大众公司EA113系列2.0L-FSI燃油分层直喷式汽油机详解(四)

◆文/江苏 范明强

(接上期)

曲轴采用6道主轴承支承，所有连杆轴颈感应淬火，其过渡圆角处进行滚压处理，材料选用牌号为C38 MOD By的蠕墨铸铁(GJV)。主轴承和连杆轴承直径分别确定为58mm和47.8mm。

曲轴前端装有一个粘性扭转减振器，用来降低曲轴的扭转振动负荷。同时，通过提高传动效率和采用按结构条件限制设计的初级皮带传动来达到皮带传动的使用寿命。

奥迪R5-2.5L-TFSI增压直喷式汽油机的铸铝活塞由高耐热铝合金制成，并采用了微型活塞环镶座和不对称成型活塞销座孔，除此之外，活塞还必须具有能胜任荷载和质量优化的结构。马勒(Mahle)公司开发的活塞具有压力侧和非压力侧不对称的裙部，而且裙部呈倾斜形，以便能同时实现活塞的强度和质量目标。这种活塞设计方案随同2.5L-TFSI直喷式汽油机一起首次在批量生产中得到应用。

第一道活塞环是对称球面氮化钢环，具有物理气相沉积(PVD)涂层和内棱角。第2道活塞环是鼻形压缩环，第3道活塞环是在其他发动机设计中已使用过的具有镀铬锥形环岸的管状弹簧涨圈刮油环(见图26)。

连杆被设计成无长油道钻孔的胀裂锻钢连杆。连杆小头孔直径加大至22mm，其活塞销衬套使用的是无铅型材料。为了应用于涡轮增压R5-2.5L-TFSI直喷式汽油机，连杆已被显著加强，图26示出了在连杆上采取的改进措施。

具有滚轮摇臂气门传动机构的4气门汽缸盖在2.5L-MPI多点气门口喷射汽油机汽缸盖的基础上做了以下改进：①应用AlSi7MgCu原始合金；②冷却水套深入到火花塞周围；③排气门座圈采用磨损优化的材料；④共轨高压泵紧固在汽缸盖上面的凸轮轴承盖梯子形框架上；⑤优化排气门凸轮廓线；⑥增加排气门凸轮轴相位调节器。

位于变速器一侧的正时链传动机构是由两级链传动合成的，并且采用两种不同型式的链条进行传动(见图27)。机油泵传动以减速比集成在初级链传动机构中，初级链传动机构再经过一个中间链轮由次级链传动机构传动两根凸轮轴，而中间链轮同时被用来传动真空泵。两级链传动机构都装备了液压阻尼链条涨紧器。初级链传动机构中用的是一条3/8"齿形链条，这种链条具有最佳的声学性能，而次级链传动机构中用的是一条3/8"滚柱链条，其链条的涨紧力被调节得非常小。链传动机构是由两个凸轮轴相位调节器的回油和次级链传动机构链条涨紧器高压机油腔中的小孔来确保润滑的。

曲轴箱通风系统是在汽缸盖通风净化时工作的，设计时特别重视机油通道和气体通道的不断调整。汽缸体曲轴箱上的抽气地点位于第2、3和4道主轴承座侧面，并被直接引入汽缸盖罩中，如图28所示。油底壳上部集成了一个集油盘，作为对油底壳的屏蔽，机油回油被引入到油底壳中机油油面以下。引流到汽缸盖罩中的曲轴箱通风气体经过一个大的流通横截面被引入机油精细分离器。这种精细分离方案是按离心力分离装置(多旋流)原理工作的，机油精细分离器连续不断分离出来的机油被返回到油底壳中机油油面以下。在结冰或功能失效的极限情况下，曲轴箱通风系统通过集成在油底壳上部的止回阀释放曲轴箱内过高的压力而得到保护。

单级压力调节阀集成在汽缸盖罩中，压力差优化的止回阀(通往进气管和增压器侧)与压力调节阀共同确保曲轴箱中必需的真空度。此外，发动机还装备了曲轴箱强制通风阀(PCV)装置，用于部分负荷时用新鲜空气对发动机进行扫气。因曲轴箱通风道、汽缸盖罩和无压力油腔中均具有气密性，汽缸盖可用作供应新鲜空气的进口，因此整个发动机内腔都能被“冲洗”，防止了油底壳中冰的沉积，机油的脱水效果也得到了显著的改善(见图29)。

压力机油循环回路极大地关系到涡轮增压2.5L-TFSI燃油分层直喷式汽油机能否尽可能地继承直列5缸R5-MPI多点气门口喷射汽油机的设计结构，图30示出了整个压力机油循环回路。对于涡轮增压发动机而言，油底壳因采用机油温度-液面传感器而进行了设计修改，鉴于高的纵横向加速度，机油量按运动型汽车发动机的要求进行设计。为此，机油泵吸油管已进行过优化，以确保在汽车高动态行驶的情况下仍不会吸入空气而具有足够的可靠性。涡轮增压机型所特有的涡轮增压器、排气凸轮轴相位调节器和润滑共轨高压泵滚轮挺柱的机油喷嘴等部件的机油需求量都能由现有的润滑系统予以满足。

在设计进气管路时应首先将确保高效率和流量特性放在重要的地位。在空气流量高达1000kg/h的情况下，应充分利用结构空间中尽可能大的流通横截面，并应尽可能缩短路程而直接引入空气。

新鲜空气管路的布置如图31所示，其中包括以下组件：①包括水分离器和前端接头在内的新鲜空气进气管路；②具有脉动阻尼的空气滤清器；③带倒拖循环空气进气管的增压器压气机进气管；④增压器压气机；⑤增压空气冷却器前增压空气管；⑥具有塑料集气盒的增压空气冷却器；⑦增压空气管和带整体式倒拖循环空气阀的节气门接管；⑧带滚流阀装置的进气歧管。

除了优化上述各个组件之外，还必须使增压器压气机在进气侧达到最有利的流动。通过借助于计算流体动力学(CFD)来确定进气管路，能够找到一种流动导向，可使压气机进口处的气体流动更均匀(见图32)，以确保压气机能够在喘振极限附近稳定运行。

通过将增压空气冷却器布置在汽车前端下部，能使增压空气压力恢复到全压头范围，因此能使冷却器外部冷却后的增压空气质量流量最大化，从而能使得其内部流动层流化，消除内部节流。在最大流量时，整个管路中的压力损失仅为135mbar，而在全负荷时能实现大于80%的冷却效率。

进气歧管被做成两节式砂型铸铝件，由进气空气总管(储气腔)和进气歧管两部分组成。集成在进气歧管上的可气动开关的滚流阀装置(见图33)与滚流进气道相贴合，能够形成最佳混合汽均质化所必需的充量运动。

排气侧由以下组件组成(见图34、图35)：①排气歧管-废气涡轮增压器模块；②发动机前置催化器；③将废气分成两股流动的前废气管和软接管；④两个地板下催化器和中间消音器；⑤后置式消音器及其两个废气尾管。

在设计排气歧管-废气涡轮增压器模块时，研究人员充分利用了自2004年以来奥迪现有的量产4缸TFSI直喷式汽油机的经验。经过广泛的流动和换气试验后，将所增加的汽缸排气支管做成图34那样的明显分缸引入的形式。排气歧管-废气涡轮增压器模块是按1.4849品质标准制造的铸钢件，并采用经过奥迪公司试验考核过的连接技术紧固在汽缸盖上。这种连接方式以及废气涡轮增压器模块的无支架式结构能够补偿运行中所产生的热膨胀，因而能将应力降低到最小。所选用的博格华纳(Borg Warner)涡轮系统公司K16系列水冷式废气涡轮增压器在宽广的运行范围内具有高的效率，并且借助于传感器来调节废气温度，确保在所有运行条件下不超过其容许的980℃最高废气温度。

废气装置开发的重点之一是使其废气背压最小。为此，废气管道必须换成横截面尽可能大，并应用内高压成形管，同时在汽车万向节轴区域的部位采用将废气分成两股流动的废气管结构型式(见图35)。

靠近发动机的前置陶瓷催化器和地板下两个金属催化器相结合，确保了能够达到欧Ⅴ废气排放标准。

在废气装置后部的流程中，还有两个中间消音器和一个大的后置式消音器。左边尾管的废气质量流量有一个活门开关，使得典型运动型5缸机汽车的响声变得与奥迪“Urquattro”型赛车一样。

燃油系统的核心部件是一个按需调节的单柱塞共轨高压泵，它由排气凸轮轴上的一个三面凸轮驱动。这种以最高12MPa压力运行的高压共轨系统，通过仔细调节供油量并与高压泵控制相互配合，在低达-26℃的环境温度下能提供高压启动所必需的快速压力提升。

3.燃烧过程开发

该机型的开发目标是在100kW/L升功率的情况下，以高的平均有效压力尽可能宽广地利用转速范围，其最大的挑战在于燃烧过程的开发。

燃烧过程开发的基础是奥迪涡轮增压2.0L-TFSI燃油分层直喷式汽油机，与其一样，2.5L-TFSI直喷式汽油机也应用了多孔喷油器技术，如图36所示。即使与2.0L-TFSI机型相比其高压喷油器的流量提高了大约25%，但通过喷射油束参数的优化以及平坦的活塞顶形状相匹配仍改善了混合汽的准备。

为了达到所规定的目标值，必须在考虑到各个系统对燃烧系统相互之间影响的同时，对各系统进行广泛调整。通过仔细认真地工作，将各个转速范围都能被调整到最佳状态。

在低转速范围内，换气过程和混合汽准备的调整、进排气凸轮轴相位调节的配合以及配气定时和动作持续时间的匹配，使得能够通过高的扫气率来提高减少残余废气的潜力(见图37)，低转速范围所必需的高的充气系数是在较低的废气质量流量情况下产生足够的废气涡轮功率的前提条件。在考虑到额定功率点时，密封圈性能的情况下，通过排气歧管和废气涡轮流通横截面的匹配能够最佳地利用排气脉冲转化为废气涡轮的动能，因此采用直径为31mm的排气支管与喉部横截面积为7cm2的涡轮相匹配。

低的残余废气率、良好的混合汽均质化和低的爆燃倾向允许采用对这种增压度非常高的压缩比(10:1，按ROZ98汽油设计)，因而明显改善了低转速范围的平均有效压力水平。

选用了与系统相协调的相对较大的涡轮增压器，它具有非常良好的效率，与有效的奥迪燃烧过程和较高的基本压缩比相结合，能够在中等转速范围内保持高的平均有效压力水平和非常良好的热力学性能特性值。而在这种高功率发动机的高转速范围内，整个系统针对最大流量进行了优化，其中相互之间仔细的调整和压力损失优化的进气管路、增压空气管路和排气管路是起决定性作用的。

该机型的开发目标规定要满足欧Ⅴ废气排放限值的要求，这是由下列组件与合适的喷油策略和催化器加热策略共同达到的。组件包括：①滚流阀进气管；②多孔喷油器与平坦的活塞顶形状相匹配；③近发动机前置催化器。

当转速在5400～6500r/min范围内最大功率达到250kW，而在1600～5300r/min这样宽广的转速范围内可保持450Nm 的最大扭矩。

图38示出了该机型平均有效压力特性曲线及其在当前量产增压发动机分布带中的状况以及与同类竞争机型的比较。从图中可以清楚地看到，这种5缸直喷式汽油机在宽广的可用转速范围内达到了高的平均有效压力水平。

4.驾驶性能

这种5缸直喷式汽油机的扭矩特性曲线与优化匹配的6挡手动变速器组合使得奥迪TT RS轿车具有卓越的加速性和机动性(见表5)。

虽然具有这样大的行驶功率，但也可以采用经济行驶方式。奥迪TT RS Coupe型轿车的ECE(欧洲经济委员会)行驶循环燃油耗为9.2L/100km(CO2:213g/km)，处于较低的水平。在平时行驶时，采用合适的行驶方式可使燃油耗明显低于9.0L/100km。图39示出了其驾驶性能和燃油耗及其与同类运动型轿车竞争车型的比较，搭载这种直列5缸2.5L-TFSI增压机型车型的机动性成为了一个新的亮点。(全文完)