大众公司EA111和EA112系列1.4L燃油分层直喷式汽油机(一)

文/江苏 范明强

一、现代汽油发动机的发展

随着全球生态环境日益恶化，欧盟议会要求到2012年，各汽车公司所生产的汽车平均CO2排放量应低于90g/km，也就是汽油车燃油耗低于3.8L/100km，柴油车燃油耗低于3.4L/100km(见图1)。随着技术的发展，直喷式柴油机的普遍推广与应用，特别是汽油缸内直接喷射技术的逐渐成熟，使汽油车的燃油耗和CO2的排放量也大幅降低，越来越接近柴油机的水平(见图2)。但是，欧洲汽车制造商联合会只能承诺到2012年，汽油车平均CO2排放量达到120g/km,也就是汽油车燃油耗低于5.1L/100km，柴油车燃油耗低于4.5L/100km，与欧盟议会的要求还有相当大的差距，有待于继续挖掘直喷式汽油机的节油潜力。

图3示出了现代汽油发动机各种技术措施节油潜力的比较。图中可以清楚地看出，单一措施的汽油缸内直接喷射蕴含着最大的节油(即降低CO2排放量)潜力。这种效果一方面是因为发动机的无节流运行降低了换气损失，另一方面由于充量分层运行，燃烧在燃烧室中央进行，周围有隔热的空气层，减小了壁面的热损失。此外，全负荷时，爆震倾向降低，所以发动机能够以较高的压缩比运行。这些措施在发动机整个特性曲线场范围内，对燃油耗起到了有利的作用。而燃烧室内经过优化的充量运动，也使得混合汽在以化学计量比运转的范围内具有较高的EGR兼容性，因此在该运转范围内，也能获得节油效果。所以，无论从节能减排的角度，还是从提高汽油发动机动力性能的角度，现代缸内直喷式汽油机都在进气道喷射技术的基础上，又将汽油发动机技术向前推进了一大步。

图3示出的汽油发动机的各种节油技术措施对缸内直喷式汽油机的节能减排均具有显著效果，已成为缸内直喷式汽油机发展不可分割的部分，其中发动机小型化是现代缸内直喷式汽油机的主要发展方向，电控汽油缸内直接喷射技术、废气涡轮增压技术和可变气门控制技术构成了现代缸内直喷式汽油机小型化的三大核心技术。据预测，采用这些技术的缸内直喷式汽油机的市场份额将不断增长，至2020年，这些汽油机将占轿车发动机市场近一半的份额(见图4)。

二、1.4L-F SI自然吸气燃油分层喷射汽油机

汽油缸内直接喷射蕴含着最大的节油潜力，为了充分发挥其潜力，要求发动机在尽可能宽广的工况范围内，以燃油分层喷射(FSI，Fuel Stratified Injection)的方式运行。2000年，大众公司路波(Lupo)轿车装用的1.4L-FSI汽油机是欧洲市场上的第一台FSI直喷式汽油机，77kW/130Nm，最高车速达200km/h,燃油耗仅4.9L/100km，并达到当时最严格的欧Ⅳ排放标准，是优异的燃油耗、卓越的行驶动力和最严格的排放标准的完美结合。

Lupo-FSI汽油机是大众公司燃油分层喷射技术的平台，为了使读者能更好地理解FSI汽油机的设计理念，下文将简要介绍FSI的燃油喷射、混合汽形成及其燃烧过程。

1.FSI燃烧系统

图5是FSI燃烧系统的原理图。这种燃烧系统在先期开发阶段，经过一系列试验从多种燃烧系统方案中优选出来，除了考虑燃油耗和排放等整机性能因素外，喷油器的热负荷也是必须着重考虑的重要方面。喷油器布置在双联进气道的下方，其喷束锥角为70°，根据进气道与汽缸盖所形成的空间结构，喷油器的喷束轴线必须相对于活塞顶倾斜20°，以适应与燃烧室几何形状的相对关系。

由图5可以清楚地看出，铸入进气道内的滚流板将进气道分成上下两半，前置的滚流阀可根据发动机的运转工况关闭进气道的下半部，使进气道上半部的气流产生加速，流经进气门颈部上方进入燃烧室，从而诱导出强烈的空气滚流运动。活塞顶面有两个特殊造型的导向凹坑，是为了确保在FSI燃烧过程中获得所期望的燃油壁面导向和空气气流导向组合效应。燃油导向凹坑造型在广泛的试验研究中，获得了最佳的导向效果，即尽可能好地将燃油喷束引导到火花塞附近。

图6是利用计算流体动力学(CFD)的方法得到的气流和燃油喷束的结果，清晰地显示了FSI燃烧过程中空气气流导向和壁面导向的综合效果。借助于气流导向凹坑的形状，特别是其流出角，使燃油喷束在撞到燃油导向凹坑背风面之前首先受到制动。由于空气滚流和喷油的相互作用，使喷出燃油中的一小部分在点火上止点前55°CA时，就已准备好良好的空燃混合物。

处在燃油导向凹坑背风面的燃油到达凹坑的底部，并转向火花塞方向(见图6)。这部分燃油从燃油导向凹坑离开后，被气流导向凹坑上方一直存在的空气滚流挤向火花塞，以确保稳定的点火(见图6)。等到点火时刻，火花塞下方已准备好良好的空燃混合物。

由于滚流的强度随转速而增强，因此喷油压力和喷油定时等喷射参数必须适应工况的变化，以确保在重要的运行工况区域内，空气气流、喷油及其周围的燃烧室几何形状三者之间良好配合。

无论是为了获得FSI优异的燃油耗和排放(主要是空气气流导向的影响)，还是为了批量生产所要求的对燃烧系统制造公差和随运转时间变化的不敏感性(主要是壁面导向的影响)，空气气流导向和壁面导向的综合效果都是其重要的保证。

2.基础发动机

EA111系列的基本型号是1.4L-55kW-4V进气道喷射汽油机，其基本设计方案的主要特点是采用铝合金机体、4气门技术、滚轮摇臂式气门传动机构、塑料进气模块和EGAS型电子控制系统等。Lupo-FSI汽油机是2000年在该基本型号的基础上研发而成的，成为大众公司燃油分层喷射技术的平台，而新型的自然吸气1.4L-FSI分层直喷式汽油机及其加大活塞行程的1.6L变型(见图7、图8)是2003年又在Lupo-FSI汽油机技术平台的基础上的进一步改进,其特别注重摩擦功率、声学特性、维护保养、使用寿命和质量等方面的改进。这两种新型FSI汽油机的技术规格示于表1，其主要特点是：①采用Bosch MED9.5.10电控汽油缸内直接喷射系统；②结构优化的铝机体；③质量减轻的主运动件；④机体与汽缸盖冷却水分开循环的横流式冷却系统；⑤声学特性优化的齿形链条配气传动机构；⑥配气传动机构罩盖集成了粗细机油滤清器和曲轴箱强制通风装置；⑦安装在油底壳内的流量可调式机油泵；⑧进气凸轮轴相位连续调节(仅用于1.6L-FSI汽油机)。

由于新设计的机体必须与现有的EA111系列机体共线生产，因此不仅要保持82mm缸心距不变，而且还要采用基本型发动机的深裙型结构。在结构改进设计中，要特别重视加强发动机变速器连接法兰的钢性，以提高动力总成弯曲振动的固有频率，通过结构的彻底优化，大大提高了铝合金机体的声学特性。全新设计的顶面敞开式铝合金机体，采用AlSi9Cu3材料压铸而成，并镶铸1.4L和1.6L两种机型通用的灰铸铁汽缸套。

这两种机型的汽缸盖是以EA111系列的4气门滚轮摇臂式汽缸盖为基础设计的，主要改进有链传动匹配、配气传动机构罩盖、横流式冷却方式等。FSI汽油机汽缸盖的特征是在进气道中镶铸了滚流板以及位于进气道下方的高压喷油器安装孔。

活塞按压缩比12∶1设计，由高温耐热过的共晶铝合金制成，特别针对质量和摩擦进行了优化。尽管EA111系列中的FSI机型的活塞顶面形状比较复杂，具有燃油喷束和空气气流两个导向凹坑，但活塞采用新工艺铸造，特别轻巧，质量只有235kg，与老机型相比减轻了约10 %。

作为自然吸气机型，其爆发压力为8.5 MPa，活塞销直径为17 mm就足够了。同时，为降低成本，该机型采用了铸铁曲轴。

表1 新型1.4L和1.6L-FSI汽油机的技术规格

3.横流式冷却系统

汽缸盖横流式冷却发动机重新设计了冷却水流程，这是新发动机开发工作的一项重要内容(见图9)。汽缸盖横流式冷却是通过机体侧面铸出的布水道和汽缸盖中重新设计的冷却水套实现的，汽缸盖和机体中的冷却水回路分别由两个相互独立的节温器控制。

汽缸盖横流式冷却在功能上分成两个区域：下部冷却汽缸盖燃烧室火力；上部汇集各缸冷却水流，并将冷却水导向节温器。汽缸盖下部贴近燃烧室的冷却水套横截面大小是由最高的水流速度确定的，从而获得最高的冷却效率。这种冷却系统可以达到以下效果：①发动机启动后机体升温迅速，减少了曲柄连杆机构的摩擦；②燃烧室冷却最佳；③减小水泵的驱动功率(水力功耗减少10%)，通过改进设计甚至能使总功耗减少约30%；④改善排放性能。

4.配气传动机构

新1.4L和1.6L-FSI汽油机采用一条齿形链传动凸轮轴，其研发目标是：①免维修；②噪声比齿形皮带低；③成本低。这是通过采用一条节距为8mm的齿形链传动达到的，这种链条在安装空间、负载能力、系统复杂性和噪声特性等诸多方面都达到了最佳的效果。而机油泵传动因要求较低，则采用了一条常规的滚子链条(见图10)。

5.机油泵

新1.4L和1.6L-FSI汽油机是世界上首先批量生产并采用可调式机油泵的。其设计目标是降低驱动功率，与常规机油泵不同，这种机油泵的泵油量可根据发动机的实际需要调节。它是一种内齿轮式机油泵，由一条滚子链条传动，并安装在油底壳内。与常规机油泵相比，它所消耗的功率平均可降低约30%(见图11)。此外，由于泵油量可调节，机油循环的次数也减少了，从而降低了机油的负荷和温度，减轻了机油的乳化。

6.凸轮轴调节

为了改善扭矩特性、提高最大功率以及实现内部废气再循环(E G R)，1.6L-FSI-85kW机型的进气凸轮轴相位可连续调节，其叶轮式相位调节器的相位角度调节范围为基准位置朝进气门早开方向提前40°CA。在发动机运转时，由相位传感器采集凸轮轴的实际角度位置，并与储存在电控单元中的额定值比较，然后由电磁阀控制压力机油流人或流出叶轮式相位调节器，从而将凸轮轴转动调节到额定位置。当发动机启动时，借助一个锁销将凸轮轴相位调节器锁定在原始进气门迟开的位置上。

7.高压燃油泵

新1.4L和1.6L-FSI汽油机采用Bosch公司新开发的HDP2型单柱塞高压燃油泵(见图12)。它的一个重要功能就是可调节供油量，借助于油泵中的一个电子控制阀，将为达到喷油压力所必需的燃油量泵入高压燃油共轨中去。发动机电控单元根据燃油共轨上的高压传感器信息计算油量调节阀(MSV)的关闭时间。一旦燃油共轨中的燃油压力达到额定值，油量调节阀即被打开，多余的燃油将被剩下的柱塞行程泵回低压油路。这种燃油量调节功能可明显减小高压燃油泵的驱动功率(约40 %)，特别是发动机需要燃油量较少的运转工况。

8.低压输油泵

新1.4L和1.6L-FSI汽油机燃油系统采用了一种可调节供油量的电动燃油泵，它仅仅输出发动机运转工况所必需的燃油量，不再有多余的汽油回流，因此减少了其消耗的功率(约50%)，并避免了油箱中燃油温度的升高。

9.滚流阀-燃油共轨模块

从上文所介绍的FSI燃烧系统的特点可以看出，配置在进气道前的滚流阀和进气道位置与燃烧室的倾斜角度以及高压喷油器的安装角度，大大限制了可供布置燃油共轨的结构空间，因此决定将燃油共轨和滚流阀组合在一个高度集成的模块中(见图13)。它是进气模块与汽缸盖之间的连接件，用螺钉装在同一根轴上的各缸进气道。滚流阀由杠杆机构和一个由电磁阀控制的真空膜盒操纵，其功能是实现滚流阀的开/关控制。真空膜盒从进气模块中的一个单独的真空储存室(见图14)中获得所需的真空。由于在分层喷射运行运转时，可利用的真空度平均只有0.01～0.015 MPa，因此必须非常重视系统的密封性，以避免因无真空度而使分层喷射运行中断。

在有EGR的均质燃烧工况下，关闭滚流阀能明显提高燃烧稳定性，因此在保证良好的发动机运转稳定性的前提下，均质燃烧工况的EGR率可能超过25 %。在滚流阀轴端装有一个电位器，将滚流阀的位置反馈给电控单元，因为滚流阀的位置对均质燃烧运行时的最佳点火定时有重大影响。

燃油共轨油道位于滚流阀下方，其装有共轨压力传感器和共轨压力调节阀。通过改变供给共轨压力调节阀的电流脉冲占空比来控制泄出的燃油量，从而将共轨压力调节在规定的压力水平。它在无电流时是关闭的，在发动机停机时，可抑制形成蒸汽泡，从而明显改善发动机的再启动性。

10.进气模块

进气模块是一个薄壳式结构的塑料压铸件(见图14)，为了达到质量、回收再生和成本等方面的要求，采用尼龙PA6材料制成。进气管道采用蜗壳结构，这样能以最小的结构空间布置下400 mm长的进气管道，并形成用于操纵滚流阀的真空储存室、曲轴箱强制通风管道和废气再循环入口。

11.空气滤清器模块

与EA111系列的其他发动机一样，1.4L和1.6L-FSI汽油机也采用带有标牌的空气滤清器模块，其集成了发动机罩板(上盖)、进气空气预热器、空气滤清器、空气温度传感器和消声装置等(见图15)。通过在空气滤清器前采用一个具有宽频带阻尼作用的带孔进气管和两个谐振器，对进气空气的声学特性进行仔细的调整。所有的声学措施都经过三维计算流体力学计算，并在流动试验台上进行了降低压力损失的优化，以便能获得最佳发动机功率。

12.排气后处理

图16所示的前置催化转化器已集成为前排气管模块，其金属载体上的涂层已专为FSI汽油机的HC转化进行过优化，而NOx储存式催化器是尺寸为118×152 mm的陶瓷催化器，其涂层也经过了改进。

13.发动机性能

新1.4L和1.6L-FSI汽油机采用了可靠的气流/壁面双导向的FSI燃烧系统，其进排气凸轮轴是针对新的功率和扭矩目标值进行匹配的，因此1.4L-FSI汽油机进气凸轮作用角(对应于气门升程1 mm以上的凸轮转角)为176°，排气凸轮为185°，而1.6L-FSI汽油机的进排气凸轮均为194°，其中进气凸轮相位可在40°CA范围内进行调节。与所采用的带有适当锥度的400 mm长(包括进气模块底部的55 mm流道长度)的进气管组合使用，获得了如图17所示的扭矩特性曲线。

为了提高1000～3000 r/min转速范围内的扭矩，这两种汽油机首次采用了两次喷射的运行方式，其特点是：2/3的燃油量在较早的时刻(进气行程中)被喷入流进汽缸的新鲜空气中，而其余的燃油量大约在换气下止点前后喷入汽缸，因而在低速全负荷工况时，充量分层的倾向明显减弱，在改善运转平稳性以及减少HC和氧排放的同时，扭矩增大了5 Nm。

此外，这两种汽油机还有以下运行方式：①带高EGR率(最高达35 %，机外EGR)的分层充量运行；②带高EGR率(最高达25 %，机外EGR)的化学计量比均质充量运行；③均质充量稀燃运行。

在催化转化器加热阶段，还补充一段均质两次喷射运行方式。此时，除了均质充量主喷射外，还将少量燃油在点火上止点前60°CA时喷入汽缸。这种措施能够在改善运转平稳性和减少HC排放的情况下，对催化转化器产生较快的加热效果。总体而言，能在新欧洲行驶循环(NEDC)试验中降低排放和燃油耗。

图18示出了新1.6-FSI汽油机的燃油耗特性曲线。转速2000 r/min和平均有效压力0.2 MPa工况下，比油耗335 g/kWh以及最低比油耗230 g/kWh，在同类机型中均非常突出。图19是新型1.4L和1.6L-FSI汽油机的比油耗与竞争机型的对比情况，从中可以看出，大众公司在新一代汽油机上，成功地以FSI技术进一步取得了更大的竞争优势。(未完待续)