◆文/江蘇 范明強(qiáng)

(接上期)

2.復(fù)合增壓法

(1)增壓裝置的設(shè)計

如果不考慮低速扭矩，那么廢氣渦輪增壓非常適合在適當(dāng)?shù)呐艢獗硥合率拱l(fā)動機(jī)獲得高比功率，而機(jī)械增壓則首先由于其具有良好的響應(yīng)特性而適合應(yīng)用于低轉(zhuǎn)速區(qū)域。若廢氣渦輪增壓附加機(jī)械增壓作為輔助，則能將兩者的優(yōu)點結(jié)合起來，彼此相互取長補(bǔ)短，其基本原理已眾所周知，圖43是這種復(fù)合增壓系統(tǒng)的工作原理示意圖。

為了使機(jī)械增壓器能夠接合和脫開，在冷卻水泵模塊中集成了一個電磁離合器，機(jī)械增壓器由曲軸通過皮帶傳動。在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，當(dāng)需要輔助廢氣渦輪增壓器時就接合運(yùn)轉(zhuǎn)，而在高轉(zhuǎn)速工況下，廢氣渦輪增壓器能夠獨立提供足夠的增壓壓力，因而此時空氣調(diào)節(jié)閥打開，機(jī)械增壓器脫開并停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

如圖44所示，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的工況下，只有在2400r/min以下的高負(fù)荷范圍內(nèi)才需要機(jī)械增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)工作。因為在此運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，根據(jù)所選擇擋位的不同，廢氣渦輪增壓器總是有所滯后才能達(dá)到其額定增壓壓力，需要機(jī)械增壓器較長時間的接入工作，但最遲當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3500r/min時就要脫開停止工作，因為此時機(jī)械增壓器在5:1速比下將達(dá)到其最高轉(zhuǎn)速18000r/min。與此同時，廢氣渦輪增壓器開始從助力運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)逐漸動態(tài)過渡到全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并單獨提供狀態(tài)過渡所需要的增壓壓力。

由于采用了這兩種增壓方法，廢氣渦輪的流通能力得到了較大的提高，從而降低了發(fā)動機(jī)的排氣背壓。但是，另一方面還盡可能地使機(jī)械增壓器的接合頻率低一些，接合運(yùn)轉(zhuǎn)持續(xù)時間短一些，以免增加其增壓運(yùn)行所消耗的傳動功率而使燃油耗提高得太多。除此之外，還必須確保在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時發(fā)動機(jī)扭矩特性曲線的連續(xù)。

當(dāng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500r/min時，穩(wěn)態(tài)全負(fù)荷時的最大增壓比約為2.5，此時廢氣渦輪增壓器和機(jī)械增壓器在大約相同的壓比下運(yùn)轉(zhuǎn)(見圖45)。而與之相比，無機(jī)械增壓輔助的渦輪增壓汽油機(jī)在該運(yùn)轉(zhuǎn)工況下所能達(dá)到的增壓比就要小得多。這是因為有機(jī)械增壓的輔助，其在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)氣空氣流量大大提高，廢氣渦輪能夠獲得較多的廢氣能量，因而有助于提高廢氣渦輪增壓器壓氣機(jī)的工作能力，這樣就能盡早地打開旁通道以減輕機(jī)械增壓器的負(fù)荷，因此機(jī)械增壓器的運(yùn)行范圍只局限于萬有特性曲線場中很小的范圍內(nèi)，并且在大多數(shù)情況下功率消耗得很少。

廢氣渦輪增壓器設(shè)計成在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，全負(fù)荷運(yùn)行線靠近壓氣機(jī)的喘振線(見圖46)，此時壓氣機(jī)已經(jīng)具有較高的效率，有助于廢氣渦輪增壓器獲得順暢的加速性能，直到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在2000r/min內(nèi)時，廢氣渦輪增壓器和機(jī)械增壓器的總增壓比能使前者的壓氣機(jī)遠(yuǎn)離喘振線。單級渦輪增壓因其壓氣機(jī)運(yùn)行范圍有限而不適合力爭達(dá)到全負(fù)荷目標(biāo)值，但因為有了機(jī)械增壓器的輔助，所以就能設(shè)計渦輪增壓器在標(biāo)定功率時具有較高的效率，從而使其增壓壓力和排氣背壓都較低，并使渦輪增壓器具有幅度較大的海拔高度儲備。

圖47是在發(fā)動機(jī)試驗臺上模擬轉(zhuǎn)速升高時所測得的瞬態(tài)扭矩提升曲線，這相當(dāng)于汽車掛第3擋時的全負(fù)荷加速過程。在沒有機(jī)械增壓器輔助而只有廢氣渦輪增壓器單級增壓的情況下，大約0.5s以后進(jìn)氣管中才能建立起規(guī)定的壓力，而扭矩目標(biāo)值(100%)在大約4.8s以后才能達(dá)到。除了增壓壓力建立滯緩以外，由于廢氣渦輪增壓器動力學(xué)方面的原因所導(dǎo)致的扭矩提升的不連續(xù)性，會使司機(jī)感覺很不舒服。

在與機(jī)械增壓器共同工作的情況下，這種運(yùn)行特性基本得到了改善。一旦機(jī)械增壓器接入工作，就有助于進(jìn)氣管壓力的提升，因而扭矩特性曲線的提升梯度也要比廢氣渦輪增壓器單級增壓時陡得多，而且這樣的提升梯度會一直保持到進(jìn)氣管中的壓力達(dá)到規(guī)定值為止，并且扭矩特性曲線的提升一直到達(dá)到目標(biāo)扭矩為止都是連續(xù)的。因此，這種增壓發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)主觀上使人感覺好像是排量很大的自然吸氣發(fā)動機(jī)一樣。

(2)增壓空氣冷卻設(shè)計

增壓空氣冷卻器與水箱和空調(diào)冷凝器組合成模塊式結(jié)構(gòu)，其充分利用了汽車正前方的空間。由于采用了高效率的增壓空氣冷卻器，從廢氣渦輪增壓器壓氣機(jī)一直到節(jié)氣門這一段路程，增壓空氣被冷卻到只比環(huán)境溫度高5℃，這樣就能夠?qū)?5℃進(jìn)氣溫度作為基本設(shè)計參數(shù)，因此發(fā)動機(jī)能夠在寬廣的萬有特性曲線場范圍內(nèi)以燃油耗的最佳點火正時運(yùn)轉(zhuǎn)。

由于扭矩特性曲線是從1750r/min起就能達(dá)到其最大值240Nm，并選擇了表3中所示的變速器速比，因此能夠在獲得非常突出的燃油耗的同時具有優(yōu)良的動力性。圖48上給出了該機(jī)型搭載于大眾高爾夫(Golf)轎車在新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)中5擋和6擋的換擋加速性(80～120km/h)及其燃油耗。從圖中可以清楚地看到，與排量較大的發(fā)動機(jī)相比，1.4L-TSI汽油機(jī)在具有最佳加速性的同時，僅7.2 L/100km的燃油耗也是最低的，而且與其他競爭機(jī)型相比，這種功率為125kW的TSI汽油機(jī)的燃油耗已成為乘用車汽油機(jī)發(fā)展的新的里程碑(見圖49)。

表3 搭載1.4L-TSI-125kW汽油機(jī)的高爾夫GT轎車的變速器速比

3.燃燒過程

1.4L-TSI汽油機(jī)缸徑為76.5 mm，行程為75.6 mm，具有一個十分緊湊的燃燒室，汽缸蓋一側(cè)呈屋頂形，火花塞中央布置、活塞頂上有一個淺而寬大的凹坑。這種燃燒室的基本幾何形狀具有最佳抗爆性，即使增壓壓力高達(dá)0.25MPa也能采用10:1的壓縮比，從而獲得超群的發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)：①平均有效壓力為 2.16 MPa；②比扭矩為172.6 Nm/L；③比功率為90 kW/L。

1.4L-TSI汽油機(jī)采用充量運(yùn)動滾流閥。該閥位于進(jìn)氣道下部，工作時將進(jìn)氣道流通截面關(guān)閉50%，其產(chǎn)生的充量運(yùn)動滾流強(qiáng)度適合于在發(fā)動機(jī)整個萬有特性場范圍內(nèi)獲得最佳的燃燒速度。從大約2800r/min轉(zhuǎn)速起滾流閥完全打開，進(jìn)氣道獲得全部的流通橫截面，兩個進(jìn)氣道設(shè)計成能隨轉(zhuǎn)速的升高不斷優(yōu)化流動而得到高的汽缸充氣量，從而實現(xiàn)125kW的目標(biāo)功率。

1.4L-TSI汽油機(jī)為了加熱催化轉(zhuǎn)化器，采用了兩次噴油策略，即在進(jìn)氣行程期間第一次較早的噴油和在點火上止點前(大約50°曲軸轉(zhuǎn)角)第二次較晚的噴油。在確保發(fā)動機(jī)具有良好的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性的情況下，為了獲得盡可能大的廢氣熱流所必需的極其晚的點火角，對空氣運(yùn)動參數(shù)、活塞頂燃燒室凹坑幾何形狀和高壓噴油器油束形狀進(jìn)行精確地匹配是十分重要的(見圖50)。同時，在發(fā)動機(jī)均質(zhì)運(yùn)行時，對活塞頂燃燒室凹坑設(shè)計提出了彼此相互矛盾的要求，即為了減少全負(fù)荷時活塞的熱侵入和避免形成HC溫床而要求活塞頂面積盡可能小，從而產(chǎn)生很多可能的活塞頂幾何形狀。根據(jù)計算流體動力學(xué)(CFD)模擬結(jié)果，從中挑選出幾種最有希望的方案，并在發(fā)動機(jī)試驗臺架上進(jìn)行比較，這樣就能大大減少燃燒過程開發(fā)中發(fā)動機(jī)試驗的工作量。

1.4L-TSI汽油機(jī)第一次采用了具有6個噴孔的多孔式噴油器(見圖51)。與自然吸氣的FSI汽油機(jī)一樣，該噴油器布置在進(jìn)氣道與汽缸蓋密封平面之間的進(jìn)氣道一側(cè)。這種6孔高壓噴油器的單個油束幾乎可以自由選擇布置形式，能夠形成不同于傳統(tǒng)旋流式噴油器的油束形狀，并避免了進(jìn)氣行程早期噴油沾濕已打開的進(jìn)氣門，有利于空氣-燃油混合汽更好地均質(zhì)化，從而減少HC的排放和循環(huán)波動。

從大眾公司自制的壓力罐拍攝的霧化油束照片可以清楚地看出，無論在側(cè)視圖還是正視圖上，這種6孔高壓噴油器形成的是單個油束。由于噴孔獨特的幾何形狀，成功地減小了油束的貫穿度，能夠有效地避免燃油沾濕燃燒室表面，有利于降低發(fā)動機(jī)冷態(tài)時的原始排放。

此外，在使用加熱催化轉(zhuǎn)化器時，應(yīng)用激光感應(yīng)熒光測試技術(shù)(LIF)拍攝到在燃油束激光截面(距離噴油器頂端30mm處)上的液態(tài)和汽態(tài)燃油的分布狀況(見圖52)，可以清楚地看出在6個分支油束中燃油濃度較高，而在整個油束中間不斷地進(jìn)行著燃油-空氣混合汽的均質(zhì)化。對于活塞頂壁面導(dǎo)向的第二次噴油加熱催化轉(zhuǎn)化器而言，單個油束良好的局部均質(zhì)化和合適的貫穿度組合，為發(fā)動機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)并降低原始排放提供了前提條件。

從怠速運(yùn)轉(zhuǎn)到升功率達(dá)到90kW/L的全負(fù)荷工況，形成了從最小到最大噴油量很大的跨度，為了使怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時的最短噴油持續(xù)時間大于噴油器容許的最短噴油時間，并保證足夠的霧化油束，從而形成良好的混合汽，要求以6MPa的噴油壓力進(jìn)行噴射。

為了在全負(fù)荷條件下獲得較低的排放和燃油耗，一方面噴油不能太早，以保證噴到活塞頂上的油量盡可能少；另一方面又必須從噴油結(jié)束到燃燒開始為混合汽的準(zhǔn)備留有足夠的時間，因而，特別在高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，由于噴油持續(xù)時間受到了限制，只有將噴油壓力提高到15MPa才能獲得較低的排放和燃油耗。

由于采用了上述措施，獲得了圖53所示的燃油耗特性曲線場，在寬廣的范圍內(nèi)具有非常低的比油耗值，其中燃油耗的最佳點為235g/kWh，處于相當(dāng)突出的水平。圖中示出的公路行駛部分負(fù)荷曲線表明，即使在汽車高速行駛工況下，發(fā)動機(jī)仍工作在比油耗較低的運(yùn)轉(zhuǎn)工況點上。

4.發(fā)動機(jī)控制

TSI汽油機(jī)的電子控制系統(tǒng)是大眾公司在自然吸氣FSI汽油機(jī)電控單元的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)而成。這種發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)是一種傳感器導(dǎo)向的控制系統(tǒng)，借助于壓力傳感器來采集發(fā)動機(jī)充氣信息。同時，在雙重復(fù)合增壓汽油機(jī)上第一次應(yīng)用了相位可調(diào)節(jié)進(jìn)氣凸輪軸，并且進(jìn)氣空氣需求量的變化幅度較大，這些都必須以精確的數(shù)學(xué)模型計算為基礎(chǔ)以調(diào)節(jié)來作為前提條件。

(1)負(fù)荷的調(diào)節(jié)

在MED9.5.10電控系統(tǒng)的扭矩控制結(jié)構(gòu)中，駕駛員所要求的扭矩值由對應(yīng)的空氣質(zhì)量換算成額定的進(jìn)氣管壓力。在自然吸氣運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，該額定值只由節(jié)氣門和進(jìn)氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)，而在增壓運(yùn)轉(zhuǎn)情況下還取決于機(jī)械增壓器及其電磁離合器和空氣調(diào)節(jié)閥，以及廢氣渦輪增壓器的廢氣放氣閥的相互配合。

相對于機(jī)械增壓而言，廢氣渦輪增壓在能量利用方面更為有利，因此在要求的增壓壓力下，通常要先查明廢氣渦輪增壓器能否單獨提供所要求的增壓壓力，如果廢氣渦輪增壓器不能單獨提供所要求的空氣質(zhì)量，那么就要根據(jù)需求附加接入機(jī)械增壓器。在發(fā)動機(jī)電控單元增壓壓力計算模型中，借助質(zhì)量、流量對渦輪增壓器的冷端(壓氣機(jī))和熱端(渦輪機(jī))進(jìn)行效率修正計算，如考慮通過廢氣放氣閥的放氣量。同時，在使用機(jī)械增壓器空氣調(diào)節(jié)閥的情況下，借助機(jī)械增壓器效率算出由機(jī)械增壓器提供的增壓份額，通過精確地識別這兩種增壓裝置的增壓度，就能確定需要參與工作的相關(guān)執(zhí)行器的參數(shù)和發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的基本參數(shù)。

①機(jī)械增壓器離合器的控制

機(jī)械增壓器是通過與冷卻水泵組合成模塊的電磁離合器來接合或脫開的?？紤]到用戶的舒適性，電磁離合器的瞬時無沖擊接合或脫開非常受重視。另外，除了考慮機(jī)械增壓器消耗的扭矩之外，還必須考慮離合器空氣隙因摩擦片磨損而發(fā)生的變化。若要滿足如此高的要求，則取決于離合器內(nèi)部電磁線圈在時間上的精確控制，其由電控單元發(fā)出的脈沖信號寬度調(diào)節(jié)來達(dá)到。電磁離合器空氣隙大小的差異由附加的電流測量來識別，從而確定離合器接合的精確時刻。當(dāng)借助自適應(yīng)程序來考慮用于電磁離合器接合或脫開的修正量數(shù)據(jù)時，由于要確保機(jī)械增壓器的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不能超過其允許的最高轉(zhuǎn)速18000r/min，因此，在控制電磁離合器的相應(yīng)軟件模塊中集成有脫開和故障診斷策略程序。

②用空氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)機(jī)械增壓器的工作能力

機(jī)械增壓器的工作能力及其增壓壓力是由空氣調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)的。當(dāng)機(jī)械增壓器工作運(yùn)轉(zhuǎn)時，空氣調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，空氣濾清器后的進(jìn)氣空氣被導(dǎo)向機(jī)械增壓器。

這種TSI汽油機(jī)的重要開發(fā)目標(biāo)是在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)也能迅速提升增壓壓力(見圖54)。增壓壓力的提升直接受到空氣調(diào)節(jié)閥關(guān)閉速度的影響。當(dāng)需要機(jī)械增壓器達(dá)到最大工作能力時，該空氣調(diào)節(jié)閥能夠在0.2s內(nèi)關(guān)閉。此時，必須將空氣調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉和機(jī)械增壓器的接合在時間上精確地重合，從而在任何時刻都不會出現(xiàn)增壓壓力的跌落，使司機(jī)感覺不出有任何扭矩的損失。

③廢氣渦輪增壓器的調(diào)節(jié)

廢氣渦輪增壓器是通過改變進(jìn)入渦輪機(jī)的廢氣質(zhì)量流量來調(diào)節(jié)，使得渦輪機(jī)的工作能力與運(yùn)轉(zhuǎn)工況點的需要相匹配。所必需的渦輪機(jī)的工作能力直接取決于壓氣機(jī)的工作能力，而后者在電控單元內(nèi)部的計算模型中是由所需的壓氣機(jī)壓比和效率特性曲線場算出的。

當(dāng)廢氣渦輪增壓器必須要在最大工作能力下運(yùn)轉(zhuǎn)時，通過壓力膜盒中的彈簧將廢氣放氣閥關(guān)閉，此時由發(fā)動機(jī)提供的全部廢氣質(zhì)量流量流經(jīng)渦輪。同樣，當(dāng)廢氣渦輪增壓器所需的工作能力降低時，通過電控單元中渦輪側(cè)的計算模型，借助于效率算出必需流經(jīng)渦輪的廢氣質(zhì)量流量、廢氣放氣閥的額定位置以及控制其行程的脈沖調(diào)制閥的控制信號，再由脈沖調(diào)制閥將廢氣放氣閥壓力膜盒中壓力調(diào)節(jié)到相應(yīng)壓力，從而將廢氣放氣閥調(diào)節(jié)到所希望的位置。為了控制電動的倒拖旁通空氣閥，必須對廢氣渦輪增壓器前后的壓力進(jìn)行分析。與普通單級增壓發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)進(jìn)氣側(cè)基本接近環(huán)境壓力不同，這種TSI汽油機(jī)在機(jī)械增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)工作期間，廢氣渦輪增壓器較晚達(dá)到喘振極限，現(xiàn)已通過修改迄今為止批量生產(chǎn)所應(yīng)用的軟件功能將這種新的要求考慮進(jìn)去。

(2)降低排放措施及其排放等級

由于采用了鑄鋼排氣歧管和為這個目的而專門開發(fā)的催化器涂層，這種TSI汽油機(jī)能長期在廢氣渦輪增壓器前高達(dá)1050℃的廢氣溫度下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣高爾夫轎車就能選用第6擋速比并應(yīng)用過量空氣系數(shù)λ=1的混合汽以高達(dá)200km/h的車速行駛。因此，這種TSI汽油機(jī)在高負(fù)荷工況下也能采用以化學(xué)計量比混合汽運(yùn)行的穩(wěn)定耐用的燃燒過程，這樣既無需為了降低零部件溫度而加濃混合汽，達(dá)到了節(jié)能減排目的，而且又可采用簡單的兩點躍變式氧傳感器作為前置催化器的氧傳感器。

如同大眾公司自然吸氣FSI汽油機(jī)一樣，新的1.4L-TSI汽油機(jī)也采用高噴油壓力啟動。當(dāng)燃油系統(tǒng)中的壓力大約達(dá)到2.5MPa時才開始進(jìn)行第一次噴油，因此即使發(fā)動機(jī)尚處于冷卻狀態(tài)，但由于其已經(jīng)具有良好的混合汽準(zhǔn)備，只需要較少的油量就能順利啟動，從而獲得較低的原始排放。汽油直接噴射能夠采用雙次噴射使催化器迅速熱起來，同時將廢氣渦輪增壓器與催化器之間的排氣連接管改用空氣隙絕熱的雙層中空排氣管，能補(bǔ)償因采用廢氣渦輪增壓器所造成的部分溫度損失。

通過上述各種降低排放的措施，新的1.4L-TSI汽油機(jī)能夠既可靠又低成本地達(dá)到歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)。

總而言之，大眾公司在1.4L-TSI-125kW直噴式汽油機(jī)上，首次大批量采用廢氣渦輪-機(jī)械復(fù)合增壓器，使汽油直接噴射技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。通過發(fā)動機(jī)小型化、缸內(nèi)汽油直接噴射和增壓技術(shù)的組合應(yīng)用，使這種汽油機(jī)獲得了卓越的性能，其首次搭載于高爾夫GT轎車，因低燃油耗及行駛舒適性而倍受矚目。高爾夫GT轎車的新歐洲行駛循環(huán)燃油耗只有7.2L/100km，在125kW功率等級的轎車中是獨一無二的。令人折服的扭矩特性曲線在1750～4500r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持高達(dá)240Nm的最大扭矩不變，從而獲得了卓越的駕駛動力性。如此豐滿的扭矩特性曲線是通過機(jī)械增壓器和廢氣渦輪增壓器的絕妙組合而達(dá)到的，而這些部件之間相互的精確配合是通過大眾公司自行開發(fā)的調(diào)整和匹配策略實現(xiàn)的。在滿足苛刻的排放法規(guī)要求的同時，獲得了高動力性和非常優(yōu)異的燃油經(jīng)濟(jì)性，為大眾公司這些新車型的未來提供了良好的機(jī)遇。(未完待續(xù))