大众公司EA111和EA112系列1.4L燃油分层直喷式汽油机(三)

◆文/江苏 范明强

(接上期)

2.复合增压法

(1)增压装置的设计

如果不考虑低速扭矩，那么废气涡轮增压非常适合在适当的排气背压下使发动机获得高比功率，而机械增压则首先由于其具有良好的响应特性而适合应用于低转速区域。若废气涡轮增压附加机械增压作为辅助，则能将两者的优点结合起来，彼此相互取长补短，其基本原理已众所周知，图43是这种复合增压系统的工作原理示意图。

为了使机械增压器能够接合和脱开，在冷却水泵模块中集成了一个电磁离合器，机械增压器由曲轴通过皮带传动。在低转速范围内，当需要辅助废气涡轮增压器时就接合运转，而在高转速工况下，废气涡轮增压器能够独立提供足够的增压压力，因而此时空气调节阀打开，机械增压器脱开并停止运转。

如图44所示，在稳态运转的工况下，只有在2400r/min以下的高负荷范围内才需要机械增压器运转工作。因为在此运转范围内，根据所选择挡位的不同，废气涡轮增压器总是有所滞后才能达到其额定增压压力，需要机械增压器较长时间的接入工作，但最迟当发动机转速达到3500r/min时就要脱开停止工作，因为此时机械增压器在5:1速比下将达到其最高转速18000r/min。与此同时，废气涡轮增压器开始从助力运转状态逐渐动态过渡到全负荷运转状态，并单独提供状态过渡所需要的增压压力。

由于采用了这两种增压方法，废气涡轮的流通能力得到了较大的提高，从而降低了发动机的排气背压。但是，另一方面还尽可能地使机械增压器的接合频率低一些，接合运转持续时间短一些，以免增加其增压运行所消耗的传动功率而使燃油耗提高得太多。除此之外，还必须确保在稳态和动态运转时发动机扭矩特性曲线的连续。

当发动机的转速为1500r/min时，稳态全负荷时的最大增压比约为2.5，此时废气涡轮增压器和机械增压器在大约相同的压比下运转(见图45)。而与之相比，无机械增压辅助的涡轮增压汽油机在该运转工况下所能达到的增压比就要小得多。这是因为有机械增压的辅助，其在低转速范围内进气空气流量大大提高，废气涡轮能够获得较多的废气能量，因而有助于提高废气涡轮增压器压气机的工作能力，这样就能尽早地打开旁通道以减轻机械增压器的负荷，因此机械增压器的运行范围只局限于万有特性曲线场中很小的范围内，并且在大多数情况下功率消耗得很少。

废气涡轮增压器设计成在发动机低转速范围内，全负荷运行线靠近压气机的喘振线(见图46)，此时压气机已经具有较高的效率，有助于废气涡轮增压器获得顺畅的加速性能，直到发动机转速在2000r/min内时，废气涡轮增压器和机械增压器的总增压比能使前者的压气机远离喘振线。单级涡轮增压因其压气机运行范围有限而不适合力争达到全负荷目标值，但因为有了机械增压器的辅助，所以就能设计涡轮增压器在标定功率时具有较高的效率，从而使其增压压力和排气背压都较低，并使涡轮增压器具有幅度较大的海拔高度储备。

图47是在发动机试验台上模拟转速升高时所测得的瞬态扭矩提升曲线，这相当于汽车挂第3挡时的全负荷加速过程。在没有机械增压器辅助而只有废气涡轮增压器单级增压的情况下，大约0.5s以后进气管中才能建立起规定的压力，而扭矩目标值(100%)在大约4.8s以后才能达到。除了增压压力建立滞缓以外，由于废气涡轮增压器动力学方面的原因所导致的扭矩提升的不连续性，会使司机感觉很不舒服。

在与机械增压器共同工作的情况下，这种运行特性基本得到了改善。一旦机械增压器接入工作，就有助于进气管压力的提升，因而扭矩特性曲线的提升梯度也要比废气涡轮增压器单级增压时陡得多，而且这样的提升梯度会一直保持到进气管中的压力达到规定值为止，并且扭矩特性曲线的提升一直到达到目标扭矩为止都是连续的。因此，这种增压发动机的运转主观上使人感觉好像是排量很大的自然吸气发动机一样。

(2)增压空气冷却设计

增压空气冷却器与水箱和空调冷凝器组合成模块式结构，其充分利用了汽车正前方的空间。由于采用了高效率的增压空气冷却器，从废气涡轮增压器压气机一直到节气门这一段路程，增压空气被冷却到只比环境温度高5℃，这样就能够将25℃进气温度作为基本设计参数，因此发动机能够在宽广的万有特性曲线场范围内以燃油耗的最佳点火正时运转。

由于扭矩特性曲线是从1750r/min起就能达到其最大值240Nm，并选择了表3中所示的变速器速比，因此能够在获得非常突出的燃油耗的同时具有优良的动力性。图48上给出了该机型搭载于大众高尔夫(Golf)轿车在新欧洲行驶循环(NEDC)中5挡和6挡的换挡加速性(80～120km/h)及其燃油耗。从图中可以清楚地看到，与排量较大的发动机相比，1.4L-TSI汽油机在具有最佳加速性的同时，仅7.2 L/100km的燃油耗也是最低的，而且与其他竞争机型相比，这种功率为125kW的TSI汽油机的燃油耗已成为乘用车汽油机发展的新的里程碑(见图49)。

表3 搭载1.4L-TSI-125kW汽油机的高尔夫GT轿车的变速器速比

3.燃烧过程

1.4L-TSI汽油机缸径为76.5 mm，行程为75.6 mm，具有一个十分紧凑的燃烧室，汽缸盖一侧呈屋顶形，火花塞中央布置、活塞顶上有一个浅而宽大的凹坑。这种燃烧室的基本几何形状具有最佳抗爆性，即使增压压力高达0.25MPa也能采用10:1的压缩比，从而获得超群的发动机性能指标：①平均有效压力为 2.16 MPa；②比扭矩为172.6 Nm/L；③比功率为90 kW/L。

1.4L-TSI汽油机采用充量运动滚流阀。该阀位于进气道下部，工作时将进气道流通截面关闭50%，其产生的充量运动滚流强度适合于在发动机整个万有特性场范围内获得最佳的燃烧速度。从大约2800r/min转速起滚流阀完全打开，进气道获得全部的流通横截面，两个进气道设计成能随转速的升高不断优化流动而得到高的汽缸充气量，从而实现125kW的目标功率。

1.4L-TSI汽油机为了加热催化转化器，采用了两次喷油策略，即在进气行程期间第一次较早的喷油和在点火上止点前(大约50°曲轴转角)第二次较晚的喷油。在确保发动机具有良好的运转平稳性的情况下，为了获得尽可能大的废气热流所必需的极其晚的点火角，对空气运动参数、活塞顶燃烧室凹坑几何形状和高压喷油器油束形状进行精确地匹配是十分重要的(见图50)。同时，在发动机均质运行时，对活塞顶燃烧室凹坑设计提出了彼此相互矛盾的要求，即为了减少全负荷时活塞的热侵入和避免形成HC温床而要求活塞顶面积尽可能小，从而产生很多可能的活塞顶几何形状。根据计算流体动力学(CFD)模拟结果，从中挑选出几种最有希望的方案，并在发动机试验台架上进行比较，这样就能大大减少燃烧过程开发中发动机试验的工作量。

1.4L-TSI汽油机第一次采用了具有6个喷孔的多孔式喷油器(见图51)。与自然吸气的FSI汽油机一样，该喷油器布置在进气道与汽缸盖密封平面之间的进气道一侧。这种6孔高压喷油器的单个油束几乎可以自由选择布置形式，能够形成不同于传统旋流式喷油器的油束形状，并避免了进气行程早期喷油沾湿已打开的进气门，有利于空气-燃油混合汽更好地均质化，从而减少HC的排放和循环波动。

从大众公司自制的压力罐拍摄的雾化油束照片可以清楚地看出，无论在侧视图还是正视图上，这种6孔高压喷油器形成的是单个油束。由于喷孔独特的几何形状，成功地减小了油束的贯穿度，能够有效地避免燃油沾湿燃烧室表面，有利于降低发动机冷态时的原始排放。

此外，在使用加热催化转化器时，应用激光感应荧光测试技术(LIF)拍摄到在燃油束激光截面(距离喷油器顶端30mm处)上的液态和汽态燃油的分布状况(见图52)，可以清楚地看出在6个分支油束中燃油浓度较高，而在整个油束中间不断地进行着燃油-空气混合汽的均质化。对于活塞顶壁面导向的第二次喷油加热催化转化器而言，单个油束良好的局部均质化和合适的贯穿度组合，为发动机平稳运转并降低原始排放提供了前提条件。

从怠速运转到升功率达到90kW/L的全负荷工况，形成了从最小到最大喷油量很大的跨度，为了使怠速运转时的最短喷油持续时间大于喷油器容许的最短喷油时间，并保证足够的雾化油束，从而形成良好的混合汽，要求以6MPa的喷油压力进行喷射。

为了在全负荷条件下获得较低的排放和燃油耗，一方面喷油不能太早，以保证喷到活塞顶上的油量尽可能少；另一方面又必须从喷油结束到燃烧开始为混合汽的准备留有足够的时间，因而，特别在高转速运转工况下，由于喷油持续时间受到了限制，只有将喷油压力提高到15MPa才能获得较低的排放和燃油耗。

由于采用了上述措施，获得了图53所示的燃油耗特性曲线场，在宽广的范围内具有非常低的比油耗值，其中燃油耗的最佳点为235g/kWh，处于相当突出的水平。图中示出的公路行驶部分负荷曲线表明，即使在汽车高速行驶工况下，发动机仍工作在比油耗较低的运转工况点上。

4.发动机控制

TSI汽油机的电子控制系统是大众公司在自然吸气FSI汽油机电控单元的基础上进一步开发而成。这种发动机电控系统是一种传感器导向的控制系统，借助于压力传感器来采集发动机充气信息。同时，在双重复合增压汽油机上第一次应用了相位可调节进气凸轮轴，并且进气空气需求量的变化幅度较大，这些都必须以精确的数学模型计算为基础以调节来作为前提条件。

(1)负荷的调节

在MED9.5.10电控系统的扭矩控制结构中，驾驶员所要求的扭矩值由对应的空气质量换算成额定的进气管压力。在自然吸气运转情况下，该额定值只由节气门和进气凸轮轴相位调节器来调节，而在增压运转情况下还取决于机械增压器及其电磁离合器和空气调节阀，以及废气涡轮增压器的废气放气阀的相互配合。

相对于机械增压而言，废气涡轮增压在能量利用方面更为有利，因此在要求的增压压力下，通常要先查明废气涡轮增压器能否单独提供所要求的增压压力，如果废气涡轮增压器不能单独提供所要求的空气质量，那么就要根据需求附加接入机械增压器。在发动机电控单元增压压力计算模型中，借助质量、流量对涡轮增压器的冷端(压气机)和热端(涡轮机)进行效率修正计算，如考虑通过废气放气阀的放气量。同时，在使用机械增压器空气调节阀的情况下，借助机械增压器效率算出由机械增压器提供的增压份额，通过精确地识别这两种增压装置的增压度，就能确定需要参与工作的相关执行器的参数和发动机运转的基本参数。

①机械增压器离合器的控制

机械增压器是通过与冷却水泵组合成模块的电磁离合器来接合或脱开的。考虑到用户的舒适性，电磁离合器的瞬时无冲击接合或脱开非常受重视。另外，除了考虑机械增压器消耗的扭矩之外，还必须考虑离合器空气隙因摩擦片磨损而发生的变化。若要满足如此高的要求，则取决于离合器内部电磁线圈在时间上的精确控制，其由电控单元发出的脉冲信号宽度调节来达到。电磁离合器空气隙大小的差异由附加的电流测量来识别，从而确定离合器接合的精确时刻。当借助自适应程序来考虑用于电磁离合器接合或脱开的修正量数据时，由于要确保机械增压器的运转转速不能超过其允许的最高转速18000r/min，因此，在控制电磁离合器的相应软件模块中集成有脱开和故障诊断策略程序。

②用空气调节阀调节机械增压器的工作能力

机械增压器的工作能力及其增压压力是由空气调节阀来调节的。当机械增压器工作运转时，空气调节阀关闭，空气滤清器后的进气空气被导向机械增压器。

这种TSI汽油机的重要开发目标是在低转速范围内也能迅速提升增压压力(见图54)。增压压力的提升直接受到空气调节阀关闭速度的影响。当需要机械增压器达到最大工作能力时，该空气调节阀能够在0.2s内关闭。此时，必须将空气调节阀的关闭和机械增压器的接合在时间上精确地重合，从而在任何时刻都不会出现增压压力的跌落，使司机感觉不出有任何扭矩的损失。

③废气涡轮增压器的调节

废气涡轮增压器是通过改变进入涡轮机的废气质量流量来调节，使得涡轮机的工作能力与运转工况点的需要相匹配。所必需的涡轮机的工作能力直接取决于压气机的工作能力，而后者在电控单元内部的计算模型中是由所需的压气机压比和效率特性曲线场算出的。

当废气涡轮增压器必须要在最大工作能力下运转时，通过压力膜盒中的弹簧将废气放气阀关闭，此时由发动机提供的全部废气质量流量流经涡轮。同样，当废气涡轮增压器所需的工作能力降低时，通过电控单元中涡轮侧的计算模型，借助于效率算出必需流经涡轮的废气质量流量、废气放气阀的额定位置以及控制其行程的脉冲调制阀的控制信号，再由脉冲调制阀将废气放气阀压力膜盒中压力调节到相应压力，从而将废气放气阀调节到所希望的位置。为了控制电动的倒拖旁通空气阀，必须对废气涡轮增压器前后的压力进行分析。与普通单级增压发动机的压气机进气侧基本接近环境压力不同，这种TSI汽油机在机械增压器运转工作期间，废气涡轮增压器较晚达到喘振极限，现已通过修改迄今为止批量生产所应用的软件功能将这种新的要求考虑进去。

(2)降低排放措施及其排放等级

由于采用了铸钢排气歧管和为这个目的而专门开发的催化器涂层，这种TSI汽油机能长期在废气涡轮增压器前高达1050℃的废气温度下持续运转，这样高尔夫轿车就能选用第6挡速比并应用过量空气系数λ=1的混合汽以高达200km/h的车速行驶。因此，这种TSI汽油机在高负荷工况下也能采用以化学计量比混合汽运行的稳定耐用的燃烧过程，这样既无需为了降低零部件温度而加浓混合汽，达到了节能减排目的，而且又可采用简单的两点跃变式氧传感器作为前置催化器的氧传感器。

如同大众公司自然吸气FSI汽油机一样，新的1.4L-TSI汽油机也采用高喷油压力启动。当燃油系统中的压力大约达到2.5MPa时才开始进行第一次喷油，因此即使发动机尚处于冷却状态，但由于其已经具有良好的混合汽准备，只需要较少的油量就能顺利启动，从而获得较低的原始排放。汽油直接喷射能够采用双次喷射使催化器迅速热起来，同时将废气涡轮增压器与催化器之间的排气连接管改用空气隙绝热的双层中空排气管，能补偿因采用废气涡轮增压器所造成的部分温度损失。

通过上述各种降低排放的措施，新的1.4L-TSI汽油机能够既可靠又低成本地达到欧Ⅳ排放标准。

总而言之，大众公司在1.4L-TSI-125kW直喷式汽油机上，首次大批量采用废气涡轮-机械复合增压器，使汽油直接喷射技术得到进一步发展。通过发动机小型化、缸内汽油直接喷射和增压技术的组合应用，使这种汽油机获得了卓越的性能，其首次搭载于高尔夫GT轿车，因低燃油耗及行驶舒适性而倍受瞩目。高尔夫GT轿车的新欧洲行驶循环燃油耗只有7.2L/100km，在125kW功率等级的轿车中是独一无二的。令人折服的扭矩特性曲线在1750～4500r/min的转速范围内保持高达240Nm的最大扭矩不变，从而获得了卓越的驾驶动力性。如此丰满的扭矩特性曲线是通过机械增压器和废气涡轮增压器的绝妙组合而达到的，而这些部件之间相互的精确配合是通过大众公司自行开发的调整和匹配策略实现的。在满足苛刻的排放法规要求的同时，获得了高动力性和非常优异的燃油经济性，为大众公司这些新车型的未来提供了良好的机遇。(未完待续)