Volkswagen新型3缸1.0 L TGI雙燃料增壓發動機

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0 前言

Volkswagen擴展了其動力裝置的產品型譜，從而完善了其動力總成的高效化與小型化。EA211發動機系列以其靈活性為發展壓縮天然氣(CNG)變型機提供了最佳的開發基礎。為了用于新型模塊化橫置式標準組合部件(MQB)A0級平臺上，已在3缸增壓分層噴射(TSI)汽油機基礎上開發了一種功率為66 kW和扭矩為160 N·m的新型1.0 L天然氣發動機，并于2017年首次應用于新型Polo TGI轎車。這種新型Polo TGI轎車的雙燃料運行使得用戶能組合使用CNG和汽油行駛,低燃油耗(新歐洲行駛循環(NEDC)CO2排放為87 g/km)和較清潔的CNG燃燒利于環保并且可降低行駛成本。如果用戶永遠不使用天然氣，那么就可僅使用傳統汽油機的TSI模式運行。在Volkswagen的動力裝置策略中，當今和未來對CNG的使用都是重要因素之一，它能與電驅動一同實現降低CO2排放。

1 Volkswagen的CNG車型

自2006年起，Volkswagen就開始提供天然氣驅動車型，近10年來Volkswagen集團在各種不同汽車中不斷推動該技術的應用，并在汽車適用性方面具有較高的應用價值，因此CNG車型設計方案都以節省空間結構為基礎，采用在地板下布置天然氣罐的設計，同時也不會減小車廂空間。

目前市場上有多種Volkswagen CNG車型。例如，Volkswagen推出的eco up車型搭載了功率為50 kW的1.0 L多點進氣道噴射(MPI)發動機，其百公里的天然氣消耗量為2.9 kg，因而其燃料成本僅為3歐元/100 km[1]。在MQB-A平臺上使用了功率為81 kW，扭矩為200 N·m的1.4 L TGI發動機，這種增壓汽油機被用作Golf轎車、Golf變型車和Caddy轎車的動力源[2]。Skoda、Seat和Audi等集團品牌也提供CNG車型，并且裝配有集團公司的高效CNG裝置。目前，Audi還提供一款2.0 L帶渦輪增壓的分層噴射(TFSI)發動機作為天然氣發動機[3]。

2 新型1.0 L缸內直噴(TGI)發動機的開發目標

2014年的EA211-1.0 L TSI汽油機是開發1.0 L TGI發動機的基礎，前者在設計時就已考慮了使用CNG運行所必需的硬件及其部件[4]。這種機型在近年來已成功地通過了眾多試驗，因此該款CNG變型機被寄予了很大的期望，這在開發目標上有所反映：(1)CO2排放低于90 g/km；(2)最低的原始排放；(3)靈活的行駛性能；(4)汽油運行不受雙燃料設計的限制；(5)可低成本地應用于集團所有品牌車型；(6)滿足最高品質要求和耐久性。

3 緊湊的基礎發動機

采用排量為0.9 L的3缸發動機，繼續實施其小型化策略，而利用EA211發動機標準組合部件能在Volkswagen全球生產鏈中組織低成本生產[5]。這種緊湊的輕量化機型的特點是采用了眾多的創新方案：(1)鑲鑄灰鑄鐵氣缸套的曲軸箱質量僅為15 kg；(2)減輕曲軸、活塞和連桿的質量；(3)優化主軸承和連桿軸承直徑以減少摩擦；(4)曲軸箱氣缸體和氣缸蓋采用雙循環回路冷卻；(5)排氣歧管集成在氣缸蓋中；(6)集成整體式增壓空氣冷卻器的進氣管；(7)最高噴射壓力為35 MPa的共軌噴射；(8)按特性曲線場調節的無級機油泵；(9)布置緊湊的無獨立支架的輔助設備。

4 氣缸蓋和曲柄連桿機構

CNG機型仍采用鑲鑄GJL250灰鑄鐵氣缸套的高強度曲軸箱,而氣缸蓋則針對CNG運行時的高要求進行了改進(圖1)。進排氣門座圈為了提高表面耐磨性而進行整體氮化。因排氣門的溫度較高而采用中空充鈉排氣門。進氣側的氣門導管采用特別硬并且耐磨的高強度黃銅材料(Diehl 470HT)，而氣門座圈則采用滲銅的燒結鋼(AR20D)。

圖1 1.0 L TGI發動機的氣門機構

進排氣凸輪型線的關閉斜坡部分在0.17 mm氣門升程范圍內被設計成平緩形狀，可使氣門緩慢關閉，從而減少磨損。氣缸蓋密封墊被設計成3層結構。在CNG燃燒時，點火線圈可供應更高的點火電壓。

由于使用CNG運行時的峰值壓力高達115 MPa，因此曲柄連桿機構必須進行部分重新設計(圖2)。使用CNG運行時因氣體壓力較高，活塞環特別是第一道環與氣缸套的摩擦增大，因而需對其耐磨性能進行重點優化設計，同樣，連桿軸承也按更高的壓力水平來進行調整。機油濾清器全部應用了人工合成材料。

圖2 1.0 L TGI發動機的曲柄連桿機構

5 冷卻循環回路和廢氣渦輪增壓器

EA211發動機模塊化基礎方案已考慮到了總體上較高的溫度水平，而增加燃氣壓力調節器僅需冷卻系統進行微小修改。

1.0 L TGI發動機使用新開發的單流道廢氣渦輪增壓器后就改用了集成在氣缸蓋中的排氣歧管。渦輪增壓器殼體采用奧氏體鑄鋼制成，而中間軸承殼體采用水冷方式。渦輪采用MAR-M 246鎳基合金，它是按高機械負荷和熱負荷而設計的，能承受高達1 050 ℃的廢氣溫度。與1.0 L TSI汽油機一樣，廢氣放氣閥調節器是電動的。

6 優化催化轉化器和加熱型λ傳感器

甲烷是一種化學性質非常穩定的物質，其轉化溫度要比汽油高約50～100 ℃。1.0 L TGI發動機所使用的催化轉化器的幾何尺寸與1.0 L TSI汽油機相同，但是為了獲得最佳的甲烷轉化率，不僅要優化涂層，而且要優化甲烷轉化流量。

優化暖機排放和在該階段使用λ分段控制方法的前提條件是使用一種加熱型λ傳感器(圖3)。這種λ傳感器通過電進行加熱，可在發動機起動后最遲約10 s就能達到可調節的狀態，在技術上是通過一種雙層護套和傳感元件的涂層化處理來實現的，廢氣中的水分不會危及到陶瓷傳感元件。

圖3 1.0 L TGI發動機的渦輪增壓器與催化轉化器

7 高度集成的發動機電控系統

1.0 L TGI發動機電控系統的特點是所有功能進行高度集成，包括使用汽油運行時的TSI工作過程控制、使用CNG運行時的MPI工作過程控制，以及燃氣成分和電控燃氣壓力調節器的管理等。為了確定CNG質量流量，在共軌進口處應用了壓力和溫度傳感器，而壓縮天然氣的液位則用燃氣壓力調節器進口處的壓力傳感器進行測量。

發動機電控單元借助于λ傳感器來識別不同品質的天然氣。低品質天然氣的能量比高品質天然氣低，電控單元能相應為這兩種品質的天然氣調整到合適的噴射持續時間。

8 電控天然氣壓力調節器

電控天然氣壓力調節器(圖4)分兩級將天然氣壓力從最大壓力26 MPa降低到低壓系統中的0.5～0.9 MPa(絕對壓力)。第一級機械節流將天然氣壓力降低到約2 MPa，而第二級的電控電磁閥則繼續將天然氣壓力降低到工作壓力。

圖4 1.0 L TGI發動機的電控天然氣壓力調節器

在機械式壓力調節級中集成了由金屬芯組成的阻尼式濾清器，這種結構能阻止可能導致振鳴干擾噪聲的固定波形成。壓力調節器中的壓力降低會導致天然氣的強烈冷卻。在1.0 L TGI發動機上這種壓力調節器被接入冷卻液循環回路中進行預熱，這樣就避免對壓力調節器進行冷卻，并使天然氣出口溫度始終保持在-40 ℃以上。

9 用于天然氣共軌系統的專門支承點

進氣管上有用于天然氣共軌系統的專門支承點，天然氣噴射器被安置于每缸的進氣道中。天然氣罐與共軌之間的所有導管接頭，未來將使用球面擴口連接，與緊固螺釘連接方式相比，該連接方式更具優勢，而且使用成本更低。

10 工作過程和運行方式策略

新型1.0 L TGI發動機在日常運行中必須始終能按需求在天然氣和汽油兩種運行模式之間轉換，其中保持扭矩不變并轉換燃料運行對發動機標定提出了很高的要求。在使用CNG運行時因受到系統的限制會產生動力性方面的缺陷，因為一方面幾乎在所有條件下其廢氣溫度都會低于使用汽油運行時的廢氣溫度，另一方面因向進氣管噴射CNG使其進氣供應量要比使用汽油運行時約少15%(表1)。

表1 天然氣/汽油的主要特性比較及其使用CNG的效果

為了達到與使用汽油運行時相同的全負荷特性曲線，使用CNG運行時將增壓壓力以0.03 MPa提高到0.23 MPa(絕對壓力)，與此同時將點火時刻往前調整，而較小的增壓器可幫助快速建立起增壓壓力。

只要CNG罐中有天然氣，在冷卻液溫度高于-10 ℃的情況下TGI發動機從起動開始就可使用CNG工作，而在更低溫度下則使用汽油起動，此時首先應在CNG壓力調節器關閉的情況下將CNG噴射器稍微開啟，使CNG共軌處于直空狀態。然后將CNG噴射器通電加溫直至達到其運行溫度并能可靠地開啟，之后就轉換到采用CNG的狀態運行。

即使在加注CNG后發動機也首先要使用汽油運行。一旦λ調節功能被激活，并至少有140 mL汽油沖洗過無回油汽油高壓泵(HDP)油腔，就可轉換到使用CNG運行。如果汽車在加注CNG之前使用汽油行駛的話，那么在使用λ調節功能后就可立即轉換到使用CNG運行，因為在轉換之前HDP油腔已被沖洗過。從汽油轉換到CNG運行歷經不到1 s。若實施轉換的話，則要查明CNG品質，從而正確地對混合氣進行預控制。當這種匹配調整好后，直至下一次加注CNG為止，1.0 L TGI發動機在高于-10 ℃的溫度下的每次起動過程都使用CNG運行。

11 CNG運行時對催化轉化器的挑戰

為了達到盡可能低的廢氣排放，一方面催化轉化器應盡可能快地加熱到起燃溫度，另一方面在發動機低負荷時應使催化轉化器保持在轉化溫度以上，這對于催化轉化器設計而言是較大的挑戰，因為使用甲烷運行時的轉化溫度要比使用汽油運行時的轉化溫度高100 ℃，而使用甲烷運行時燃油耗最低時的廢氣溫度卻要比使用汽油運行時低。

冷起動后的第一步就要進行常規的催化轉化器加熱，為此所需的調晚點火提前角及轉速提升會使效率惡化，從而導致CO2排放隨之增加，因此開發的目標是要使該運行方式盡快進行，以便快速恢復到效率最佳的運行狀態。

圖5 相對燃油耗隨入調節方法的變化對比

為此，首先在1臺3缸機上采用λ分段控制方法，這樣就能使效率幾乎沒有變化(圖5)，這就意味著兩個氣缸采用濃混合氣運行，而另一個氣缸則采用稀混合氣運行，所有氣缸的總λ仍等于1。此時，加濃運行的氣缸形成CO，在催化轉化器中被轉換成放熱反應，CO的轉化溫度明顯低于甲烷的轉化溫度。如果在常規加熱情況下就能達到CO的轉化溫度，那么就仍然在λ分段控制狀態進行轉換。即使在低負荷工況下也能使用該功能達到甲烷轉化溫度。

12 新型POLO轎車上無需保養的CNG罐

由于MQB的靈活性，使得在中部和后部底盤范圍內進行特殊布置的方案得以實現。雖然在該處除了量產的汽油箱之外還附加兩個總容積為75 L的圓柱形CNG罐，但是并不會影響到行李艙的容積。

玻璃纖維加強的熱塑性塑料托盤被用作為高強度鋼CNG罐的支承裝置(圖6)，該塑料托盤通過壓制而成，且質量較輕，能確保CNG罐抗碰撞性。為了獲得最大的抗腐蝕能力，它們在噴砂處理后噴鍍鋅和環氧附著表面，并涂敷粉末面漆。該CNG貯氣罐無需保養，并且應遵守4年內的檢查間隔要求，使其能在整個車輛使用壽命期內安全使用。

圖6 Polo TGI發動機的CNG布置

13 低燃油耗和長的行駛里程

Polo TGI轎車駕駛員可在組合儀表上的多功能顯示器上讀出運行模式、CNG品質、CNG罐充氣狀況、瞬時和平均燃油耗，以及剩余的行駛里程等相關參數。除了顯示汽油存油狀況之外，還能顯示CNG罐中CNG儲備狀況信息。在歷經45個月后就會顯示需進行CNG裝置檢驗的提醒。CNG充氣接管與汽油加油接管一起置于汽油箱蓋后面，使免維護的顆粒過濾器保護系統不受污染。

無論是使用CNG還是使用汽油運行，1.0 L TGI發動機都能輸出66 kW的功率，在1 900～3 500 r/min轉速區域能持續提供160 N·m的扭矩(圖7)。Polo TGI轎車采用5檔變速器，從0～100 km/h的加速過程需11.5 s，并且最高車速能達到185 km/h。

圖7 1.0 L TGI發動機的速度特性曲線

使用CNG行駛的NEDC平均耗氣量為百公里3.2 kg，相當于CO2排放為87 g/km，此時的行駛里程為390 km，使用汽油運行還能繼續行駛930 km，因而總行駛里程可達到1 320 km。

14 結語

Volkswagen開發的1.0 L TGI發動機可用于其集團品牌車型，是一種既經濟又環保并有較高使用靈活性的動力裝置。MQB-A0級平臺證實了天然氣動力裝置的重要意義。較低的廢氣排放、合乎時代要求的動力性能和低廉的使用成本為用戶提供了實際的好處。

Volkswagen的CNG策略對Polo TGI轎車起著重要的作用，也包括使用可持續產生的生物甲烷，該燃料已被證實對環境無害。在當前背景下，CNG汽車能成為純電動車(BEV)和插電式混合動力車(PHEV)方案的理想補充之一。