關(guān)于Volkswagen新型4缸1.5 L-TSI增壓直噴式汽油機(jī)性能分析

Volkswagen 公司推出了1 款4 缸TSI-evo 增壓直噴式汽油機(jī)，其功率版本有96 kW 和110 kW2 種，將于2017 年年中開始搭載于大眾Golf 轎車上。這款機(jī)型采用米勒燃燒過(guò)程并采用增壓技術(shù)，并與優(yōu)化的配氣定時(shí)管理、熱管理，以及全面降低的摩擦損失相結(jié)合，使其燃油耗比原機(jī)型降低了約10%。

1開發(fā)目標(biāo)

Volkswagen TSI發(fā)動(dòng)機(jī)自從2015年推出以來(lái)一直處于全球增壓直噴式汽油機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，享有很高的用戶滿意度和全球動(dòng)力類媒體的高度評(píng)價(jià)。隨著直列4缸 1.5 L-TSI-evo發(fā)動(dòng)機(jī)推向市場(chǎng)，Volkswagen在增壓直噴式汽油機(jī)方面又獲得了進(jìn)一步的發(fā)展。

新型4缸TSI-evo增壓直噴式汽油機(jī)是在EA211發(fā)動(dòng)機(jī)系列模塊化組合部件基礎(chǔ)上開發(fā)而成的。為了滿足輕型、緊湊、高效和降低隱性成本等方面的要求，并考慮到全球越來(lái)越嚴(yán)的廢氣排放法規(guī)，在技術(shù)設(shè)計(jì)說(shuō)明書中提出了目標(biāo)，并應(yīng)用技術(shù)解決方案予以實(shí)現(xiàn)，包括降的燃油耗和CO2排放;降低整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)內(nèi)低的摩擦功率;搭載于Volkswagen A0～B級(jí)轎車;用于全球的可靠動(dòng)力總成設(shè)計(jì);具備燃用多種燃料和壓縮天然氣(CNG)的能力;具備混合動(dòng)力用途的基礎(chǔ);具有良好的低轉(zhuǎn)速扭矩和富有競(jìng)爭(zhēng)力的動(dòng)態(tài)加速響應(yīng)特性。

圖1 Volkswagen新款 4缸1．5 L-TSI增壓

直噴式汽油機(jī)

新型1.5 L-TSI增壓直噴式汽油機(jī)將于2017年年中起搭載于大眾Golf轎車上，并具有96 kW和110 kW 2種功率版本(圖1)，其主要的技術(shù)數(shù)據(jù)列于表1。Volkswagen發(fā)動(dòng)機(jī)廠生產(chǎn)的用于全球的高效發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一是基于EA211系列組合部件的模塊化，可以減少機(jī)型的多樣性。這種新機(jī)型未來(lái)可用于EA211-evo系列中排量為1.0 L和1.5 L的多點(diǎn)進(jìn)氣道噴射(MPI)和增壓分層噴射發(fā)動(dòng)機(jī)(圖2)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本數(shù)據(jù)、行駛功率和燃油耗

圖2 EA211-evo系列的功率和扭矩特性曲線

2EA211-evo方案

EA211-ev系列發(fā)動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)出高的功能集成度，并采取了進(jìn)一步降低摩擦和燃油耗的措施，這是EA211模塊化組合部件的典型特點(diǎn)(圖3)，并且在新的設(shè)計(jì)方案中得到了進(jìn)一步的開發(fā)，保留了行之有效的技術(shù)并予以進(jìn)一步優(yōu)化。其中有:全鋁4氣門發(fā)動(dòng)機(jī)、集成排氣歧管的氣缸蓋、優(yōu)化軸密封件摩擦、配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用免維護(hù)和低摩擦的齒形皮帶、搖臂上方的氣門機(jī)構(gòu)采用摩擦優(yōu)化的凸輪軸軸承，配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)側(cè)采用向心球軸承和氣缸切斷(ACT)等措施。

圖3 EA211系列應(yīng)用模塊化組合部件后的

機(jī)型變化

通過(guò)將活塞行程從80.0 mm加長(zhǎng)到85.9 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)排量加大到1.498 L，而氣缸直徑74.5 mm保持不變，行程/缸徑比為1.15，從而為新機(jī)型提供了最佳的充量運(yùn)動(dòng)和活塞速度。110 kW機(jī)型具有傳統(tǒng)的配氣正時(shí)和廢氣放氣閥渦輪增壓器，而96 kW機(jī)型則應(yīng)用米勒循環(huán)配氣正時(shí)和可變渦輪幾何截面增壓器。2種功率等級(jí)機(jī)型通過(guò)采用λ=1設(shè)計(jì)方案獲得了整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)內(nèi)的燃油耗優(yōu)勢(shì)。

在氣缸切斷、優(yōu)化摩擦的曲柄連桿和氣門機(jī)構(gòu)、熱管理、根據(jù)特性曲線場(chǎng)調(diào)節(jié)的機(jī)油供應(yīng)、精確配氣正時(shí)管理、新型增壓空氣冷卻，以及最大噴射壓力高達(dá)350 MPa的噴油系統(tǒng)等方面，1.5 L-TSI發(fā)動(dòng)機(jī)的96 kW和110 kW 2種機(jī)型是基本相同的。

同樣，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)在寬廣的范圍內(nèi)重新設(shè)計(jì)，特別的創(chuàng)新之一是采用可調(diào)節(jié)的進(jìn)氣凸輪軸實(shí)現(xiàn)新型的充氣控制。

與92 kW 的1.4 L-TSI發(fā)動(dòng)機(jī)相比，這種新型EA211-TSI-evo增壓直噴式汽油機(jī)在常用的運(yùn)行工況范圍內(nèi)可節(jié)油10%以上。

3氣缸體曲軸箱

氣缸體曲軸箱的結(jié)構(gòu)是在EA211發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)而成，因此減少了零件數(shù)量，并特別注重降低制造成本，其主要的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:頂面敞開式結(jié)構(gòu)，采用AlSi9Cu3鋁合金壓鑄而成;氣缸工作表面加工采用中心架珩磨;介質(zhì)(機(jī)油、冷卻液)供應(yīng)、通風(fēng)及外部部件(機(jī)油冷卻器、輔助設(shè)備)連接的高度集成化。

功率為96 kW的evo機(jī)型采用耐磨損的鑲鑄灰鑄鐵氣缸套，而110 kW機(jī)型的氣缸套則是在鋁氣缸體曲軸箱上采用大氣等離子體噴涂(APS)而成的。用于高達(dá)13．5 MPa爆發(fā)壓力的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及氣缸之間鼻梁中的冷卻液鉆孔，使其進(jìn)一步提高功率。通過(guò)應(yīng)用微粒粉末噴射和優(yōu)化的珩磨技術(shù)相結(jié)合，能在氣缸工作表面形成微小的潤(rùn)滑油孔，確保活塞環(huán)低摩擦和低磨損地滑動(dòng)。

氣缸體曲軸箱通風(fēng)采用幾乎只在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行的部分流通風(fēng)型式。曲軸箱氣體從曲軸箱進(jìn)入安裝在氣缸體曲軸箱上的機(jī)油預(yù)分離器，被分離出來(lái)的機(jī)油返回到油底殼中。被預(yù)凈化的氣體經(jīng)過(guò)鑄在氣缸體曲軸箱中的上升通道引入集成在ACT-氣門機(jī)構(gòu)模塊中的機(jī)油精細(xì)分離器中。在增壓運(yùn)行時(shí)，曲軸箱氣體就從那里引入廢氣渦輪增壓器中，而在自然吸氣運(yùn)行時(shí)則由1根來(lái)自機(jī)油精細(xì)分離器的接管經(jīng)過(guò)集成在氣缸蓋中的出口進(jìn)入進(jìn)氣道，從而被引入燃燒室。

為了確保即使在頻繁的短途交通情況下冷凝物也能排出，在自然吸氣運(yùn)行時(shí)，因氣缸體曲軸箱中存在真空度，空氣濾清器清潔空氣側(cè)的新鮮空氣經(jīng)過(guò)機(jī)油精細(xì)分離器中的1個(gè)止回閥被發(fā)動(dòng)機(jī)吸入，而在發(fā)動(dòng)機(jī)加熱時(shí)能揮發(fā)的冷凝物則被新鮮空氣帶走，通過(guò)上述途徑引入燃燒室被燒掉。

4曲柄連桿機(jī)構(gòu)

在活塞行程加長(zhǎng)的情況下進(jìn)行曲軸加工，包括采用徑向淬火提高承載能力在內(nèi)的眾多EA211機(jī)型的加工工藝仍然保留。為了降低摩擦損失，曲軸軸頸表面被磨削得特別光滑。第一缸的主軸承被涂敷了聚合物，以滿足自動(dòng)起停系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所提出的高要求。連桿被設(shè)計(jì)成小頭孔鍛造成形且無(wú)襯套的結(jié)構(gòu)型式，而桿身部分已被加強(qiáng)提高了可以承受的負(fù)載。

鑄造活塞是按13.5 MPa最大爆發(fā)壓力設(shè)計(jì)的，第一道活塞環(huán)槽鑲鑄了活塞環(huán)鑲座?；钊h(huán)開發(fā)的重點(diǎn)是降低摩擦和減少?gòu)U氣顆粒物排放，考慮到應(yīng)用APS和灰鑄鐵氣缸套?；钊N涂有類金剛石碳(DLC)涂層，同樣能降低摩擦和減小磨損。活塞頂旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的扁平凹坑和氣門凹陷與燃燒室?guī)缀涡螤詈?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/873/" target="_blank">高壓縮比12.5相匹配，通過(guò)活塞頂?shù)倪@種平坦設(shè)計(jì)減輕了活塞質(zhì)量，并改善了活塞溫度分布。

5氣缸蓋

氣缸蓋在原件基礎(chǔ)上改進(jìn)了設(shè)計(jì)，為了獲得高效的能量轉(zhuǎn)化燃燒過(guò)程，優(yōu)化了冷卻水套和燃燒室。

燃燒室上方的冷卻被設(shè)計(jì)成橫流式冷卻方式，并且冷卻水被水平分配。與1.4 L-TSI機(jī)型相比，為了散熱和消除冷卻系統(tǒng)中的節(jié)流，集成在氣缸蓋中的整體式排氣歧管已重新設(shè)計(jì)并進(jìn)行了優(yōu)化。由于氣門傾斜角度的調(diào)整和12.5∶1的高幾何壓縮比，使得燃燒室更為緊湊，而且能使燃燒室內(nèi)獲得更強(qiáng)烈的充量運(yùn)動(dòng)，活塞也不易開裂。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是，借助于內(nèi)容廣泛的3D模擬計(jì)算獲得最佳的容積-表面比，并通過(guò)其幾何學(xué)設(shè)計(jì)(圖4)優(yōu)化球狀火焰?zhèn)鞑?。為此采取了下列措?(1)將進(jìn)氣門和排氣門的傾斜角分別減小到 13.0°和 18.9°;(2)為了使新鮮空氣最優(yōu)化流入燃燒室，進(jìn)氣門略微向后縮進(jìn)一些;(3)擴(kuò)大進(jìn)氣凸輪軸的相位調(diào)節(jié)范圍而不使活塞頂面的氣門凹陷明顯加深;(4)用燃燒室切向凸臺(tái)引導(dǎo)氣流;(5)具有淺燃燒室凹坑的活塞頂表面輔助充量運(yùn)動(dòng)和混合氣形成;(6)火花塞稍微偏離氣缸中心垂直安裝，以便使火焰前鋒均勻快速地抵達(dá)接近壁面的區(qū)域，從而避免產(chǎn)生爆燃。

由于110 kW機(jī)型的排氣溫度非常高，因而排氣門采用充鈉冷卻技術(shù)。

圖4 EA211發(fā)動(dòng)機(jī)系列發(fā)動(dòng)機(jī)模塊化組成部分

6用于ACT的氣門機(jī)構(gòu)模塊

ACT機(jī)構(gòu)已經(jīng)改進(jìn)，并與TSI-evo汽油機(jī)應(yīng)用于量產(chǎn)。在低負(fù)荷直至中等負(fù)荷，關(guān)閉第二和第三氣缸的進(jìn)排氣門，同時(shí)停止噴油。ACT氣門機(jī)構(gòu)模塊的優(yōu)化成功地轉(zhuǎn)換成以下組件:(1)單個(gè)移動(dòng)凸輪片與凸輪直接嚙合裝配;(2)排氣傳感輪與固定凸輪用一個(gè)毛坯制成，來(lái)獲得高的測(cè)量精度;(3)用16MnCrS5合金鋼制成的花鍵軸能獲得最佳的制造工藝;(4)凸輪和凸輪軸軸頸采用液流拋光，以獲得最佳的表面品質(zhì)并降低摩擦損耗;(5)用42CrMoS4合金鋼制成的凸輪廓線表面采用激光淬火確保較小的變形，并能在加工中減少一道工藝步驟。

2種1.5 L-TSI機(jī)型的氣門機(jī)構(gòu)模塊僅在進(jìn)氣凸輪幾何形狀方面有所區(qū)別，這是由新型的TSI-evo發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒過(guò)程所決定的。同樣，緊湊的氣門機(jī)構(gòu)模塊包含有用于執(zhí)行器、高壓泵和機(jī)油精細(xì)分離器的接口，因其高集成度而降低了成本。

7新型的配氣定時(shí)管理

精確的充氣信息采集對(duì)燃燒過(guò)程起著重要作用。減小配氣定時(shí)的幾何公差可以用新開發(fā)的高分辨率“12+1”齒的凸輪軸傳感輪來(lái)實(shí)現(xiàn)，該傳感輪被無(wú)間隙地嚙合壓配在花鍵軸上。同樣，配氣定時(shí)的標(biāo)定也是通過(guò)單平面無(wú)間隙地在進(jìn)排氣凸輪軸上進(jìn)行的。

在生產(chǎn)過(guò)程中，ACT模塊中的凸輪軸與凸輪軸傳感輪的角度偏差是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格而進(jìn)行采集的，并用激光以數(shù)據(jù)矩陣碼(DMC)的型式印制在氣缸蓋罩蓋上，查明的修正值讀入發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元，并在充氣信息采集時(shí)予以考慮。圖5說(shuō)明了配氣定時(shí)/氣門機(jī)構(gòu)中采集電和幾何方面的實(shí)際偏差，以便借助于4種措施優(yōu)化每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程。進(jìn)氣凸輪軸用中心調(diào)節(jié)閥通過(guò)快速的液壓凸輪軸相位調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，而排氣凸輪軸則以傳統(tǒng)方式用非中心布置的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行液壓調(diào)節(jié)。

圖5 EA211 1．5 L-TSI-evo汽油機(jī)的

進(jìn)氣道和燃燒室

8發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻

高溫和低溫冷卻循環(huán)的組合繼承了EA211系列的模塊化組合部件。功率消耗較少的電動(dòng)冷卻液泵根據(jù)需求為低溫冷卻循環(huán)回路中的增壓空氣冷卻器和廢氣渦輪增壓器供應(yīng)冷卻液進(jìn)而冷卻，若需要的話，則在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后電動(dòng)冷卻液泵仍繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行冷卻。新設(shè)計(jì)的根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)調(diào)節(jié)的冷卻模塊(圖6)成為高溫冷卻循環(huán)回路中的主要部件，借助于凸輪軸齒形皮帶進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的冷卻液泵和機(jī)電一體化的冷卻液調(diào)節(jié)器組合成模塊化結(jié)構(gòu)型式，并在最小的外形尺寸下為創(chuàng)新的熱管理獲得新的自由度。主要的創(chuàng)新是位于殼體中的電調(diào)節(jié)器，它按照發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元的指令直接無(wú)級(jí)地調(diào)節(jié)上方的轉(zhuǎn)閥，該轉(zhuǎn)閥通過(guò)扇形齒輪嚙合再驅(qū)動(dòng)其下方的截止閥，從而就可切斷冷卻液流動(dòng)，因而通過(guò)這種運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)以及必需的進(jìn)出口通道或接管的相應(yīng)布置，就能連續(xù)快速地按照需求精確地調(diào)節(jié)各種不同的冷卻液流量，因此可以通過(guò)切斷冷卻液流動(dòng)改善發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)，降低摩擦，快速提高車廂內(nèi)溫度，從而實(shí)現(xiàn)熱管理降低爆燃傾向。

圖6 提高配氣定時(shí)精度的措施

9增壓空氣冷卻

增壓空氣間接冷卻器位于增壓空氣管路與節(jié)氣門之間，這樣布置能降低節(jié)氣門和傳感器附近的溫度水平。通過(guò)新設(shè)計(jì)的尺寸和安裝位置，在繼續(xù)保持非常緊湊的外形尺寸情況下提高了冷卻器的冷卻能力，增壓空氣的溫度水平，可以比環(huán)境空氣溫度降低15°。

10混合氣形成

在1.5 L-TSI-evo汽油機(jī)上首次應(yīng)用第四代Volkswagen缸內(nèi)汽油直接噴射系統(tǒng)。由于共軌壓力對(duì)噴束形成具有重大影響，為了優(yōu)化空氣與燃油的相互作用開發(fā)了1種獨(dú)特的5孔噴束圖像，并把噴油壓力提高到35 MPa的，同時(shí)與每個(gè)工作循環(huán)多達(dá)5次的噴射相結(jié)合，改善了混合氣形成。第4代噴油系統(tǒng)減小了油滴尺寸，提高了噴油動(dòng)量，在減小公差的情況下優(yōu)化了噴油量，精確最小噴油計(jì)量用于低負(fù)荷和多次噴射，采用較短的噴油持續(xù)期用于全負(fù)荷和額定功率時(shí)的最佳混合氣形成。

11TSI-EVO燃燒過(guò)程

為改善燃燒室過(guò)程，持續(xù)不斷的致力于以下幾項(xiàng)重要的開發(fā)目標(biāo):為提高用戶常用運(yùn)行工況的效率，提高了幾何壓縮比;通過(guò)進(jìn)氣門早關(guān)(FES)及其隨之而來(lái)的進(jìn)氣行程中的膨脹冷卻降低壓縮終了溫度(圖7);為了加速燃燒火焰?zhèn)鞑?，降低高?fù)荷下的爆燃傾向，優(yōu)化充量運(yùn)動(dòng);通過(guò)高效的廢氣渦輪增壓提高充量密度。

圖7 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)調(diào)節(jié)的冷卻模塊

12充量運(yùn)動(dòng)

由于米勒循環(huán)縮短了進(jìn)氣持續(xù)期，為了在低轉(zhuǎn)速時(shí)也能獲得足夠的充量運(yùn)動(dòng)，需要在進(jìn)氣道、燃燒室切向引導(dǎo)凸臺(tái)和燃燒室?guī)缀涡螤畹确矫娴淖屑?xì)優(yōu)化并相互平衡，因此為EA211-TSI-evo汽油機(jī)開發(fā)了1種高滾流進(jìn)氣道。為了避免進(jìn)氣門早關(guān)期間小氣門升程時(shí)干擾滾流流動(dòng)，應(yīng)用了燃燒室切向引導(dǎo)凸臺(tái)，從約1 mm氣門升程起就能產(chǎn)生恒定不變的高滾流運(yùn)動(dòng)，這種充量運(yùn)動(dòng)的高穩(wěn)定性能能一直保持到點(diǎn)火上止點(diǎn)(圖8)。

13增壓

110 kW機(jī)型采用傳統(tǒng)的配氣定時(shí)和單流道渦輪殼增壓器，而對(duì)于96 kW機(jī)型則使用可變渦輪幾何截面(VTG)增壓器(圖9)開發(fā)其燃燒過(guò)程，這在該排量的汽油機(jī)領(lǐng)域內(nèi)尚屬首次。VTG增壓器在低轉(zhuǎn)速扭矩范圍內(nèi)，即使廢氣質(zhì)量流量較小時(shí)也能具有較大的廢氣動(dòng)壓頭，因此在轉(zhuǎn)速1 400 r/min時(shí)就已準(zhǔn)備好角動(dòng)量，而在額定功率時(shí)則在適當(dāng)?shù)膹U氣背壓下就能滿足高達(dá)0.13 MPa的高增壓壓力需求，這樣就能在寬廣的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得協(xié)調(diào)或正的掃氣壓差，而且特別是在用戶常用的運(yùn)行工況范圍內(nèi)能獲得較少的殘余廢氣含量、早的燃燒重心位置和高效的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行。

圖8 TSI-evo燃燒過(guò)程的配氣正時(shí)

圖9 EA211-TSI-evo汽油機(jī)是否有燃燒室切向引導(dǎo)凸臺(tái)的流動(dòng)特性值

增壓器的渦輪和壓氣機(jī)針對(duì)低轉(zhuǎn)速扭矩范圍進(jìn)行優(yōu)化，為此通過(guò)減小渦輪背部直徑來(lái)降低渦輪的慣性力矩，并且通過(guò)與摩擦優(yōu)化和水冷卻的軸承相結(jié)合，使得在轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)的扭矩建立比92 kW的1.4 L-TSI機(jī)型快了35%(圖10)。

所采用的燃燒過(guò)程能夠在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)內(nèi)以過(guò)量空氣系數(shù)λ=1運(yùn)行而最高廢氣溫度為880℃，因而即使與柴油機(jī)增壓方案高度相似，VTG增壓器也能適應(yīng)汽油機(jī)的邊界條件，因此重新設(shè)計(jì)了間隙和縫隙尺寸，并進(jìn)行了材料的匹配。

帶有廢氣放氣閥和電調(diào)節(jié)器的常規(guī)廢氣渦輪增壓器是為高達(dá)1 050℃的廢氣溫度設(shè)計(jì)的，因此這里即使λ=1運(yùn)行也總是可能的。

圖10 可變渦輪幾何截面增壓器剖示圖

圖 11 96 kW-1.5 L-TSI-evo 機(jī)型與

92 kW-1.4 LTSI機(jī)型扭矩建立的比較

14結(jié)語(yǔ)

Volkswagen汽車以EA211-TSI-evo汽油機(jī)為增壓直噴式汽油機(jī)樹立了新的里程碑。通過(guò)在配備VTG廢氣渦輪增壓器的TSI發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用米勒燃燒過(guò)程的持續(xù)不斷改進(jìn)，并與配氣正時(shí)管理和熱管理方面的創(chuàng)新，以及摩擦的全面降低相結(jié)合，使發(fā)動(dòng)機(jī)在用戶常用的運(yùn)行工況范圍內(nèi)獲得了明顯的節(jié)油效果，而且使搭載TSI發(fā)動(dòng)機(jī)的車型具有出色的加速性，從而獲得典型的駕駛樂(lè)趣，這在同排量等級(jí)車型中是獨(dú)一無(wú)二的。