文/江蘇 范明強(qiáng)

一、現(xiàn)代汽油發(fā)動機(jī)的發(fā)展

隨著全球生態(tài)環(huán)境日益惡化，歐盟議會要求到2012年，各汽車公司所生產(chǎn)的汽車平均CO2排放量應(yīng)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(shù)的發(fā)展，直噴式柴油機(jī)的普遍推廣與應(yīng)用，特別是汽油缸內(nèi)直接噴射技術(shù)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(jī)的水平(見圖2)。但是，歐洲汽車制造商聯(lián)合會只能承諾到2012年，汽油車平均CO2排放量達(dá)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(dāng)大的差距，有待于繼續(xù)挖掘直噴式汽油機(jī)的節(jié)油潛力。

圖3示出了現(xiàn)代汽油發(fā)動機(jī)各種技術(shù)措施節(jié)油潛力的比較。圖中可以清楚地看出，單一措施的汽油缸內(nèi)直接噴射蘊(yùn)含著最大的節(jié)油(即降低CO2排放量)潛力。這種效果一方面是因為發(fā)動機(jī)的無節(jié)流運(yùn)行降低了換氣損失，另一方面由于充量分層運(yùn)行，燃燒在燃燒室中央進(jìn)行，周圍有隔熱的空氣層，減小了壁面的熱損失。此外，全負(fù)荷時，爆震傾向降低，所以發(fā)動機(jī)能夠以較高的壓縮比運(yùn)行。這些措施在發(fā)動機(jī)整個特性曲線場范圍內(nèi)，對燃油耗起到了有利的作用。而燃燒室內(nèi)經(jīng)過優(yōu)化的充量運(yùn)動，也使得混合汽在以化學(xué)計量比運(yùn)轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)具有較高的EGR兼容性，因此在該運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，也能獲得節(jié)油效果。所以，無論從節(jié)能減排的角度，還是從提高汽油發(fā)動機(jī)動力性能的角度，現(xiàn)代缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)都在進(jìn)氣道噴射技術(shù)的基礎(chǔ)上，又將汽油發(fā)動機(jī)技術(shù)向前推進(jìn)了一大步。

圖3示出的汽油發(fā)動機(jī)的各種節(jié)油技術(shù)措施對缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)的節(jié)能減排均具有顯著效果，已成為缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)發(fā)展不可分割的部分，其中發(fā)動機(jī)小型化是現(xiàn)代缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)的主要發(fā)展方向，電控汽油缸內(nèi)直接噴射技術(shù)、廢氣渦輪增壓技術(shù)和可變氣門控制技術(shù)構(gòu)成了現(xiàn)代缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)小型化的三大核心技術(shù)。據(jù)預(yù)測，采用這些技術(shù)的缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)的市場份額將不斷增長，至2020年，這些汽油機(jī)將占轎車發(fā)動機(jī)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(jī)

汽油缸內(nèi)直接噴射蘊(yùn)含著最大的節(jié)油潛力，為了充分發(fā)揮其潛力，要求發(fā)動機(jī)在盡可能寬廣的工況范圍內(nèi)，以燃油分層噴射(FSI，F(xiàn)uel Stratified Injection)的方式運(yùn)行。2000年，大眾公司路波(Lupo)轎車裝用的1.4L-FSI汽油機(jī)是歐洲市場上的第一臺FSI直噴式汽油機(jī)，77kW/130Nm，最高車速達(dá)200km/h,燃油耗僅4.9L/100km，并達(dá)到當(dāng)時最嚴(yán)格的歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，是優(yōu)異的燃油耗、卓越的行駛動力和最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)的完美結(jié)合。

Lupo-FSI汽油機(jī)是大眾公司燃油分層噴射技術(shù)的平臺，為了使讀者能更好地理解FSI汽油機(jī)的設(shè)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(tǒng)

圖5是FSI燃燒系統(tǒng)的原理圖。這種燃燒系統(tǒng)在先期開發(fā)階段，經(jīng)過一系列試驗從多種燃燒系統(tǒng)方案中優(yōu)選出來，除了考慮燃油耗和排放等整機(jī)性能因素外，噴油器的熱負(fù)荷也是必須著重考慮的重要方面。噴油器布置在雙聯(lián)進(jìn)氣道的下方，其噴束錐角為70°，根據(jù)進(jìn)氣道與汽缸蓋所形成的空間結(jié)構(gòu)，噴油器的噴束軸線必須相對于活塞頂傾斜20°，以適應(yīng)與燃燒室?guī)缀涡螤畹南鄬﹃P(guān)系。

由圖5可以清楚地看出，鑄入進(jìn)氣道內(nèi)的滾流板將進(jìn)氣道分成上下兩半，前置的滾流閥可根據(jù)發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況關(guān)閉進(jìn)氣道的下半部，使進(jìn)氣道上半部的氣流產(chǎn)生加速，流經(jīng)進(jìn)氣門頸部上方進(jìn)入燃燒室，從而誘導(dǎo)出強(qiáng)烈的空氣滾流運(yùn)動?；钊斆嬗袃蓚€特殊造型的導(dǎo)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(dǎo)向和空氣氣流導(dǎo)向組合效應(yīng)。燃油導(dǎo)向凹坑造型在廣泛的試驗研究中，獲得了最佳的導(dǎo)向效果，即盡可能好地將燃油噴束引導(dǎo)到火花塞附近。

圖6是利用計算流體動力學(xué)(CFD)的方法得到的氣流和燃油噴束的結(jié)果，清晰地顯示了FSI燃燒過程中空氣氣流導(dǎo)向和壁面導(dǎo)向的綜合效果。借助于氣流導(dǎo)向凹坑的形狀，特別是其流出角，使燃油噴束在撞到燃油導(dǎo)向凹坑背風(fēng)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(diǎn)火上止點(diǎn)前55°CA時，就已準(zhǔn)備好良好的空燃混合物。

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

由于滾流的強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速而增強(qiáng)，因此噴油壓力和噴油定時等噴射參數(shù)必須適應(yīng)工況的變化，以確保在重要的運(yùn)行工況區(qū)域內(nèi)，空氣氣流、噴油及其周圍的燃燒室?guī)缀涡螤钊咧g良好配合。

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

2.基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)

EA111系列的基本型號是1.4L-55kW-4V進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)，其基本設(shè)計方案的主要特點(diǎn)是采用鋁合金機(jī)體、4氣門技術(shù)、滾輪搖臂式氣門傳動機(jī)構(gòu)、塑料進(jìn)氣模塊和EGAS型電子控制系統(tǒng)等。Lupo-FSI汽油機(jī)是2000年在該基本型號的基礎(chǔ)上研發(fā)而成的，成為大眾公司燃油分層噴射技術(shù)的平臺，而新型的自然吸氣1.4L-FSI分層直噴式汽油機(jī)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(jī)技術(shù)平臺的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步改進(jìn),其特別注重摩擦功率、聲學(xué)特性、維護(hù)保養(yǎng)、使用壽命和質(zhì)量等方面的改進(jìn)。這兩種新型FSI汽油機(jī)的技術(shù)規(guī)格示于表1，其主要特點(diǎn)是：①采用Bosch MED9.5.10電控汽油缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)；②結(jié)構(gòu)優(yōu)化的鋁機(jī)體；③質(zhì)量減輕的主運(yùn)動件；④機(jī)體與汽缸蓋冷卻水分開循環(huán)的橫流式冷卻系統(tǒng)；⑤聲學(xué)特性優(yōu)化的齒形鏈條配氣傳動機(jī)構(gòu)；⑥配氣傳動機(jī)構(gòu)罩蓋集成了粗細(xì)機(jī)油濾清器和曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置；⑦安裝在油底殼內(nèi)的流量可調(diào)式機(jī)油泵；⑧進(jìn)氣凸輪軸相位連續(xù)調(diào)節(jié)(僅用于1.6L-FSI汽油機(jī))。

由于新設(shè)計的機(jī)體必須與現(xiàn)有的EA111系列機(jī)體共線生產(chǎn)，因此不僅要保持82mm缸心距不變，而且還要采用基本型發(fā)動機(jī)的深裙型結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計中，要特別重視加強(qiáng)發(fā)動機(jī)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(jié)構(gòu)的徹底優(yōu)化，大大提高了鋁合金機(jī)體的聲學(xué)特性。全新設(shè)計的頂面敞開式鋁合金機(jī)體，采用AlSi9Cu3材料壓鑄而成，并鑲鑄1.4L和1.6L兩種機(jī)型通用的灰鑄鐵汽缸套。

這兩種機(jī)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(chǔ)設(shè)計的，主要改進(jìn)有鏈傳動匹配、配氣傳動機(jī)構(gòu)罩蓋、橫流式冷卻方式等。FSI汽油機(jī)汽缸蓋的特征是在進(jìn)氣道中鑲鑄了滾流板以及位于進(jìn)氣道下方的高壓噴油器安裝孔。

活塞按壓縮比12∶1設(shè)計，由高溫耐熱過的共晶鋁合金制成，特別針對質(zhì)量和摩擦進(jìn)行了優(yōu)化。盡管EA111系列中的FSI機(jī)型的活塞頂面形狀比較復(fù)雜，具有燃油噴束和空氣氣流兩個導(dǎo)向凹坑，但活塞采用新工藝鑄造，特別輕巧，質(zhì)量只有235kg，與老機(jī)型相比減輕了約10 %。

作為自然吸氣機(jī)型，其爆發(fā)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(jī)型采用了鑄鐵曲軸。

表1 新型1.4L和1.6L-FSI汽油機(jī)的技術(shù)規(guī)格

3.橫流式冷卻系統(tǒng)

汽缸蓋橫流式冷卻發(fā)動機(jī)重新設(shè)計了冷卻水流程，這是新發(fā)動機(jī)開發(fā)工作的一項重要內(nèi)容(見圖9)。汽缸蓋橫流式冷卻是通過機(jī)體側(cè)面鑄出的布水道和汽缸蓋中重新設(shè)計的冷卻水套實(shí)現(xiàn)的，汽缸蓋和機(jī)體中的冷卻水回路分別由兩個相互獨(dú)立的節(jié)溫器控制。

汽缸蓋橫流式冷卻在功能上分成兩個區(qū)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(dǎo)向節(jié)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(tǒng)可以達(dá)到以下效果：①發(fā)動機(jī)啟動后機(jī)體升溫迅速，減少了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的摩擦；②燃燒室冷卻最佳；③減小水泵的驅(qū)動功率(水力功耗減少10%)，通過改進(jìn)設(shè)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(jī)構(gòu)

新1.4L和1.6L-FSI汽油機(jī)采用一條齒形鏈傳動凸輪軸，其研發(fā)目標(biāo)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(jié)距為8mm的齒形鏈傳動達(dá)到的，這種鏈條在安裝空間、負(fù)載能力、系統(tǒng)復(fù)雜性和噪聲特性等諸多方面都達(dá)到了最佳的效果。而機(jī)油泵傳動因要求較低，則采用了一條常規(guī)的滾子鏈條(見圖10)。

5.機(jī)油泵

新1.4L和1.6L-FSI汽油機(jī)是世界上首先批量生產(chǎn)并采用可調(diào)式機(jī)油泵的。其設(shè)計目標(biāo)是降低驅(qū)動功率，與常規(guī)機(jī)油泵不同，這種機(jī)油泵的泵油量可根據(jù)發(fā)動機(jī)的實(shí)際需要調(diào)節(jié)。它是一種內(nèi)齒輪式機(jī)油泵，由一條滾子鏈條傳動，并安裝在油底殼內(nèi)。與常規(guī)機(jī)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(diào)節(jié)，機(jī)油循環(huán)的次數(shù)也減少了，從而降低了機(jī)油的負(fù)荷和溫度，減輕了機(jī)油的乳化。

6.凸輪軸調(diào)節(jié)

為了改善扭矩特性、提高最大功率以及實(shí)現(xiàn)內(nèi)部廢氣再循環(huán)(E G R)，1.6L-FSI-85kW機(jī)型的進(jìn)氣凸輪軸相位可連續(xù)調(diào)節(jié)，其葉輪式相位調(diào)節(jié)器的相位角度調(diào)節(jié)范圍為基準(zhǔn)位置朝進(jìn)氣門早開方向提前40°CA。在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，由相位傳感器采集凸輪軸的實(shí)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(jī)油流人或流出葉輪式相位調(diào)節(jié)器，從而將凸輪軸轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)到額定位置。當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動時，借助一個鎖銷將凸輪軸相位調(diào)節(jié)器鎖定在原始進(jìn)氣門遲開的位置上。

7.高壓燃油泵

新1.4L和1.6L-FSI汽油機(jī)采用Bosch公司新開發(fā)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(diào)節(jié)供油量，借助于油泵中的一個電子控制閥，將為達(dá)到噴油壓力所必需的燃油量泵入高壓燃油共軌中去。發(fā)動機(jī)電控單元根據(jù)燃油共軌上的高壓傳感器信息計算油量調(diào)節(jié)閥(MSV)的關(guān)閉時間。一旦燃油共軌中的燃油壓力達(dá)到額定值，油量調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)功能可明顯減小高壓燃油泵的驅(qū)動功率(約40 %)，特別是發(fā)動機(jī)需要燃油量較少的運(yùn)轉(zhuǎn)工況。

8.低壓輸油泵

新1.4L和1.6L-FSI汽油機(jī)燃油系統(tǒng)采用了一種可調(diào)節(jié)供油量的電動燃油泵，它僅僅輸出發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)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(tǒng)的特點(diǎn)可以看出，配置在進(jìn)氣道前的滾流閥和進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)氣道。滾流閥由杠桿機(jī)構(gòu)和一個由電磁閥控制的真空膜盒操縱，其功能是實(shí)現(xiàn)滾流閥的開/關(guān)控制。真空膜盒從進(jìn)氣模塊中的一個單獨(dú)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(yùn)行運(yùn)轉(zhuǎn)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(tǒng)的密封性，以避免因無真空度而使分層噴射運(yùn)行中斷。

在有EGR的均質(zhì)燃燒工況下，關(guān)閉滾流閥能明顯提高燃燒穩(wěn)定性，因此在保證良好的發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的前提下，均質(zhì)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(zhì)燃燒運(yùn)行時的最佳點(diǎn)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(diào)節(jié)閥。通過改變供給共軌壓力調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)在規(guī)定的壓力水平。它在無電流時是關(guān)閉的，在發(fā)動機(jī)停機(jī)時，可抑制形成蒸汽泡，從而明顯改善發(fā)動機(jī)的再啟動性。

10.進(jìn)氣模塊

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

11.空氣濾清器模塊

與EA111系列的其他發(fā)動機(jī)一樣，1.4L和1.6L-FSI汽油機(jī)也采用帶有標(biāo)牌的空氣濾清器模塊，其集成了發(fā)動機(jī)罩板(上蓋)、進(jìn)氣空氣預(yù)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(jìn)氣管和兩個諧振器，對進(jìn)氣空氣的聲學(xué)特性進(jìn)行仔細(xì)的調(diào)整。所有的聲學(xué)措施都經(jīng)過三維計算流體力學(xué)計算，并在流動試驗臺上進(jìn)行了降低壓力損失的優(yōu)化，以便能獲得最佳發(fā)動機(jī)功率。

12.排氣后處理

圖16所示的前置催化轉(zhuǎn)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(jī)的HC轉(zhuǎn)化進(jìn)行過優(yōu)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(jīng)過了改進(jìn)。

13.發(fā)動機(jī)性能

新1.4L和1.6L-FSI汽油機(jī)采用了可靠的氣流/壁面雙導(dǎo)向的FSI燃燒系統(tǒng)，其進(jìn)排氣凸輪軸是針對新的功率和扭矩目標(biāo)值進(jìn)行匹配的，因此1.4L-FSI汽油機(jī)進(jìn)氣凸輪作用角(對應(yīng)于氣門升程1 mm以上的凸輪轉(zhuǎn)角)為176°，排氣凸輪為185°，而1.6L-FSI汽油機(jī)的進(jìn)排氣凸輪均為194°，其中進(jìn)氣凸輪相位可在40°CA范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。與所采用的帶有適當(dāng)錐度的400 mm長(包括進(jìn)氣模塊底部的55 mm流道長度)的進(jìn)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(zhuǎn)速范圍內(nèi)的扭矩，這兩種汽油機(jī)首次采用了兩次噴射的運(yùn)行方式，其特點(diǎn)是：2/3的燃油量在較早的時刻(進(jìn)氣行程中)被噴入流進(jìn)汽缸的新鮮空氣中，而其余的燃油量大約在換氣下止點(diǎn)前后噴入汽缸，因而在低速全負(fù)荷工況時，充量分層的傾向明顯減弱，在改善運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)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(jī)還有以下運(yùn)行方式：①帶高EGR率(最高達(dá)35 %，機(jī)外EGR)的分層充量運(yùn)行；②帶高EGR率(最高達(dá)25 %，機(jī)外EGR)的化學(xué)計量比均質(zhì)充量運(yùn)行；③均質(zhì)充量稀燃運(yùn)行。

在催化轉(zhuǎn)化器加熱階段，還補(bǔ)充一段均質(zhì)兩次噴射運(yùn)行方式。此時，除了均質(zhì)充量主噴射外，還將少量燃油在點(diǎn)火上止點(diǎn)前60°CA時噴入汽缸。這種措施能夠在改善運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和減少HC排放的情況下，對催化轉(zhuǎn)化器產(chǎn)生較快的加熱效果?？傮w而言，能在新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)試驗中降低排放和燃油耗。

圖18示出了新1.6-FSI汽油機(jī)的燃油耗特性曲線。轉(zhuǎn)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(jī)型中均非常突出。圖19是新型1.4L和1.6L-FSI汽油機(jī)的比油耗與競爭機(jī)型的對比情況，從中可以看出，大眾公司在新一代汽油機(jī)上，成功地以FSI技術(shù)進(jìn)一步取得了更大的競爭優(yōu)勢。(未完待續(xù))