大眾公司EA111和EA112系列1.4L燃油分層直噴式汽油機(一)

文/江蘇 范明強

一、現代汽油發動機的發展

隨著全球生態環境日益惡化，歐盟議會要求到2012年，各汽車公司所生產的汽車平均CO2排放量應低于90g/km，也就是汽油車燃油耗低于3.8L/100km，柴油車燃油耗低于3.4L/100km(見圖1)。隨著技術的發展，直噴式柴油機的普遍推廣與應用，特別是汽油缸內直接噴射技術的逐漸成熟，使汽油車的燃油耗和CO2的排放量也大幅降低，越來越接近柴油機的水平(見圖2)。但是，歐洲汽車制造商聯合會只能承諾到2012年，汽油車平均CO2排放量達到120g/km,也就是汽油車燃油耗低于5.1L/100km，柴油車燃油耗低于4.5L/100km，與歐盟議會的要求還有相當大的差距，有待于繼續挖掘直噴式汽油機的節油潛力。

圖3示出了現代汽油發動機各種技術措施節油潛力的比較。圖中可以清楚地看出，單一措施的汽油缸內直接噴射蘊含著最大的節油(即降低CO2排放量)潛力。這種效果一方面是因為發動機的無節流運行降低了換氣損失，另一方面由于充量分層運行，燃燒在燃燒室中央進行，周圍有隔熱的空氣層，減小了壁面的熱損失。此外，全負荷時，爆震傾向降低，所以發動機能夠以較高的壓縮比運行。這些措施在發動機整個特性曲線場范圍內，對燃油耗起到了有利的作用。而燃燒室內經過優化的充量運動，也使得混合汽在以化學計量比運轉的范圍內具有較高的EGR兼容性，因此在該運轉范圍內，也能獲得節油效果。所以，無論從節能減排的角度，還是從提高汽油發動機動力性能的角度，現代缸內直噴式汽油機都在進氣道噴射技術的基礎上，又將汽油發動機技術向前推進了一大步。

圖3示出的汽油發動機的各種節油技術措施對缸內直噴式汽油機的節能減排均具有顯著效果，已成為缸內直噴式汽油機發展不可分割的部分，其中發動機小型化是現代缸內直噴式汽油機的主要發展方向，電控汽油缸內直接噴射技術、廢氣渦輪增壓技術和可變氣門控制技術構成了現代缸內直噴式汽油機小型化的三大核心技術。據預測，采用這些技術的缸內直噴式汽油機的市場份額將不斷增長，至2020年，這些汽油機將占轎車發動機市場近一半的份額(見圖4)。

二、1.4L-F SI自然吸氣燃油分層噴射汽油機

汽油缸內直接噴射蘊含著最大的節油潛力，為了充分發揮其潛力，要求發動機在盡可能寬廣的工況范圍內，以燃油分層噴射(FSI，Fuel Stratified Injection)的方式運行。2000年，大眾公司路波(Lupo)轎車裝用的1.4L-FSI汽油機是歐洲市場上的第一臺FSI直噴式汽油機，77kW/130Nm，最高車速達200km/h,燃油耗僅4.9L/100km，并達到當時最嚴格的歐Ⅳ排放標準，是優異的燃油耗、卓越的行駛動力和最嚴格的排放標準的完美結合。

Lupo-FSI汽油機是大眾公司燃油分層噴射技術的平臺，為了使讀者能更好地理解FSI汽油機的設計理念，下文將簡要介紹FSI的燃油噴射、混合汽形成及其燃燒過程。

1.FSI燃燒系統

圖5是FSI燃燒系統的原理圖。這種燃燒系統在先期開發階段，經過一系列試驗從多種燃燒系統方案中優選出來，除了考慮燃油耗和排放等整機性能因素外，噴油器的熱負荷也是必須著重考慮的重要方面。噴油器布置在雙聯進氣道的下方，其噴束錐角為70°，根據進氣道與汽缸蓋所形成的空間結構，噴油器的噴束軸線必須相對于活塞頂傾斜20°，以適應與燃燒室幾何形狀的相對關系。

由圖5可以清楚地看出，鑄入進氣道內的滾流板將進氣道分成上下兩半，前置的滾流閥可根據發動機的運轉工況關閉進氣道的下半部，使進氣道上半部的氣流產生加速，流經進氣門頸部上方進入燃燒室，從而誘導出強烈的空氣滾流運動。活塞頂面有兩個特殊造型的導向凹坑，是為了確保在FSI燃燒過程中獲得所期望的燃油壁面導向和空氣氣流導向組合效應。燃油導向凹坑造型在廣泛的試驗研究中，獲得了最佳的導向效果，即盡可能好地將燃油噴束引導到火花塞附近。

圖6是利用計算流體動力學(CFD)的方法得到的氣流和燃油噴束的結果，清晰地顯示了FSI燃燒過程中空氣氣流導向和壁面導向的綜合效果。借助于氣流導向凹坑的形狀，特別是其流出角，使燃油噴束在撞到燃油導向凹坑背風面之前首先受到制動。由于空氣滾流和噴油的相互作用，使噴出燃油中的一小部分在點火上止點前55°CA時，就已準備好良好的空燃混合物。

處在燃油導向凹坑背風面的燃油到達凹坑的底部，并轉向火花塞方向(見圖6)。這部分燃油從燃油導向凹坑離開后，被氣流導向凹坑上方一直存在的空氣滾流擠向火花塞，以確保穩定的點火(見圖6)。等到點火時刻，火花塞下方已準備好良好的空燃混合物。

由于滾流的強度隨轉速而增強，因此噴油壓力和噴油定時等噴射參數必須適應工況的變化，以確保在重要的運行工況區域內，空氣氣流、噴油及其周圍的燃燒室幾何形狀三者之間良好配合。

無論是為了獲得FSI優異的燃油耗和排放(主要是空氣氣流導向的影響)，還是為了批量生產所要求的對燃燒系統制造公差和隨運轉時間變化的不敏感性(主要是壁面導向的影響)，空氣氣流導向和壁面導向的綜合效果都是其重要的保證。

2.基礎發動機

EA111系列的基本型號是1.4L-55kW-4V進氣道噴射汽油機，其基本設計方案的主要特點是采用鋁合金機體、4氣門技術、滾輪搖臂式氣門傳動機構、塑料進氣模塊和EGAS型電子控制系統等。Lupo-FSI汽油機是2000年在該基本型號的基礎上研發而成的，成為大眾公司燃油分層噴射技術的平臺，而新型的自然吸氣1.4L-FSI分層直噴式汽油機及其加大活塞行程的1.6L變型(見圖7、圖8)是2003年又在Lupo-FSI汽油機技術平臺的基礎上的進一步改進,其特別注重摩擦功率、聲學特性、維護保養、使用壽命和質量等方面的改進。這兩種新型FSI汽油機的技術規格示于表1，其主要特點是：①采用Bosch MED9.5.10電控汽油缸內直接噴射系統；②結構優化的鋁機體；③質量減輕的主運動件；④機體與汽缸蓋冷卻水分開循環的橫流式冷卻系統；⑤聲學特性優化的齒形鏈條配氣傳動機構；⑥配氣傳動機構罩蓋集成了粗細機油濾清器和曲軸箱強制通風裝置；⑦安裝在油底殼內的流量可調式機油泵；⑧進氣凸輪軸相位連續調節(僅用于1.6L-FSI汽油機)。

由于新設計的機體必須與現有的EA111系列機體共線生產，因此不僅要保持82mm缸心距不變，而且還要采用基本型發動機的深裙型結構。在結構改進設計中，要特別重視加強發動機變速器連接法蘭的鋼性，以提高動力總成彎曲振動的固有頻率，通過結構的徹底優化，大大提高了鋁合金機體的聲學特性。全新設計的頂面敞開式鋁合金機體，采用AlSi9Cu3材料壓鑄而成，并鑲鑄1.4L和1.6L兩種機型通用的灰鑄鐵汽缸套。

這兩種機型的汽缸蓋是以EA111系列的4氣門滾輪搖臂式汽缸蓋為基礎設計的，主要改進有鏈傳動匹配、配氣傳動機構罩蓋、橫流式冷卻方式等。FSI汽油機汽缸蓋的特征是在進氣道中鑲鑄了滾流板以及位于進氣道下方的高壓噴油器安裝孔。

活塞按壓縮比12∶1設計，由高溫耐熱過的共晶鋁合金制成，特別針對質量和摩擦進行了優化。盡管EA111系列中的FSI機型的活塞頂面形狀比較復雜，具有燃油噴束和空氣氣流兩個導向凹坑，但活塞采用新工藝鑄造，特別輕巧，質量只有235kg，與老機型相比減輕了約10 %。

作為自然吸氣機型，其爆發壓力為8.5 MPa，活塞銷直徑為17 mm就足夠了。同時，為降低成本，該機型采用了鑄鐵曲軸。

表1 新型1.4L和1.6L-FSI汽油機的技術規格

3.橫流式冷卻系統

汽缸蓋橫流式冷卻發動機重新設計了冷卻水流程，這是新發動機開發工作的一項重要內容(見圖9)。汽缸蓋橫流式冷卻是通過機體側面鑄出的布水道和汽缸蓋中重新設計的冷卻水套實現的，汽缸蓋和機體中的冷卻水回路分別由兩個相互獨立的節溫器控制。

汽缸蓋橫流式冷卻在功能上分成兩個區域：下部冷卻汽缸蓋燃燒室火力；上部匯集各缸冷卻水流，并將冷卻水導向節溫器。汽缸蓋下部貼近燃燒室的冷卻水套橫截面大小是由最高的水流速度確定的，從而獲得最高的冷卻效率。這種冷卻系統可以達到以下效果：①發動機啟動后機體升溫迅速，減少了曲柄連桿機構的摩擦；②燃燒室冷卻最佳；③減小水泵的驅動功率(水力功耗減少10%)，通過改進設計甚至能使總功耗減少約30%；④改善排放性能。

4.配氣傳動機構

新1.4L和1.6L-FSI汽油機采用一條齒形鏈傳動凸輪軸，其研發目標是：①免維修；②噪聲比齒形皮帶低；③成本低。這是通過采用一條節距為8mm的齒形鏈傳動達到的，這種鏈條在安裝空間、負載能力、系統復雜性和噪聲特性等諸多方面都達到了最佳的效果。而機油泵傳動因要求較低，則采用了一條常規的滾子鏈條(見圖10)。

5.機油泵

新1.4L和1.6L-FSI汽油機是世界上首先批量生產并采用可調式機油泵的。其設計目標是降低驅動功率，與常規機油泵不同，這種機油泵的泵油量可根據發動機的實際需要調節。它是一種內齒輪式機油泵，由一條滾子鏈條傳動，并安裝在油底殼內。與常規機油泵相比，它所消耗的功率平均可降低約30%(見圖11)。此外，由于泵油量可調節，機油循環的次數也減少了，從而降低了機油的負荷和溫度，減輕了機油的乳化。

6.凸輪軸調節

為了改善扭矩特性、提高最大功率以及實現內部廢氣再循環(E G R)，1.6L-FSI-85kW機型的進氣凸輪軸相位可連續調節，其葉輪式相位調節器的相位角度調節范圍為基準位置朝進氣門早開方向提前40°CA。在發動機運轉時，由相位傳感器采集凸輪軸的實際角度位置，并與儲存在電控單元中的額定值比較，然后由電磁閥控制壓力機油流人或流出葉輪式相位調節器，從而將凸輪軸轉動調節到額定位置。當發動機啟動時，借助一個鎖銷將凸輪軸相位調節器鎖定在原始進氣門遲開的位置上。

7.高壓燃油泵

新1.4L和1.6L-FSI汽油機采用Bosch公司新開發的HDP2型單柱塞高壓燃油泵(見圖12)。它的一個重要功能就是可調節供油量，借助于油泵中的一個電子控制閥，將為達到噴油壓力所必需的燃油量泵入高壓燃油共軌中去。發動機電控單元根據燃油共軌上的高壓傳感器信息計算油量調節閥(MSV)的關閉時間。一旦燃油共軌中的燃油壓力達到額定值，油量調節閥即被打開，多余的燃油將被剩下的柱塞行程泵回低壓油路。這種燃油量調節功能可明顯減小高壓燃油泵的驅動功率(約40 %)，特別是發動機需要燃油量較少的運轉工況。

8.低壓輸油泵

新1.4L和1.6L-FSI汽油機燃油系統采用了一種可調節供油量的電動燃油泵，它僅僅輸出發動機運轉工況所必需的燃油量，不再有多余的汽油回流，因此減少了其消耗的功率(約50%)，并避免了油箱中燃油溫度的升高。

9.滾流閥-燃油共軌模塊

從上文所介紹的FSI燃燒系統的特點可以看出，配置在進氣道前的滾流閥和進氣道位置與燃燒室的傾斜角度以及高壓噴油器的安裝角度，大大限制了可供布置燃油共軌的結構空間，因此決定將燃油共軌和滾流閥組合在一個高度集成的模塊中(見圖13)。它是進氣模塊與汽缸蓋之間的連接件，用螺釘裝在同一根軸上的各缸進氣道。滾流閥由杠桿機構和一個由電磁閥控制的真空膜盒操縱，其功能是實現滾流閥的開/關控制。真空膜盒從進氣模塊中的一個單獨的真空儲存室(見圖14)中獲得所需的真空。由于在分層噴射運行運轉時，可利用的真空度平均只有0.01～0.015 MPa，因此必須非常重視系統的密封性，以避免因無真空度而使分層噴射運行中斷。

在有EGR的均質燃燒工況下，關閉滾流閥能明顯提高燃燒穩定性，因此在保證良好的發動機運轉穩定性的前提下，均質燃燒工況的EGR率可能超過25 %。在滾流閥軸端裝有一個電位器，將滾流閥的位置反饋給電控單元，因為滾流閥的位置對均質燃燒運行時的最佳點火定時有重大影響。

燃油共軌油道位于滾流閥下方，其裝有共軌壓力傳感器和共軌壓力調節閥。通過改變供給共軌壓力調節閥的電流脈沖占空比來控制泄出的燃油量，從而將共軌壓力調節在規定的壓力水平。它在無電流時是關閉的，在發動機停機時，可抑制形成蒸汽泡，從而明顯改善發動機的再啟動性。

10.進氣模塊

進氣模塊是一個薄殼式結構的塑料壓鑄件(見圖14)，為了達到質量、回收再生和成本等方面的要求，采用尼龍PA6材料制成。進氣管道采用蝸殼結構，這樣能以最小的結構空間布置下400 mm長的進氣管道，并形成用于操縱滾流閥的真空儲存室、曲軸箱強制通風管道和廢氣再循環入口。

11.空氣濾清器模塊

與EA111系列的其他發動機一樣，1.4L和1.6L-FSI汽油機也采用帶有標牌的空氣濾清器模塊，其集成了發動機罩板(上蓋)、進氣空氣預熱器、空氣濾清器、空氣溫度傳感器和消聲裝置等(見圖15)。通過在空氣濾清器前采用一個具有寬頻帶阻尼作用的帶孔進氣管和兩個諧振器，對進氣空氣的聲學特性進行仔細的調整。所有的聲學措施都經過三維計算流體力學計算，并在流動試驗臺上進行了降低壓力損失的優化，以便能獲得最佳發動機功率。

12.排氣后處理

圖16所示的前置催化轉化器已集成為前排氣管模塊，其金屬載體上的涂層已專為FSI汽油機的HC轉化進行過優化，而NOx儲存式催化器是尺寸為118×152 mm的陶瓷催化器，其涂層也經過了改進。

13.發動機性能

新1.4L和1.6L-FSI汽油機采用了可靠的氣流/壁面雙導向的FSI燃燒系統，其進排氣凸輪軸是針對新的功率和扭矩目標值進行匹配的，因此1.4L-FSI汽油機進氣凸輪作用角(對應于氣門升程1 mm以上的凸輪轉角)為176°，排氣凸輪為185°，而1.6L-FSI汽油機的進排氣凸輪均為194°，其中進氣凸輪相位可在40°CA范圍內進行調節。與所采用的帶有適當錐度的400 mm長(包括進氣模塊底部的55 mm流道長度)的進氣管組合使用，獲得了如圖17所示的扭矩特性曲線。

為了提高1000～3000 r/min轉速范圍內的扭矩，這兩種汽油機首次采用了兩次噴射的運行方式，其特點是：2/3的燃油量在較早的時刻(進氣行程中)被噴入流進汽缸的新鮮空氣中，而其余的燃油量大約在換氣下止點前后噴入汽缸，因而在低速全負荷工況時，充量分層的傾向明顯減弱，在改善運轉平穩性以及減少HC和氧排放的同時，扭矩增大了5 Nm。

此外，這兩種汽油機還有以下運行方式：①帶高EGR率(最高達35 %，機外EGR)的分層充量運行；②帶高EGR率(最高達25 %，機外EGR)的化學計量比均質充量運行；③均質充量稀燃運行。

在催化轉化器加熱階段，還補充一段均質兩次噴射運行方式。此時，除了均質充量主噴射外，還將少量燃油在點火上止點前60°CA時噴入汽缸。這種措施能夠在改善運轉平穩性和減少HC排放的情況下，對催化轉化器產生較快的加熱效果。總體而言，能在新歐洲行駛循環(NEDC)試驗中降低排放和燃油耗。

圖18示出了新1.6-FSI汽油機的燃油耗特性曲線。轉速2000 r/min和平均有效壓力0.2 MPa工況下，比油耗335 g/kWh以及最低比油耗230 g/kWh，在同類機型中均非常突出。圖19是新型1.4L和1.6L-FSI汽油機的比油耗與競爭機型的對比情況，從中可以看出，大眾公司在新一代汽油機上，成功地以FSI技術進一步取得了更大的競爭優勢。(未完待續)