大眾奧迪EA888系列1.8L增壓燃油分層直噴式汽油機詳解(四)

◆文/江蘇 范明強

(接上期)

7.燃燒過程

第三代1.8L-TFSI汽油機已對增壓分層噴射TFSI燃燒過程再次進行了多方面的改進，因此在平均有效壓力提高到22bar(1bar=105Pa)的同時，增強了抗爆燃和防止提前著火的能力，進一步提高了運轉平穩性，而且由于汽缸蓋具備整體式廢氣冷卻功能，即使在邊界條件發生改變的情況下，因具有良好的殘余廢氣性能和過量空氣系數值而仍能使這種燃燒穩定性達到最佳。

在量產機型上，這種具備整體式廢氣冷卻功能的汽缸蓋有可能使燃燒過程中U05-U50(指燃油燃燒質量達到5%～50%份額)的能量轉化時間延長1°～2°曲軸轉角，因而在轉速低于3000r/min時會使燃燒穩定性變差，但是通過重新設計進氣道(提高滾流強度)，不僅這種狀況完全能夠得到補償，而且還能拓寬較高轉速時的節油潛力。同時，在滾流板尚未起作用時進氣道產生的充量運動也增強了，這對于催化轉化器的加熱是十分有利的，而并沒有因進氣道幾何形狀方面的優化而發生變化。此外，經過優化，高壓噴油器的安裝位置稍微縮進了一些，使得混合汽的均質化得到了進一步的改善，同時作為噴油器位置優化的附帶效果，還減輕了噴油器的熱負荷。

為了能獲得必要的功率提升以明顯改善自行加速性和優化全負荷性能，這種最新一代汽油機繼承了從2.0L-TFSI機型就為人們所熟悉的奧迪排氣凸輪軸兩級氣門升程轉換(Audi valvelif)系統，并首次與排氣凸輪軸相位調節器組合應用，從而能夠在換氣控制方面獲得最大的自由度，排氣凸輪軸在上止點后-24°～6°關閉排氣門的范圍內，能以180°/195°曲軸轉角的排氣門控制時間來適應1.8L-TFSI汽油機在全負荷和部分負荷范圍內不同的換氣需求，從而一方面能成功地將卓越的加速性與低的全負荷燃油消耗(小于250g/kWh)結合起來，另一方面又能充分利用燃燒過程在部分負荷時良好的殘余廢氣兼容性來降低燃油消耗(圖33)。

正如前面所介紹的那樣，由于汽缸蓋具備整體式廢氣冷卻功能，在接近全負荷的寬廣范圍內能夠以化學計量比混合汽燃燒運行，特性曲線場中的最低燃油消耗低于230g/kWh，然而更重要的是，非常寬廣的特性曲線場范圍具有低于250g/kWh的燃油消耗值(圖34)，這就保證了即使在動態行駛情況下，在用戶實際使用的運行范圍內仍具有非常好的燃油消耗。

8.廢氣渦輪增壓器

增壓系統采用了一種全新開發的單渦道廢氣渦輪增壓器(圖35)，其開發目標是低轉速范圍內的高扭矩與最大的功率提升和高的動態性能相結合。這種增壓器的設計基礎是IHI公司的RHF4型增壓器尺寸，其中在轉子、渦道、殼體以及所有的流動導向零部件等方面都已進行了各種不同的優化。這種廢氣渦輪增壓器由以下部件組成：①電動廢氣放氣閥調節器；②渦輪前氧傳感器；③緊湊的鑄鋼渦輪殼體，并在與汽缸蓋連接的法蘭處具有雙流道進口；④壓氣機殼體帶有整體式脈沖噪聲阻尼器和電動倒拖旁通空氣閥；⑤鎳鉻耐熱合金渦輪葉輪，可承受980℃廢氣溫度；⑥軸承殼體具有標準的機油和冷卻水接口；⑦銑削壓氣機葉輪。

渦輪殼體由牌號1.4837的鑄鋼材料制成，能承受980℃的廢氣溫度，這就確保了能可靠地滿足有關使用壽命方面的功能要求，并且這種材料能夠在渦輪殼體上配置渦輪前氧傳感器。借助于一直延伸到渦輪前不遠處的雙流道導向，實現了將排氣盡可能好地按點火次序分開流動并過渡到單渦道。因采用了整體式廢氣冷卻方案，渦輪殼體的總質量也就是含鎳的高級合金材料的使用量能節省大約40%。由于渦輪殼體的結構型式較緊湊，采用螺栓和螺母的標準緊固方式固定在汽缸蓋上就已足夠了。渦輪葉輪首次采用713C鎳鉻耐熱合金(鎳基合金)代替牌號MAR的材料，為此曾專門對渦輪葉輪的蠕變性能進行前期試驗。

壓氣機殼體是鋁合金硬模鑄造而成的，集成了脈沖噪聲阻尼器、電動倒拖旁通空氣閥以及曲軸箱通風和燃油箱通風氣體的引入接口。為了能明顯地提高電動廢氣放氣閥調節器的調節力，壓氣機殼體已在結構上進行了優化。壓氣機葉輪是用整塊材料銑削而成的，這就帶來了諸如較高的轉速穩定性和良好的降噪效果等方面的優點。

新設計的電動廢氣放氣閥調節器比目前使用的氣動膜盒調節器調節起來更為迅速和精確，而且能夠與產生的增壓壓力進行調節。這種實時主動調節的主要優點是：①因電動廢氣放氣閥調節器具有較高的密封力，因此能產生高達320N·m的最大扭矩；②在1400r/min的低轉速下就能達到最大扭矩；③因廢氣放氣閥能在部分負荷時主動打開，從而能降低基礎增壓壓力，降低燃油消耗，在機動車排放組合行駛循環(MVEG)中能降低CO2排放大約1.2g/km；④由于能在催化轉化器加熱期間主動打開廢氣放氣閥，可使催化轉化器前的廢氣溫度提高10℃，從而使得冷啟動時的廢氣排放較低；⑤由于電動廢氣放氣閥調節器具有較高的調節速度，在負荷降低時能立即減小增壓壓力，這特別是對廢氣渦輪增壓器的聲學特性(放氣噓叫聲、呼嚕聲)產生有利的影響。同樣，由于動態增壓壓力建立較快，在負荷增加時發動機的加速性也得到了改善。

奧迪公司首次將氧傳感器設置在渦輪增壓器渦輪前，這可使其露點結束得較早，從而在發動機啟動后能較早地開始進氣量調節以及良好的單缸識別。在確定氧傳感器位置時，特別注意到良好的流動狀況和盡可能低的溫度負荷。

9.行駛功率和燃油消耗

在設計廢氣渦輪增壓器、燃燒過程和換氣時采取了多種多樣的優化措施，最終都被反映到穩態和動態全負荷性能上。這種最新一代1.8L-TFSI汽油機在1400r/min時就已達到320N·m最大扭矩，并且在3800～6200r/min之間提供了125kW的最大功率平臺(圖36左)。未來還能進一步提升功率。此外，與第二代機型相比，即使明顯提高了平均有效壓力，并且最大功率也較高，但是達到最大扭矩的時間再次縮短了(圖36右)，從而確保了在行駛功率不受限制情況下的自行加速性。

奧迪公司為了評價一輛汽車的行駛功率和行駛動力性能，引入了稱之為“性能感覺指數”(PFI=Performanc Feel Index)的評價指標，用來衡量汽車加速性的好壞，并經常與燃油消耗結合起來應用。與第二代1.8L-TFSI汽油機(118kW/250N·m)相比，第三代1.8L-TFSI汽油機(125kW/320N·m)即使為了優化燃油消耗而加大了變速器速比，但是還是明顯改善了行駛功率。圖37形象地示出了在明顯降低燃油消耗(-22%)的同時加速性的改善情況(+12%)。即使與裝有Audi valvelif系統的第二代2.0L-TFSI汽油機(132kW/320N·m)相比，在行駛動力性能相同的情況下依然獲得了14%的節油效果。

通過采取降低轉速、降低摩擦和熱管理等方面的措施以及多種多樣的熱力學優化，并與汽車其他方面的改進相結合，搭載最新的第三代1.8L-TFSI汽油機的新型奧迪A4轎車的機動車排放組合行駛循環(MVEG)燃油消耗明顯降低。特別是排氣凸輪軸相位調節器與排氣側Audi valvelif系統、電動廢氣放氣閥和雙噴油系統相結合，改善了部分負荷的效率，并對達到節油目標做出了貢獻。

10.廢氣排放

為了滿足歐Ⅵ排放限值的要求，已優化了汽油機原始排放的水平。為此，已將噴油壓力從150bar提高到200bar，優化了高壓噴油器的安裝位置改善混合汽形成，并將廢氣管道的結構設計得表面積最小。此外，氧傳感器安裝在增壓器渦輪前，使得在發動機冷啟動時氧傳感器能快速起燃，并能動態采集過量空氣系數。

除此之外，廢氣后處理裝置已經過優化，采用了新型的整塊式薄壁陶瓷載體，并采用了新開發的JM835貴金屬涂層。通過這種薄壁基質載體明顯降低了廢氣背壓，同時縮短了廢氣后處理裝置的起燃時間。在部分負荷時，可通過打開電動廢氣放氣閥，使廢氣繞過渦輪，這樣就能夠在發動機冷啟動時為催化轉化器的加熱提供最多的廢氣熱量盡快升溫。

在發動機啟動時，采取在壓縮行程期間3次缸內直接噴射，而在暖機運轉階段，則在適度推遲點火的同時實施在進氣行程和壓縮行程的兩次噴射。通過應用實驗設計(DoE)方法對噴油參數、點火參數和凸輪軸參數進行試驗，能夠尋找到一種加權平均折中，使得氣態排放低且顆粒數最少，而發動機又具有非常良好的運轉平穩性。在暖機運轉結束后緊接著使用MPI噴油系統，使發動機處于非爆燃區域運轉且又能獲得最佳的部分負荷效率。除了前面已提及的熱管理之外，眾所周知的啟動-停車系統和制動能量回收措施也能附加降低CO2排放，從而確保發動機排放能可靠地低于歐Ⅵ排放限值。

綜上所述，奧迪公司最新推出的新型1.8L-TFSI汽油機已使卓有成效的EA888汽油機系列的第3代機型成為“全球發動機”。這里所介紹的第三代1.8L-TFSI汽油機為開發出更多的機型以及更進一步提升功率和扭矩奠定了基礎。這種汽油機通過持續不斷的改進，在已經非常優秀的EA888汽油機系列第二代機型的基礎上再次取得了顯著的進步，從而確立了在競爭機型領域內的領先地位，因此最新一代1.8L-TFSI汽油機是奧迪公司實施發動機小型化和降低轉速策略中的又一個里程碑。EA888汽油機系列的所有性能之所以能獲得如此顯著的改善，是應用了以下技術措施：①持續不斷地降低摩擦功率，并在所有功能部件中應用輕量化結構；②汽缸蓋集成了整體式廢氣冷卻功能；③排氣側Audi valvelif系統與進排氣凸輪軸相位調節器組合應用；④創新的熱管理及其全電子控制冷卻液調節；⑤200bar高壓噴射FSI與MPI組合的雙噴油系統；⑥新開發的緊湊型渦輪增壓器模塊，采用鑄鋼渦輪殼體、電動廢氣放氣閥和渦輪前氧傳感器。

第三代機型具有最好的裝備，能滿足在全世界所有市場上應用的高要求。為了能覆蓋大眾集團內盡可能多的車型，至今在中國、墨西哥、匈牙利三個國家生產EA888系列汽油機。這種第三代機型已于2011年在匈牙利Gy r的奧迪發動機廠投產，繼而將在墨西哥和中國開始生產，而Gyr發動機廠是世界上最大的發動機生產廠，也是EA888系列汽油機所有新投產廠家的主導工廠。(全文完)