【德】 R.Budack R.Wurms G.Mendl T.Heiduk

產(chǎn)品介紹

Audi公司新型2.0L-R4-TFSI缸內(nèi)直噴式汽油機

【德】 R.Budack R.Wurms G.Mendl T.Heiduk

新一代2.0L渦輪增壓缸內(nèi)直噴式汽油機搭載于A4系列車型首次亮相。Audi公司為了提高熱效率采用進一步開發(fā)的米勒(Miller)燃燒過程，使均質(zhì)運行況狀下的汽油機的最低比燃油耗達到了220g/(kW·h)。

汽油機 米勒循環(huán) 能量轉(zhuǎn)換

1 加長膨脹行程

在直列式四缸渦輪增壓燃油分層噴射(TFSI)發(fā)動機的發(fā)展中，通過發(fā)動機低速化和小型化已取得了顯著的節(jié)油效果，但是為了降低燃油耗而進一步減小排量將受到技術和成本的限制。Audi公司開發(fā)的新型2.0L-TFSI發(fā)動機表明，除了進一步減小排量之外，還可以通過改變工作過程進一步使TFSI技術既能降低燃油耗又能提高動態(tài)性能。這種提高效率的前提條件是加長膨脹行程，通過優(yōu)化的米勒(Miller)循環(huán)與在加大排量的同時，明顯加大壓縮比來實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化。理論上的推導和實踐都證實，所獲得的指示效率的改善足可補償因行程加大而引起的摩擦增大。本文介紹了相關的理論基礎、燃燒過程的設計及與第三代EA888發(fā)動機相比基礎發(fā)動機的變化。

2 TFSI發(fā)動機的發(fā)展歷史

2004年，Audi公司向歐洲和北美地區(qū)(NAR)市場推出2.0L-EA113機型，這款TFSI發(fā)動機首次采用渦輪增壓和缸內(nèi)直接噴射組合技術并已投入量產(chǎn)[1-2]，從此開創(chuàng)了這種技術趨勢，并一直延續(xù)至今。

2008和2012年Audi又推出了第2代和第3代產(chǎn)品，同樣也包含了多樣的技術創(chuàng)新(圖1)，而下一個技術步驟的核心是在第3B代EA888機型上采用1種新的TFSI燃燒過程，它將有助于繼續(xù)推進燃油耗和性能的改善和提高。

圖1 Audi公司R4-TFSI發(fā)動機發(fā)展歷史[3-7]

3 開發(fā)目標

第3B代2.0L-EA888機型替代第3代1.8L-EA888機型，其功率等級為125～147kW。開發(fā)新機型的初期目標是顯著降低燃油耗，改善動態(tài)扭矩的建立，為滿足未來全球廢氣排放標準作好準備。

考慮到現(xiàn)有車輛在不同行駛循環(huán)中的負荷型譜，有將負荷轉(zhuǎn)移到更高的特性曲線場范圍的趨勢，其原因一方面是已轉(zhuǎn)化的發(fā)動機低速化和小型化的程度，另一方面是行駛循環(huán)的負荷越來越高，因此進一步降低燃油耗措施的重點應在于pme>0.04MPa的平均壓力范圍[8]。

在此背景下，在這種新機型開發(fā)的準備階段，應對所有的降低燃油耗技術進行廣泛的前期試驗研究。鑒于發(fā)動機小型化從運行工況點移動所產(chǎn)生的優(yōu)點，顯然很難再通過這種技術來進一步獲得改善燃油耗。

即使是其他方面的技術，例如分層運行，特別是在優(yōu)化低部分負荷燃油耗方面，僅呈現(xiàn)出有限的節(jié)油潛力，因此問題的核心在于怎樣才能以最簡易的方法在中等至更高的負荷范圍內(nèi)獲得最佳的燃油耗。

4 過程控制

若在p-V圖上考察均質(zhì)化學計量比汽油機的工作過程的話，則可清楚地看到，通過加長膨脹行程能夠使從燃燒直至產(chǎn)生機械功的能量轉(zhuǎn)換過程在膨脹行程期間進行得更為有效(圖2(a))。

從傳統(tǒng)的工作過程轉(zhuǎn)換到膨脹行程加長的工作過程，在利用傳統(tǒng)的曲柄連桿機構(gòu)的情況下成功地實現(xiàn)了與米勒(Miller)配氣正時和加大排量相結(jié)合的效果。結(jié)果通過匹配配氣正時和幾何壓縮比能夠在一定程度上在p-V圖上復制出所期望的工作過程。

如果計算真實指示運行工況點的附加作功面積(W=∫pdV)，那么就能根據(jù)膨脹行程加長的百分比和不同的負荷得到圖2(b)所示的對應所作的功[9]。圖中所示出曲線是以1臺典型的傳統(tǒng)TFSI發(fā)動機為基礎得到的，并且可認為是普遍適用的。

膨脹行程加長得越多，工作過程的潛力就越大，并且隨著負荷的不斷增大，附加作功就繼續(xù)增加。僅在非常低的負荷下才會顯示出缺點，其原因是在低負荷工況點時(相當于pme≤0.1MPa)，高壓過程因強烈的節(jié)流而在非常低的壓力水平上開始，并且僅在接近排氣壓力的水平下結(jié)束，再進一步膨脹到低于排氣壓力而導致的負的作功面積。但是，在中等壓力下，通過額外作功就能調(diào)節(jié)到有所增加。

在相同的能量轉(zhuǎn)換邊界條件下，不使用附加燃油增加指示功，這與提高指示效率具有相同的意義，但是為了評價有效的燃油耗優(yōu)勢，還必須計入膨脹行程加長后實際發(fā)動機所產(chǎn)生的附加機械損失。

提供1種可轉(zhuǎn)換的小型化設計方案作為膨脹行程加長方案的基礎。對于125～147kW功率范圍和250～320N·m扭矩而言，就如今的增壓技術狀況而言，排量能夠從1.8L降低到1.6L。圖3示出了在1個負荷斷面上膨脹行程加長方案相對于這種小型化方案典型的燃油耗優(yōu)勢[10]。在低負荷時,因摩擦較小和運行工況點的移動而存在較大的節(jié)油潛力,但是因較早出現(xiàn)爆燃,至此開始就可看到越來越大的燃油耗方面的缺點。以1.6L的發(fā)動機為基礎，就能實施加大膨脹行程。EA888產(chǎn)品型譜中有 2.0L 排量的發(fā)動機，用這種機型就能將膨脹行程加大25%。按照圖2(b)就能將多作的指示功補償?shù)皆撠摵蓴嗝娴娜加秃纳?，?jié)油潛力就能提高到虛線曲線的水平。若考慮到2.0L發(fā)動機實際上具有較高的摩擦的話，則燃油耗優(yōu)勢略有降低，但是與 1.8L 基礎發(fā)動機相比，通常都能呈現(xiàn)出顯著的節(jié)油效果。扭矩約從30N·m起，隨著負荷的增加，與1.6L小型化發(fā)動機相比也顯示出明顯的節(jié)油效果。

圖2 p-V圖上加長膨脹行程以及根據(jù)負荷和膨脹行程加長的不同所獲得的指示功

這就是說，從工作過程得到的指示燃油耗方面的好處足以補償因摩擦而帶來的缺陷。由于隨著負荷的增加膨脹終了的壓力提高，相對于小型化的節(jié)油潛力也隨之增大。在負荷高于200N·m的情況下，因爆燃限制增大，節(jié)油潛力更超比例地增加。能量轉(zhuǎn)換得越晚，在膨脹行程加長范圍內(nèi)所作的指示功就越大。因為其節(jié)油效果并非如同小型化那樣從運行工況點的移動而得到的，而是通過工作過程效率的提高而實現(xiàn)的，因而也獲得了更好的燃油耗。

5 燃燒過程

第一步是從單純的幾何學考察推導出燃燒過程重要的基本參數(shù)(壓縮比、配氣正時和增壓壓力需求)。

上文介紹的發(fā)動機方案是以傳統(tǒng)1.6L發(fā)動機為基礎理論上加長膨脹行程,所需的0.25MPa平均壓力是采用約9.5壓縮比達到的。就理論上而言(圖2(a))，在膨脹行程加長的情況下，最大氣缸容積增大，而最小容積(Vc)則保持不變，因而2.0L發(fā)動機的壓縮比ε≈11.6。

通過米勒配氣正時與加大發(fā)動機排量相結(jié)合加長膨脹行程，在理想狀態(tài)其在p-V圖上的換氣過程與基礎小型化方案是相似的，也就是說，配氣正時補償了因排量變化引起的充氣差異，因而為了達到相同的絕對負荷所需的進氣/增壓壓力也應相似。1.6L 發(fā)動機的氣缸充量相當于2.0L發(fā)動機氣缸充量的80%，在傳統(tǒng)的曲柄連桿中這種狀況是在上止點前后120°CA(曲軸轉(zhuǎn)角)時達到的。

進氣過程設計時涉及進氣門關閉的時間，包括進氣門早關(FES)和進氣門晚關(SES)。對于這個課題曾利用電控全可變氣門機構(gòu)進行過廣泛的試驗研究[9]，其結(jié)果表明，在部分負荷時采用進氣門早關與氣門重疊相結(jié)合能獲得最好的燃油耗。對于渦輪增壓發(fā)動機而言，在全負荷時因存在更好的爆燃邊界條件，即使在應用短進氣過程長度時也顯示出明確的燃油耗優(yōu)勢。

在這樣的前提下，并考慮到特性曲線場中所應用的進氣門開啟時間點，150°CA的進氣過程長度是最有利的折中。但是，在試驗臺上的試驗研究表明，一方面由于氣缸充氣和有效壓縮比的限制及廢氣掃氣之間的折中，使得低端扭矩范圍內(nèi)的性能明顯降低。所以為了達到全負荷目標更好的折中方案,可以通過將進氣門開啟的長度加大到170°CA來達到，采用這樣的進氣門開啟持續(xù)時間，從基礎的幾何壓縮比ε=11.6出發(fā)能夠?qū)⒂行嚎s比有效降低而不會過分地限制充氣。采取這些措施能夠達到第3代1.8L發(fā)動機的功率和扭矩，同時與1.8L-TFSI發(fā)動機相比，能成功地將基礎轉(zhuǎn)速降低約 200r/min，并改善了動態(tài)性能[10]。

將進氣過程長度從150°CA加長到170°CA，由于降低了消除節(jié)流的潛力并提高了爆燃傾向，因而在寬廣的特性曲線場范圍內(nèi)出現(xiàn)了燃油耗方面的缺陷。這種目標沖突能夠在第3B代EA888機型上的進氣側(cè)使用Audi可變氣門升程機構(gòu)來解決。

圖3 在轉(zhuǎn)速為2000r/min的負荷斷面上加長膨脹行程相對比小型化的優(yōu)勢

這種AVS氣門機構(gòu)能夠在部分負荷范圍內(nèi)實現(xiàn)理論上需要的10°CA較短的進氣門開啟持續(xù)時間，因而與渦輪增壓相結(jié)合，即使在140°CA進氣門開啟持續(xù)時間和減小氣門行程的情況下也能達到相對較高的發(fā)動機負荷，以致于在非常寬廣的特性曲線場范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)進氣門早關的優(yōu)點。圖4示出了搭載2.0L-TFSI發(fā)動機和自動變速器的A4轎車在全球統(tǒng)一的輕型車試驗循環(huán)(WLTP)中的實例，這種行駛循環(huán)能夠完全在進氣門開啟時間短的效果優(yōu)化的進氣凸輪廓線上運行，即使在試驗循環(huán)之外，這種新的燃燒過程也能從Audi可變氣門升程機構(gòu)的可變性中獲得最大的好處，因為直至 200km/h 車速時仍可使用短的進氣凸輪。

圖4 Audi A4轎車在全球統(tǒng)一的輕型車試驗循環(huán)(WLTP)中和等速行駛時進氣凸輪軸(140°CA和170°CA)的應用

實現(xiàn)理論上推導出的潛力的前提條件是如傳統(tǒng)燃燒過程一樣來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。除了適合于基礎發(fā)動機方案(1.6L小型化發(fā)動機)的燃燒重心位置之外，重要的參數(shù)還有燃燒速度和相當?shù)臒M程度。充量運動對于上述所有3種燃燒參數(shù)產(chǎn)生決定性的影響，特別是對于進氣門早關(FES)方案這種充量運動首先會顯著降低，這是由于進氣階段結(jié)束得早，充量運動蛻變的時間較長，而且因進氣門行程減小使得充量從一開始進入氣缸就阻礙形成強烈的滾流運動。除此之外，提高壓縮比所需要的活塞結(jié)構(gòu)又使充量難以維持滾流運動。圖5將上述這些效果用充量運動的計算結(jié)果表示出來。首先因配氣正時的改變，充量運動的大小在其他配置相同的情況下降低到約25%，從這個水平出發(fā)，通過開發(fā)新的進氣道，成功地將滾流提高到超過原先值的50%。另一個必要措施是應用進氣門導氣屏，在小氣門行程時通過氣門上側(cè)引導所有的進氣空氣質(zhì)量流，從而特別是在氣門關閉階段再一次成功地授予充量運動明顯的動量，而活塞頂形狀的優(yōu)化又能繼續(xù)有助于支持充量運動。通過上述的優(yōu)化步驟，綜合效果使充量運動又提高到第3代2.0L發(fā)動機的水平。

圖5 第3B代2.0L-EA888發(fā)動機充量運動的開發(fā)

正是在高壓縮比的情況下燃燒室的設計具有重大意義，因為例如因必需的氣門凹陷就需要高的活塞結(jié)構(gòu)，并且易于發(fā)生強烈的裂縫[9]，這對于充量運動、燃燒、燃油耗和排放都具有不利的影響。在持續(xù)不斷的開發(fā)中，結(jié)合壓縮比ε=11.0～12.0的各種不同折中狀況，已對活塞形狀和氣缸蓋上的燃燒室進行了廣泛優(yōu)化。

首先與基礎氣缸蓋的組合表明，在考慮到全負荷目標值的情況下壓縮比被限制在11.2。為了按照已被證實的推論進一步提高壓縮比以提高效率，對燃燒室進行了重大的優(yōu)化，因而通過降低燃燒室頂面以及匹配火花塞和高壓噴油器(HDEV)的位置，氣缸蓋側(cè)的燃燒室容積比第3代EA888機型明顯減小了13%。通過減小氣缸蓋側(cè)的燃燒室容積，可進一步優(yōu)化活塞頂形狀，大大降低圓周凸起，而寬敞的燃燒室凹陷并無變化，從而總體上能形成1個緊湊平和的燃燒室(圖6)。通過這些措施，最終為新的燃燒過程實現(xiàn)了壓縮比ε=11.7。

圖6 第3B代EA888機型燃燒室優(yōu)化的方式

6 基礎發(fā)動機/機械結(jié)構(gòu)

除了所介紹的和新燃燒過程所需要的氣缸蓋方面的改變之外，還對基礎發(fā)動機進行了優(yōu)化。這些變化的主要目的是進一步降低2.0L發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的摩擦。與第3代2.0L發(fā)動機相比,降低的全負荷目標平均壓力允許將曲軸主軸承的直徑從52mm減小到48mm。并對平衡軸鏈傳動機構(gòu)的總體布置也進行了優(yōu)化(圖7)。

圖7 基礎發(fā)動機和平衡軸傳動機構(gòu)的變化(第3代與第3B代的比較)

在外形尺寸受限制的情況下，應用變細的傳動鏈允許滑軌以較小的彎度導向，這能減小摩擦力。在奧迪TFSI發(fā)動機上首次使用0W20粘度等級的低粘度機油，它能降低發(fā)動機中許多其他摩擦部位的功率損失。由于機油粘度較小，對發(fā)動機上的某些部件進行了適應性調(diào)整，例如優(yōu)化了活塞環(huán)或機油泵的傳動比。

就整臺發(fā)動機而言，這些措施的綜合效果使平均摩擦壓力比第3代EA888機型降低了8%(在轉(zhuǎn)速 2000r/min 和水溫90℃下測量)(圖8)，同時這種摩擦的降低使試驗循環(huán)中的CO2排放減少了約1g/km。

圖8 Audi-R4-TFSI發(fā)動機摩擦的開發(fā)

7 降低燃油耗和CO2的潛力

本文所介紹方案的實施和優(yōu)化獲得了相對于以 1.8L 發(fā)動機為基礎的負荷斷面上的節(jié)油潛力曲線(圖9(a))，而且所測得的新的2.0L機型的節(jié)油效果完全吻合了理論推導的節(jié)油潛力。

所實施的發(fā)動機機型的節(jié)油潛力與理論值的偏差可以用使用Audi可變氣門升程機構(gòu)(AVS)改善了消除節(jié)流的效果來解釋，而從扭矩270N·m起，節(jié)油潛力大大降低主要是因為提高功率進入170°CA進氣凸輪廓線而使米勒循環(huán)程度減小所致。即使與1.8L-TFSI發(fā)動機相比保持了顯著的動態(tài)性能方面的優(yōu)勢，但是仍獲得了明顯的節(jié)油效果。與 1.6L 小型化發(fā)動機相比具有同樣明顯的節(jié)油潛力。

圖9(b)示出了第3代1.8L和第3B代2.0L發(fā)動機的燃油耗特性曲線場。最佳燃油耗點分別為 231g/(kW·h)和220g/(kW·h)，而在235g/(kW·h)等燃油耗曲線區(qū)域的大小則表明能在寬廣的特性曲線場范圍內(nèi)獲得明顯的節(jié)油效果。例如在轉(zhuǎn)速 2000r/min 和0.02MPa運行工況點的部分負荷燃油耗也表明，第3代1.8L發(fā)動機為363g/(kW·h)，而第3B代 2.0L 發(fā)動機則已明顯降低到325g/(kW·h)。

圖9 1.6L小型化發(fā)動機和第3B代2.0L正常尺寸發(fā)動機與第3代1.8L發(fā)動機的負荷斷面節(jié)油潛力比較及第3代1.8L-EA888和第3代2.0L-EA888發(fā)動機燃油耗特性曲線場

在量產(chǎn)的汽車上，與第3代1.8L發(fā)動機相比，第3B代2.0L-EA888發(fā)動機在新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)中的CO2排放降低了6～8g/km，其搭載于A4轎車上的最低CO2排放為109g/km，成為該汽車等級中CO2排放的標桿(圖10)，即使在用戶實際使用燃油耗方面也能感受到節(jié)油效果。

圖10 Audi A4第3代EA888發(fā)動機與競爭機型的比較

8 結(jié)論

Audi公司用第3B代2.0L-TFSI缸內(nèi)直噴式汽油機開發(fā)了進一步創(chuàng)新的發(fā)動機方案,這種方案的核心技術是采用短的進氣門開啟持續(xù)時間、提高壓縮比，以及加大行程排量的新型燃燒過程。這種被稱為正常尺寸的設計的發(fā)動機小型化方式不僅在燃油耗，而且動態(tài)性能方面都具有明確優(yōu)勢，同時還采取了各種降低摩擦的措施，可使CO2排放降低約1g/km。

在部分負荷、最佳點和全負荷的燃油耗，以及與原機型相比提高的性能都表明，這種機型不僅非常適用于傳統(tǒng)的動力總成，而且必要時也特別適合于混合動力應用場合。

為了開拓這種潛力，有必要進一步開發(fā)燃燒過程中的能量轉(zhuǎn)換，而且盡管提高了壓縮比，以及對形成缸內(nèi)充量運動產(chǎn)生不利的影響，但是仍能達到傳統(tǒng)渦輪增壓發(fā)動機的能量轉(zhuǎn)換速度。這里所介紹的傳統(tǒng)渦輪增壓發(fā)動機加大膨脹行程的模式研究，以及關于可能達到的節(jié)油潛力的準確推導對開發(fā)過程提供了非常大的幫助，采用這種方式對在每個時間點所達到的狀態(tài)都能進行精確的分析。

所提出的開發(fā)目標僅利用現(xiàn)有的技術就能實現(xiàn)。原則上這種方案還能進一步優(yōu)化，但是依賴于增壓技術的進一步發(fā)展。

2015年，第3B代EA888發(fā)動機首次搭載于新型A4轎車，其中新型動力裝置在進一步降低車輛CO2排放方面占據(jù)重要的份額。新型Audi 2.0L-TFSI缸內(nèi)直噴式汽油機在全球幾乎應用于所有的Audi轎車以及其集團的許多其他車型，并在位于歐洲、北美和中國的工廠中進行生產(chǎn)。

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2016-05-30)