大众奥迪EA888系列1.8L增压燃油分层直喷式汽油机详解(二)

◆文/江苏 范明强

(接上期)

9.发动机附件

该机型的废气涡轮增压器和进气管等附件是在功率为147kW的2.0L-TFSI增压分层直喷式汽油机批量生产使用的部件基础上进一步开发而成的，而在开发喷油系统时必须考虑到发动机的性能及废气排放法规。

(1)废气涡轮增压器-排气歧管模块

1.8L-TFSI汽油机的废气涡轮增压器模块，其开发目标是将该模块集成适用于所有的现有汽车系列而不会改变相邻部件的结构。为此，采用了废气涡轮增压器-排气歧管模块化结构型式(见图14)，使其能通用于包括右方向盘在内的所有发动机纵置式和横置式驱动方案，并能实现催化转化器靠近发动机安装。这种废气涡轮增压器的基础是K03系列的一种增压器，采用废气轴向流出的5.88涡轮与博格瓦纳涡轮系统(Borg Warner Turbo System)公司生产的2074 DCB型压气机相配对，并与2.0L-TFSI汽油机类似也应用了由排气歧管与涡轮壳集成的整体式模块件，它选用D5S高耐热合金灰铸铁作为材料，允许废气温度高达950℃。该增压器还具有一个水冷却的中间轴承壳体，并带有一个外部机油接口。同时，通过对控制膜盒和操纵废气放气阀的杠杆系统的彻底修改，废气涡轮增压器的调节质量得到了明显的改善，整个废气涡轮增压器模块满足了开发方案所提出的热力学和安装技术方面的要求。

这种增压器的转子(压气机叶轮和涡轮机叶轮)与老机型相比已做了改进，能适应有关功率和加速性方面的热力学指标的要求。应用了一种经优化的涡轮机叶轮，其背部加高使热力学性能得到了优化。由于空气动力学更加有效，因此即使惯性矩稍有增加，但效率提高了4%，因此这种废气涡轮增压器在低转速范围内的加速性得到了明显的提高，而且高转速范围内流经涡轮的流量也能增大。

由于发动机的装配状况已有所变化，因此铝制压气机壳根据具体情况已重新设计，出气弯管、消音器壳、电控倒拖旁通空气阀、活性碳罐和增压压力调节阀都直接集成或用螺栓连接在压气机壳上。

紧接着压气机出气口装有一个脉动消音器，它能够减小各种压力脉动。在流体机械上，这种压力脉动的频率取决于叶片的数量，并对发动机噪声产生不利的影响。临界频率大约在2400Hz或5000Hz，只有采用双腔消音装置才能满足高消音效果的要求。1型和2型(批量生产用)消音器的消音效果如图15所示。

(2)进气模块

现有2.0L-147kW-TFSI增压分层直喷式汽油机的进气模块零件在热力学和成本方面已经过优化，可以用于该机型新设计的进气模块。这种新型的进气模块总成(见图16)，除了基体之外，还包含有滚流阀及其用于操纵滚流阀的附件，例如气动执行器、开关阀和滚流阀位置反馈传感器等，另外进气模块总成还包括了节气门以及活性碳罐导管和燃油管道，这些部件都用自攻螺钉方式固定在基体上。为了使进入进气管的气流达到最佳的均匀分布，将汽缸体曲轴箱通风和活性碳罐通风的引入口位置布置在节气门后面的直通空气管道上。

进气模块基体自身是由上下两半壳体组成，其模具分型面的选择使焊缝避开气道或滚流阀轴承范围，以防止由于上下两半壳体的错位而引起空气流动的不连续性，这是采用将滚流阀板插在模具中以后再进行注塑的方法来实现的。同时，采取在基体上下表面附加加强筋、局部加大壁厚以及优化焊缝分布位置等措施来提高基体的破裂强度和改善其声学特性。

由于基体选用了35%玻璃纤维加强的耐高温PA66 GF35高强度尼龙作为材料，为实现非常大的气门重叠提供了前提条件。当然，对滚流阀的材料要求同样也较高，为了将气流正确地导入汽缸盖，滚流阀位于进气管靠近汽缸盖的一端，同时为了提高耐高温性，必须将滚流阀板连同转轴一起做成一个零件，而且这样还能够获得高的扭转刚度。正是出于这样的原因，滚流阀轴及其操纵杠杆都采用PPS工程塑料作为材料。

由于至今滚流阀仍布置在进气道中，因此现在采用了一种流动优化的高刚度簸箕形滚流阀，其形状设计得与进气道内壁贴合得较好，关闭时能使其周围不留孔隙，从而可使产生的进气滚流更强烈，而在其打开的时候又不会妨碍进气流动，增加流动阻力，因此与2.0L-TFSI机型相比，其滚流强度提高了20%。

就热力学而言，滚流阀可以放弃中间位置的调节，因而开与关两个位置的气动调节器就足以能够满足要求了。但是，由于放弃了电控调节器而又应用了塑料滚流阀轴，因此为了诊断的需要必须应用一个反馈滚流阀位置信息的传感器，它被安装在执行器对面滚流阀轴的自由端。

(3)燃油系统

该机型燃油系统的所有零件和功能模块都体现出了FSI最新的技术状态，并在2.0L-TFSI汽油机的基础上得到了进一步的发展。

在开发燃油系统的时候特别重视在全球市场范围内的使用适应性，这除了对现有燃油的适应性之外，还必须满足有关车载诊断系统(OBD)和防止燃油蒸发等方面的要求。为了提高耐腐蚀性能，燃油系统的所有零件都用不锈钢和黄铜制成。除了高压喷油器之外，燃油系统其余的密封部位都是焊接或用金属密封的。系统无回油，并第一次取消了低压传感器，系统的低压输油压力为0.35～0.60MPa。

该机型应用了博世(Bosch)公司生产的泵油量可按需调节的高压燃油泵(HDP)，泵油压力已提高到15MPa，比2.0L-TFSI汽油机提高了4MPa。油量控制阀与限压阀同样都集成在高压燃油泵上(见图17)。限压阀能限制系统压力过高，例如在发动机倒拖运行或停机后加热阶段就可能出现这种过高的系统压力，但与2.0L-TFSI汽油机不同的是，这里不是在低压油路内而是直接在高压燃油泵的泵油腔内限制燃油压力。一个金属制成的大尺寸燃油稳压器承担平抑低压油路内压力波动的功能。

高压燃油泵通过一个滚轮式挺柱来传动，并第一次采用方形四角凸轮驱动，这样就能够通过调整4个凸起的相位，将这4个“油泵凸轮”布置成好象4个“气门凸轮”，并与进排气凸轮相位错开，从而使配气传动机构中的链条力最多能降低30%，另外还有一个优点是能减小凸轮升程，2.0L-TFSI汽油机上采用一个升程为5mm的三角凸轮，而该机型则应用一个升程为3.5mm的四角凸轮，由于升程较小，每次供给燃油共轨的单次体积油量就较少，因此在高压范围内的压力波动也就较小，同时喷油器的计量精度也得以改善，因为每次喷油都对应着一次供油行程。

与2.0L-TFSI汽油机相比，高压燃油泵的供油频率提高了33%，因此油量控制阀(MSV)必须重新设计。通过油量控制阀中电磁线圈磁回路的优化，使得油量控制阀的工作频率最高可达到每分钟14800次行程，而在2.0L-TFSI汽油机上该频率仍被限制在每分钟10000次行程。在进油阶段，由于低压油路的输油压力与油泵柱塞向下运动而造成的压力差，燃油流入泵油腔，此时油量控制阀不通电，在其弹簧作用下将进油阀顶开。而在紧接着的压油阶段期间，燃油首先仍通过被油量控制阀保持开启的进油阀回流到低压油路，一旦油量控制阀通电将进油阀关闭，燃油就开始被泵入燃油共轨。此时，油量控制阀通电只是释放进油阀而使其在自身弹簧压力的作用下关闭，由于油泵柱塞上行压挤燃油，在油压作用下进油阀继续保持在原始关闭状态。

将高压燃油从油泵输送到燃油共轨的高压油管,与燃油共轨一样也是焊接结构。由于采用方形四角凸轮驱动，使得燃油压力波动较小，因此燃油共轨的容积可以从130cm3(2.0L-TFSI汽油机)减小到80cm3，于是在发动机起动和从倒拖运转恢复到正常运转的情况下，燃油共轨中的油压建立得比较快，同时其较小的内表面对强度、质量、所需的结构空间和成本等方面都起到了有利的作用(见图18)。

采用印刷电路板技术的共轨压力传感器直接拧在燃油共轨上，其检测范围高达20MPa，而且外形尺寸也要比老型号混合电路传感器的小，同时还能够直接编程不同的特性曲线。

10.发动机性能的改进

该机型的换气和燃烧过程是以2004年已批量生产的2.0L-TFSI汽油机为基础的，但是许多部件都已经过仔细的改进，开发的重点是改善起步扭矩，特别是动态扭矩的建立。该机型继承了2.0L-TFSI汽油机的燃烧室形状，其进气道同样也是滚流气道，而压缩比则考虑到按燃用辛烷值95(研究法)进行设计而适当降低到9.5。除了精细地优化滚流阀之外，还采取了新的配气正时策略，对换气过程进行了较大的改进，并在批量生产中采用多孔喷油器，应用了新型的多油束和双次喷射技术。为了在低转速时获得较高的平均有效压力，混合汽形成和燃烧过程必须满足特殊的要求。

(1)燃油喷射

该机型运用了多孔喷油器技术，以便能够明显地改善混合汽的均质化。通过喷孔数目、单个喷孔几何形状、单个分支油束锥角和方位的选择，并与喷油压力相结合，多孔喷油器(见图19)可以提供多种多样的匹配可能性，为此进行了广泛的试验研究来验证为数众多的开发目标对喷油系统设计参数的敏感性(见图20)。在喷油器的开发过程中，除了进行压力罐试验和石英玻璃单缸发动机试验之外，计算流体动力学(CFD)计算也是一种非常有价值的辅助方法。试验研究已证实，在选定的10MPa喷油压力下静态流量为15cm3/s时，采用6个喷孔和最短喷孔长度的喷油嘴结构型式是最有利的，而选择最大喷油压力为15MPa则使得喷油器能够实现最小和最大喷油量之间大的喷油量跨度，并从而能获得对喷油定时进行精细优化的空间，这样就使得发动机低负荷时最小油量的混合汽形成和高负荷时改变喷油参数的可能性都能够解决得比较理想，特别是全负荷工况的混合汽形成得到了明显的改善，降低了燃油耗和排放。由于混合汽良好的均质化，即使在不利的边界条件下也避免了出现例如提前着火之类无法控制的燃烧过程的倾向。

同时，还通过应用双次喷射使得混合汽均质化获得了更多的优点。由于将燃油量分配到进气行程和压缩行程分两次进行喷射，促进了燃油与周围新鲜空气更均匀的混合。但是，当年可应用双次喷射的范围尚受到限制：负荷太低时受到喷油系统最小喷油量的限制，而3000r/min时又受到电控单元输出功率及再充电时间的限制。当然，现在由于喷油器和电子控制技术的进一步发展，这些限制已不成问题了。

(2)充量运动

在汽油发动机受爆燃制约的特性曲线场范围内，低转速和高平均有效压力工况必须具有高的燃烧稳定性，其中滚流阀的控制起着十分重要的作用。通过关闭滚流阀使进气充量产生的高强度滚流运动能明显改善混合汽的形成(见图21)。当滚流阀完全打开的时候，在与进气同步喷射时充量流动使燃油喷束向下朝活塞运动，并且液态燃油滴碰到活塞顶面，而当滚流阀关闭的时候，强烈的充量滚流运动将燃油束包裹起来，燃油量中很少有呈液态状的，到点火时刻时已形成了非常有利的均匀的λ分布。

在从怠速一直到3000r/min的特性曲线场范围内，滚流阀是始终关闭的，以便确保良好的混合汽形成和稳定的燃烧，这样就能够在部分负荷时应用高的残余废气含量稳定运行，并保持高的燃烧效率，而在高负荷时，由于强烈的充量运动而获得良好的均质化，使燃烧速度提高，从而使50%能量转换点出现在较早的相位，Pmi的标准偏差也明显减小，因而奥迪轿车在保持低噪声运行的同时首次达到了如此高的平均有效压力。

(3)稳态全负荷特性

该机型采取上述优化措施的良好效果反映在全负荷特性曲线上(见图22)，在1000r/min转速时的扭矩就已经达到了165N·m，而在1500～4200r/min范围内始终保持着最大扭矩250N·m，并在5000～6200r/min非常宽广的转速范围内都能发出最大功率118kW，因此能够获得低燃油耗的变速器传动设计，并具有运动型汽车的特点。发动机排量小型化后在平均有效压力方面的提高非常明显(见图23)。由于在2.0L-TFSI汽油机上应用了汽油直接喷射技术，与采用进气道喷射技术的老的增压汽油机相比，低转速时的平均有效压力得到了非常明显的改善，而新型1.8L-TFSI汽油机的开发则通过优化缸内充量运动使起步扭矩得到了进一步的提高，特别是在动态扭矩建立方面的改善更加显著，这对提高汽车加速性能非常重要。

(4)动态加速性能

图24示出了在2000r/min转速时负荷突变的情况。1.8L-TFSI汽油机达到全负荷的时间缩短到了1.2s，而进气道喷射的老机型1.8L-T-MPI增压汽油机则需要1.6s。若考察达到1.5MPa平均有效压力所需要的时间间隔，则当将1.8L-T-MPI汽油机调换成2.0L-TFSI汽油机后加速时间缩短了0.4s，而新型的1.8L-TFSI汽油机还能再减少0.4s，已缩短到了1s以下，因此这种新型汽油机在改善动态性能方面取得了很大的进步，这对用户来说是非常有利的。

由于1.8L-TFSI汽油机的稳态和动态扭矩建立得较快，因此汽车能够选择一个具有较大速比范围的变速器，从而获得良好的行驶动力性。图25示出了其在最高两个挡位时的新欧洲行驶循环(NEFZ)燃油耗和机动性，并与2.0L-TFSI汽油机和老的1.8L-T-MPI进气道喷射汽油机进行比较。与1.8L-T-MPI汽油机相比，1.8L-TFSI汽油机的行驶动力性稍有改善，但燃油耗降低了0.8L/100km,这相当于在舒适性明显提高和驾驶机动性得到改善的同时燃油耗却降低了9%。

1.8L-TFSI汽油机是2004年首次推出2.0L-TFSI汽油机以后奥迪公司汽油机战略的一个里程碑，并再次显示出增压直接喷射汽油机未来具有非常大的潜力。

二、第三代1.8L-TFSI机型

2009年大众奥迪公司又对EA888汽油机系列1.8L-TFSI增压分层直喷式汽油机进行了多处摩擦优化成为其第二代机型，继而于2011年再次推出了经进一步广泛优化并装备奥迪可变气门定时和升程机构(Avs)机构的第三代1.8L-TFSI机型。这种最新一代机型已经过全新的修改，应用了众多的创新技术，例如集成在汽缸盖中可冷却废气的整体式排气歧管；具有缸内直接喷射和进气道喷射的双重喷油系统以及采用双凸轮轴相位调节器的可变气门机构；应用新型的全电动冷却液调节实施创新的热管理；通过不断地降低摩擦功率、进一步开发燃烧过程以及采用单涡道涡轮增压器和电动废气放气阀等新的增压技术，使得有效功率和燃油效率达到了一个新高度，并能满足世界未来最严格的废气排放标准。

第三代EA888-1.8L-TFSI汽油机的开发目标是：①以高的通用化率开发1.8L和2.0L机型的模块化组合部件；②搭载于大众集团所有的发动机横置和纵置汽车平台上；③降低机内摩擦；④改善功率、扭矩和燃油耗；⑤进一步改善舒适性；⑥为未来的废气排放标准(如欧Ⅵ)作好准备；⑦为应用于所有市场作好准备；⑧提高耐久性适应不断增长的混合动力化和应用于这些新兴国家；⑨进一步减轻质量。

第三代机型继承了久经考验可靠的带有兰开斯特(Lancaster)平衡装置的曲柄连杆机构，并进一步改善了发动机内部摩擦，为此再次减小主轴承直径，平衡轴部分采用滚动轴承以及优化包括可调式机油泵在内的压力机油循环回路。

为了改善扭矩特性，继承了2.0L老机型可靠的可变气门机构，并附加集成了排气凸轮轴相位调节器。由于1500r/min转速时的扭矩高达320N·m，因此具有卓越的行驶性能，而且特别是因匹配了合适的变速器速比也达到了较低的燃油耗。

为这种新一代汽油机开发了一种全新的汽缸盖，而且在这种功率和扭矩等级机型中首次将通往涡轮增压器的排气管集成到这种汽缸盖中。这种水冷整体式废气冷却对降低全负荷燃油耗能起到了决定性的作用。

为了智能控制发动机的热流量(热管理)开发了一种新型的旋转滑阀模块，用于全电动冷却液调节，例如在发动机暖机运转阶段，能够将发动机冷却液进口完全关闭或者将冷却液调节到最小的体积流量，而在热机运转状态下能够根据负荷要求和外部环境条件迅速而全可变地调整到不同的温度水平。

为了满足未来欧Ⅵ排放标准，奥迪公司首次开发了一种具有缸内直接喷射和进气道喷射的双重喷油系统，通过自由选择喷油模式能够在宽广的特性曲线场范围内降低颗粒排放，而且还降低了燃油耗。

这种新机型的基础发动机进一步开发的重点是在减轻发动机质量的同时明显地降低摩擦功率，同时即使必须具有大的功率和扭矩跨度(从基本机动性到高机动性的跨度)，但仍能实施通用件最多的开发策略。这种新机型虽然附加采用了降低CO2排放的众多措施，但是质量再次明显减轻，其中壁厚仅3mm的薄壁汽缸体曲轴箱、质量优化的曲轴、将排气歧管集成在汽缸盖中的整体式废气冷却、塑料油底壳和应用铝合金螺钉等措施起到了决定性作用。表2中列出了第二和第三代1.8L-TFSI汽油机最重要的尺寸和特性数据的对比。

1.汽缸体曲轴箱

为了进一步减轻汽缸体曲轴箱的质量并减小其毛坯的误差，铸造工艺从传统的卧式浇注改为立式浇注，汽缸体曲轴箱的标准壁厚从3.5±0.8mm缩小到3.0±0.5mm，同时通过铸造泥芯组合具有较大的自由度，能将更多的功能集成到汽缸体曲轴箱中，机油粗分离器的功能就已集成到汽缸体曲轴箱中，这样就能省掉用螺钉紧固的机油粗分离器及其安装到汽缸体曲轴箱上所必需的法兰平面，因此汽缸体曲轴箱的质量总的减轻了2.4kg。

表2 第二和第三代1.8L-TFSI汽油机的主要尺寸和特性数据的比较

2.曲柄连杆机构和平衡轴

为了减小摩擦，曲轴的主轴承直径已从52mm缩小到48mm，同时平衡块的数目也从8块减少到4块，从而使曲轴质量减轻了1.6kg。活塞采用了一种新开发的改善强度的合金，并已将活塞的间隙放大而降低了摩擦，而且活塞裙部涂有含有毫微米级颗粒的抗磨涂层。

平衡轴的设计方案已改成滚动轴承(见图26)。特别是在机油温度较低的情况下，由于平衡轴采用了滚动轴承，摩擦功率明显减小。此外，通过系统精细的优化，在质量平衡的同时，系统质量减轻了20%，旋转惯量减小了30%。

3.机油循环回路

为了减少可调式机油泵的功率消耗，在发动机上采取了以下措施：①减少因机油温度变化所引起的体积变化；②减少压力机油通道的压力损失；③将机油压力水平降低到0.15MPa这样低的压力等级；④将低机油压力等级的运转范围一直扩展到4500r/min。

除了进一步提高可调式机油泵的效率之外，还将传统弹簧力控制的活塞冷却机油喷嘴改为电控转换式系统(见图27)。在通电状态下，电控阀将通往机械式转换滑阀背后的小控制通道打开(活塞冷却机油喷嘴关)，从而电控阀能以很小的结构空间和低成本发挥作用。在电控阀断电的状态下，通往机械式转换滑阀背后的小控制通道关闭，机械式转换滑阀因正面承受机油压力而移动打开通往活塞冷却机油喷嘴的第二条机油通道(失效保护)。这两个阀直接安装在辅助设备支架上机油冷却器和机油滤清器的后面。这种新系统能够体现出电控单元满足活塞冷却和热管理以及热力学需求的重要意义，它通过自身的机油压力开关来进行诊断。

综上所述，这种最新一代汽油机通过在基础发动机上所采取的所有减少摩擦的措施，大大降低了摩擦损失，重新确立了4缸增压汽油机的摩擦功率分布带。(未完待续)