Audi公司新型2.0L-R4-TFSI缸内直喷式汽油机

【德】 R.Budack R.Wurms G.Mendl T.Heiduk

产品介绍

Audi公司新型2.0L-R4-TFSI缸内直喷式汽油机

【德】 R.Budack R.Wurms G.Mendl T.Heiduk

新一代2.0L涡轮增压缸内直喷式汽油机搭载于A4系列车型首次亮相。Audi公司为了提高热效率采用进一步开发的米勒(Miller)燃烧过程，使均质运行况状下的汽油机的最低比燃油耗达到了220g/(kW·h)。

汽油机 米勒循环 能量转换

1 加长膨胀行程

在直列式四缸涡轮增压燃油分层喷射(TFSI)发动机的发展中，通过发动机低速化和小型化已取得了显著的节油效果，但是为了降低燃油耗而进一步减小排量将受到技术和成本的限制。Audi公司开发的新型2.0L-TFSI发动机表明，除了进一步减小排量之外，还可以通过改变工作过程进一步使TFSI技术既能降低燃油耗又能提高动态性能。这种提高效率的前提条件是加长膨胀行程，通过优化的米勒(Miller)循环与在加大排量的同时，明显加大压缩比来实现这种转化。理论上的推导和实践都证实，所获得的指示效率的改善足可补偿因行程加大而引起的摩擦增大。本文介绍了相关的理论基础、燃烧过程的设计及与第三代EA888发动机相比基础发动机的变化。

2 TFSI发动机的发展历史

2004年，Audi公司向欧洲和北美地区(NAR)市场推出2.0L-EA113机型，这款TFSI发动机首次采用涡轮增压和缸内直接喷射组合技术并已投入量产[1-2]，从此开创了这种技术趋势，并一直延续至今。

2008和2012年Audi又推出了第2代和第3代产品，同样也包含了多样的技术创新(图1)，而下一个技术步骤的核心是在第3B代EA888机型上采用1种新的TFSI燃烧过程，它将有助于继续推进燃油耗和性能的改善和提高。

图1 Audi公司R4-TFSI发动机发展历史[3-7]

3 开发目标

第3B代2.0L-EA888机型替代第3代1.8L-EA888机型，其功率等级为125～147kW。开发新机型的初期目标是显著降低燃油耗，改善动态扭矩的建立，为满足未来全球废气排放标准作好准备。

考虑到现有车辆在不同行驶循环中的负荷型谱，有将负荷转移到更高的特性曲线场范围的趋势，其原因一方面是已转化的发动机低速化和小型化的程度，另一方面是行驶循环的负荷越来越高，因此进一步降低燃油耗措施的重点应在于pme>0.04MPa的平均压力范围[8]。

在此背景下，在这种新机型开发的准备阶段，应对所有的降低燃油耗技术进行广泛的前期试验研究。鉴于发动机小型化从运行工况点移动所产生的优点，显然很难再通过这种技术来进一步获得改善燃油耗。

即使是其他方面的技术，例如分层运行，特别是在优化低部分负荷燃油耗方面，仅呈现出有限的节油潜力，因此问题的核心在于怎样才能以最简易的方法在中等至更高的负荷范围内获得最佳的燃油耗。

4 过程控制

若在p-V图上考察均质化学计量比汽油机的工作过程的话，则可清楚地看到，通过加长膨胀行程能够使从燃烧直至产生机械功的能量转换过程在膨胀行程期间进行得更为有效(图2(a))。

从传统的工作过程转换到膨胀行程加长的工作过程，在利用传统的曲柄连杆机构的情况下成功地实现了与米勒(Miller)配气正时和加大排量相结合的效果。结果通过匹配配气正时和几何压缩比能够在一定程度上在p-V图上复制出所期望的工作过程。

如果计算真实指示运行工况点的附加作功面积(W=∫pdV)，那么就能根据膨胀行程加长的百分比和不同的负荷得到图2(b)所示的对应所作的功[9]。图中所示出曲线是以1台典型的传统TFSI发动机为基础得到的，并且可认为是普遍适用的。

膨胀行程加长得越多，工作过程的潜力就越大，并且随着负荷的不断增大，附加作功就继续增加。仅在非常低的负荷下才会显示出缺点，其原因是在低负荷工况点时(相当于pme≤0.1MPa)，高压过程因强烈的节流而在非常低的压力水平上开始，并且仅在接近排气压力的水平下结束，再进一步膨胀到低于排气压力而导致的负的作功面积。但是，在中等压力下，通过额外作功就能调节到有所增加。

在相同的能量转换边界条件下，不使用附加燃油增加指示功，这与提高指示效率具有相同的意义，但是为了评价有效的燃油耗优势，还必须计入膨胀行程加长后实际发动机所产生的附加机械损失。

提供1种可转换的小型化设计方案作为膨胀行程加长方案的基础。对于125～147kW功率范围和250～320N·m扭矩而言，就如今的增压技术状况而言，排量能够从1.8L降低到1.6L。图3示出了在1个负荷断面上膨胀行程加长方案相对于这种小型化方案典型的燃油耗优势[10]。在低负荷时,因摩擦较小和运行工况点的移动而存在较大的节油潜力,但是因较早出现爆燃,至此开始就可看到越来越大的燃油耗方面的缺点。以1.6L的发动机为基础，就能实施加大膨胀行程。EA888产品型谱中有 2.0L 排量的发动机，用这种机型就能将膨胀行程加大25%。按照图2(b)就能将多作的指示功补偿到该负荷断面的燃油耗上，节油潜力就能提高到虚线曲线的水平。若考虑到2.0L发动机实际上具有较高的摩擦的话，则燃油耗优势略有降低，但是与 1.8L 基础发动机相比，通常都能呈现出显著的节油效果。扭矩约从30N·m起，随着负荷的增加，与1.6L小型化发动机相比也显示出明显的节油效果。

图2 p-V图上加长膨胀行程以及根据负荷和膨胀行程加长的不同所获得的指示功

这就是说，从工作过程得到的指示燃油耗方面的好处足以补偿因摩擦而带来的缺陷。由于随着负荷的增加膨胀终了的压力提高，相对于小型化的节油潜力也随之增大。在负荷高于200N·m的情况下，因爆燃限制增大，节油潜力更超比例地增加。能量转换得越晚，在膨胀行程加长范围内所作的指示功就越大。因为其节油效果并非如同小型化那样从运行工况点的移动而得到的，而是通过工作过程效率的提高而实现的，因而也获得了更好的燃油耗。

5 燃烧过程

第一步是从单纯的几何学考察推导出燃烧过程重要的基本参数(压缩比、配气正时和增压压力需求)。

上文介绍的发动机方案是以传统1.6L发动机为基础理论上加长膨胀行程,所需的0.25MPa平均压力是采用约9.5压缩比达到的。就理论上而言(图2(a))，在膨胀行程加长的情况下，最大气缸容积增大，而最小容积(Vc)则保持不变，因而2.0L发动机的压缩比ε≈11.6。

通过米勒配气正时与加大发动机排量相结合加长膨胀行程，在理想状态其在p-V图上的换气过程与基础小型化方案是相似的，也就是说，配气正时补偿了因排量变化引起的充气差异，因而为了达到相同的绝对负荷所需的进气/增压压力也应相似。1.6L 发动机的气缸充量相当于2.0L发动机气缸充量的80%，在传统的曲柄连杆中这种状况是在上止点前后120°CA(曲轴转角)时达到的。

进气过程设计时涉及进气门关闭的时间，包括进气门早关(FES)和进气门晚关(SES)。对于这个课题曾利用电控全可变气门机构进行过广泛的试验研究[9]，其结果表明，在部分负荷时采用进气门早关与气门重叠相结合能获得最好的燃油耗。对于涡轮增压发动机而言，在全负荷时因存在更好的爆燃边界条件，即使在应用短进气过程长度时也显示出明确的燃油耗优势。

在这样的前提下，并考虑到特性曲线场中所应用的进气门开启时间点，150°CA的进气过程长度是最有利的折中。但是，在试验台上的试验研究表明，一方面由于气缸充气和有效压缩比的限制及废气扫气之间的折中，使得低端扭矩范围内的性能明显降低。所以为了达到全负荷目标更好的折中方案,可以通过将进气门开启的长度加大到170°CA来达到，采用这样的进气门开启持续时间，从基础的几何压缩比ε=11.6出发能够将有效压缩比有效降低而不会过分地限制充气。采取这些措施能够达到第3代1.8L发动机的功率和扭矩，同时与1.8L-TFSI发动机相比，能成功地将基础转速降低约 200r/min，并改善了动态性能[10]。

将进气过程长度从150°CA加长到170°CA，由于降低了消除节流的潜力并提高了爆燃倾向，因而在宽广的特性曲线场范围内出现了燃油耗方面的缺陷。这种目标冲突能够在第3B代EA888机型上的进气侧使用Audi可变气门升程机构来解决。

图3 在转速为2000r/min的负荷断面上加长膨胀行程相对比小型化的优势

这种AVS气门机构能够在部分负荷范围内实现理论上需要的10°CA较短的进气门开启持续时间，因而与涡轮增压相结合，即使在140°CA进气门开启持续时间和减小气门行程的情况下也能达到相对较高的发动机负荷，以致于在非常宽广的特性曲线场范围内能够实现进气门早关的优点。图4示出了搭载2.0L-TFSI发动机和自动变速器的A4轿车在全球统一的轻型车试验循环(WLTP)中的实例，这种行驶循环能够完全在进气门开启时间短的效果优化的进气凸轮廓线上运行，即使在试验循环之外，这种新的燃烧过程也能从Audi可变气门升程机构的可变性中获得最大的好处，因为直至 200km/h 车速时仍可使用短的进气凸轮。

图4 Audi A4轿车在全球统一的轻型车试验循环(WLTP)中和等速行驶时进气凸轮轴(140°CA和170°CA)的应用

实现理论上推导出的潜力的前提条件是如传统燃烧过程一样来实现能量转换。除了适合于基础发动机方案(1.6L小型化发动机)的燃烧重心位置之外，重要的参数还有燃烧速度和相当的烧尽程度。充量运动对于上述所有3种燃烧参数产生决定性的影响，特别是对于进气门早关(FES)方案这种充量运动首先会显著降低，这是由于进气阶段结束得早，充量运动蜕变的时间较长，而且因进气门行程减小使得充量从一开始进入气缸就阻碍形成强烈的滚流运动。除此之外，提高压缩比所需要的活塞结构又使充量难以维持滚流运动。图5将上述这些效果用充量运动的计算结果表示出来。首先因配气正时的改变，充量运动的大小在其他配置相同的情况下降低到约25%，从这个水平出发，通过开发新的进气道，成功地将滚流提高到超过原先值的50%。另一个必要措施是应用进气门导气屏，在小气门行程时通过气门上侧引导所有的进气空气质量流，从而特别是在气门关闭阶段再一次成功地授予充量运动明显的动量，而活塞顶形状的优化又能继续有助于支持充量运动。通过上述的优化步骤，综合效果使充量运动又提高到第3代2.0L发动机的水平。

图5 第3B代2.0L-EA888发动机充量运动的开发

正是在高压缩比的情况下燃烧室的设计具有重大意义，因为例如因必需的气门凹陷就需要高的活塞结构，并且易于发生强烈的裂缝[9]，这对于充量运动、燃烧、燃油耗和排放都具有不利的影响。在持续不断的开发中，结合压缩比ε=11.0～12.0的各种不同折中状况，已对活塞形状和气缸盖上的燃烧室进行了广泛优化。

首先与基础气缸盖的组合表明，在考虑到全负荷目标值的情况下压缩比被限制在11.2。为了按照已被证实的推论进一步提高压缩比以提高效率，对燃烧室进行了重大的优化，因而通过降低燃烧室顶面以及匹配火花塞和高压喷油器(HDEV)的位置，气缸盖侧的燃烧室容积比第3代EA888机型明显减小了13%。通过减小气缸盖侧的燃烧室容积，可进一步优化活塞顶形状，大大降低圆周凸起，而宽敞的燃烧室凹陷并无变化，从而总体上能形成1个紧凑平和的燃烧室(图6)。通过这些措施，最终为新的燃烧过程实现了压缩比ε=11.7。

图6 第3B代EA888机型燃烧室优化的方式

6 基础发动机/机械结构

除了所介绍的和新燃烧过程所需要的气缸盖方面的改变之外，还对基础发动机进行了优化。这些变化的主要目的是进一步降低2.0L发动机曲柄连杆机构的摩擦。与第3代2.0L发动机相比,降低的全负荷目标平均压力允许将曲轴主轴承的直径从52mm减小到48mm。并对平衡轴链传动机构的总体布置也进行了优化(图7)。

图7 基础发动机和平衡轴传动机构的变化(第3代与第3B代的比较)

在外形尺寸受限制的情况下，应用变细的传动链允许滑轨以较小的弯度导向，这能减小摩擦力。在奥迪TFSI发动机上首次使用0W20粘度等级的低粘度机油，它能降低发动机中许多其他摩擦部位的功率损失。由于机油粘度较小，对发动机上的某些部件进行了适应性调整，例如优化了活塞环或机油泵的传动比。

就整台发动机而言，这些措施的综合效果使平均摩擦压力比第3代EA888机型降低了8%(在转速 2000r/min 和水温90℃下测量)(图8)，同时这种摩擦的降低使试验循环中的CO2排放减少了约1g/km。

图8 Audi-R4-TFSI发动机摩擦的开发

7 降低燃油耗和CO2的潜力

本文所介绍方案的实施和优化获得了相对于以 1.8L 发动机为基础的负荷断面上的节油潜力曲线(图9(a))，而且所测得的新的2.0L机型的节油效果完全吻合了理论推导的节油潜力。

所实施的发动机机型的节油潜力与理论值的偏差可以用使用Audi可变气门升程机构(AVS)改善了消除节流的效果来解释，而从扭矩270N·m起，节油潜力大大降低主要是因为提高功率进入170°CA进气凸轮廓线而使米勒循环程度减小所致。即使与1.8L-TFSI发动机相比保持了显著的动态性能方面的优势，但是仍获得了明显的节油效果。与 1.6L 小型化发动机相比具有同样明显的节油潜力。

图9(b)示出了第3代1.8L和第3B代2.0L发动机的燃油耗特性曲线场。最佳燃油耗点分别为 231g/(kW·h)和220g/(kW·h)，而在235g/(kW·h)等燃油耗曲线区域的大小则表明能在宽广的特性曲线场范围内获得明显的节油效果。例如在转速 2000r/min 和0.02MPa运行工况点的部分负荷燃油耗也表明，第3代1.8L发动机为363g/(kW·h)，而第3B代 2.0L 发动机则已明显降低到325g/(kW·h)。

图9 1.6L小型化发动机和第3B代2.0L正常尺寸发动机与第3代1.8L发动机的负荷断面节油潜力比较及第3代1.8L-EA888和第3代2.0L-EA888发动机燃油耗特性曲线场

在量产的汽车上，与第3代1.8L发动机相比，第3B代2.0L-EA888发动机在新欧洲行驶循环(NEDC)中的CO2排放降低了6～8g/km，其搭载于A4轿车上的最低CO2排放为109g/km，成为该汽车等级中CO2排放的标杆(图10)，即使在用户实际使用燃油耗方面也能感受到节油效果。

图10 Audi A4第3代EA888发动机与竞争机型的比较

8 结论

Audi公司用第3B代2.0L-TFSI缸内直喷式汽油机开发了进一步创新的发动机方案,这种方案的核心技术是采用短的进气门开启持续时间、提高压缩比，以及加大行程排量的新型燃烧过程。这种被称为正常尺寸的设计的发动机小型化方式不仅在燃油耗，而且动态性能方面都具有明确优势，同时还采取了各种降低摩擦的措施，可使CO2排放降低约1g/km。

在部分负荷、最佳点和全负荷的燃油耗，以及与原机型相比提高的性能都表明，这种机型不仅非常适用于传统的动力总成，而且必要时也特别适合于混合动力应用场合。

为了开拓这种潜力，有必要进一步开发燃烧过程中的能量转换，而且尽管提高了压缩比，以及对形成缸内充量运动产生不利的影响，但是仍能达到传统涡轮增压发动机的能量转换速度。这里所介绍的传统涡轮增压发动机加大膨胀行程的模式研究，以及关于可能达到的节油潜力的准确推导对开发过程提供了非常大的帮助，采用这种方式对在每个时间点所达到的状态都能进行精确的分析。

所提出的开发目标仅利用现有的技术就能实现。原则上这种方案还能进一步优化，但是依赖于增压技术的进一步发展。

2015年，第3B代EA888发动机首次搭载于新型A4轿车，其中新型动力装置在进一步降低车辆CO2排放方面占据重要的份额。新型Audi 2.0L-TFSI缸内直喷式汽油机在全球几乎应用于所有的Audi轿车以及其集团的许多其他车型，并在位于欧洲、北美和中国的工厂中进行生产。

[1] Krebs R, Böhme J, Dornhöfer R, u.a. Der neue Audi 2.0l T-FSI motor-der erste direkteinspritzende turbo-ottomotor bei Audi[C]. 25. Wiener Motorensymposium,2004.

[2] Wurms R, Kuhn M, Zeilbeck A, u.a. Die Audi turbo FSI technologie[C]. 13. Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik, Aachen 2004.

[3] Böhme J, Hatz W, Eiser A, u.a. Der neue R4-1.8l T-FSI-Motor von Audi[C]. 15. Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik, 2006.

[4] Wurms R, Budack R, Böhme J, u. a. Der neue 2.0L-TFSI mit Audi valvelift system für den Audi A4-die nächste generation der Audi Turbo-FSI-technologie[C]. 17. Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik, 2008.

[5] Heiduk T, Dornhöfer R, Eiser A, u. a. Die neue motorengeneration des R4 TFSI von Audi[C]. 32. Wiener Motorensymposium,2011.

[6] Eiser A, Doerr J, Jung M, u. a. Der neue 1.8l-R4-TFSI Motor[J]. MTZ，2011,72(7)： 596-604.

[7] Wurms R, Jung M, Adam S, et al. Innovative technologies of current and future TFSI engines from Audi l der neue Audi 2.0l TFSI-herausforderungen bei der brennverfahrensentwicklung[C]. 20. Aachener Kolloquium Fahrzeug-Und Motorentechnik, 2011.

[8] Wurms R, Budack R, Grigo M, u.a. Der neue Audi 2.0l mit innovativem rightsizing-ein weiterer meilenstein der TFSI-Technologie[C].36. Wiener Motorensymposium,2015.

[9] Karch M, Budack R, Adam S, u. a. Der neue Audi 2.0l TFSI-herausfor-derungen bei der brennverfahrensentwicklung[C]. 15. Tagung Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors, Graz,2015.

[10] Budack R, Kuhn M, Wurms R, et al. Optimization of the combustion process as demonstrated on the new Audi 2.0l TFSI[C]. 24.Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik, 2015.

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2016-05-30)