大眾奧迪EA888系列1.8L增壓燃油分層直噴式汽油機(jī)詳解(四)

◆文/江蘇 范明強(qiáng)

(接上期)

7.燃燒過程

第三代1.8L-TFSI汽油機(jī)已對(duì)增壓分層噴射TFSI燃燒過程再次進(jìn)行了多方面的改進(jìn)，因此在平均有效壓力提高到22bar(1bar=105Pa)的同時(shí)，增強(qiáng)了抗爆燃和防止提前著火的能力，進(jìn)一步提高了運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，而且由于汽缸蓋具備整體式廢氣冷卻功能，即使在邊界條件發(fā)生改變的情況下，因具有良好的殘余廢氣性能和過量空氣系數(shù)值而仍能使這種燃燒穩(wěn)定性達(dá)到最佳。

在量產(chǎn)機(jī)型上，這種具備整體式廢氣冷卻功能的汽缸蓋有可能使燃燒過程中U05-U50(指燃油燃燒質(zhì)量達(dá)到5%～50%份額)的能量轉(zhuǎn)化時(shí)間延長(zhǎng)1°～2°曲軸轉(zhuǎn)角，因而在轉(zhuǎn)速低于3000r/min時(shí)會(huì)使燃燒穩(wěn)定性變差，但是通過重新設(shè)計(jì)進(jìn)氣道(提高滾流強(qiáng)度)，不僅這種狀況完全能夠得到補(bǔ)償，而且還能拓寬較高轉(zhuǎn)速時(shí)的節(jié)油潛力。同時(shí)，在滾流板尚未起作用時(shí)進(jìn)氣道產(chǎn)生的充量運(yùn)動(dòng)也增強(qiáng)了，這對(duì)于催化轉(zhuǎn)化器的加熱是十分有利的，而并沒有因進(jìn)氣道幾何形狀方面的優(yōu)化而發(fā)生變化。此外，經(jīng)過優(yōu)化，高壓噴油器的安裝位置稍微縮進(jìn)了一些，使得混合汽的均質(zhì)化得到了進(jìn)一步的改善，同時(shí)作為噴油器位置優(yōu)化的附帶效果，還減輕了噴油器的熱負(fù)荷。

為了能獲得必要的功率提升以明顯改善自行加速性和優(yōu)化全負(fù)荷性能，這種最新一代汽油機(jī)繼承了從2.0L-TFSI機(jī)型就為人們所熟悉的奧迪排氣凸輪軸兩級(jí)氣門升程轉(zhuǎn)換(Audi valvelif)系統(tǒng)，并首次與排氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)器組合應(yīng)用，從而能夠在換氣控制方面獲得最大的自由度，排氣凸輪軸在上止點(diǎn)后-24°～6°關(guān)閉排氣門的范圍內(nèi)，能以180°/195°曲軸轉(zhuǎn)角的排氣門控制時(shí)間來適應(yīng)1.8L-TFSI汽油機(jī)在全負(fù)荷和部分負(fù)荷范圍內(nèi)不同的換氣需求，從而一方面能成功地將卓越的加速性與低的全負(fù)荷燃油消耗(小于250g/kWh)結(jié)合起來，另一方面又能充分利用燃燒過程在部分負(fù)荷時(shí)良好的殘余廢氣兼容性來降低燃油消耗(圖33)。

正如前面所介紹的那樣，由于汽缸蓋具備整體式廢氣冷卻功能，在接近全負(fù)荷的寬廣范圍內(nèi)能夠以化學(xué)計(jì)量比混合汽燃燒運(yùn)行，特性曲線場(chǎng)中的最低燃油消耗低于230g/kWh，然而更重要的是，非常寬廣的特性曲線場(chǎng)范圍具有低于250g/kWh的燃油消耗值(圖34)，這就保證了即使在動(dòng)態(tài)行駛情況下，在用戶實(shí)際使用的運(yùn)行范圍內(nèi)仍具有非常好的燃油消耗。

8.廢氣渦輪增壓器

增壓系統(tǒng)采用了一種全新開發(fā)的單渦道廢氣渦輪增壓器(圖35)，其開發(fā)目標(biāo)是低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的高扭矩與最大的功率提升和高的動(dòng)態(tài)性能相結(jié)合。這種增壓器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是IHI公司的RHF4型增壓器尺寸，其中在轉(zhuǎn)子、渦道、殼體以及所有的流動(dòng)導(dǎo)向零部件等方面都已進(jìn)行了各種不同的優(yōu)化。這種廢氣渦輪增壓器由以下部件組成：①電動(dòng)廢氣放氣閥調(diào)節(jié)器；②渦輪前氧傳感器；③緊湊的鑄鋼渦輪殼體，并在與汽缸蓋連接的法蘭處具有雙流道進(jìn)口；④壓氣機(jī)殼體帶有整體式脈沖噪聲阻尼器和電動(dòng)倒拖旁通空氣閥；⑤鎳鉻耐熱合金渦輪葉輪，可承受980℃廢氣溫度；⑥軸承殼體具有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)油和冷卻水接口；⑦銑削壓氣機(jī)葉輪。

渦輪殼體由牌號(hào)1.4837的鑄鋼材料制成，能承受980℃的廢氣溫度，這就確保了能可靠地滿足有關(guān)使用壽命方面的功能要求，并且這種材料能夠在渦輪殼體上配置渦輪前氧傳感器。借助于一直延伸到渦輪前不遠(yuǎn)處的雙流道導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)了將排氣盡可能好地按點(diǎn)火次序分開流動(dòng)并過渡到單渦道。因采用了整體式廢氣冷卻方案，渦輪殼體的總質(zhì)量也就是含鎳的高級(jí)合金材料的使用量能節(jié)省大約40%。由于渦輪殼體的結(jié)構(gòu)型式較緊湊，采用螺栓和螺母的標(biāo)準(zhǔn)緊固方式固定在汽缸蓋上就已足夠了。渦輪葉輪首次采用713C鎳鉻耐熱合金(鎳基合金)代替牌號(hào)MAR的材料，為此曾專門對(duì)渦輪葉輪的蠕變性能進(jìn)行前期試驗(yàn)。

壓氣機(jī)殼體是鋁合金硬模鑄造而成的，集成了脈沖噪聲阻尼器、電動(dòng)倒拖旁通空氣閥以及曲軸箱通風(fēng)和燃油箱通風(fēng)氣體的引入接口。為了能明顯地提高電動(dòng)廢氣放氣閥調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)力，壓氣機(jī)殼體已在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化。壓氣機(jī)葉輪是用整塊材料銑削而成的，這就帶來了諸如較高的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性和良好的降噪效果等方面的優(yōu)點(diǎn)。

新設(shè)計(jì)的電動(dòng)廢氣放氣閥調(diào)節(jié)器比目前使用的氣動(dòng)膜盒調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)起來更為迅速和精確，而且能夠與產(chǎn)生的增壓壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種實(shí)時(shí)主動(dòng)調(diào)節(jié)的主要優(yōu)點(diǎn)是：①因電動(dòng)廢氣放氣閥調(diào)節(jié)器具有較高的密封力，因此能產(chǎn)生高達(dá)320N·m的最大扭矩；②在1400r/min的低轉(zhuǎn)速下就能達(dá)到最大扭矩；③因廢氣放氣閥能在部分負(fù)荷時(shí)主動(dòng)打開，從而能降低基礎(chǔ)增壓壓力，降低燃油消耗，在機(jī)動(dòng)車排放組合行駛循環(huán)(MVEG)中能降低CO2排放大約1.2g/km；④由于能在催化轉(zhuǎn)化器加熱期間主動(dòng)打開廢氣放氣閥，可使催化轉(zhuǎn)化器前的廢氣溫度提高10℃，從而使得冷啟動(dòng)時(shí)的廢氣排放較低；⑤由于電動(dòng)廢氣放氣閥調(diào)節(jié)器具有較高的調(diào)節(jié)速度，在負(fù)荷降低時(shí)能立即減小增壓壓力，這特別是對(duì)廢氣渦輪增壓器的聲學(xué)特性(放氣噓叫聲、呼嚕聲)產(chǎn)生有利的影響。同樣，由于動(dòng)態(tài)增壓壓力建立較快，在負(fù)荷增加時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性也得到了改善。

奧迪公司首次將氧傳感器設(shè)置在渦輪增壓器渦輪前，這可使其露點(diǎn)結(jié)束得較早，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后能較早地開始進(jìn)氣量調(diào)節(jié)以及良好的單缸識(shí)別。在確定氧傳感器位置時(shí)，特別注意到良好的流動(dòng)狀況和盡可能低的溫度負(fù)荷。

9.行駛功率和燃油消耗

在設(shè)計(jì)廢氣渦輪增壓器、燃燒過程和換氣時(shí)采取了多種多樣的優(yōu)化措施，最終都被反映到穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)全負(fù)荷性能上。這種最新一代1.8L-TFSI汽油機(jī)在1400r/min時(shí)就已達(dá)到320N·m最大扭矩，并且在3800～6200r/min之間提供了125kW的最大功率平臺(tái)(圖36左)。未來還能進(jìn)一步提升功率。此外，與第二代機(jī)型相比，即使明顯提高了平均有效壓力，并且最大功率也較高，但是達(dá)到最大扭矩的時(shí)間再次縮短了(圖36右)，從而確保了在行駛功率不受限制情況下的自行加速性。

奧迪公司為了評(píng)價(jià)一輛汽車的行駛功率和行駛動(dòng)力性能，引入了稱之為“性能感覺指數(shù)”(PFI=Performanc Feel Index)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，用來衡量汽車加速性的好壞，并經(jīng)常與燃油消耗結(jié)合起來應(yīng)用。與第二代1.8L-TFSI汽油機(jī)(118kW/250N·m)相比，第三代1.8L-TFSI汽油機(jī)(125kW/320N·m)即使為了優(yōu)化燃油消耗而加大了變速器速比，但是還是明顯改善了行駛功率。圖37形象地示出了在明顯降低燃油消耗(-22%)的同時(shí)加速性的改善情況(+12%)。即使與裝有Audi valvelif系統(tǒng)的第二代2.0L-TFSI汽油機(jī)(132kW/320N·m)相比，在行駛動(dòng)力性能相同的情況下依然獲得了14%的節(jié)油效果。

通過采取降低轉(zhuǎn)速、降低摩擦和熱管理等方面的措施以及多種多樣的熱力學(xué)優(yōu)化，并與汽車其他方面的改進(jìn)相結(jié)合，搭載最新的第三代1.8L-TFSI汽油機(jī)的新型奧迪A4轎車的機(jī)動(dòng)車排放組合行駛循環(huán)(MVEG)燃油消耗明顯降低。特別是排氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)器與排氣側(cè)Audi valvelif系統(tǒng)、電動(dòng)廢氣放氣閥和雙噴油系統(tǒng)相結(jié)合，改善了部分負(fù)荷的效率，并對(duì)達(dá)到節(jié)油目標(biāo)做出了貢獻(xiàn)。

10.廢氣排放

為了滿足歐Ⅵ排放限值的要求，已優(yōu)化了汽油機(jī)原始排放的水平。為此，已將噴油壓力從150bar提高到200bar，優(yōu)化了高壓噴油器的安裝位置改善混合汽形成，并將廢氣管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得表面積最小。此外，氧傳感器安裝在增壓器渦輪前，使得在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)氧傳感器能快速起燃，并能動(dòng)態(tài)采集過量空氣系數(shù)。

除此之外，廢氣后處理裝置已經(jīng)過優(yōu)化，采用了新型的整塊式薄壁陶瓷載體，并采用了新開發(fā)的JM835貴金屬涂層。通過這種薄壁基質(zhì)載體明顯降低了廢氣背壓，同時(shí)縮短了廢氣后處理裝置的起燃時(shí)間。在部分負(fù)荷時(shí)，可通過打開電動(dòng)廢氣放氣閥，使廢氣繞過渦輪，這樣就能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)為催化轉(zhuǎn)化器的加熱提供最多的廢氣熱量盡快升溫。

在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，采取在壓縮行程期間3次缸內(nèi)直接噴射，而在暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)階段，則在適度推遲點(diǎn)火的同時(shí)實(shí)施在進(jìn)氣行程和壓縮行程的兩次噴射。通過應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DoE)方法對(duì)噴油參數(shù)、點(diǎn)火參數(shù)和凸輪軸參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，能夠?qū)ふ业揭环N加權(quán)平均折中，使得氣態(tài)排放低且顆粒數(shù)最少，而發(fā)動(dòng)機(jī)又具有非常良好的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。在暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后緊接著使用MPI噴油系統(tǒng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于非爆燃區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)且又能獲得最佳的部分負(fù)荷效率。除了前面已提及的熱管理之外，眾所周知的啟動(dòng)-停車系統(tǒng)和制動(dòng)能量回收措施也能附加降低CO2排放，從而確保發(fā)動(dòng)機(jī)排放能可靠地低于歐Ⅵ排放限值。

綜上所述，奧迪公司最新推出的新型1.8L-TFSI汽油機(jī)已使卓有成效的EA888汽油機(jī)系列的第3代機(jī)型成為“全球發(fā)動(dòng)機(jī)”。這里所介紹的第三代1.8L-TFSI汽油機(jī)為開發(fā)出更多的機(jī)型以及更進(jìn)一步提升功率和扭矩奠定了基礎(chǔ)。這種汽油機(jī)通過持續(xù)不斷的改進(jìn)，在已經(jīng)非常優(yōu)秀的EA888汽油機(jī)系列第二代機(jī)型的基礎(chǔ)上再次取得了顯著的進(jìn)步，從而確立了在競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)先地位，因此最新一代1.8L-TFSI汽油機(jī)是奧迪公司實(shí)施發(fā)動(dòng)機(jī)小型化和降低轉(zhuǎn)速策略中的又一個(gè)里程碑。EA888汽油機(jī)系列的所有性能之所以能獲得如此顯著的改善，是應(yīng)用了以下技術(shù)措施：①持續(xù)不斷地降低摩擦功率，并在所有功能部件中應(yīng)用輕量化結(jié)構(gòu)；②汽缸蓋集成了整體式廢氣冷卻功能；③排氣側(cè)Audi valvelif系統(tǒng)與進(jìn)排氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)器組合應(yīng)用；④創(chuàng)新的熱管理及其全電子控制冷卻液調(diào)節(jié)；⑤200bar高壓噴射FSI與MPI組合的雙噴油系統(tǒng)；⑥新開發(fā)的緊湊型渦輪增壓器模塊，采用鑄鋼渦輪殼體、電動(dòng)廢氣放氣閥和渦輪前氧傳感器。

第三代機(jī)型具有最好的裝備，能滿足在全世界所有市場(chǎng)上應(yīng)用的高要求。為了能覆蓋大眾集團(tuán)內(nèi)盡可能多的車型，至今在中國(guó)、墨西哥、匈牙利三個(gè)國(guó)家生產(chǎn)EA888系列汽油機(jī)。這種第三代機(jī)型已于2011年在匈牙利Gy r的奧迪發(fā)動(dòng)機(jī)廠投產(chǎn)，繼而將在墨西哥和中國(guó)開始生產(chǎn)，而Gyr發(fā)動(dòng)機(jī)廠是世界上最大的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠，也是EA888系列汽油機(jī)所有新投產(chǎn)廠家的主導(dǎo)工廠。(全文完)