群眾公司EA111和EA112系列14,L燃油分層直噴式汽油機（三）

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編者按：節(jié)能減排是現(xiàn)代乘用車發(fā)動機發(fā)展的永恒主題和不懈追求的目標(biāo)。12年來，群眾公司在EA111系列1.4L汽油機平臺的基礎(chǔ)上，運用汽油缸內(nèi)分層直接噴射和增壓等現(xiàn)代新技術(shù)，開發(fā)出了1.4L-FSI自然吸氣機型和1.4L-TsI廢氣渦輪與機械式復(fù)合增壓機型。2023年，又應(yīng)用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)部件實現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)型式，開發(fā)出新一代EA211汽油機系列1.4L-TSI渦輪增壓直噴式汽油機，大大降低了大批量生產(chǎn)和用戶維修保養(yǎng)的成本。本文以翔實的資料系統(tǒng)地介紹了群眾公司1.4L汽油機全系列各機型的結(jié)構(gòu)和性能，旨在使讀者了解世界著名跨國公司的現(xiàn)代新技術(shù)、新工藝、新材料及其創(chuàng)新思路，并以節(jié)能減排為主線，展示乘用車汽油機系列機型的蛻變過程，作為相關(guān)乘用車發(fā)動機使用、維修與保養(yǎng)的借鑒。

（接上期）

2.復(fù)合增壓法

（1）增壓裝置的設(shè)計

假使不考慮低速扭矩，那么廢氣渦輪增壓十分適合在適當(dāng)?shù)呐艢獗硥合率拱l(fā)動機獲得高比功率，而機械增壓則首先由于其具有良好的響應(yīng)特性而適合應(yīng)用于低轉(zhuǎn)速區(qū)域。若廢氣渦輪增壓附加機械增壓作為輔助，則能將兩者的優(yōu)點結(jié)合起來，彼此相互取長補短，其基本原理已眾所周知，圖43是這種復(fù)合增壓系統(tǒng)的工作原理示意圖。

為了使機械增壓器能夠接合和脫開，在冷卻水泵模塊中集成了一個電磁離合器，機械增壓器由曲軸通過皮帶傳動。在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，當(dāng)需要輔助廢氣渦輪增壓器時就接合運轉(zhuǎn)，而在高轉(zhuǎn)速工況下，廢氣渦輪增壓器能夠獨立提供足夠的增壓壓力，因而此時空氣調(diào)理閥開啟，機械增壓器脫開并中止運轉(zhuǎn)。

如圖44所示，在穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)的工況下，只有在2400r/min以下的高負荷范圍內(nèi)才需要機械增壓器運轉(zhuǎn)工作。由于在此運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，根據(jù)所選擇擋位的不同，廢氣渦輪增壓器總是有所滯后才能達到其額定增壓壓力，需要機械增壓器較長時間的接入工作，但最遲當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到3500r/min時就要脫開中止工作，由于此時機械增壓器在5：1速比下將達到其最高轉(zhuǎn)速18000r/min。與此同時，廢氣渦輪增壓器開始從助力運轉(zhuǎn)狀態(tài)逐漸動態(tài)過渡到全負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)，并單獨提供狀態(tài)過渡所需要的增壓壓力。

由于采用了這兩種增壓方法，廢氣渦輪的流通能力得到了較大的提高，從而降低了發(fā)動機的排氣背壓。但是，另一方面還盡可能地使機械增壓器的接合頻率低一些，接合運轉(zhuǎn)持續(xù)時間短一些，以免增加其增壓運行所消耗的傳動功率而使燃油耗提高得太多。除此之外，還必需確保在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)運轉(zhuǎn)時發(fā)動機扭矩特性曲線的連續(xù)。

當(dāng)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為1500r/min時，穩(wěn)態(tài)全負荷時的最大增壓比約為2.5，此時廢氣渦輪增壓器和機械增壓器在大約一致的壓比下運轉(zhuǎn)（見圖45）。而與之相比，無機械增壓輔助的渦輪增壓汽油機在該運轉(zhuǎn)工況下所能達到的增壓比就要小得多。這是由于有機械增壓的輔助，其在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進氣空氣流量大大提高，廢氣渦輪能夠獲得較多的廢氣能量，因而有助于提高廢氣渦輪增壓器壓氣機的工作能力，這樣就能盡早地開啟旁通道以減輕機械增壓器的負荷，因此機械增壓器的運行范圍只局限于萬有特性曲線場中很小的范圍內(nèi)，并且在大多數(shù)狀況下功率消耗得很少。

廢氣渦輪增壓器設(shè)計成在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，全負荷運行線靠近壓氣機的喘振線（見圖46），此時壓氣機已經(jīng)具有較高的效率，有助于廢氣渦輪增壓器獲得順暢的加速性能，直到發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2000r/min內(nèi)時，廢氣渦輪增壓器和機械增壓器的總增壓比能使前者的壓氣機遠離喘振線。單級渦輪增壓因其壓氣機運行范圍有限而不適合力爭達到全負荷目標(biāo)值，但由于有了機械增壓器的輔助，所以就能設(shè)計渦輪增壓器在標(biāo)定功率時具有較高的效率，從而使其增壓壓力和排氣背壓都較低，并使渦輪增壓器具有幅度較大的海拔高度儲存。

圖47是在發(fā)動機試驗臺上模擬轉(zhuǎn)速升高時所測得的瞬態(tài)扭矩提升曲線，這相當(dāng)于汽車掛第3擋時的全負荷加速過程。在沒有機械增壓器輔助而只有廢氣渦輪增壓器單級增壓的狀況下，大約O.5s以后進氣管中才能建立起規(guī)定的壓力，而扭矩目標(biāo)值（100%）在大約4.8s以后才能達到。除了增壓壓力建立滯緩以外，由于廢氣渦輪增壓器動力學(xué)方面的原因所導(dǎo)致的扭矩提升的不連續(xù)性，會使司機感覺很擔(dān)心逸。

在與機械增壓器共同工作的狀況下，這種運行特性基本得到了改善。一旦機械增壓器接入工作，就有助于進氣管壓力的提升，因而扭矩特性曲線的提升梯度也要比廢氣渦輪增壓器單級增壓時陡得多，而且這樣的提升梯度會一直保持到進氣管中的壓力達到規(guī)定值為止，并且扭矩特性曲線的提升一直到達到目標(biāo)扭矩為止都是連續(xù)的。因此，這種增壓發(fā)動機的運轉(zhuǎn)主觀上使人感覺好像是排量很大的自然吸氣發(fā)動機一樣。

（2）增壓空氣冷卻設(shè)計

增壓空氣冷卻器與水箱和空調(diào)冷凝器組合成模塊式結(jié)構(gòu)，其充分利用了汽車正前方的空間。由于采用了高效率的增壓空氣冷卻器，從廢氣渦輪增壓器壓氣機一直到節(jié)氣門這一段路程，增壓空氣被冷卻到只比環(huán)境溫度高5℃，這樣就能夠?qū)?5℃進氣溫度作為基本設(shè)計參數(shù)，因此發(fā)動機能夠在寬廣的萬有特性曲線場范圍內(nèi)以燃油耗的最正確點火正時運轉(zhuǎn)。

由于扭矩特性曲線是從1750r/min起就能達到其最大值240Nm，并選擇了表3中所示的變速器速比，因此能夠在獲得十分突出的燃油耗的同時具有優(yōu)良的動力性。圖48上給出了該機型搭載于群眾高爾夫（Golf）轎車在新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）中5擋和6擋的換擋加速性（80～120km/h）及其燃油耗。從圖中可以明白地看到，與排量較大的發(fā)動機相比，1.4L-TS汽油機在具有最正確加速性的同時，僅7.2L/100km的燃油耗也是最低的，而且與其他競爭機型相比，這種功率為125kW的TSi汽油機的燃油耗已成為乘用車汽油機發(fā)展的新的里程碑（見圖49）。

3.燃燒過程

1.4L-TSI汽油機缸徑為76.5mm，行程為75.6mm，具有一個十分緊湊的燃燒室，汽缸蓋一側(cè)呈屋頂形，火花塞中央布置、活塞頂上有一個淺而寬大的凹坑。這種燃燒室的基本幾何形狀具有最正確抗爆性，即使增壓壓力高達O.25MPa也能采用10：1的壓縮比，從而獲得超群的發(fā)動機性能指標(biāo)：①平均有效壓力為2.16MPa；②比扭矩為172.6Nm/L；⑨比功率為90kW/L。

1.4L-TSl汽油機采用充量運動滾流閥。該閥位于進氣道下部，工作時將進氣道流通截面關(guān)閉50%，其產(chǎn)生的充量運動滾流強度適合于在發(fā)動機整個萬有特性場范圍內(nèi)獲得最正確的燃燒速度。從大約2800r/mln轉(zhuǎn)速起滾流閥完全開啟，進氣道獲得全部的流通橫截面，兩個進氣道設(shè)計成能隨轉(zhuǎn)速的升高不斷優(yōu)化滾動而得到高的汽缸充氣量，從而實現(xiàn)125kW的目標(biāo)功率。

1.4L-TSI汽油機為了加熱催化轉(zhuǎn)化器，采用了兩次噴油策略，即在進氣行程期間第一次較早的噴油和在點火上止點前（大約50。曲軸轉(zhuǎn)角）其次次較晚的噴油。在確保發(fā)動機具有良好的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性的狀況下，為了獲得盡可能大的廢氣熱流所必需的極其晚的點火角，對空氣運動參數(shù)、活塞頂燃燒室凹坑幾何形狀和高壓噴油器油束形狀進行確切地匹配是十分重要的（見圖50）。同時，在發(fā)動機均質(zhì)運行時，對活塞頂燃燒室凹坑設(shè)計提出了彼此相互矛盾的要求，即為了減少全負荷時活塞的熱侵入和避免形成HC溫床而要求活塞頂面積盡可能小，從而產(chǎn)生好多可能的活塞頂幾何形狀。根據(jù)計算流體動力學(xué)（CFD）模擬結(jié)果，從中挑揀出幾種最有希望的方案，并在發(fā)動機試驗臺架上進行比較，這樣就能大大減少燃燒過程開發(fā)中發(fā)動機試驗的工作量。

1.4L-TSI汽油機第一次采用了具有6個噴孔的多孔式噴油器（見圖51）。與自然吸氣的FSI汽油機一樣，該噴油器布置在進氣道與汽缸蓋密封平面之間的進氣道一側(cè)。這種6孔高壓噴油器的單個油束幾乎可以自由選擇布置形式，能夠形成不同于傳統(tǒng)旋流式噴油器的油束形狀，并避免了進氣行程早期噴油沾濕已開啟的進氣門，有利于空氣一燃油混合汽更好地均質(zhì)化，從而減少HC的排放和循環(huán)波動。

從群眾公司自制的壓力罐拍攝的霧化油束照片可以明白地看出，無論在側(cè)視圖還是正視圖上，這種6孔高壓噴油器形成的是單個油束。由于噴孔獨特的幾何形狀，成功地減小了油束的貫穿度，能夠有效地避免燃油沾濕燃燒室表面，有利于降低發(fā)動機冷態(tài)時的原始排放。

此外，在使用加熱催化轉(zhuǎn)化器時，應(yīng)用激光感應(yīng)熒光測試技術(shù)（LIF）拍攝到在燃油束激光截面（距離噴油器頂端30mm處）上的液態(tài)和汽態(tài)燃油的分布狀況（見圖52），可以明白地看出在6個分支油束中燃油濃度較高，而在整個油束中間不斷地進行著燃油一空氣混合汽的均質(zhì)化。對于活塞頂壁面導(dǎo)向的其次次噴油加熱催化轉(zhuǎn)化器而言，單個油束良好的局部均質(zhì)化和適合的貫穿度組合，為發(fā)動機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)并降低原始排放提供了前提條件。

從怠速運轉(zhuǎn)到升功率達到90kW/L的全負荷工況，形成了從最小到最大噴油量很大的跨度，為了使怠速運轉(zhuǎn)時的最短噴油持續(xù)時間大于噴油器容許的最短噴油時間，并保證足夠的霧化油束，從而形成良好的混合汽，要求以6MPa的噴油壓力進行噴射。

為了在全負荷條件下獲得較低的排放和燃油耗，一方面噴油不能太早，以保證噴到活塞頂上的油量盡可能少；另一方面又必需從噴油終止到燃燒開始為混合汽的準(zhǔn)備留有足夠的時間，因而，特別在高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)工況下，由于噴油持續(xù)時間受到了限制，只有將噴油壓力提高到15MPa才能獲得較低的排放和燃油耗。

由于采用了上述措施，獲得了圖53所示的燃油耗特性曲線場，在寬廣的范圍內(nèi)具有十分低的比油耗值，其中燃油耗的最正確點為235a/kWh，處于相當(dāng)突出的水平。圖中示出的馬路行駛部分負荷曲線說明，即使在汽車高速行駛工況下，發(fā)動機仍工作在比油耗較低的運轉(zhuǎn)工況點上。

4.發(fā)動機控制

TSI汽油機的電子控制系統(tǒng)是群眾公司在自然吸氣FSI汽油機電控單元的基礎(chǔ)上進一步開發(fā)而成。這種發(fā)動機電控系統(tǒng)是一種傳感器導(dǎo)向的控制系統(tǒng)，借助于壓力傳感器來采集發(fā)動機充氣信息。同時，在雙重復(fù)合增壓汽油機上第一次應(yīng)用了相位可調(diào)理進氣凸輪軸，并且進氣空氣需求量的變化幅度較大，這些都必需以確切的數(shù)學(xué)模型計算為基礎(chǔ)以調(diào)理來作為前提條件。

（1）負荷的調(diào)理

在MED9.5.10電控系統(tǒng)的扭矩控制結(jié)構(gòu)中，駕駛員所要求的扭矩值由對應(yīng)的空氣質(zhì)量換算成額定的進氣管壓力。在自然吸氣運轉(zhuǎn)狀況下，該額定值只由節(jié)氣門和進氣凸輪軸相位調(diào)理器來調(diào)理，而在增壓運轉(zhuǎn)狀況下還取決于機械增壓器及其電磁離合器和空氣調(diào)理閥，以及廢氣渦輪增壓器的廢氣放氣閥的相互協(xié)同。

相對于機械增壓而言，廢氣渦輪增壓在能量利用方面更為有利，因此在要求的增壓壓力下，尋常要先查明廢氣渦輪增壓器能否單獨提供所要求的增壓壓力，假使廢氣渦輪增壓器不能單獨提供所要求的空氣質(zhì)量，那么就要根據(jù)需求附加接入機械增壓器。在發(fā)動機電控單元增壓壓力計算模型中，借助質(zhì)量、流量對渦輪增壓器的冷端（壓氣機）和熱端（渦輪機）進行效率修正計算，如考慮通過廢氣放氣閥的放氣量。同時，在使用機械增壓器空氣調(diào)理閥的狀況下，借助機械增壓器效率算出由機械增壓器提供的增壓份額，通過確切地識別這兩種增壓裝置的增壓度，就能確定需要參與工作的相關(guān)執(zhí)行器的參數(shù)和發(fā)動機運轉(zhuǎn)的基本參數(shù)。

①機械增壓器離合器的控制

機械增壓器是通過與冷卻水泵組合成模塊的電磁離合器來接合或脫開的?？紤]到用戶的舒適性，電磁離合器的瞬時無沖擊接合或脫開十分受重視。另外，除了考慮機械增壓器消耗的扭矩之外，還必需考慮離合器空氣隙因摩擦片磨損而發(fā)生的變化。若要滿足如此高的要求，則取決于離合器內(nèi)部電磁線圈在時間上的確切控制，其由電控單元發(fā)出的脈沖信號寬度調(diào)理來達到。電磁離合器空氣隙大小的差異由附加的電流測量來識別，從而確定離合器接合的確切時刻。當(dāng)借助自適應(yīng)程序來考慮用于電磁離合器接合或脫開的修正量數(shù)據(jù)時，由于要確保機械增壓器的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不能超過其允許的最高轉(zhuǎn)速18000r/min，因此，在控制電磁離合器的相應(yīng)軟件模塊中集成有脫開和故障診斷策略程序。

②用空氣調(diào)理閥調(diào)理機械增壓器的工作能力

機械增壓器的工作能力及其增壓壓力是由空氣調(diào)理閥來調(diào)理的。當(dāng)機械增壓器工作運轉(zhuǎn)時，空氣調(diào)理閥關(guān)閉，空氣濾清器后的進氣空氣被導(dǎo)向機械增壓器。

這種TSl汽油機的重要開發(fā)目標(biāo)是在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)也能迅速提升增壓壓力（見圖54）。增壓壓力的提升直接受到空氣調(diào)理閥關(guān)閉速度的影響。當(dāng)需要機械增壓器達到最大工作能力時，該空氣調(diào)理閥能夠在0.2s內(nèi)關(guān)閉。此時，必需將空氣調(diào)理閥的關(guān)閉和機械增壓器的接合在時間上確切地重合，從而在任何時刻都不會出現(xiàn)增壓壓力的跌落，使司機感覺不出有任何扭矩的損失。

③廢氣渦輪增壓器的調(diào)理

廢氣渦輪增壓器是通過改變進入渦輪機的廢氣質(zhì)量流量來調(diào)理，使得渦輪機的工作能力與運轉(zhuǎn)工況點的需要相匹配。所必需的渦輪機的工作能力直接取決于壓氣機的工作能力，而后者在電控單元內(nèi)部的計算模型中是由所需的壓氣機壓比和效率特性曲線場算出的。

當(dāng)廢氣渦輪增壓器必需要在最大工作能力下運轉(zhuǎn)時，通過壓力膜盒中的彈簧將廢氣放氣閥關(guān)閉，此時由發(fā)動機提供的全部廢氣質(zhì)量流量流經(jīng)渦輪。同樣，當(dāng)廢氣渦輪增壓器所需的工作能力降低時，通過電控單元中渦輪側(cè)的計算模型，借助于效率算出必需流經(jīng)渦輪的廢氣質(zhì)量流量、廢氣放氣閥的額定位置以及控制其行程的脈沖調(diào)制閥的控制信號，再由脈沖調(diào)制閥將廢氣放氣閥壓力膜盒中壓力調(diào)理到相應(yīng)壓力，從而將廢氣放氣閥調(diào)理到所希望的位置。為了控制電動的倒拖旁通空氣閥，必需對廢氣渦輪增壓器前后的壓力進行分析。與普通單級增壓發(fā)動機的壓氣機進氣側(cè)基本接近環(huán)境壓力不同，這種TSI汽油機在機械增壓器運轉(zhuǎn)工作期間，廢氣渦輪增壓器較晚達到喘振極限，現(xiàn)已通過修改迄今為止批量生產(chǎn)所應(yīng)用的軟件功能將這種新的要求考慮進去。

（2）降低排放措施及其排放等級

由于采用了鑄鋼排氣歧管和為這個目的而專門開發(fā)的催化器涂層，這種TSl汽油機能長期在廢氣渦輪增壓器前高達1050℃的廢氣溫度下持續(xù)運轉(zhuǎn)，這樣高爾夫轎車就能選用第6擋速比并應(yīng)用過量空氣系數(shù)λ=1的混合汽以高達200km/h的車速行駛。因此，這種TSl汽油機在高負荷工況下也能采用以化學(xué)計量比混合汽運行的穩(wěn)定耐用的燃燒過程，這樣既無需為了降低零部件溫度而加濃混合汽，達到了節(jié)能減排目的，而且又可采用簡單的兩點躍變式氧傳感器作為前置催化器的氧傳感器。

宛如群眾公司自