Volkswagen新型3缸1.0 L TGI雙燃料增壓發(fā)動(dòng)機(jī)

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0 前言

Volkswagen擴(kuò)展了其動(dòng)力裝置的產(chǎn)品型譜，從而完善了其動(dòng)力總成的高效化與小型化。EA211發(fā)動(dòng)機(jī)系列以其靈活性為發(fā)展壓縮天然氣(CNG)變型機(jī)提供了最佳的開發(fā)基礎(chǔ)。為了用于新型模塊化橫置式標(biāo)準(zhǔn)組合部件(MQB)A0級(jí)平臺(tái)上，已在3缸增壓分層噴射(TSI)汽油機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)了一種功率為66 kW和扭矩為160 N·m的新型1.0 L天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，并于2017年首次應(yīng)用于新型Polo TGI轎車。這種新型Polo TGI轎車的雙燃料運(yùn)行使得用戶能組合使用CNG和汽油行駛,低燃油耗(新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)CO2排放為87 g/km)和較清潔的CNG燃燒利于環(huán)保并且可降低行駛成本。如果用戶永遠(yuǎn)不使用天然氣，那么就可僅使用傳統(tǒng)汽油機(jī)的TSI模式運(yùn)行。在Volkswagen的動(dòng)力裝置策略中，當(dāng)今和未來(lái)對(duì)CNG的使用都是重要因素之一，它能與電驅(qū)動(dòng)一同實(shí)現(xiàn)降低CO2排放。

1 Volkswagen的CNG車型

自2006年起，Volkswagen就開始提供天然氣驅(qū)動(dòng)車型，近10年來(lái)Volkswagen集團(tuán)在各種不同汽車中不斷推動(dòng)該技術(shù)的應(yīng)用，并在汽車適用性方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值，因此CNG車型設(shè)計(jì)方案都以節(jié)省空間結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用在地板下布置天然氣罐的設(shè)計(jì)，同時(shí)也不會(huì)減小車廂空間。

目前市場(chǎng)上有多種Volkswagen CNG車型。例如，Volkswagen推出的eco up車型搭載了功率為50 kW的1.0 L多點(diǎn)進(jìn)氣道噴射(MPI)發(fā)動(dòng)機(jī)，其百公里的天然氣消耗量為2.9 kg，因而其燃料成本僅為3歐元/100 km[1]。在MQB-A平臺(tái)上使用了功率為81 kW，扭矩為200 N·m的1.4 L TGI發(fā)動(dòng)機(jī)，這種增壓汽油機(jī)被用作Golf轎車、Golf變型車和Caddy轎車的動(dòng)力源[2]。Skoda、Seat和Audi等集團(tuán)品牌也提供CNG車型，并且裝配有集團(tuán)公司的高效CNG裝置。目前，Audi還提供一款2.0 L帶渦輪增壓的分層噴射(TFSI)發(fā)動(dòng)機(jī)作為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)[3]。

2 新型1.0 L缸內(nèi)直噴(TGI)發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)目標(biāo)

2014年的EA211-1.0 L TSI汽油機(jī)是開發(fā)1.0 L TGI發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)，前者在設(shè)計(jì)時(shí)就已考慮了使用CNG運(yùn)行所必需的硬件及其部件[4]。這種機(jī)型在近年來(lái)已成功地通過(guò)了眾多試驗(yàn)，因此該款CNG變型機(jī)被寄予了很大的期望，這在開發(fā)目標(biāo)上有所反映：(1)CO2排放低于90 g/km；(2)最低的原始排放；(3)靈活的行駛性能；(4)汽油運(yùn)行不受雙燃料設(shè)計(jì)的限制；(5)可低成本地應(yīng)用于集團(tuán)所有品牌車型；(6)滿足最高品質(zhì)要求和耐久性。

3 緊湊的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)

采用排量為0.9 L的3缸發(fā)動(dòng)機(jī)，繼續(xù)實(shí)施其小型化策略，而利用EA211發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)組合部件能在Volkswagen全球生產(chǎn)鏈中組織低成本生產(chǎn)[5]。這種緊湊的輕量化機(jī)型的特點(diǎn)是采用了眾多的創(chuàng)新方案：(1)鑲鑄灰鑄鐵氣缸套的曲軸箱質(zhì)量?jī)H為15 kg；(2)減輕曲軸、活塞和連桿的質(zhì)量；(3)優(yōu)化主軸承和連桿軸承直徑以減少摩擦；(4)曲軸箱氣缸體和氣缸蓋采用雙循環(huán)回路冷卻；(5)排氣歧管集成在氣缸蓋中；(6)集成整體式增壓空氣冷卻器的進(jìn)氣管；(7)最高噴射壓力為35 MPa的共軌噴射；(8)按特性曲線場(chǎng)調(diào)節(jié)的無(wú)級(jí)機(jī)油泵；(9)布置緊湊的無(wú)獨(dú)立支架的輔助設(shè)備。

4 氣缸蓋和曲柄連桿機(jī)構(gòu)

CNG機(jī)型仍采用鑲鑄GJL250灰鑄鐵氣缸套的高強(qiáng)度曲軸箱,而氣缸蓋則針對(duì)CNG運(yùn)行時(shí)的高要求進(jìn)行了改進(jìn)(圖1)。進(jìn)排氣門座圈為了提高表面耐磨性而進(jìn)行整體氮化。因排氣門的溫度較高而采用中空充鈉排氣門。進(jìn)氣側(cè)的氣門導(dǎo)管采用特別硬并且耐磨的高強(qiáng)度黃銅材料(Diehl 470HT)，而氣門座圈則采用滲銅的燒結(jié)鋼(AR20D)。

圖1 1.0 L TGI發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門機(jī)構(gòu)

進(jìn)排氣凸輪型線的關(guān)閉斜坡部分在0.17 mm氣門升程范圍內(nèi)被設(shè)計(jì)成平緩形狀，可使氣門緩慢關(guān)閉，從而減少磨損。氣缸蓋密封墊被設(shè)計(jì)成3層結(jié)構(gòu)。在CNG燃燒時(shí)，點(diǎn)火線圈可供應(yīng)更高的點(diǎn)火電壓。

由于使用CNG運(yùn)行時(shí)的峰值壓力高達(dá)115 MPa，因此曲柄連桿機(jī)構(gòu)必須進(jìn)行部分重新設(shè)計(jì)(圖2)。使用CNG運(yùn)行時(shí)因氣體壓力較高，活塞環(huán)特別是第一道環(huán)與氣缸套的摩擦增大，因而需對(duì)其耐磨性能進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，同樣，連桿軸承也按更高的壓力水平來(lái)進(jìn)行調(diào)整。機(jī)油濾清器全部應(yīng)用了人工合成材料。

圖2 1.0 L TGI發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)

5 冷卻循環(huán)回路和廢氣渦輪增壓器

EA211發(fā)動(dòng)機(jī)模塊化基礎(chǔ)方案已考慮到了總體上較高的溫度水平，而增加燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器僅需冷卻系統(tǒng)進(jìn)行微小修改。

1.0 L TGI發(fā)動(dòng)機(jī)使用新開發(fā)的單流道廢氣渦輪增壓器后就改用了集成在氣缸蓋中的排氣歧管。渦輪增壓器殼體采用奧氏體鑄鋼制成，而中間軸承殼體采用水冷方式。渦輪采用MAR-M 246鎳基合金，它是按高機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷而設(shè)計(jì)的，能承受高達(dá)1 050 ℃的廢氣溫度。與1.0 L TSI汽油機(jī)一樣，廢氣放氣閥調(diào)節(jié)器是電動(dòng)的。

6 優(yōu)化催化轉(zhuǎn)化器和加熱型λ傳感器

甲烷是一種化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定的物質(zhì)，其轉(zhuǎn)化溫度要比汽油高約50～100 ℃。1.0 L TGI發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的催化轉(zhuǎn)化器的幾何尺寸與1.0 L TSI汽油機(jī)相同，但是為了獲得最佳的甲烷轉(zhuǎn)化率，不僅要優(yōu)化涂層，而且要優(yōu)化甲烷轉(zhuǎn)化流量。

優(yōu)化暖機(jī)排放和在該階段使用λ分段控制方法的前提條件是使用一種加熱型λ傳感器(圖3)。這種λ傳感器通過(guò)電進(jìn)行加熱，可在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后最遲約10 s就能達(dá)到可調(diào)節(jié)的狀態(tài)，在技術(shù)上是通過(guò)一種雙層護(hù)套和傳感元件的涂層化處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，廢氣中的水分不會(huì)危及到陶瓷傳感元件。

圖3 1.0 L TGI發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器與催化轉(zhuǎn)化器

7 高度集成的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)

1.0 L TGI發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的特點(diǎn)是所有功能進(jìn)行高度集成，包括使用汽油運(yùn)行時(shí)的TSI工作過(guò)程控制、使用CNG運(yùn)行時(shí)的MPI工作過(guò)程控制，以及燃?xì)獬煞趾碗娍厝細(xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器的管理等。為了確定CNG質(zhì)量流量，在共軌進(jìn)口處應(yīng)用了壓力和溫度傳感器，而壓縮天然氣的液位則用燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器進(jìn)口處的壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量。

發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元借助于λ傳感器來(lái)識(shí)別不同品質(zhì)的天然氣。低品質(zhì)天然氣的能量比高品質(zhì)天然氣低，電控單元能相應(yīng)為這兩種品質(zhì)的天然氣調(diào)整到合適的噴射持續(xù)時(shí)間。

8 電控天然氣壓力調(diào)節(jié)器

電控天然氣壓力調(diào)節(jié)器(圖4)分兩級(jí)將天然氣壓力從最大壓力26 MPa降低到低壓系統(tǒng)中的0.5～0.9 MPa(絕對(duì)壓力)。第一級(jí)機(jī)械節(jié)流將天然氣壓力降低到約2 MPa，而第二級(jí)的電控電磁閥則繼續(xù)將天然氣壓力降低到工作壓力。

圖4 1.0 L TGI發(fā)動(dòng)機(jī)的電控天然氣壓力調(diào)節(jié)器

在機(jī)械式壓力調(diào)節(jié)級(jí)中集成了由金屬芯組成的阻尼式濾清器，這種結(jié)構(gòu)能阻止可能導(dǎo)致振鳴干擾噪聲的固定波形成。壓力調(diào)節(jié)器中的壓力降低會(huì)導(dǎo)致天然氣的強(qiáng)烈冷卻。在1.0 L TGI發(fā)動(dòng)機(jī)上這種壓力調(diào)節(jié)器被接入冷卻液循環(huán)回路中進(jìn)行預(yù)熱，這樣就避免對(duì)壓力調(diào)節(jié)器進(jìn)行冷卻，并使天然氣出口溫度始終保持在-40 ℃以上。

9 用于天然氣共軌系統(tǒng)的專門支承點(diǎn)

進(jìn)氣管上有用于天然氣共軌系統(tǒng)的專門支承點(diǎn)，天然氣噴射器被安置于每缸的進(jìn)氣道中。天然氣罐與共軌之間的所有導(dǎo)管接頭，未來(lái)將使用球面擴(kuò)口連接，與緊固螺釘連接方式相比，該連接方式更具優(yōu)勢(shì)，而且使用成本更低。

10 工作過(guò)程和運(yùn)行方式策略

新型1.0 L TGI發(fā)動(dòng)機(jī)在日常運(yùn)行中必須始終能按需求在天然氣和汽油兩種運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換，其中保持扭矩不變并轉(zhuǎn)換燃料運(yùn)行對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定提出了很高的要求。在使用CNG運(yùn)行時(shí)因受到系統(tǒng)的限制會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力性方面的缺陷，因?yàn)橐环矫鎺缀踉谒袟l件下其廢氣溫度都會(huì)低于使用汽油運(yùn)行時(shí)的廢氣溫度，另一方面因向進(jìn)氣管噴射CNG使其進(jìn)氣供應(yīng)量要比使用汽油運(yùn)行時(shí)約少15%(表1)。

表1 天然氣/汽油的主要特性比較及其使用CNG的效果

為了達(dá)到與使用汽油運(yùn)行時(shí)相同的全負(fù)荷特性曲線，使用CNG運(yùn)行時(shí)將增壓壓力以0.03 MPa提高到0.23 MPa(絕對(duì)壓力)，與此同時(shí)將點(diǎn)火時(shí)刻往前調(diào)整，而較小的增壓器可幫助快速建立起增壓壓力。

只要CNG罐中有天然氣，在冷卻液溫度高于-10 ℃的情況下TGI發(fā)動(dòng)機(jī)從起動(dòng)開始就可使用CNG工作，而在更低溫度下則使用汽油起動(dòng)，此時(shí)首先應(yīng)在CNG壓力調(diào)節(jié)器關(guān)閉的情況下將CNG噴射器稍微開啟，使CNG共軌處于直空狀態(tài)。然后將CNG噴射器通電加溫直至達(dá)到其運(yùn)行溫度并能可靠地開啟，之后就轉(zhuǎn)換到采用CNG的狀態(tài)運(yùn)行。

即使在加注CNG后發(fā)動(dòng)機(jī)也首先要使用汽油運(yùn)行。一旦λ調(diào)節(jié)功能被激活，并至少有140 mL汽油沖洗過(guò)無(wú)回油汽油高壓泵(HDP)油腔，就可轉(zhuǎn)換到使用CNG運(yùn)行。如果汽車在加注CNG之前使用汽油行駛的話，那么在使用λ調(diào)節(jié)功能后就可立即轉(zhuǎn)換到使用CNG運(yùn)行，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換之前HDP油腔已被沖洗過(guò)。從汽油轉(zhuǎn)換到CNG運(yùn)行歷經(jīng)不到1 s。若實(shí)施轉(zhuǎn)換的話，則要查明CNG品質(zhì)，從而正確地對(duì)混合氣進(jìn)行預(yù)控制。當(dāng)這種匹配調(diào)整好后，直至下一次加注CNG為止，1.0 L TGI發(fā)動(dòng)機(jī)在高于-10 ℃的溫度下的每次起動(dòng)過(guò)程都使用CNG運(yùn)行。

11 CNG運(yùn)行時(shí)對(duì)催化轉(zhuǎn)化器的挑戰(zhàn)

為了達(dá)到盡可能低的廢氣排放，一方面催化轉(zhuǎn)化器應(yīng)盡可能快地加熱到起燃溫度，另一方面在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)應(yīng)使催化轉(zhuǎn)化器保持在轉(zhuǎn)化溫度以上，這對(duì)于催化轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)而言是較大的挑戰(zhàn)，因?yàn)槭褂眉淄檫\(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)化溫度要比使用汽油運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)化溫度高100 ℃，而使用甲烷運(yùn)行時(shí)燃油耗最低時(shí)的廢氣溫度卻要比使用汽油運(yùn)行時(shí)低。

冷起動(dòng)后的第一步就要進(jìn)行常規(guī)的催化轉(zhuǎn)化器加熱，為此所需的調(diào)晚點(diǎn)火提前角及轉(zhuǎn)速提升會(huì)使效率惡化，從而導(dǎo)致CO2排放隨之增加，因此開發(fā)的目標(biāo)是要使該運(yùn)行方式盡快進(jìn)行，以便快速恢復(fù)到效率最佳的運(yùn)行狀態(tài)。

圖5 相對(duì)燃油耗隨入調(diào)節(jié)方法的變化對(duì)比

為此，首先在1臺(tái)3缸機(jī)上采用λ分段控制方法，這樣就能使效率幾乎沒(méi)有變化(圖5)，這就意味著兩個(gè)氣缸采用濃混合氣運(yùn)行，而另一個(gè)氣缸則采用稀混合氣運(yùn)行，所有氣缸的總λ仍等于1。此時(shí)，加濃運(yùn)行的氣缸形成CO，在催化轉(zhuǎn)化器中被轉(zhuǎn)換成放熱反應(yīng)，CO的轉(zhuǎn)化溫度明顯低于甲烷的轉(zhuǎn)化溫度。如果在常規(guī)加熱情況下就能達(dá)到CO的轉(zhuǎn)化溫度，那么就仍然在λ分段控制狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。即使在低負(fù)荷工況下也能使用該功能達(dá)到甲烷轉(zhuǎn)化溫度。

12 新型POLO轎車上無(wú)需保養(yǎng)的CNG罐

由于MQB的靈活性，使得在中部和后部底盤范圍內(nèi)進(jìn)行特殊布置的方案得以實(shí)現(xiàn)。雖然在該處除了量產(chǎn)的汽油箱之外還附加兩個(gè)總?cè)莘e為75 L的圓柱形CNG罐，但是并不會(huì)影響到行李艙的容積。

玻璃纖維加強(qiáng)的熱塑性塑料托盤被用作為高強(qiáng)度鋼CNG罐的支承裝置(圖6)，該塑料托盤通過(guò)壓制而成，且質(zhì)量較輕，能確保CNG罐抗碰撞性。為了獲得最大的抗腐蝕能力，它們?cè)趪娚疤幚砗髧婂冧\和環(huán)氧附著表面，并涂敷粉末面漆。該CNG貯氣罐無(wú)需保養(yǎng)，并且應(yīng)遵守4年內(nèi)的檢查間隔要求，使其能在整個(gè)車輛使用壽命期內(nèi)安全使用。

圖6 Polo TGI發(fā)動(dòng)機(jī)的CNG布置

13 低燃油耗和長(zhǎng)的行駛里程

Polo TGI轎車駕駛員可在組合儀表上的多功能顯示器上讀出運(yùn)行模式、CNG品質(zhì)、CNG罐充氣狀況、瞬時(shí)和平均燃油耗，以及剩余的行駛里程等相關(guān)參數(shù)。除了顯示汽油存油狀況之外，還能顯示CNG罐中CNG儲(chǔ)備狀況信息。在歷經(jīng)45個(gè)月后就會(huì)顯示需進(jìn)行CNG裝置檢驗(yàn)的提醒。CNG充氣接管與汽油加油接管一起置于汽油箱蓋后面，使免維護(hù)的顆粒過(guò)濾器保護(hù)系統(tǒng)不受污染。

無(wú)論是使用CNG還是使用汽油運(yùn)行，1.0 L TGI發(fā)動(dòng)機(jī)都能輸出66 kW的功率，在1 900～3 500 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)域能持續(xù)提供160 N·m的扭矩(圖7)。Polo TGI轎車采用5檔變速器，從0～100 km/h的加速過(guò)程需11.5 s，并且最高車速能達(dá)到185 km/h。

圖7 1.0 L TGI發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性曲線

使用CNG行駛的NEDC平均耗氣量為百公里3.2 kg，相當(dāng)于CO2排放為87 g/km，此時(shí)的行駛里程為390 km，使用汽油運(yùn)行還能繼續(xù)行駛930 km，因而總行駛里程可達(dá)到1 320 km。

14 結(jié)語(yǔ)

Volkswagen開發(fā)的1.0 L TGI發(fā)動(dòng)機(jī)可用于其集團(tuán)品牌車型，是一種既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保并有較高使用靈活性的動(dòng)力裝置。MQB-A0級(jí)平臺(tái)證實(shí)了天然氣動(dòng)力裝置的重要意義。較低的廢氣排放、合乎時(shí)代要求的動(dòng)力性能和低廉的使用成本為用戶提供了實(shí)際的好處。

Volkswagen的CNG策略對(duì)Polo TGI轎車起著重要的作用，也包括使用可持續(xù)產(chǎn)生的生物甲烷，該燃料已被證實(shí)對(duì)環(huán)境無(wú)害。在當(dāng)前背景下，CNG汽車能成為純電動(dòng)車(BEV)和插電式混合動(dòng)力車(PHEV)方案的理想補(bǔ)充之一。