大眾公司EA111和EA112系列1.4L燃油分層直噴式汽油機(五)

◆文/江蘇 范明強

(接上期)

4.汽缸蓋-排氣歧管模塊

汽缸蓋在開發時十分重視熱管理的創新，以及進一步利用廢氣能量來加快發動機暖機，并保留了四氣門—滾輪搖臂汽缸蓋方案，這種設計方案具有較小的摩擦損失功率。

排氣歧管完全集成在汽缸蓋中，相當于一個非常高效的熱交換器(見圖71)，因此發動機在暖機階段能迅速加溫，并能提供足夠的熱量使車輛舒適地采暖。在全負荷工況下，該排氣歧管可使廢氣溫度降低約100K(1K=-272.15℃)，在高負荷工況下，燃油耗最多可降低20%。與傳統的外部排氣歧管相比，這種整體式排氣歧管的廢氣流動途徑明顯縮短了，因此發動機在瞬態運行時的壁面熱損失保持在較低的水平。

在使用代用燃料和中等品質燃油時，為了提高氣門座的耐磨性，氣門座錐角已加大到120°，氣門桿直徑也減小到5mm，這樣因氣門質量減輕而優化了氣門機構的動力學性能，同時因氣門彈簧力減小而減少了摩擦損失。同時，火花塞已改用M12螺紋，從而使火花塞螺紋與氣門座之間的鼻梁獲得最佳的強度。通過有限元法的精確計算，即使汽缸蓋的幾何形狀比以前復雜，但是其質量卻增加了不到1.2kg。EA211-TSI汽油機的汽缸蓋-排氣歧管模塊采用鋁-金屬模鑄造工藝生產，并采用AlSi10Mg(Cu)鋁合金材料以及熱處理技術。

5.曲柄連桿機構和活塞組

在開發新一代汽油機系列時，要優先考慮減小摩擦，其中最重要的措施是在新汽油機的不同機型上將主軸承直徑從E A111系列的5 4 m m減小到42～48mm。連桿在其大頭軸承部位實現軸向導向，以便使曲軸更堅固，補償了因主軸承直徑縮小而引起的剛度方面的損失，最終由于較大的彈性變形以及摩擦系數的降低而獲得了與EA111系列機型相當的曲軸聲學性能，曲軸和連桿都由鋼模鍛造而成。通過運用最新的有限元和噪聲-振動-剛度(NVH)計算方法，曲軸質量成功地減少了20%(見圖72)。

連桿小頭被設計成梯形。連桿的幾何形狀和尺寸在鍛模中就已成型，它是根據連桿的承載能力優化質量設計而成的，質量最多減輕了30%(見圖73)。在發動機進氣行程期間，連桿小頭上頂面將活塞向下拉，此時所產生的力相對較小，因此上頂面被設計得非常單薄，而傳遞爆發壓力的下半部分則被設計得相當堅固。

活塞是全新設計的，其頂面幾乎是平的，因為目前的設計方案是缸內混合汽的形成不采用活塞頂壁面導向，因而既能減輕活塞的質量，也能使活塞頂面的溫度比較均勻。為了優化摩擦和降低機油耗，活塞環已經過仔細的匹配而確認其有效性。為了減小摩擦，其裝配間隙已被放大，同時略微加大活塞銷的偏心度和精致的活塞外圓表面磨削幾何形狀也能進一步改善活塞運行的聲學性能。

6.冷卻水回路

新型EA211汽油機系列所有TSI機型的冷卻系統都具有用于發動機冷卻的高溫回路和用于間接冷卻增壓空氣的低溫回路(見圖74)。低溫冷卻液回路由一個電動冷卻液泵進行循環，因而可按需要進行控制，在車輛慣性滑行行駛時或發動機停機后可用于冷卻廢氣渦輪增壓器。

高溫冷卻液回路具有冷卻發動機的功能，它由機械式冷卻液泵來循環，而機械式冷卻液泵被設計成帶整體式冷卻液溫度調節器的冷卻液泵模塊，該模塊被直接安裝在汽缸蓋靠近變速器一側。用于汽缸體冷卻的膨脹石蠟式節溫器能確保汽缸套恒定在一個較高的溫度水平，并與主冷卻液回路無關。第二個節溫器調節與汽車散熱器的通斷，它將冷卻液溫度調整在87℃，以有利于降低摩擦和達到最佳的點火正時。冷卻液泵的總效率被提高了50%以上，這就意味著比現有冷卻液泵的效率最多改善了40%，而且整個冷卻液循環回路已對節流損失進行了優化。

7.廢氣渦輪增壓器

新一代EA211汽油機系列所有機型都使用全新開發的單渦道廢氣渦輪增壓器，排氣歧管集成在汽缸蓋中，由此所形成的獨特的廢氣流動狀況是開發新渦輪增壓器最重要的邊界條件。這種渦輪增壓器已針對低速高扭矩以及以豐滿的扭矩特性曲線獲得良好的瞬態性能進行了優化。EA211系列中功率為103kW的1.4L-TSI機型在轉速1500r/min時就已達到250N m的最大扭矩，這比老機型改善了25%(見圖75)。增壓器按3種功率等級(1.2L-TSI機型、功率為90kW的1.4L-TSI機型、功率為103kW和110kW的1.4L-TSI機型)進行設計和優化，所有增壓器的變型轉子都是按最高950℃的廢氣溫度設計的，其特點是轉子直徑較小，相應的慣性矩也就較小，從而達到較高的效率水平。

渦輪增壓器的廢氣門由新開發的電動調節器來控制，與其所處的壓力環境無關并且在任何時候都能調到所期望的位置。這種調節器動作迅速且精確，它在關閉位置與最大開度之間的調節時間僅110ms，這對改善增壓器的聲學特性和發動機的加速響應性能產生了很好的效果。

廢氣渦輪增壓器與發動機外圍設備的接口在各個機型上都是相同的，這樣所有機型都能使用相同的汽缸蓋、廢氣裝置以及機油與冷卻液管路。由于排氣歧管集成在汽缸蓋中，因此能成功地將廢氣渦輪殼的4孔連接法蘭設計得比較輕薄，與傳統型相比，增壓器的質量減輕了2kg以上。

8.進氣道的開發

該機型新設計的進氣道以EA111系列中1.4L-TSI汽油機的進氣道為基礎，運用計算流體動力學(CFD)模擬計算查明EA211系列TSI機型的流量系數和滾流值，其目的是尋找到高流量和強烈充量運動的最佳值。通過數學模型尋找到5種進氣道，并用三維模擬方法對它們進行評價，將其中3種進氣道澆鑄成實體模型，并在流動試驗臺上進行測量來確認預選方案。所選擇的這些進氣道方案在燃油耗、運轉平穩性和排放等方面顯示出了較好的試驗結果，它們的滾流值明顯高于EA111系列TSI機型，而流量系數卻略有遜色。

9.燃燒過程的優化

進氣道的設計成為了優化EA211系列機型燃燒過程的基礎，并運用計算流體動力學(CFD)模擬計算方法支持其優化工作，其中的重點是使燃油噴束特性與缸內充量運動匹配。

基于小型TSI汽油機的單位負荷較高，再加上多孔噴油嘴與高噴油壓力相結合，不僅在最小噴油量時，而且在全負荷工況下都為混合汽的準備獲得了最佳的狀態，運用模擬技術能夠優化多孔噴油嘴的噴束特性、噴油器的噴油節拍(指每循環的噴油次數及其間隔)及其他與缸內充量運動相配合因素等。

每次循環最多能進行3次燃油噴射，從怠速運轉直至高達4000r/min轉速范圍內的全負荷都進行多次噴射，噴油壓力最高可達200bar(1bar=100kPa)。新進氣道產生的穩定的充量滾流與圓周上不對稱分布的5孔噴射油束相結合，能夠放棄在最小復合以及在催化轉化器加熱運行等特殊工況下用于引導混合汽形成的活塞頂凹坑。

火焰前鋒從火花塞開始沿著徑向均勻傳播，即使在邊界運行范圍內也不會產生爆燃。因此，緊湊的燃燒室設計具有較短的火焰傳播途徑、向四周伸展的火花形態以及燃燒室中的高擾流等因素綜合改善了部分負荷范圍內殘余廢氣的相容性，降低了爆燃傾向，提高了燃燒效率。

EA211系列TSI汽油機的燃燒過程具有較高的燃燒速率，從而降低了爆燃傾向，這非常有利于降低燃油耗。由于全負荷特性曲線燃燒持效期縮短了約10°曲軸轉角，因而混合汽準備時間可以大大縮短，即使壓縮比從10.0提高到10.5(在按ROZ95高辛烷值設計情況下)，燃燒重心也處于較早的位置，同樣爆發壓力也要比EA111系列機型出現得早些，同時也要高些?？傮w來講，EA211系列機型的比燃油耗最多可降低20%(見圖76)。

即使在部分負荷情況下，燃燒過程也能使燃油耗降低，主要是通過提高壓縮比和殘余廢氣相容性來實現的。因為進一步避免了壁面潤濕現象，所以即使在發動機很冷的情況下也能形成較濃的混合汽。

10.燃油耗和廢氣排放

新EA211系列汽油機成功降低了燃油耗，1.4L-TSI汽油機的新歐洲行駛循環燃油耗比EA111系列機型降低了8%～10%。裝備標準部件的橫置式模塊化發動機與車輛的全面優化相結合可使緊湊型轎車(Golf或Audi-A3)的平均燃油耗處于大約5.0～5.2L/100km范圍內，這相當于CO2排放量為120～125g/km，而功率為103kW的1.4L-TSI汽油機在具備汽缸切斷功能同時節油最多可達20%，這種新的汽缸管理功能作為單項措施可使燃油耗降低大約0.4L/100km，特別是在低負荷和低速行駛情況下還能發揮更大的潛力。

如果車輛的發動機經常在高負荷工況下運行，那么排氣歧管因集成在汽缸蓋中能降低全負荷燃油耗而獲得很大的收益。這種新設計方案還有另一個效果就是改善了乘客車廂的采暖效果。

六、具備汽缸切斷功能的1.4L-TSI直噴式汽油機

在部分負荷工況下切斷部分汽缸是一種非常有前景的節能減排的途徑，但現在仍然應用的很少。大眾公司最新一代1.4L-TSI增壓直噴式汽油機首次在直列4缸發動機上選用了這種技術，在適合使用這種技術的發動機特性曲線場范圍內切斷第2和第3汽缸進排氣門的操縱，同時相應地停止噴油。

新一代1.4L-TSI汽油機選擇汽缸切斷技術的主要原因是，汽油缸內直接噴射有利于汽缸的切斷，與進氣道噴射不同，它能將換氣和混合汽清晰地分開，因而避免了兩者轉換過程中的麻煩。另外，這種新機型具有良好剛性的鋁汽缸體曲軸箱和輕量化的曲柄連桿機構(活塞、連桿和曲軸)，為新技術的應用提供了極其有利的前提條件。與此同時，這種新機型在大眾集團內的應用很廣，因此這種新技術能夠被廣泛地運用，而且能夠在生產制造中達到最佳的組合效果。這種具備汽缸切斷功能的最新一代1.4L-TSI增壓直噴式汽油機首先應用于Polo運動型乘用車和Audi-A1乘用車上。

這種新機型在設計過程中的要求是十分苛刻的，主要包括以下幾個方面：①燃油耗達到2缸機的水平，而又要具備4缸機的運轉的平穩性和相應的性能；②新歐洲行駛循環燃油耗要降低0.4L/100km；③城市交通的行駛燃油耗要降低1L/100km，相當于降低了20%；④技術轉換的成本能夠被認可。

1.4L-TSI汽油機汽缸切斷功能的應用標志著大眾公司已經進入了一個新的技術領域。由于汽缸切斷技術對控制振動激勵提出了很高的要求，因此之前這種新技術在歐洲還從未在4缸機型上使用過。這種新機型的開發目標是發動機在每個運轉工況點的振動水平要與大TSI汽油機相當，為此必須進行極其精細的工作。

1.結構轉換和工作原理

奧迪氣門升程系統(AVS)作為氣門機構可調技術已應用于各種不同的4缸和6缸發動機上，這種技術已按需要用來分兩級改變進氣門或排氣門的升程。

最新一代1.4L-TSI增壓直噴式汽油機為了實現汽缸切斷功能，應用了奧迪氣門升程系統技術的工作原理，但必須應用一個雙銷執行器對其進行進一步開發，以便能夠在最新一代1.4L-TSI 4缸機型的結構空間中集成可調的控制功能(見圖77)。零部件是由德國Wolfsburg的動力總成開發部門與Salzgitter制造廠的零部件開發部門共同設計的，并確定了制造工藝。除了制造成本低之外，高的機械可靠性和耐久性以及較輕的質量也是十分重要的，通過不斷地減輕質量，并運用先進的模擬技術，能將過大的質量減輕到2kg左右。

用于切斷第2和第3汽缸的凸輪組件被設計成長度為68.65mm的可移動的內花鍵軸套(見圖78)，并靈活地套在由C35R級調質鋼制成的外花鍵心軸上，能夠軸向移動6.25mm。這種具有24個齒的漸開線花鍵由齒側面承載，凸輪組件上的內花鍵由拉削工藝制造成型，而花鍵軸則由加工成型。第1和第4汽缸的固定凸輪組件同樣也是用花鍵嚙合，組裝時在花鍵軸上推入到位后，用1個圓柱銷進行軸向定位。

每個凸輪組件上有兩組凸輪，各驅動兩個進氣門。每組凸輪中的兩個凸輪片緊挨著并列排列，其中一個凸輪片具有常規的凸輪廓線，它可獲得與標準發動機相同的氣門升程曲線，而另一個凸輪片則具有360°基圓的零升程凸輪，它們的材料均采用100Cr6類滾動軸承鋼。轉換滑環連接在凸輪組件的端部，它由42CrMo4合金鋼制成。

在轉換滑環的外表面上銑削出Y形螺旋槽，集成在汽缸蓋罩上的雙銷執行器的兩個銷嵌入螺旋槽中，這種結構型式是在奧迪氣門升程系統的基礎上發展而來的，而后者則是將分開的單銷執行器分別作用于凸輪組件前后端的S形槽中，因此新的結構型式能夠縮短凸輪組件的結構長度，這對于小型化的4缸1.4L汽油機十分必要。

縮小的空間狀況使Y形銷槽的結構形式更緊湊，同時兩個轉換銷之間的距離縮短，這是大眾公司汽缸切斷裝置的另一個結構設計特點。對執行器的另一個要求是線圈組件的模塊化結構型式。

每個圓柱形轉換銷的直徑為4mm，同樣也是由滾動軸承鋼制成，它的軸向行程為4.2m m。轉換滑環外表面上的Y形螺旋槽輪廓確保了轉換銷始終單側接觸，這樣就避免了轉換銷在槽中來回擺動。執行器被設計成雙穩定系統，無論轉換滑環的推入終端還是推出終端都是很可靠的，并且能牢固地定位，這樣通過銜鐵組件的電磁止點就能可靠地停止在兩個終端位置上。

機械轉換過程發生在凸輪軸旋轉半圈內，為了切斷第2和第3汽缸，控制實施切斷功能的轉換銷在槽中沿著斜面移動，將凸輪組件上的零升程凸輪推入，而將零升程凸輪的推出則由線圈的慣性轉換來實現。機械轉換過程的控制時間非常短，在72ms(1400r/min時)和28ms(4000r/min時)之間，取決于發動機的轉速，這對銜鐵組件脫離終端位置已經足夠，此時轉換銷處于前端位置。

當凸輪組件軸向移動結束時，轉換銷又被推回到推入端，這是通過位于螺旋槽末端的止推斜面發生的，同時在執行器內產生了一個止推力，它被發動機電控單元采集用來進行評估，并被用于汽缸切斷系統的診斷，這樣的設計方案能夠取消附加的用來證實轉換過程成功的傳感器。

一旦第2和第3汽缸的凸輪組件抵達其切斷汽缸的終端位置，它就被彈簧力控制的鋼球鎖定。系統處于該狀態時，零升程凸輪廓線在滾輪搖臂上轉動，氣門彈簧使進排氣門保持關閉狀態，此時氣門機構的驅動力矩大約減小一半。

為了結束部分汽缸切斷狀態以恢復所有汽缸的正常工作，控制轉換銷退出切斷汽缸的位置，使凸輪組件向其原始位置返回移動。一旦這種軸向移動結束，轉換銷就被螺旋槽末端的止推斜坡恢復到執行器的原始位置，此時滾輪搖臂又重新按照正常凸輪的完整廓線運動。

為了運用汽缸切斷功能，滾輪搖臂也重新進行了開發，其凸輪滾輪直徑改為21.0mm，而寬度僅為5.1mm，它們被支承在14針的滾針軸承上，其中淬透的銷軸直徑為6.39m m。凸輪軸前端軸承使用兩個滾動軸承，成功地減小了摩擦，因為凸輪軸前端軸承承受著發動機正時傳動機構較高的負荷。

通常，具備汽缸切斷功能的發動機汽缸蓋罩(見圖77)被設計得可與標準發動機汽缸蓋罩互換，差別主要在容納執行器和內置式凸輪軸軸承框架上，該框架與汽缸蓋罩一樣也是由AlSi9Cu3鋁合金壓鑄而成，而且為了在發生碰撞時保護行人，在布置執行器時還注意保持發動機與發動機艙罩蓋之間所必需的間距。

2.智能化充量調節機構

為了開發汽缸切斷裝置，采用了新型智能化充量調節機構。在整個轉換過程(從4汽缸運行模式轉換到部分汽缸切斷運行模式，再返回)中，發動機不應發生扭矩波動。為了達到這個目標，進氣管中的壓力應調整到汽缸切斷運行所必需的水平。在進氣管充氣期間，點火角應適應充氣狀況朝晚的方向移動，以便保持扭矩不發生變化。

在達到額定充量狀況時，首先關閉第2和第3汽缸的排氣門，然后再關閉它們的進氣門，在最后一次換氣后就不再噴油了，因此新鮮空氣被封閉在燃燒室中，這樣下一次壓縮行程燃燒室中的壓縮壓力就較低，從而可舒適地實現轉換。

在第2和第3汽缸切斷后，正常運行的第1和第4汽缸的效率得以提高，因為它們的運行工況點移向了較高的負荷(見圖79)。發動機摩擦與轉速的關系在很大程度上保持不變，但是輸出的有效功率提高了，發動機運行時的節流大大降低，從而使換氣損失減小、燃燒改善、壁面熱損失降低。

第2和第3汽缸是按汽缸切斷時相同的次序恢復正常運行的，排氣門和進氣門依次正常工作，使原先被封閉在汽缸中的新鮮空氣進入排氣管路，由此稀釋的廢氣將通過第1和第4汽缸中的燃油噴射予以補償，因此基于傳感器的過量空氣系數λ，調節功能仍能繼續正常工作。

3.發動機控制和行駛性能的調整

一般在頻繁使用的發動機特性曲線場范圍內實施汽缸切斷功能。選擇1250r/min作為切斷汽缸的轉速下限，若低于該轉速實施汽缸切斷功能將會出現太大的運轉不均勻性，同時規定4000r/min作為切斷汽缸的轉速上限，以保持適當的執行器轉換力。在第3擋位時，汽缸切斷從大約30km/h車速開始，而第5和第6擋位時，汽缸切斷功能在130km/h左右的車速終止。

切斷汽缸運行時所能輸出的扭矩根據轉速的不同被設計成上限處于75～100Nm之間，因為在扭矩較高的情況下，由于切斷汽缸運行時的爆燃極限和點火角的移動，就不能再達到最佳的燃油耗，因此在這種情況下就又恢復4個汽缸運行。在停車狀態下，發動機通過自動啟動-停車系統完全停止運轉。

為了充分發掘節油潛力，不僅在部分負荷時而且在倒拖運行階段也實施汽缸切斷，此時由于制動力矩減小，倒拖運行階段會明顯延長，在這種情況下將中斷噴油。駕駛員一旦操縱制動踏板，汽缸切斷就會立即中斷，4個汽缸在倒拖時都發揮制動效果。同樣，在下坡滑行時也取消汽缸切斷功能，因為通常在這種情況下都期望能獲得整機所有汽缸的制動效果。

多功能信息顯示屏會給駕駛員顯示實時的發動機運行模式，當顯示屏上出現瞬時燃油耗值時，就顯示2個汽缸運行。如果沒有顯示這些信息，那么切斷汽缸運行是幾乎察覺不到的，因為1.4L-TSI汽油機的運轉噪聲即使在這個時候也保持在一個非常好的水平上。

對這種新型汽油機良好的振動性能起決定性作用的是其基礎結構和剛性良好的動力傳動系統、輕量化的曲柄連桿機構以及發動機相對于車輛行駛方向的橫向安裝位置等?？梢岳肨DI柴油機上使用的發動機支架作為支承，而雙質量飛輪是根據扭簧特性曲線專門設計的，其非常軟的第一級用于汽缸切斷運行，而其剛性較好的第二級則用于4汽缸運轉模式的高負荷運行。

為了減小全汽缸運行與切斷部分汽缸運行之間排氣脈沖的差異，廢氣管路中前置、后置消聲器的諧振器和容積相差很大，并且對廢氣管路的長度進行了專門的調整以作補充。

4.節油效果

具備汽缸切斷功能的最新一代1.4L-TSI增壓直噴式汽油機以其優異的特性，在TSI技術策略范圍內完全能夠將燃油耗目標與高功率、高牽引力結合起來(見圖80)。汽缸切斷技術是達到大眾公司平均CO2排放目標的一項重要的措施，該機型滿足了設計任務書中提出的所有目標要求。在新歐洲行駛循環中，其燃油耗降低了0.4L/100km，相當于CO2排放降低了8g/km。如果將發動機處于怠速運轉狀態的啟動-停車功能一并計算在內，其節油效果可達到約0.6L/100km。

在相同的行駛狀態下，切斷汽缸行駛還能獲得比標準燃油耗高的燃油耗優勢。特別是在城市和市郊行駛時，在適當的行駛速度下能夠節油10%～20%(見圖81)。僅僅在超過120km/h較高的行駛速度下，反而4個汽缸運行倒能獲得最佳的燃油耗值。

切斷部分汽缸的運行功能是2012年首先在Polo運動型轎車和Audi-A1轎車上運用的，其中搭載的1.4L-TSI汽油機的功率為103kW，全部汽缸運行時其最大扭矩從轉速在1500～3500r/min之間保持250Nm不變。同時，基礎發動機也進行了進一步開發，在這種型號為EA211的新型汽油機系列中，切斷汽缸的功能可以靈活地應用。(全文完)