節的高壓燃油泵(HDP)，泵油壓力已提高到15MPa，比2.0L-TFSI汽油機提高了4MPa。油量控制閥與限壓閥同樣都集成在高壓燃油泵上(見圖17)。限壓閥能限制系統壓力過高，例如在發動機倒拖運行或停機后加熱階段就可能出現這種過高的系統壓力，但與2.0L-TFSI汽油機不同的是，這里不是在低壓油路內而是直接在高壓燃油泵的泵油腔內限制燃油壓力。一個金屬制成的大尺寸燃油穩壓器承擔平抑低壓油路內壓力波動的功能。

高壓燃油泵通過一個滾輪式挺柱來傳動，并第一次采用方形四角凸輪驅動，這樣就能夠通過調整4個凸起的相位，將這4個“油泵凸輪”布置成好象4個“氣門凸輪”，并與進排氣凸輪相位錯開，從而使配氣傳動機構中的鏈條力最多能降低30%，另外還有一個優點是能減小凸輪升程，2.0L-TFSI汽油機上采用一個升程為5mm的三角凸輪，而該機型則應用一個升程為3.5mm的四角凸輪，由于升程較小，每次供給燃油共軌的單次體積油量就較少，因此在高壓范圍內的壓力波動也就較小，同時噴油器的計量精度也得以改善，因為每次噴油都對應著一次供油行程。

與2.0L-TFSI汽油機相比，高壓燃油泵的供油頻率提高了33%，因此油量控制閥(MSV)必須重新設計。通過油量控制閥中電磁線圈磁回路的優化，使得油量控制閥的工作頻率最高可達到每分鐘14800次行程，而在2.0L-TFSI汽油機上該頻率仍被限制在每分鐘10000次行程。在進油階段，由于低壓油路的輸油壓力與油泵柱塞向下運動而造成的壓力差，燃油流入泵油腔，此時油量控制閥不通電，在其彈簧作用下將進油閥頂開。而在緊接著的壓油階段期間，燃油首先仍通過被油量控制閥保持開啟的進油閥回流到低壓油路，一旦油量控制閥通電將進油閥關閉，燃油就開始被泵入燃油共軌。此時，油量控制閥通電只是釋放進油閥而使其在自身彈簧壓力的作用下關閉，由于油泵柱塞上行壓擠燃油，在油壓作用下進油閥繼續保持在原始關閉狀態。

將高壓燃油從油泵輸送到燃油共軌的高壓油管,與燃油共軌一樣也是焊接結構。由于采用方形四角凸輪驅動，使得燃油壓力波動較小，因此燃油共軌的容積可以從130cm3(2.0L-TFSI汽油機)減小到80cm3，于是在發動機起動和從倒拖運轉恢復到正常運轉的情況下，燃油共軌中的油壓建立得比較快，同時其較小的內表面對強度、質量、所需的結構空間和成本等方面都起到了有利的作用(見圖18)。

采用印刷電路板技術的共軌壓力傳感器直接擰在燃油共軌上，其檢測范圍高達20MPa，而且外形尺寸也要比老型號混合電路傳感器的小，同時還能夠直接編程不同的特性曲線。

10.發動機性能的改進

該機型的換氣和燃燒過程是以2004年已批量生產的2.0L-TFSI汽油機為基礎的，但是許多部件都已經過仔細的改進，開發的重點是改善起步扭矩，特別是動態扭矩的建立。該機型繼承了2.0L-TFSI汽油機的燃燒室形狀，其進氣道同樣也是滾流氣道，而壓縮比則考慮到按燃用辛烷值95(研究法)進行設計而適當降低到9.5。除了精細地優化滾流閥之外，還采取了新的配氣正時策略，對換氣過程進行了較大的改進，并在批量生產中采用多孔噴油器，應用了新型的多油束和雙次噴射技術。為了在低轉速時獲得較高的平均有效壓力，混合汽形成和燃燒過程必須滿足特殊的要求。

(1)燃油噴射

該機型運用了多孔噴油器技術，以便能夠明顯地改善混合汽的均質化。通過噴孔數目、單個噴孔幾何形狀、單個分支油束錐角和方位的選擇，并與噴油壓力相結合，多孔噴油器(見圖19)可以提供多種多樣的匹配可能性，為此進行了廣泛的試驗研究來驗證為數眾多的開發目標對噴油系統設計參數的敏感性(見圖20)。在噴油器的開發過程中，除了進行壓力罐試驗和石英玻璃單缸發動機試驗之外，計算流體動力學(CFD)計算也是一種非常有價值的輔助方法。試驗研究已證實，在選定的10MPa噴油壓力下靜態流量為15cm3/s時，采用6個噴孔和最短噴孔長度的噴油嘴結構型式是最有利的，而選擇最大噴油壓力為15MPa則使得噴油器能夠實現最小和最大噴油量之間大的噴油量跨度，并從而能獲得對噴油定時進行精細優化的空間，這樣就使得發動機低負荷時最小油量的混合汽形成和高負荷時改變噴油參數的可能性都能夠解決得比較理想，特別是全負荷工況的混合汽形成得到了明顯的改善，降低了燃油耗和排放。由于混合汽良好的均質化，即使在不利的邊界條件下也避免了出現例如提前著火之類無法控制的燃燒過程的傾向。

同時，還通過應用雙次噴射使得混合汽均質化獲得了更多的優點。由于將燃油量分配到進氣行程和壓縮行程分兩次進行噴射，促進了燃油與周圍新鮮空氣更均勻的混合。但是，當年可應用雙次噴射的范圍尚受到限制：負荷太低時受到噴油系統最小噴油量的限制，而3000r/min時又受到電控單元輸出功率及再充電時間的限制。當然，現在由于噴油器和電子控制技術的進一步發展，這些限制已不成問題了。

(2)充量運動

在汽油發動機受爆燃制約的特性曲線場范圍內，低轉速和高平均有效壓力工況必須具有高的燃燒穩定性，其中滾流閥的控制起著十分重要的作用。通過關閉滾流閥使進氣充量產生的高強度滾流運動能明顯改善混合汽的形成(見圖21)。當滾流閥完全打開的時候，在與進氣同步噴射時充量流動使燃油噴束向下朝活塞運動，并且液態燃油滴碰到活塞頂面，而當滾流閥關閉的時候，強烈的充量滾流運動將燃油束包裹起來，燃油量中很少有呈液態狀的，到點火時刻時已形成了非常有利的均勻的λ分布。

在從怠速一直到3000r/min的特性曲線場范圍內，滾流閥是始終關閉的，以便確保良好的混合汽形成和穩定的燃燒，這樣就能夠在部分負荷時應用高的殘余廢氣含量穩定運行，并保持高的燃燒效率，而在高負荷時，由于強烈的充量運動而獲得良好的均質化，使燃燒速度提高，從而使50%能量轉換點出現在較早的相位，Pmi的標準偏差也明顯減小，因而奧迪轎車在保持低噪聲運行的同時首次達到了如此高的平均有效壓力。

(3)穩態全負荷特性

該機型采取上述優化措施的良好效果反映在全負荷特性曲線上(見圖22)，在1000r/min轉速時的扭矩就已經達到了165N·m，而在1500～4200r/min范圍內始終保持著最大扭矩250N·m，并在5000～6200r/min非常寬廣的轉速范圍內都能發出最大功率118kW，因此能夠獲得低燃油耗的變速器傳動設計，并具有運動型汽車的特點。發動機排量小型化后在平均有效壓力方面的提高非常明顯(見圖23)。由于在2.0L-TFSI汽油機上應用了汽油直接噴射技術，與采用進氣道噴射技術的老的增壓汽油機相比，低轉速時的平均有效壓力得到了非常明顯的改善，而新型1.8L-TFSI汽油機的開發則通過優化缸內充量運動使起步扭矩得到了進一步的提高，特別是在動態扭矩建立方面的改善更加顯著，這對提高汽車加速性能非常重要。

(4)動態加速性能

圖24示出了在2000r/min轉速時負荷突變的情況。1.8L-TFSI汽油機達到全負荷的時間縮短到了1.2s，而進氣道噴射的老機型1.8L-T-MPI增壓汽油機則需要1.6s。若考察達到1.5MPa平均有效壓力所需要的時間間隔，則當將1.8L-T-MPI汽油機調換成2.0L-TFSI汽油機后加速時間縮短了0.4s，而新型的1.8L-TFSI汽油機還能再減少0.4s，已縮短到了1s以下，因此這種新型汽油機在改善動態性能方面取得了很大的進步，這對用戶來說是非常有利的。

由于1.8L-TFSI汽油機的穩態和動態扭矩建立得較快，因此汽車能夠選擇一個具有較大速比范圍的變速器，從而獲得良好的行駛動力性。圖25示出了其在最高兩個擋位時的新歐洲行駛循環(NEFZ)燃油耗和機動性，并與2.0L-TFSI汽油機和老的1.8L-T-MPI進氣道噴射汽油機進行比較。與1.8L-T-MPI汽油機相比，1.8L-TFSI汽油機的行駛動力性稍有改善，但燃油耗降低了0.8L/100km,這相當于在舒適性明顯提高和駕駛機動性得到改善的同時燃油耗卻降低了9%。

1.8L-TFSI汽油機是2004年首次推出2.0L-TFSI汽油機以后奧迪公司汽油機戰略的一個里程碑，并再次顯示出增壓直接噴射汽油機未來具有非常大的潛力。

二、第三代1.8L-TFSI機型

2009年大眾奧迪公司又對EA888汽油機系列1.8L-TFSI增壓分層直噴式汽油機進行了多處摩擦優化成為其第二代機型，繼而于2011年再次推出了經進一步廣泛優化并裝備奧迪可變氣門定時和升程機構(Avs)機構的第三代1.8L-TFSI機型。這種最新一代機型已經過全新的修改，應用了眾多的創新技術，例如集成在汽缸蓋中可冷卻廢氣的整體式排氣歧管；具有缸內直接噴射和進氣道噴射的雙重噴油系統以及采用雙凸輪軸相位調節器的可變氣門機構；應用新型的全電動冷卻液調節實施創新的熱管理；通過不斷地降低摩擦功率、進一步開發燃燒過程以及采用單渦道渦輪增壓器和電動廢氣放氣閥等新的增壓技術，使得有效功率和燃油效率達到了一個新高度，并能滿足世界未來最嚴格的廢氣排放標準。

第三代EA888-1.8L-TFSI汽油機的開發目標是：①以高的通用化率開發1.8L和2.0L機型的模塊化組合部件；②搭載于大眾集團所有的發動機橫置和縱置汽車平臺上；③降低機內摩擦；④改善功率、扭矩和燃油耗；⑤進一步改善舒適性；⑥為未來的廢氣排放標準(如歐Ⅵ)作好準備；⑦為應用于所有市場作好準備；⑧提高耐久性適應不斷增長的混合動力化和應用于這些新興國家；⑨進一步減輕質量。

第三代機型繼承了久經考驗可靠的帶有蘭開斯特(Lancaster)平衡裝置的曲柄連桿機構，并進一步改善了發動機內部摩擦，為此再次減小主軸承直徑，平衡軸部分采用滾動軸承以及優化包括可調式機油泵在內的壓力機油循環回路。

為了改善扭矩特性，繼承了2.0L老機型可靠的可變氣門機構，并附加集成了排氣凸輪軸相位調節器。由于1500r/min轉速時的扭矩高達320N·m，因此具有卓越的行駛性能，而且特別是因匹配了合適的變速器速比也達到了較低的燃油耗。

為這種新一代汽油機開發了一種全新的汽缸蓋，而且在這種功率和扭矩等級機型中首次將通往渦輪增壓器的排氣管集成到這種汽缸蓋中。這種水冷整體式廢氣冷卻對降低全負荷燃油耗能起到了決定性的作用。

為了智能控制發動機的熱流量(熱管理)開發了一種新型的旋轉滑閥模塊，用于全電動冷卻液調節，例如在發動機暖機運轉階段，能夠將發動機冷卻液進口完全關閉或者將冷卻液調節到最小的體積流量，而在熱機運轉狀態下能夠根據負荷要求和外部環境條件迅速而全可變地調整到不同的溫度水平。

為了滿足未來歐Ⅵ排放標準，奧迪公司首次開發了一種具有缸內直接噴射和進氣道噴射的雙重噴油系統，通過自由選擇噴油模式能夠在寬廣的特性曲線場范圍內降低顆粒排放，而且還降低了燃油耗。

這種新機型的基礎發動機進一步開發的重點是在減輕發動機質量的同時明顯地降低摩擦功率，同時即使必須具有大的功率和扭矩跨度(從基本機動性到高機動性的跨度)，但仍能實施通用件最多的開發策略。這種新機型雖然附加采用了降低CO2排放的眾多措施，但是質量再次明顯減輕，其中壁厚僅3mm的薄壁汽缸體曲軸箱、質量優化的曲軸、將排氣歧管集成在汽缸蓋中的整體式廢氣冷卻、塑料油底殼和應用鋁合金螺釘等措施起到了決定性作用。表2中列出了第二和第三代1.8L-TFSI汽油機最重要的尺寸和特性數據的對比。

1.汽缸體曲軸箱

為了進一步減輕汽缸體曲軸箱的質量并減小其毛坯的誤差，鑄造工藝從傳統的臥式澆注改為立式澆注，汽缸體曲軸箱的標準壁厚從3.5±0.8mm縮小到3.0±0.5mm，同時通過鑄造泥芯組合具有較大的自由度，能將更多的功能集成到汽缸體曲軸箱中，機油粗分離器的功能就已集成到汽缸體曲軸箱中，這樣就能省掉用螺釘緊固的機油粗分離器及其安裝到汽缸體曲軸箱上所必需的法蘭平面，因此汽缸體曲軸箱的質量總的減輕了2.4kg。

表2 第二和第三代1.8L-TFSI汽油機的主要尺寸和特性數據的比較

2.曲柄連桿機構和平衡軸

為了減小摩擦，曲軸的主軸承直徑已從52mm縮小到48mm，同時平衡塊的數目也從8塊減少到4塊，從而使曲軸質量減輕了1.6kg。活塞采用了一種新開發的改善強度的合金，并已將活塞的間隙放大而降低了摩擦，而且活塞裙部涂有含有毫微米級顆粒的抗磨涂層。

平衡軸的設計方案已改成滾動軸承(見圖26)。特別是在機油溫度較低的情況下，由于平衡軸采用了滾動軸承，摩擦功率明顯減小。此外，通過系統精細的優化，在質量平衡的同時，系統質量減輕了20%，旋轉慣量減小了30%。

3.機油循環回路

為了減少可調式機油泵的功率消耗，在發動機上采取了以下措施：①減少因機油溫度變化所引起的體積變化；②減少壓力機油通道的壓力損失；③將機油壓力水平降低到0.15MPa這樣低的壓力等級；④將低機油壓力等級的運轉范圍一直擴展到4500r/min。

除了進一步提高可調式機油泵的效率之外，還將傳統彈簧力控制的活塞冷卻機油噴嘴改為電控轉換式系統(見圖27)。在通電狀態下，電控閥將通往機械式轉換滑閥背后的小控制通道打開(活塞冷卻機油噴嘴關)，從而電控閥能以很小的結構空間和低成本發揮作用。在電控閥斷電的狀態下，通往機械式轉換滑閥背后的小控制通道關閉，機械式轉換滑閥因正面承受機油壓力而移動打開通往活塞冷卻機油噴嘴的第二條機油通道(失效保護)。這兩個閥直接安裝在輔助設備支架上機油冷卻器和機油濾清器的后面。這種新系統能夠體現出電控單元滿足活塞冷卻和熱管理以及熱力學需求的重要意義，它通過自身的機油壓力開關來進行診斷。

綜上所述，這種最新一代汽油機通過在基礎發動機上所采取的所有減少摩擦的措施，大大降低了摩擦損失，重新確立了4缸增壓汽油機的摩擦功率分布帶。(未完待續)