群眾公司EA111和EA112系列14,L燃油分層直噴式汽油機(jī)（三）

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編者按：節(jié)能減排是現(xiàn)代乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的永恒主題和不懈追求的目標(biāo)。12年來(lái)，群眾公司在EA111系列1.4L汽油機(jī)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，運(yùn)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(jī)型和1.4L-TsI廢氣渦輪與機(jī)械式復(fù)合增壓機(jī)型。2023年，又應(yīng)用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)部件實(shí)現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)型式，開發(fā)出新一代EA211汽油機(jī)系列1.4L-TSI渦輪增壓直噴式汽油機(jī)，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(shí)的資料系統(tǒng)地介紹了群眾公司1.4L汽油機(jī)全系列各機(jī)型的結(jié)構(gòu)和性能，旨在使讀者了解世界著名跨國(guó)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(jī)系列機(jī)型的蛻變過程，作為相關(guān)乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)

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(dòng)機(jī)獲得高比功率，而機(jī)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(jī)械增壓作為輔助，則能將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，彼此相互取長(zhǎng)補(bǔ)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(jī)械增壓器能夠接合和脫開，在冷卻水泵模塊中集成了一個(gè)電磁離合器，機(jī)械增壓器由曲軸通過皮帶傳動(dòng)。在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，當(dāng)需要輔助廢氣渦輪增壓器時(shí)就接合運(yùn)轉(zhuǎn)，而在高轉(zhuǎn)速工況下，廢氣渦輪增壓器能夠獨(dú)立提供足夠的增壓壓力，因而此時(shí)空氣調(diào)理閥開啟，機(jī)械增壓器脫開并中止運(yùn)轉(zhuǎn)。

如圖44所示，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的工況下，只有在2400r/min以下的高負(fù)荷范圍內(nèi)才需要機(jī)械增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)工作。由于在此運(yùn)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(dá)到其額定增壓壓力，需要機(jī)械增壓器較長(zhǎng)時(shí)間的接入工作，但最遲當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3500r/min時(shí)就要脫開中止工作，由于此時(shí)機(jī)械增壓器在5：1速比下將達(dá)到其最高轉(zhuǎn)速18000r/min。與此同時(shí)，廢氣渦輪增壓器開始從助力運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)逐漸動(dòng)態(tài)過渡到全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并單獨(dú)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(dòng)機(jī)的排氣背壓。但是，另一方面還盡可能地使機(jī)械增壓器的接合頻率低一些，接合運(yùn)轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間短一些，以免增加其增壓運(yùn)行所消耗的傳動(dòng)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(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性曲線的連續(xù)。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)，穩(wěn)態(tài)全負(fù)荷時(shí)的最大增壓比約為2.5，此時(shí)廢氣渦輪增壓器和機(jī)械增壓器在大約一致的壓比下運(yùn)轉(zhuǎn)（見圖45）。而與之相比，無(wú)機(jī)械增壓輔助的渦輪增壓汽油機(jī)在該運(yùn)轉(zhuǎn)工況下所能達(dá)到的增壓比就要小得多。這是由于有機(jī)械增壓的輔助，其在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)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(jī)的工作能力，這樣就能盡早地開啟旁通道以減輕機(jī)械增壓器的負(fù)荷，因此機(jī)械增壓器的運(yùn)行范圍只局限于萬(wàn)有特性曲線場(chǎng)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(jì)成在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，全負(fù)荷運(yùn)行線靠近壓氣機(jī)的喘振線（見圖46），此時(shí)壓氣機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2000r/min內(nèi)時(shí)，廢氣渦輪增壓器和機(jī)械增壓器的總增壓比能使前者的壓氣機(jī)遠(yuǎn)離喘振線。單級(jí)渦輪增壓因其壓氣機(jī)運(yùn)行范圍有限而不適合力爭(zhēng)達(dá)到全負(fù)荷目標(biāo)值，但由于有了機(jī)械增壓器的輔助，所以就能設(shè)計(jì)渦輪增壓器在標(biāo)定功率時(shí)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(chǔ)存。

圖47是在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上模擬轉(zhuǎn)速升高時(shí)所測(cè)得的瞬態(tài)扭矩提升曲線，這相當(dāng)于汽車掛第3擋時(shí)的全負(fù)荷加速過程。在沒有機(jī)械增壓器輔助而只有廢氣渦輪增壓器單級(jí)增壓的狀況下，大約O.5s以后進(jìn)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(dá)到。除了增壓壓力建立滯緩以外，由于廢氣渦輪增壓器動(dòng)力學(xué)方面的原因所導(dǎo)致的扭矩提升的不連續(xù)性，會(huì)使司機(jī)感覺很擔(dān)心逸。

在與機(jī)械增壓器共同工作的狀況下，這種運(yùn)行特性基本得到了改善。一旦機(jī)械增壓器接入工作，就有助于進(jìn)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(jí)增壓時(shí)陡得多，而且這樣的提升梯度會(huì)一直保持到進(jìn)氣管中的壓力達(dá)到規(guī)定值為止，并且扭矩特性曲線的提升一直到達(dá)到目標(biāo)扭矩為止都是連續(xù)的。因此，這種增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)主觀上使人感覺好像是排量很大的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)一樣。

（2）增壓空氣冷卻設(shè)計(jì)

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(jī)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(jìn)氣溫度作為基本設(shè)計(jì)參數(shù)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在寬廣的萬(wàn)有特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)以燃油耗的最正確點(diǎn)火正時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。

由于扭矩特性曲線是從1750r/min起就能達(dá)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(shí)具有優(yōu)良的動(dòng)力性。圖48上給出了該機(jī)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(dòng)機(jī)相比，1.4L-TS汽油機(jī)在具有最正確加速性的同時(shí)，僅7.2L/100km的燃油耗也是最低的，而且與其他競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型相比，這種功率為125kW的TSi汽油機(jī)的燃油耗已成為乘用車汽油機(jī)發(fā)展的新的里程碑（見圖49）。

3.燃燒過程

1.4L-TSI汽油機(jī)缸徑為76.5mm，行程為75.6mm，具有一個(gè)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(gè)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(dá)O.25MPa也能采用10：1的壓縮比，從而獲得超群的發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)采用充量運(yùn)動(dòng)滾流閥。該閥位于進(jìn)氣道下部，工作時(shí)將進(jìn)氣道流通截面關(guān)閉50%，其產(chǎn)生的充量運(yùn)動(dòng)滾流強(qiáng)度適合于在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)萬(wàn)有特性場(chǎng)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(jìn)氣道獲得全部的流通橫截面，兩個(gè)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)成能隨轉(zhuǎn)速的升高不斷優(yōu)化滾動(dòng)而得到高的汽缸充氣量，從而實(shí)現(xiàn)125kW的目標(biāo)功率。

1.4L-TSI汽油機(jī)為了加熱催化轉(zhuǎn)化器，采用了兩次噴油策略，即在進(jìn)氣行程期間第一次較早的噴油和在點(diǎn)火上止點(diǎn)前（大約50。曲軸轉(zhuǎn)角）其次次較晚的噴油。在確保發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的運(yùn)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(diǎn)火角，對(duì)空氣運(yùn)動(dòng)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(jìn)行確切地匹配是十分重要的（見圖50）。同時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)均質(zhì)運(yùn)行時(shí)，對(duì)活塞頂燃燒室凹坑設(shè)計(jì)提出了彼此相互矛盾的要求，即為了減少全負(fù)荷時(shí)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(jì)算流體動(dòng)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行比較，這樣就能大大減少燃燒過程開發(fā)中發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的工作量。

1.4L-TSI汽油機(jī)第一次采用了具有6個(gè)噴孔的多孔式噴油器（見圖51）。與自然吸氣的FSI汽油機(jī)一樣，該噴油器布置在進(jìn)氣道與汽缸蓋密封平面之間的進(jìn)氣道一側(cè)。這種6孔高壓噴油器的單個(gè)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(jìn)氣行程早期噴油沾濕已開啟的進(jìn)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(dòng)。

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(wú)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(gè)油束。由于噴孔獨(dú)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(dòng)機(jī)冷態(tài)時(shí)的原始排放。

此外，在使用加熱催化轉(zhuǎn)化器時(shí)，應(yīng)用激光感應(yīng)熒光測(cè)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(gè)分支油束中燃油濃度較高，而在整個(gè)油束中間不斷地進(jìn)行著燃油一空氣混合汽的均質(zhì)化。對(duì)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(gè)油束良好的局部均質(zhì)化和適合的貫穿度組合，為發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)并降低原始排放提供了前提條件。

從怠速運(yùn)轉(zhuǎn)到升功率達(dá)到90kW/L的全負(fù)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最短噴油持續(xù)時(shí)間大于噴油器容許的最短噴油時(shí)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(jìn)行噴射。

為了在全負(fù)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(shí)間，因而，特別在高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，由于噴油持續(xù)時(shí)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(chǎng)，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(diǎn)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(fù)荷曲線說(shuō)明，即使在汽車高速行駛工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)仍工作在比油耗較低的運(yùn)轉(zhuǎn)工況點(diǎn)上。

4.發(fā)動(dòng)機(jī)控制

TSI汽油機(jī)的電子控制系統(tǒng)是群眾公司在自然吸氣FSI汽油機(jī)電控單元的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)而成。這種發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)采集發(fā)動(dòng)機(jī)充氣信息。同時(shí)，在雙重復(fù)合增壓汽油機(jī)上第一次應(yīng)用了相位可調(diào)理進(jìn)氣凸輪軸，并且進(jìn)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(jì)算為基礎(chǔ)以調(diào)理來(lái)作為前提條件。

（1）負(fù)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(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量換算成額定的進(jìn)氣管壓力。在自然吸氣運(yùn)轉(zhuǎn)狀況下，該額定值只由節(jié)氣門和進(jìn)氣凸輪軸相位調(diào)理器來(lái)調(diào)理，而在增壓運(yùn)轉(zhuǎn)狀況下還取決于機(jī)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(duì)于機(jī)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(dú)提供所要求的增壓壓力，假使廢氣渦輪增壓器不能單獨(dú)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(jī)械增壓器。在發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元增壓壓力計(jì)算模型中，借助質(zhì)量、流量對(duì)渦輪增壓器的冷端（壓氣機(jī)）和熱端（渦輪機(jī)）進(jìn)行效率修正計(jì)算，如考慮通過廢氣放氣閥的放氣量。同時(shí)，在使用機(jī)械增壓器空氣調(diào)理閥的狀況下，借助機(jī)械增壓器效率算出由機(jī)械增壓器提供的增壓份額，通過確切地識(shí)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(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的基本參數(shù)。

①機(jī)械增壓器離合器的控制

機(jī)械增壓器是通過與冷卻水泵組合成模塊的電磁離合器來(lái)接合或脫開的。考慮到用戶的舒適性，電磁離合器的瞬時(shí)無(wú)沖擊接合或脫開十分受重視。另外，除了考慮機(jī)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(shí)間上的確切控制，其由電控單元發(fā)出的脈沖信號(hào)寬度調(diào)理來(lái)達(dá)到。電磁離合器空氣隙大小的差異由附加的電流測(cè)量來(lái)識(shí)別，從而確定離合器接合的確切時(shí)刻。當(dāng)借助自適應(yīng)程序來(lái)考慮用于電磁離合器接合或脫開的修正量數(shù)據(jù)時(shí)，由于要確保機(jī)械增壓器的運(yùn)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(jī)械增壓器的工作能力

機(jī)械增壓器的工作能力及其增壓壓力是由空氣調(diào)理閥來(lái)調(diào)理的。當(dāng)機(jī)械增壓器工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空氣調(diào)理閥關(guān)閉，空氣濾清器后的進(jìn)氣空氣被導(dǎo)向機(jī)械增壓器。

這種TSl汽油機(jī)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(jī)械增壓器達(dá)到最大工作能力時(shí)，該空氣調(diào)理閥能夠在0.2s內(nèi)關(guān)閉。此時(shí)，必需將空氣調(diào)理閥的關(guān)閉和機(jī)械增壓器的接合在時(shí)間上確切地重合，從而在任何時(shí)刻都不會(huì)出現(xiàn)增壓壓力的跌落，使司機(jī)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(jìn)入渦輪機(jī)的廢氣質(zhì)量流量來(lái)調(diào)理，使得渦輪機(jī)的工作能力與運(yùn)轉(zhuǎn)工況點(diǎn)的需要相匹配。所必需的渦輪機(jī)的工作能力直接取決于壓氣機(jī)的工作能力，而后者在電控單元內(nèi)部的計(jì)算模型中是由所需的壓氣機(jī)壓比和效率特性曲線場(chǎng)算出的。

當(dāng)廢氣渦輪增壓器必需要在最大工作能力下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過壓力膜盒中的彈簧將廢氣放氣閥關(guān)閉，此時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，通過電控單元中渦輪側(cè)的計(jì)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(hào)，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(dòng)的倒拖旁通空氣閥，必需對(duì)廢氣渦輪增壓器前后的壓力進(jìn)行分析。與普通單級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)進(jìn)氣側(cè)基本接近環(huán)境壓力不同，這種TSI汽油機(jī)在機(jī)械增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)工作期間，廢氣渦輪增壓器較晚達(dá)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(jìn)去。

（2）降低排放措施及其排放等級(jí)

由于采用了鑄鋼排氣歧管和為這個(gè)目的而專門開發(fā)的催化器涂層，這種TSl汽油機(jī)能長(zhǎng)期在廢氣渦輪增壓器前高達(dá)1050℃的廢氣溫度下持續(xù)運(yùn)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(dá)200km/h的車速行駛。因此，這種TSl汽油機(jī)在高負(fù)荷工況下也能采用以化學(xué)計(jì)量比混合汽運(yùn)行的穩(wěn)定耐用的燃燒過程，這樣既無(wú)需為了降低零部件溫度而加濃混合汽，達(dá)到了節(jié)能減排目的，而且又可采用簡(jiǎn)單的兩點(diǎn)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