大眾公司EA111和EA112系列1.4L燃油分層直噴式汽油機(二)

文/江蘇 范明強

(接上期)

三、1.4L-T SI廢氣渦輪與機械式復合增壓直噴式汽油機

將采用汽油直接噴射分層燃燒技術的FSI汽油機推向市場是大眾公司在降低汽油機燃油耗方面所采取的重要措施，而通過發(fā)動機小型化又可以進一步挖掘其節(jié)油的潛力。在預先規(guī)定的標定功率下，減小發(fā)動機排量，能使發(fā)動機運行工況點從特性曲線場中的低負荷區(qū)移向較高的負荷區(qū)，這樣一方面由于節(jié)流大大降低而減少了換氣損失，另一方面由于發(fā)動機排量和結構尺寸減小而降低了摩擦功率損失，從而使發(fā)動機的總效率得到明顯的改善。當然，發(fā)動機排量的減小會導致扭矩特別是低轉速扭矩的降低，這對動力性能要求較高的車型而言是無法接受的，但是能夠借助于增壓來加以補償。

在汽油機上，除了廢氣渦輪增壓之外，在批量生產中也應用機械增壓。對于增壓系統(tǒng)的設計，除了要降低發(fā)動機的燃油耗之外，還應盡量考慮到用戶對駕駛動力性和舒適性的要求越來越高。因此，為了實現(xiàn)最佳目標，新型TSI汽油機設計方案組合應用了機械增壓和廢氣渦輪增壓，將廢氣渦輪增壓能獲得高的比功率與機械增壓具有的良好低轉響應特性完美地結合起來，彼此相互取長補短，達到最佳的效果。為此，2005年大眾公司又在1.4L-66kW-TSI和1.6L-85Kw-TSI自然吸氣汽油機的基礎上開發(fā)了廢氣渦輪與機械式復合增壓的1.4L-TSI直噴式汽油機。這是德國大眾公司代表當今世界轎車汽油機最新技術水平的力作，實現(xiàn)了優(yōu)異的燃油耗、卓越的行駛動力性和滿足嚴格排放標準限值要求三者完美的結合，成為大眾公司轎車汽油機發(fā)展史上新的里程碑。

這種新型1.4L廢氣渦輪-機械復合增壓分層噴射T SI(TwinchargedStratified Injection)汽油機(見圖20、圖21)，由于采用了汽油缸內直接噴射技術，因此能夠在壓縮比為10∶1的情況下，增壓壓力達到0.25 MPa(絕對壓力)，1.4L排量能發(fā)出125kW的最大功率，而最大扭矩高達240Nm扭矩，平均有效壓力高達2.17MPa，升扭矩達到172.6Nm/L，升功率達到90kW/L，其效率已成為衡量汽油機技術水平的新標桿。該機采用可接合或脫開的機械增壓器與廢氣渦輪增壓器組合的兩級增壓，這樣低轉速就能達到最大扭矩，并且扭矩特性曲線極其豐滿，最大扭矩的轉速范圍(1750～4500r/min)十分寬廣(見圖22和表2)。該機型首先搭載于大眾高爾夫GT轎車，其MVEG(機動車排放組合循環(huán))行駛循環(huán)燃油耗只有7.2 L/100km，這在125kW功率等級的轎車中是獨一無二的(見圖23)。其所達到的低燃油耗、駕駛樂趣和行駛舒適性令人矚目，也因此榮獲多項殊榮，如Paul Pietsch獎、2006年1.0～1.4L級最新發(fā)動機獎和2005年大眾科學最佳新產品獎。

表2 1.4L-TSI廢氣渦輪與機械式復合增壓直噴式汽油機的技術數(shù)據(jù)

2006年一季度，大眾公司在上述1.4L-TSI廢氣渦輪與機械式復合增壓機型基礎上，推出了專為燃用辛烷值95的汽油而設計的1.4L-103kW-TSI變型機。首先搭載于Touran轎車，緊接著又于2006年推出了更多的A級車型，隨后還推出帶有直接擋變速箱的車型。

1.結構簡介

該機型的零部件以高爾夫Ⅴ型轎車所用的自然吸氣1.4L-FSI直噴式汽油機為基礎，盡可能采用積木式模塊化結構，并通用基礎發(fā)動機的許多零部件。其結構開發(fā)的重點在于設計新的汽缸體曲軸箱、集成電磁離合器水泵和廢氣渦輪-機械復合增壓裝置，同時針對發(fā)動機升功率的大幅提高采取一系列相應的強化措施。

(1)片墨鑄鐵汽缸體曲軸箱

雖然與自然吸氣1.4L-FSI機型一樣采用了頂面敞開式的深裙型機體(見圖24)，但為了確保在2.17MPa的平均有效壓力下能可靠地工作，其材料改用了片墨鑄鐵(GJL)，平均壁厚為3±0.5mm，只在局部范圍內根據(jù)應力大小適當加大壁厚，其重量只有29kg(不含主軸承蓋)，在該功率等級汽油機中是非常輕的。為了降低制造成本，這種薄壁機體采用臥式澆注工藝進行鑄造。

在采用頂面敞開式結構的同時，汽缸蓋和汽缸體曲軸箱還采用了分開循環(huán)的雙回路冷卻，能夠可靠地解決曲軸箱通風和冷卻水中夾雜空氣泡的問題。

在汽缸蓋用螺栓擰緊的情況下，壓緊力通過汽缸蓋螺栓傳入汽缸體曲軸箱，由此引起汽缸的變形，使之偏離理想的圓度，限制了與活塞環(huán)的貼合程度而導致較高的機油消耗量。頂面封閉式汽缸體曲軸箱汽缸的變形(花瓣形)如圖25所示，而圖26所示的則是頂面敞開式汽缸體曲軸箱汽缸的變形情況，無論是失圓度還是總的絕對變形量，頂面敞開式的汽缸體曲軸箱汽缸都要小得多。

(2)鋼曲軸

為了降低整機噪聲，1.4 L-T SI復合增壓直噴式汽油機采用了鋼曲軸，與1.4L-66kW-FSI機型的鑄鐵曲軸相比，這種鋼曲軸更不易彎曲變形。其主要原因在于鋼具有較高的彈性模數(shù)，起到了強化作用，強度提高了23%，明顯改善了發(fā)動機的聲學特性。圖27示出了4000r/min時鑄鐵曲軸和鋼曲軸的聲壓實驗測量結果的對比，鋼曲軸的次諧波明顯降低了，從人們的聽覺上證實了噪聲得到了改善。

(3)輕型活塞

由于應用了現(xiàn)代先進的計算方法和開發(fā)手段，鑄鋁活塞被成功地應用于升功率為90kW/L(單位活塞頂面積功率為2.72kW/cm3)的增壓發(fā)動機上，具有很大的成本優(yōu)勢，成為活塞發(fā)展新的衡量標準。活塞頂燃燒室是經過加工成形的，并具有清晰的流動導向邊棱(見圖28)，這種輕型活塞的重量只有238g。

為了降低燃油耗，活塞組也進行了優(yōu)化，為此采用以下措施來減少其摩擦：

①表面涂層減少摩擦；

②活塞滑動間隙為55μm；

③第一和第二道活塞環(huán)和油環(huán)高度分別為1.2m m、1.5m m和2.0m m，并具有較小的切向力；

④活塞火力岸高度為5.8mm。

由于活塞火力岸高度僅為5.8mm，因此只要第一道環(huán)槽的溫度盡可能低，就能達到HC排放最低的目標。第一道環(huán)槽表面進行陽極硬化處理，以提高抗粘連能力，而第一道環(huán)則進行氮化處理。

為了適應12MPa的爆發(fā)壓力，活塞銷的直徑加大到19mm，而與之相比在自然吸氣的1.4L-FSI機型上(爆發(fā)壓力8.5MPa)只需17mm就足夠了。

活塞銷孔也進行了優(yōu)化，采用成型加工，以提高其在有撓曲情況下的承載能力。其潤滑油的供應則由連桿大頭軸承經過連桿體中的長油道來保證。

為了確保活塞在所有的運轉條件下都能保持足夠低的溫度，采用擰在機油主油道上的噴嘴向活塞熱的排氣側噴射機油冷卻，同時活塞銷座也得到了冷卻。

(4)配氣正時傳動和機油泵傳動

隨著發(fā)動機負荷的提高，TSI汽油機凸輪軸傳動齒形鏈條的銷釘經硬化處理，并配用高強度鏈板，與增大的鏈條力相匹配。

與1.4L-66kW和1.6L-85kW的FSI汽油機相比，TSI汽油機因采用活塞噴機油冷卻和渦輪增壓器的需要，機油流量增大，雖仍采用自然吸氣1.4L-FSI機型的機油泵，但已通過改變其傳動比來滿足機油流量增大的需求。為了降低噪聲，機油泵采用8mm節(jié)距的齒形鏈條傳動，并用一個螺旋扭力彈簧漲緊器來漲緊。

(5)高壓燃油泵傳動

TSI機型仍通用自然吸氣1.4L-FSI機型的高壓燃油泵，通過改進油泵凸輪型線以及凸輪最大升程由5m m加大到5.7m m，以加大供油量，并使共軌壓力從12MPa提高到15MPa。這將導致油泵挺柱與凸輪之間的接觸應力增大，因而采用滾輪挺柱以確保該摩擦副的耐久性(見圖29)，而高壓燃油泵的驅動扭矩也可降低一半(見圖30)。同時，泵油壓力提高后必須將壓鑄鋁合金的泵體改為模鍛鋁合金泵體，可使承載能力提高大約一倍。

(6)有效的低成本曲軸箱通風

機油分離的設計對曲軸箱通風有著重大的影響。該機優(yōu)化的機油分離器設計方案在機油循環(huán)(最大流量可達140L/min)和機油分離(＜1.0g/h)方面獲得了良好的結果。以很小的壓力損失達到了最佳的機油分離效果，機油通過一根虹吸管連續(xù)地回流，完全可以與采用另外附加精細機油分離器系統(tǒng)的效果相媲美，因此在其后續(xù)管路中很少有機油沉淀(見圖31)。

該機的曲軸箱通風系統(tǒng)在機械增壓器前和進氣總管上各有一個入口(見圖32)，而在通往進氣總管管路上的節(jié)流孔則可在進氣總管真空度高時限制曲軸箱通風的流量，因此可以省掉昂貴的壓力調節(jié)閥。

曲軸箱通風的控制功能組合在曲軸箱通風閥模塊中，該閥模塊可以根據(jù)增壓狀況關閉曲軸箱通風管路，同時由通往機械增壓器前入口的止回閥脈動的開閉精確地確定泄流量，以保證曲軸箱中的真空度。這樣的流動控制和較大的流通截面使得曲軸箱通風部件中具有較小的壓差。

將新鮮空氣引入發(fā)動機是這種曲軸箱通風系統(tǒng)的另一個特點。通過采用以上這些措施，達到了清掃發(fā)動機從而清除各種冷凝物的目的。)

(7)雙級節(jié)溫器冷卻液調節(jié)裝置

該發(fā)動機采用了雙回路冷卻循環(huán)，這種方法在同一結構系列的自然吸氣FSI機型上的應用已被證實是可靠的，而且將廢氣渦輪增壓器的冷卻也一并包括在內，并備有一個后續(xù)冷卻水泵，負責在發(fā)動機停機后繼續(xù)冷卻廢氣渦輪增壓器。

選擇與冷卻水泵合適的泵水量，確保在怠速運轉時具有足夠的暖機能力，而在額定轉速時按需調節(jié)泵水量，使冷卻管路中具有較高的系統(tǒng)壓力。為了確保能夠根據(jù)溫度來開啟節(jié)溫器，調節(jié)冷卻水的進入溫度，采用了一個兩級節(jié)溫器(見圖33)。由于第一級的閥盤直徑較小，因此能確保正確的開啟溫度。當其繼續(xù)打開時，將帶動較大直徑的閥盤一起開啟。而當節(jié)溫器關閉時，由于隨著行程的變化流通截面分擋非常明顯，從而能實現(xiàn)正確的關閉功能，有效地防止了在冷卻循環(huán)中出現(xiàn)高的壓力峰值。

(8)帶有電磁離合器的冷卻水泵

這種型式的冷卻水泵除了供應冷卻水之外，還集成了機械增壓器傳動接合/脫開的功能。

在這種分層直噴式汽油機系列中，首次應用VR密封裝置(雙唇皮碗密封圈)(見圖34)替代眾所周知的滑動環(huán)密封裝置。這種VR密封圈的工作原理相當于一種無彈簧徑向密封裝置，通過一定的支承體由橡膠彈性膜體產生預緊力。其最主要的特點是在耐冷卻介質的刮油唇和緊隨其后的密封唇之間設置了一個潤滑脂儲存腔，兩個密封唇口與緊套在水泵軸上的淬硬不銹鋼軸套相接觸運轉。

冷卻水泵由輔助設備傳動的第一級皮帶傳動，而機械增壓器由冷卻水泵經其第二級皮帶傳動，并通過冷卻水泵軸上的一個電磁離合器來接合，這是一種雙安培匝數(shù)的干式電磁離合器，其中長壽命的摩擦片集成在傳動皮帶輪上(見圖35)。當電磁線圈通電時，磁通經過冷卻水泵軸上的傳動皮帶輪到達銜鐵(摩擦片)。電磁線圈吸收的最大功率為35kW，由于采用了雙安培匝數(shù)，使得結構緊湊的離合器能夠傳遞目前所必需的60Nm扭矩。磁通兩次從轉子到達銜鐵，銜鐵能在軸上移動，并與冷卻水泵傳動皮帶輪一起旋轉。當切斷流經電磁線圈的電流后，板簧將銜鐵復位，這種離合器由于磨損小且壽命長而幾乎無須維修。

(9)兩級多V形筋皮帶輔助設備傳動

該機型輔助設備傳動的重要特點是采用兩級多V形筋皮帶傳動(見圖36)，從而實現(xiàn)可接合/脫開的機械增壓器的傳動。它的轉速是曲軸轉速的4.95倍，由第一級6-V形筋皮帶傳動發(fā)電機、水泵和空調壓縮機，再由冷卻水泵經第二級5-V形筋皮帶傳動機械增壓器，在冷卻水泵的傳動皮帶輪上集成了上述電磁離合器。這兩級皮帶傳動因采用了持續(xù)漲緊的皮帶漲緊器而免維護。

在接近怠速運轉轉速全負荷工況下，皮帶傳動處于臨界狀態(tài)。在此運轉工況范圍內，由于雙質量飛輪和機械增壓器的接入而導致非常高的負荷，轉速850r/min時，曲軸產生的扭轉角可高達7°。

借助模擬傳動設計程序對皮帶傳動進行模擬計算，并對所形成的傳動方案進行評價，結果得到一種帶有兩個皮帶漲緊裝置的皮帶傳動裝置，其功能隨后用試驗方法復核后得到了確認(見圖37)。第一個皮帶漲緊輪布置在水泵和曲軸之間，并通過雙阻尼裝置來減少整個皮帶傳動系統(tǒng)的抖動，而第二個皮帶漲緊輪布置在水泵和發(fā)電機之間，它具有高阻尼效果，并能進一步消除機械增壓器轉子慣性的影響。

(10)帶有真空罐的罩蓋設計

在廢氣渦輪增壓器和發(fā)動機之間有一個罩蓋，帶有一個整體式真空罐(參見圖20、21)，其容積為1000cm3，真空度用于操縱充量滾流運動控制閥，與發(fā)動機的負荷狀況無關。

(11) 機械式增壓器

該機的特點是采用雙重復合增壓系統(tǒng)，除了廢氣渦輪增壓器之外，還有機械式增壓器(見圖38)及其用調節(jié)閥調節(jié)的旁通空氣回路。機械增壓器是一臺機械式羅茨壓氣泵，根據(jù)脈譜圖由冷卻水泵上的電磁離合器來接合/脫開，并只在低于3500r/min的發(fā)動機轉速工況才運轉工作。這種機械增壓器的特點是具有內部變速傳動機構，串聯(lián)在一對同步齒輪前。與傳統(tǒng)結構型相比，這種內部變速傳動機構在保持機械增壓器結構緊湊的同時，能夠確保更迅速地提升發(fā)動機啟動和低轉速范圍內的扭矩。通過發(fā)動機輔助設備皮帶傳動和內部變速傳動機構，機械增壓器對曲軸的總傳動比可達到iges=0.20。

在機械增壓器運轉工作時，增壓壓力通過旁通空氣回路中的電控調節(jié)閥調節(jié)，其能夠在機械增壓器單級增壓和廢氣渦輪單級增壓之間無級變換。

機械增壓器及其壓力側消聲器一起用螺栓直接固定在汽缸體曲軸箱上。機械增壓器薄壁殼體外表面布置了許多加強筋，具有非常好的剛度，能夠確保壁面與轉子之間的間隙最小，不會受到螺栓與殼體連接部件誤差狀況的影響。除此之外，吸氣側消聲器和多V形筋皮帶傳動的皮帶漲緊輪也都用螺栓固定在機械增壓器殼體上。

聲學設計是機械增壓器裝置開發(fā)中一項重要的任務。機械增壓器安裝在TSI汽油機朝向乘客車廂的一側，因此從機械增壓器內傳出的殘余噪聲乘客能直接聽到。在TSI汽油機上，機械增壓器的機械噪聲源、空氣脈動及其殘余脈動噪聲的傳遞都降低到最低程度。因此，采取下列措施來優(yōu)化機械增壓器的聲學特性。

①優(yōu)化嚙合參數(shù)，如齒形鼓形度、嚙合角和螺旋齒側隙；

② 提高機械增壓器內軸的剛度；

③ 有針對性地布置機械增壓器殼體上的加強筋。

同時采取下列措施優(yōu)化機械增壓器，以降低空氣脈動激勵噪聲。

① 優(yōu)化旁通口的布置及其形狀；

② 優(yōu)化進氣口和排氣口的形狀。

為了進一步降低機械增壓器的噪聲，在其吸氣側和壓氣側都安裝了寬帶消聲器(見圖39)。吸氣側消聲器由玻璃纖維加強尼龍制成，直接用其連接法蘭安裝在機械增壓器上。它是通過摩擦熱壓焊接而成的簿壁結構件，由九個按亥姆霍茲(Hemhotz)原理串聯(lián)而成的諧振阻尼腔組成，總容積為840cm3，達到了寬頻率范圍空氣脈動阻尼效果。壓氣側消聲器采用與吸氣側消聲器相同的材料制成，并安裝在機械增壓器與汽缸體曲軸箱之間的出氣口處。雖然該處的空間較小，但采用幾部分由摩擦熱壓焊接而成的簿壁結構件布置了一個有效的消聲器，其上面的壓力輸氣管采用插接式方案便于裝配。壓氣側消聲器同樣也按照亥姆霍茲(Hemhotz)原理工作的，并由類似的九個腔組成，總的諧振阻尼容積為850cm3，可達到30dB的消聲效果。為了進一步減少噪聲輻射，將機械增壓器和消聲器都用護罩罩起來，并且護罩內壁襯有吸音泡沫材料，這種泡沫材料能夠提高消聲效果，還有四周無縫隙的密封效果。

圖40示出了發(fā)動機在2000～2500r/min轉速范圍內機械增壓器工作時的噪聲輻射。在無降噪措施的情況下，在噪聲測試臺上測試發(fā)動機輸出功率情況下的噪聲，結果表明機械增壓器噪聲階次中可聽到音頻部分占優(yōu)勢，也就是說在車廂內可聽到噪聲。通過采取上述各種降噪措施，無論是可聽到的音頻部分還是機械增壓器裝置總的噪聲輻射都能夠有效地被衰減和抑制。

(12)廢氣渦輪增壓器及其隔熱板

TSI汽油機的第二個增壓裝置是廢氣渦輪增壓器(見圖41)，帶有廢氣放氣閥調節(jié)功能，并具有下列結構參數(shù)：① 軸頸橫截面2.8cm3；② 渦輪葉輪直徑45mm；③ 壓氣機葉輪直徑51 m m。將渦輪殼與排氣歧管集成為整體式結構件，電動倒拖旁與空氣閥連接的法蘭與壓氣機殼鑄成一體。

為了使用戶能夠最大限度充分利用TSI運行的節(jié)油潛力，該廢氣渦輪增壓器完全放棄了為降低零部件溫度而加濃混合汽的方法，因此其必須在排氣溫度高達1050℃的情況下仍能保障所有工作能力。為此，對廢氣渦輪增壓器采取了以下適應性措施。

渦輪殼采用類似1.4848的耐高溫鑄鋼鑄成，并在開發(fā)過程中借助熱應力計算進行防熱裂優(yōu)化設計。長期的連續(xù)運轉已證實這樣的優(yōu)化設計方案是安全可靠的。

渦輪采用MAR246耐高溫鎳基合金制成。為了提高效率和中間軸承殼體的隔熱效果，渦輪背部采用封閉式結構，同時為保證零件的可靠性，中間軸采用X45CrSi9.3合金鋼。中間軸與渦輪之間采用電弧焊接工藝連接，中間軸直徑較粗，不僅具有較小的熱節(jié)流，而且能確保足夠的連接強度。

調節(jié)廢氣放氣閥的閥盤杠桿由INCO713C鎳基合金鋼制成，能夠達到所期望的高溫耐久性。為了改善冷卻效果，中間軸承殼體采用水冷卻，并且冷卻水腔具有較大的橫截面，同時靠近密封環(huán)座。渦輪殼與中間軸承殼體之間的隔熱裝置可防止軸承裝置過熱和結焦。高達1050℃的廢氣溫度對渦輪增壓器外圍設備有著巨大的影響，為此專門開發(fā)了一種三層隔熱板(參見圖20)，除了其中間層能隔熱外，通過減少其自身的振動也能有效地降低噪聲，并通過汽車試驗優(yōu)化隔熱板的幾何形狀，提高輻射屏蔽并阻止熱空氣流動。

(13)進氣空氣管路

進氣管是用PA6 GF30玻璃纖維(含量30%)加強尼龍做成的雙聯(lián)注塑件，其底部是滾流閥-燃油共軌模塊，有由滾流閥操縱的空氣通道和高壓燃油共軌通道，其基本方案與1.6L/85kW的FSI汽油機相同(參見圖13)。而燃油高壓傳感器和限壓閥是專門為這種共軌燃油壓力提高到15MPa的TSI汽油機而開發(fā)的，并且由于增壓后充氣量增大而加大了滾流閥。

為了在所有進氣管道中都能讓空氣獲得均勻穩(wěn)定的流動，空氣管路經過循環(huán)空氣流動計算后設計成了三角形的空氣管路布置型式(見圖42)。為了減少噪聲輻射，靈活設計空氣管路布置型式，管路連接安全可靠并便于裝配，這些連接管都采用PA6 GF30玻璃纖維加強尼龍注塑件。

由于對廢氣渦輪增壓器前壓力管的接合和密封的要求很高，因此必須考慮整機空氣管路、廢氣渦輪增壓器、進氣管和汽缸蓋的公差及其零件的熱膨脹，采用一種半圓形連接夾箍作為解決方案，其能夠用螺釘固定在許多位置上，對角度和長度誤差都不敏感。(未完待續(xù))