◆文/江蘇 范明強

(接上期)

曲軸采用6道主軸承支承，所有連桿軸頸感應淬火，其過渡圓角處進行滾壓處理，材料選用牌號為C38 MOD By的蠕墨鑄鐵(GJV)。主軸承和連桿軸承直徑分別確定為58mm和47.8mm。

曲軸前端裝有一個粘性扭轉減振器，用來降低曲軸的扭轉振動負荷。同時，通過提高傳動效率和采用按結構條件限制設計的初級皮帶傳動來達到皮帶傳動的使用壽命。

奧迪R5-2.5L-TFSI增壓直噴式汽油機的鑄鋁活塞由高耐熱鋁合金制成，并采用了微型活塞環(huán)鑲座和不對稱成型活塞銷座孔，除此之外，活塞還必須具有能勝任荷載和質量優(yōu)化的結構。馬勒(Mahle)公司開發(fā)的活塞具有壓力側和非壓力側不對稱的裙部，而且裙部呈傾斜形，以便能同時實現(xiàn)活塞的強度和質量目標。這種活塞設計方案隨同2.5L-TFSI直噴式汽油機一起首次在批量生產(chǎn)中得到應用。

第一道活塞環(huán)是對稱球面氮化鋼環(huán)，具有物理氣相沉積(PVD)涂層和內棱角。第2道活塞環(huán)是鼻形壓縮環(huán)，第3道活塞環(huán)是在其他發(fā)動機設計中已使用過的具有鍍鉻錐形環(huán)岸的管狀彈簧漲圈刮油環(huán)(見圖26)。

連桿被設計成無長油道鉆孔的脹裂鍛鋼連桿。連桿小頭孔直徑加大至22mm，其活塞銷襯套使用的是無鉛型材料。為了應用于渦輪增壓R5-2.5L-TFSI直噴式汽油機，連桿已被顯著加強，圖26示出了在連桿上采取的改進措施。

具有滾輪搖臂氣門傳動機構的4氣門汽缸蓋在2.5L-MPI多點氣門口噴射汽油機汽缸蓋的基礎上做了以下改進：①應用AlSi7MgCu原始合金；②冷卻水套深入到火花塞周圍；③排氣門座圈采用磨損優(yōu)化的材料；④共軌高壓泵緊固在汽缸蓋上面的凸輪軸承蓋梯子形框架上；⑤優(yōu)化排氣門凸輪廓線；⑥增加排氣門凸輪軸相位調節(jié)器。

位于變速器一側的正時鏈傳動機構是由兩級鏈傳動合成的，并且采用兩種不同型式的鏈條進行傳動(見圖27)。機油泵傳動以減速比集成在初級鏈傳動機構中，初級鏈傳動機構再經(jīng)過一個中間鏈輪由次級鏈傳動機構傳動兩根凸輪軸，而中間鏈輪同時被用來傳動真空泵。兩級鏈傳動機構都裝備了液壓阻尼鏈條漲緊器。初級鏈傳動機構中用的是一條3/8"齒形鏈條，這種鏈條具有最佳的聲學性能，而次級鏈傳動機構中用的是一條3/8"滾柱鏈條，其鏈條的漲緊力被調節(jié)得非常小。鏈傳動機構是由兩個凸輪軸相位調節(jié)器的回油和次級鏈傳動機構鏈條漲緊器高壓機油腔中的小孔來確保潤滑的。

曲軸箱通風系統(tǒng)是在汽缸蓋通風凈化時工作的，設計時特別重視機油通道和氣體通道的不斷調整。汽缸體曲軸箱上的抽氣地點位于第2、3和4道主軸承座側面，并被直接引入汽缸蓋罩中，如圖28所示。油底殼上部集成了一個集油盤，作為對油底殼的屏蔽，機油回油被引入到油底殼中機油油面以下。引流到汽缸蓋罩中的曲軸箱通風氣體經(jīng)過一個大的流通橫截面被引入機油精細分離器。這種精細分離方案是按離心力分離裝置(多旋流)原理工作的，機油精細分離器連續(xù)不斷分離出來的機油被返回到油底殼中機油油面以下。在結冰或功能失效的極限情況下，曲軸箱通風系統(tǒng)通過集成在油底殼上部的止回閥釋放曲軸箱內過高的壓力而得到保護。

單級壓力調節(jié)閥集成在汽缸蓋罩中，壓力差優(yōu)化的止回閥(通往進氣管和增壓器側)與壓力調節(jié)閥共同確保曲軸箱中必需的真空度。此外，發(fā)動機還裝備了曲軸箱強制通風閥(PCV)裝置，用于部分負荷時用新鮮空氣對發(fā)動機進行掃氣。因曲軸箱通風道、汽缸蓋罩和無壓力油腔中均具有氣密性，汽缸蓋可用作供應新鮮空氣的進口，因此整個發(fā)動機內腔都能被“沖洗”，防止了油底殼中冰的沉積，機油的脫水效果也得到了顯著的改善(見圖29)。

壓力機油循環(huán)回路極大地關系到渦輪增壓2.5L-TFSI燃油分層直噴式汽油機能否盡可能地繼承直列5缸R5-MPI多點氣門口噴射汽油機的設計結構，圖30示出了整個壓力機油循環(huán)回路。對于渦輪增壓發(fā)動機而言，油底殼因采用機油溫度-液面?zhèn)鞲衅鞫M行了設計修改，鑒于高的縱橫向加速度，機油量按運動型汽車發(fā)動機的要求進行設計。為此，機油泵吸油管已進行過優(yōu)化，以確保在汽車高動態(tài)行駛的情況下仍不會吸入空氣而具有足夠的可靠性。渦輪增壓機型所特有的渦輪增壓器、排氣凸輪軸相位調節(jié)器和潤滑共軌高壓泵滾輪挺柱的機油噴嘴等部件的機油需求量都能由現(xiàn)有的潤滑系統(tǒng)予以滿足。

在設計進氣管路時應首先將確保高效率和流量特性放在重要的地位。在空氣流量高達1000kg/h的情況下，應充分利用結構空間中盡可能大的流通橫截面，并應盡可能縮短路程而直接引入空氣。

新鮮空氣管路的布置如圖31所示，其中包括以下組件：①包括水分離器和前端接頭在內的新鮮空氣進氣管路；②具有脈動阻尼的空氣濾清器；③帶倒拖循環(huán)空氣進氣管的增壓器壓氣機進氣管；④增壓器壓氣機；⑤增壓空氣冷卻器前增壓空氣管；⑥具有塑料集氣盒的增壓空氣冷卻器；⑦增壓空氣管和帶整體式倒拖循環(huán)空氣閥的節(jié)氣門接管；⑧帶滾流閥裝置的進氣歧管。

除了優(yōu)化上述各個組件之外，還必須使增壓器壓氣機在進氣側達到最有利的流動。通過借助于計算流體動力學(CFD)來確定進氣管路，能夠找到一種流動導向，可使壓氣機進口處的氣體流動更均勻(見圖32)，以確保壓氣機能夠在喘振極限附近穩(wěn)定運行。

通過將增壓空氣冷卻器布置在汽車前端下部，能使增壓空氣壓力恢復到全壓頭范圍，因此能使冷卻器外部冷卻后的增壓空氣質量流量最大化，從而能使得其內部流動層流化，消除內部節(jié)流。在最大流量時，整個管路中的壓力損失僅為135mbar，而在全負荷時能實現(xiàn)大于80%的冷卻效率。

進氣歧管被做成兩節(jié)式砂型鑄鋁件，由進氣空氣總管(儲氣腔)和進氣歧管兩部分組成。集成在進氣歧管上的可氣動開關的滾流閥裝置(見圖33)與滾流進氣道相貼合，能夠形成最佳混合汽均質化所必需的充量運動。

排氣側由以下組件組成(見圖34、圖35)：①排氣歧管-廢氣渦輪增壓器模塊；②發(fā)動機前置催化器；③將廢氣分成兩股流動的前廢氣管和軟接管；④兩個地板下催化器和中間消音器；⑤后置式消音器及其兩個廢氣尾管。

在設計排氣歧管-廢氣渦輪增壓器模塊時，研究人員充分利用了自2004年以來奧迪現(xiàn)有的量產(chǎn)4缸TFSI直噴式汽油機的經(jīng)驗。經(jīng)過廣泛的流動和換氣試驗后，將所增加的汽缸排氣支管做成圖34那樣的明顯分缸引入的形式。排氣歧管-廢氣渦輪增壓器模塊是按1.4849品質標準制造的鑄鋼件，并采用經(jīng)過奧迪公司試驗考核過的連接技術緊固在汽缸蓋上。這種連接方式以及廢氣渦輪增壓器模塊的無支架式結構能夠補償運行中所產(chǎn)生的熱膨脹，因而能將應力降低到最小。所選用的博格華納(Borg Warner)渦輪系統(tǒng)公司K16系列水冷式廢氣渦輪增壓器在寬廣的運行范圍內具有高的效率，并且借助于傳感器來調節(jié)廢氣溫度，確保在所有運行條件下不超過其容許的980℃最高廢氣溫度。

廢氣裝置開發(fā)的重點之一是使其廢氣背壓最小。為此，廢氣管道必須換成橫截面盡可能大，并應用內高壓成形管，同時在汽車萬向節(jié)軸區(qū)域的部位采用將廢氣分成兩股流動的廢氣管結構型式(見圖35)。

靠近發(fā)動機的前置陶瓷催化器和地板下兩個金屬催化器相結合，確保了能夠達到歐Ⅴ廢氣排放標準。

在廢氣裝置后部的流程中，還有兩個中間消音器和一個大的后置式消音器。左邊尾管的廢氣質量流量有一個活門開關，使得典型運動型5缸機汽車的響聲變得與奧迪“Urquattro”型賽車一樣。

燃油系統(tǒng)的核心部件是一個按需調節(jié)的單柱塞共軌高壓泵，它由排氣凸輪軸上的一個三面凸輪驅動。這種以最高12MPa壓力運行的高壓共軌系統(tǒng)，通過仔細調節(jié)供油量并與高壓泵控制相互配合，在低達-26℃的環(huán)境溫度下能提供高壓啟動所必需的快速壓力提升。

3.燃燒過程開發(fā)

該機型的開發(fā)目標是在100kW/L升功率的情況下，以高的平均有效壓力盡可能寬廣地利用轉速范圍，其最大的挑戰(zhàn)在于燃燒過程的開發(fā)。

燃燒過程開發(fā)的基礎是奧迪渦輪增壓2.0L-TFSI燃油分層直噴式汽油機，與其一樣，2.5L-TFSI直噴式汽油機也應用了多孔噴油器技術，如圖36所示。即使與2.0L-TFSI機型相比其高壓噴油器的流量提高了大約25%，但通過噴射油束參數(shù)的優(yōu)化以及平坦的活塞頂形狀相匹配仍改善了混合汽的準備。

為了達到所規(guī)定的目標值，必須在考慮到各個系統(tǒng)對燃燒系統(tǒng)相互之間影響的同時，對各系統(tǒng)進行廣泛調整。通過仔細認真地工作，將各個轉速范圍都能被調整到最佳狀態(tài)。

在低轉速范圍內，換氣過程和混合汽準備的調整、進排氣凸輪軸相位調節(jié)的配合以及配氣定時和動作持續(xù)時間的匹配，使得能夠通過高的掃氣率來提高減少殘余廢氣的潛力(見圖37)，低轉速范圍所必需的高的充氣系數(shù)是在較低的廢氣質量流量情況下產(chǎn)生足夠的廢氣渦輪功率的前提條件。在考慮到額定功率點時，密封圈性能的情況下，通過排氣歧管和廢氣渦輪流通橫截面的匹配能夠最佳地利用排氣脈沖轉化為廢氣渦輪的動能，因此采用直徑為31mm的排氣支管與喉部橫截面積為7cm2的渦輪相匹配。

低的殘余廢氣率、良好的混合汽均質化和低的爆燃傾向允許采用對這種增壓度非常高的壓縮比(10:1，按ROZ98汽油設計)，因而明顯改善了低轉速范圍的平均有效壓力水平。

選用了與系統(tǒng)相協(xié)調的相對較大的渦輪增壓器，它具有非常良好的效率，與有效的奧迪燃燒過程和較高的基本壓縮比相結合，能夠在中等轉速范圍內保持高的平均有效壓力水平和非常良好的熱力學性能特性值。而在這種高功率發(fā)動機的高轉速范圍內，整個系統(tǒng)針對最大流量進行了優(yōu)化，其中相互之間仔細的調整和壓力損失優(yōu)化的進氣管路、增壓空氣管路和排氣管路是起決定性作用的。

該機型的開發(fā)目標規(guī)定要滿足歐Ⅴ廢氣排放限值的要求，這是由下列組件與合適的噴油策略和催化器加熱策略共同達到的。組件包括：①滾流閥進氣管；②多孔噴油器與平坦的活塞頂形狀相匹配；③近發(fā)動機前置催化器。

當轉速在5400～6500r/min范圍內最大功率達到250kW，而在1600～5300r/min這樣寬廣的轉速范圍內可保持450Nm 的最大扭矩。

圖38示出了該機型平均有效壓力特性曲線及其在當前量產(chǎn)增壓發(fā)動機分布帶中的狀況以及與同類競爭機型的比較。從圖中可以清楚地看到，這種5缸直噴式汽油機在寬廣的可用轉速范圍內達到了高的平均有效壓力水平。

4.駕駛性能

這種5缸直噴式汽油機的扭矩特性曲線與優(yōu)化匹配的6擋手動變速器組合使得奧迪TT RS轎車具有卓越的加速性和機動性(見表5)。

雖然具有這樣大的行駛功率，但也可以采用經(jīng)濟行駛方式。奧迪TT RS Coupe型轎車的ECE(歐洲經(jīng)濟委員會)行駛循環(huán)燃油耗為9.2L/100km(CO2:213g/km)，處于較低的水平。在平時行駛時，采用合適的行駛方式可使燃油耗明顯低于9.0L/100km。圖39示出了其駕駛性能和燃油耗及其與同類運動型轎車競爭車型的比較，搭載這種直列5缸2.5L-TFSI增壓機型車型的機動性成為了一個新的亮點。(全文完)