1開發(fā)目標(biāo)

從2011年起，Volkwagen公司開始用新型EA211標(biāo)準(zhǔn)部件發(fā)動機(jī)替代EA111結(jié)構(gòu)系列的3缸和4缸汽油機(jī)，新發(fā)動機(jī)在高端系列和橫置模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件平臺的功率和效率方面樹立了新標(biāo)桿。

在開發(fā)EA211標(biāo)準(zhǔn)部件時，最初考慮將新型3缸增壓燃油分層噴射(TSI)汽油機(jī)作為小型化策略的重要組成部分。為滿足輕型、緊湊、高效和低成本方面的要求，并鑒于全球日益嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)，確定了以下開發(fā)目標(biāo)：(1) 高升功率(85kW/L)和升扭矩(200N·m/L)；(2) 盡早盡快提升扭矩；(3) 最佳的瞬態(tài)加速響應(yīng)性能；(4) 燃油耗和CO2排放達(dá)到最佳水平；(5) 在整個特性曲線場中摩擦功率最低；(6) 無需附加質(zhì)量平衡機(jī)構(gòu)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性就能達(dá)到4缸機(jī)水平；(7) 整車達(dá)到Volkswagen公司A00-A級水平；(8) 可全球使用的堅固動力總成設(shè)計，并在慣性質(zhì)量較大的轎車上具有較高的承載能力；(9) 使用燃油的靈活性。

此外，還面臨要大量應(yīng)用EA211標(biāo)準(zhǔn)部件作為通用件參與全球制造裝配的挑戰(zhàn)。參考先前項目的開發(fā)經(jīng)驗，將發(fā)展技術(shù)用于附加功能組合部件，以提高目標(biāo)值。

2014年底，Volkswagen公司首次將新型3缸1.0L-TSI汽油機(jī)配裝于Polo轎車，其功率等級為70kW和80kW，CO2排放量從94g/km起[3]。自2015年5月起,作為藍(lán)驅(qū)技術(shù)機(jī)型(用于美國市場能滿足最嚴(yán)格廢氣排放法規(guī)的清潔機(jī)型)，這種動力總成將配裝于Volkswagen公司Golf轎車，其功率為85kW，CO2排放量低于100g/km。該機(jī)型的主要技術(shù)規(guī)格列于表1。

表1 1.0L-TSI汽油機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

項目參數(shù)氣缸布置及氣缸數(shù)直列，3缸每缸氣門數(shù)4排量/mL999缸徑/mm74．5行程/mm76．4主軸承直徑/mm45．0連桿軸承直徑/mm47．5缸心距/mm82行程缸徑比1．025壓縮比10．5額定功率/kW70/81/85(5000～5500r/min)最大扭矩/(N·m)160/200(2000～3500r/min)升扭矩/((N·m)·L-1)160/200燃油(研究法辛烷值)ROZ95發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)MED17．5．21排放水平歐6。

2發(fā)動機(jī)系列設(shè)計方案

這種緊湊的全鋁4氣門汽油機(jī)采用EA211標(biāo)準(zhǔn)部件的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，其關(guān)注點是降低摩擦、功能集成度高，以及更緊湊更輕的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，從而獲得了集成排氣歧管的3缸TSI氣缸蓋，并與水泵模塊相互配合達(dá)到了快速加熱、降低摩擦損失，并在實際使用中獲得了節(jié)油效果。所有對外密封軸密封裝置都配備了摩擦優(yōu)化的徑向密封環(huán)。

凸輪軸由1條密封灰塵、免維修和摩擦小的齒形皮帶傳動，氣門則通過滾輪搖臂驅(qū)動，集成為氣門驅(qū)動模塊。直徑減小的凸輪軸滑動軸承減少了摩擦損失，剛性緊湊的軸承結(jié)構(gòu)型式對氣門驅(qū)動的動力學(xué)產(chǎn)生了有利影響。進(jìn)氣或排氣凸輪軸在配氣傳動機(jī)構(gòu)側(cè)的第1道軸承承受皮帶的附加力，出于降低摩擦的原因，采用向心球軸承。

圖1 新型3缸1.0L-TSI汽油機(jī)

基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)上的輔助設(shè)備布置緊湊，沒有額外支架，并且都使用標(biāo)準(zhǔn)部件的零件。圖2以新型1.0L-TSI發(fā)動機(jī)為例，示出了EA211發(fā)動機(jī)系列典型的發(fā)動機(jī)模塊組合部件，只在81kW機(jī)型和85kW機(jī)型的廢氣渦輪增壓器和氣門傳動機(jī)構(gòu)中應(yīng)用了高價值材料，以提高其負(fù)荷承載能力。

圖2 EA211發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)型式

3氣缸體曲軸箱

氣缸體曲軸箱采用AlSi9Cu3鋁合金壓鑄成形的開放式頂面結(jié)構(gòu)型式，鑲鑄的氣缸套使用全球通用燃油可靠運(yùn)行。為優(yōu)化散熱性能，氣缸套外圓被設(shè)計成粗糙表面，一方面能增大與鋁制缸體的結(jié)合表面積，同時使2種材料貼合得更為緊密。為減小摩擦，氣缸套采用中心架珩磨工藝加工，因此，即使活塞環(huán)組的切向力較小，仍具有良好的表面貼合性，使機(jī)油消耗量和曲軸箱通風(fēng)量都較少。

氣缸套曲軸箱具有許多鑄造成形的通道，用于供應(yīng)壓力機(jī)油、機(jī)油回油、冷卻液循環(huán)和曲軸箱通風(fēng)等，機(jī)油冷卻器也可通過氣缸體曲軸箱中專用通道與機(jī)油和冷卻液相通。曲軸箱幾乎僅在發(fā)動機(jī)內(nèi)部進(jìn)行部分通風(fēng)(圖3)，為阻擋機(jī)油飛濺，氣體從曲軸箱空間進(jìn)入安裝在曲軸箱中的機(jī)油分離器，分離出的機(jī)油在機(jī)油液面下回流到油底殼中，而氣體則通過氣缸體曲軸箱中的1條上升通道引導(dǎo)到氣缸蓋和整體式氣門驅(qū)動機(jī)構(gòu)，從而進(jìn)入廢氣渦輪增壓器。因去除機(jī)油的曲軸箱通風(fēng)氣體在機(jī)內(nèi)流動，因此，能確保在低溫下發(fā)動機(jī)運(yùn)行時不會結(jié)冰，而且曲軸箱通風(fēng)氣體量較大。在吸氣行程時，曲軸箱通風(fēng)氣體從與機(jī)油分離器相連接的通道經(jīng)過集成在進(jìn)氣管中的止回閥直接進(jìn)入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管。這種機(jī)內(nèi)的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)可靠性較高，因為從一開始就避免了出現(xiàn)缺陷。

圖3 氣缸體曲軸箱的通風(fēng)系統(tǒng)

為了避免即使在頻繁的短途交通情況下出現(xiàn)冷凝情況，在氣缸體曲軸箱真空下，新鮮空氣不斷從空氣濾清器凈化空氣側(cè)，通過氣缸蓋罩中的止回閥由發(fā)動機(jī)吸入，發(fā)動機(jī)暖機(jī)時泄漏的曲軸箱氣體被新鮮空氣流攜帶通過機(jī)油分離器進(jìn)入氣缸燃燒。

4曲軸連桿機(jī)構(gòu)和活塞組

曲柄連桿機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動質(zhì)量輕和摩擦小的特點，因而能取代3缸發(fā)動機(jī)上常用的平衡軸，并無損于舒適性。與4缸機(jī)一樣，曲軸的連桿軸頸也鉆成空心，即使需要較高的功率，因優(yōu)化了主軸承和連桿軸承的設(shè)計，仍可進(jìn)一步減輕發(fā)動機(jī)質(zhì)量和降低曲柄連桿機(jī)構(gòu)的摩擦，并對燃油耗產(chǎn)生有利影響。所采用的4個平衡塊降低了曲軸的內(nèi)部應(yīng)力和軸承負(fù)荷，此外，有針對性的質(zhì)量平衡能較為明顯地降低傳動系統(tǒng)中的振動激勵。

EA211標(biāo)準(zhǔn)部件中的新型技術(shù)組件是無小頭孔襯套連桿，這是首次在1.0L-TSI和具有主動氣缸管理系統(tǒng)(ACT)的1.4L-TSI-ACT汽油機(jī)上應(yīng)用。采用由Volkswagen零部件公司開發(fā)的有利于降低成本的滾壓工藝加工連桿小頭孔，與浮動支承并有類金剛石石墨涂層的活塞銷相配合進(jìn)一步降低活塞支承摩擦，同時，通過活塞頂?shù)钠教乖O(shè)計減輕了活塞質(zhì)量，并改善了溫度分布。

5氣缸蓋

1.0L-TSI汽油機(jī)的氣缸蓋采用翻轉(zhuǎn)式金屬模鑄造方法制成(圖4)，為確保獲得高品質(zhì)的金相組織，采用AlSi10Mg(Cu)鋁合金并經(jīng)過熱處理，燃燒室周圍采用橫流式冷卻。與1.0L多點噴射式(MPI)汽油機(jī)相比，集成排氣歧管的氣缸蓋針對散熱和消除冷卻系統(tǒng)節(jié)流進(jìn)行了重新設(shè)計和優(yōu)化，因此，能使發(fā)動機(jī)快速達(dá)到其運(yùn)行溫度，并在正常運(yùn)行時冷卻廢氣流。在上述條件下,幾乎在整個特性曲線場范圍內(nèi)都能達(dá)到過量空氣系數(shù)λ=1的燃油空氣比，從而降低了CO2排放和用戶實際使用燃油耗。

圖4 集成排氣歧管的氣缸蓋

將屋頂式燃燒室上方的進(jìn)氣門傾斜21°，排氣門傾斜22.4°，由滾輪搖臂操縱。氣門桿直徑為5mm，進(jìn)氣門座角度為90°，而排氣門座角度為120°，以確保使用代用燃料時的耐磨性。功率81kW以上機(jī)型均使用鈉冷卻的排氣門，并采用AR20D材料的高耐磨性氣門座圈，在功率為75kW的基本機(jī)型上，整個氣門都采用X45高強(qiáng)度合金鋼，氣門座圈采用燒結(jié)材料制成。氣缸蓋上的氣門機(jī)構(gòu)由整體式氣門傳動模塊驅(qū)動。

6冷卻系統(tǒng)

沿用EA211標(biāo)準(zhǔn)部件發(fā)動機(jī)中由機(jī)內(nèi)高溫循環(huán)回路和低溫循環(huán)回路組成的冷卻系統(tǒng)。電動冷卻液泵全柔性地按需調(diào)節(jié)，供應(yīng)低溫循環(huán)回路中的增壓空氣間接冷卻及發(fā)動機(jī)停機(jī)后廢氣渦輪增壓器后冷卻所需的冷卻液，而高溫循環(huán)回路中的發(fā)動機(jī)冷卻則由整體式水泵-節(jié)溫器模塊調(diào)節(jié)，借助于免維護(hù)的齒形皮帶由排氣凸輪軸驅(qū)動。

整體式水泵-節(jié)溫器模塊中包括1個進(jìn)水道和2個回水通道。節(jié)溫器殼體采用PA6.6材料制成并用螺栓與鋁壓鑄件連接，能容納2個節(jié)溫器，以及與冷卻器進(jìn)水或回水和采暖熱交換器連接的管接頭。冷卻水從水泵經(jīng)過氣缸蓋中的連接通道，進(jìn)入氣缸體曲軸箱中的水道，主冷卻水流在87℃溫度下通過氣缸密封墊引入氣缸蓋，與冷卻燃燒室的橫流水流和平行冷卻整體式排氣歧管的第2股冷卻水流相遇，2股水流在節(jié)溫器前匯合，并流入主節(jié)溫器前的混合室。

圖5 冷卻水泵-節(jié)溫器模塊及冷卻水循環(huán)回路

冷卻液在氣缸體曲軸箱起始點從水道直接流入發(fā)動機(jī)機(jī)油冷卻器，并在第1缸前又流回水道，在相同位置有1個流入第1缸水套的進(jìn)水口，氣缸側(cè)第2個冷卻回路從這里開始，沿著縱向在流經(jīng)氣缸2和氣缸3后流入節(jié)溫器殼體，并經(jīng)過第3個連接通道流到曲軸箱節(jié)溫器前，該節(jié)溫器在105℃時打開，冷卻液就能流入主節(jié)溫器前的混合室，而主節(jié)溫器還調(diào)節(jié)流經(jīng)汽車散熱器的冷卻水流動。

7配氣機(jī)構(gòu)

整個配氣機(jī)構(gòu)的零部件均沿用EA211模塊化發(fā)動機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件。曲軸通過免維護(hù)的齒形皮帶驅(qū)動凸輪軸,皮帶松弛邊由永久張緊導(dǎo)輪兩側(cè)的止推凸肩導(dǎo)向,而拉力邊則由剛性的轉(zhuǎn)向輪維持皮帶的平穩(wěn)運(yùn)行。

正如該發(fā)動機(jī)系列中的3缸1.0L-MPI汽油機(jī)，進(jìn)排氣凸輪軸的V形皮帶驅(qū)動輪幾乎完全消除了旋轉(zhuǎn)不均勻性，并明顯降低了皮帶拉力，但仍能保證最小動態(tài)皮帶力始終處于有利的范圍內(nèi)，因而確保了齒形皮帶與齒形皮帶輪之間的附著力。

為了優(yōu)化高低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的功率輸出，進(jìn)排氣凸輪軸都應(yīng)用葉片式液力相位調(diào)節(jié)器。進(jìn)氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)范圍為50°CA，排氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)范圍為40°CA，這樣就能在低轉(zhuǎn)速時獲得大扭矩，而在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)達(dá)到高功率。

8機(jī)油循環(huán)回路

Volkswagen公司首次應(yīng)用按特性曲線場無級調(diào)節(jié)的機(jī)油泵(圖6)，其特點是內(nèi)部摩擦較小而使驅(qū)動功率減小。將葉片式機(jī)油泵集成在前端密封法蘭中，并套過曲軸軸頸安裝在氣缸體曲軸箱上。機(jī)油壓力是由安裝在曲軸軸頸上的內(nèi)轉(zhuǎn)子驅(qū)動的葉片形成的油室建立起來的，而機(jī)油泵吸油側(cè)通過直接安裝的塑料吸油管從油底殼吸入機(jī)油。油底殼由鋁整體壓鑄后經(jīng)熱處理制成，并通過有針對性地設(shè)計加強(qiáng)筋優(yōu)化聲學(xué)特性。機(jī)油從泵的壓力側(cè)通過氣缸體曲軸箱中的通道抵達(dá)固定在油底殼上的機(jī)油濾清器，輸入主油道，再從主油道分配到主軸承和連桿軸承，并經(jīng)過上升通道進(jìn)入氣缸蓋上的配氣機(jī)構(gòu)，由氣缸蓋中的2條油道給滾輪搖臂供應(yīng)機(jī)油，機(jī)油再通過鉆孔分流通道抵達(dá)凸輪軸軸承和凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的進(jìn)油閥。在變速器端，壓力機(jī)油經(jīng)過最后一道主軸承通過鉆孔向外輸送，在那里的導(dǎo)管能確保向廢氣渦輪增壓器供應(yīng)機(jī)油。并僅在機(jī)油壓力水平較高時才向活塞頂噴射機(jī)油冷卻。

圖6 機(jī)油循環(huán)回路和按特性曲線場調(diào)節(jié)的

機(jī)油泵

機(jī)油泵的機(jī)油壓力由液壓和電子調(diào)節(jié)回路調(diào)節(jié)。通過從主油道至機(jī)油泵的連接進(jìn)行外環(huán)區(qū)域的液力壓力調(diào)節(jié)，而電子控制的比例電磁閥則按需將機(jī)油壓力調(diào)節(jié)在0.10～0.33MPa之間，位于氣缸蓋上升通道中的機(jī)油壓力傳感器為此提供所需信息，這種由機(jī)油泵控制的特性曲線場根據(jù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷需要進(jìn)行設(shè)計。

9廢氣渦輪增壓器

在開發(fā)渦輪增壓器時，低轉(zhuǎn)速時的大扭矩和具有豐滿扭矩特性曲線的瞬態(tài)性能起著主導(dǎo)作用。針對集成在氣缸蓋中的排氣歧管中廢氣熱焓較少的狀況，采用單流道渦輪增壓器，其轉(zhuǎn)子特點是外形尺寸和慣性力矩較小，效率水平較高。廢氣渦輪增壓器由高耐熱奧氏體合金鑄鋼制成，能承受高達(dá)1050℃的廢氣溫度，而渦輪葉輪采用MAR-M246鎳基合金。

1.0L-TSI汽油機(jī)的增壓壓力最大可達(dá)到 0.16MPa (相對壓力)，是EA211發(fā)動機(jī)系列中的最高值。增壓壓力由新開發(fā)的電動廢氣放氣閥調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，無須依賴增壓壓力進(jìn)行控制，因此廢氣放氣閥在低轉(zhuǎn)速時能可靠關(guān)閉，并能確保順利建立起較陡的扭矩特性曲線。在部分負(fù)荷范圍內(nèi)，因廢氣放氣閥完全打開使廢氣背壓很低，從而降低了換氣損失。

10熱力學(xué)：充量運(yùn)動和滾流

以4缸TSI汽油機(jī)量產(chǎn)進(jìn)氣道為基礎(chǔ),運(yùn)用Volkswagen公司研究中心的發(fā)動機(jī)零部件自動優(yōu)化開發(fā)工具進(jìn)一步提高了進(jìn)氣道的滾流數(shù)，而對流量系數(shù)沒有明顯的不利影響。圖7示出了用穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)計算流體力學(xué)(CFD)模擬計算，結(jié)果得出的進(jìn)氣道方案的包絡(luò)曲線帶、基本進(jìn)氣道和用于1.0L-TSI汽油機(jī)的目標(biāo)進(jìn)氣道都位于包絡(luò)曲線帶的最上方。

圖7 氣道方案的包絡(luò)曲線

圖8示出了新滾流進(jìn)氣道提高的流動速度。特別注重抑制不位于滾流主軸上的擾動成分(Ω擾動)，從而確保流入空氣對燃油噴束的均勻席卷、高均質(zhì)化程度和點火上止點時的擾動動能水平。

圖8 滾流氣道的流動設(shè)計

11混合氣形成和燃油噴射

1.0L-TSI汽油機(jī)的開發(fā)目標(biāo)是在低轉(zhuǎn)速和寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供大扭矩(圖9)。燃燒空氣通過汽車上的進(jìn)氣口進(jìn)入安裝在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管和氣缸蓋上方的空氣濾清器。增壓空氣通過直徑為44mm的電控進(jìn)氣門接管進(jìn)入集成增壓空氣冷卻器的進(jìn)氣管。燃油系統(tǒng)中的燃油蒸氣經(jīng)過燃油箱通風(fēng)閥進(jìn)入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管，直接位于進(jìn)氣門后，能確保進(jìn)入的燃油蒸氣均勻地分配到3個氣缸。

圖9 功率和扭矩特性曲線

在EA211系列發(fā)動機(jī)上首次應(yīng)用最高噴油壓力為25MPa的高壓噴油系統(tǒng)。高壓燃油泵和不銹鋼共軌與提高的系統(tǒng)壓力相匹配，并采用5孔電磁閥噴油器實現(xiàn)高壓噴油。借助于CFD模擬計算，針對新的滾流進(jìn)氣道優(yōu)化了燃油噴束的貫穿度、零件潤濕和均質(zhì)化程度，而模擬計算的有效性借助整機(jī)和玻璃透明試驗發(fā)動機(jī)上的光學(xué)測量技術(shù)予以驗證。高噴油壓力使噴油器能獲得最小噴油量和最佳的噴油持續(xù)期。在部分負(fù)荷和全負(fù)荷時，以及催化轉(zhuǎn)化器加熱期間，運(yùn)用多達(dá)3次的多次噴射能進(jìn)一步降低廢氣排放，并減少燃油摻入機(jī)油的數(shù)量，同時提高了燃燒穩(wěn)定性，其中通過發(fā)動機(jī)電控單元中的特殊功能將噴油量的誤差降至最低。

12結(jié)語

Volkswagen公司開發(fā)了新型3缸1.0L-TSI汽油機(jī)(圖10)，在開發(fā)期間就考慮到未來用于燃油品質(zhì)較低的市場，用于乙醇和壓縮天然氣運(yùn)行的部件和零件改進(jìn)也被考慮其中，因此，新機(jī)型現(xiàn)已具備寬廣應(yīng)用范圍，可用于不同車型平臺。

圖10 EA211模塊化直噴式汽油機(jī)

持續(xù)不斷地利用EA211模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件，以及全球統(tǒng)一的制造工藝，使產(chǎn)品開發(fā)成本低、周期短，并能利用Volkswagen公司車間中的成套工藝裝備進(jìn)行生產(chǎn)。

為Polo和Golf轎車開發(fā)的新型高度模塊化和經(jīng)濟(jì)性的動力總成，將TSI典型的高品質(zhì)、高效率和駕駛樂趣相結(jié)合。與老機(jī)型相比，配裝3缸TSI汽油機(jī)的Polo轎車的CO2排放降低了17%，同時升扭矩較高使其具備良好的急加速性能，獲得了TSI車型典型的駕駛樂趣，并且，在具有出色的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性的同時，獲得了優(yōu)異的行駛舒適性。

新型3缸TSI汽油機(jī)具有緊湊的結(jié)構(gòu)型式，其出色的扭矩和功率輸出與較低的CO2排放相結(jié)合，是EA211發(fā)動機(jī)系列發(fā)展中的又一個里程碑。