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1 40多年的5缸機(jī)傳統(tǒng)

1976年，Audi公司的100-5E型轎車搭載了功率為100 kW的2.0 L 5缸自然吸氣汽油機(jī)，經(jīng)歷了很長的使用周期后，又開發(fā)出了與廢氣渦輪增壓器相組合的派生機(jī)型。1980年，功率為147 kW的直列5缸渦輪增壓汽油機(jī)搭載于Audi公司的Quattro配置的轎車上，該機(jī)型的最高功率為232 kW，曾搭載于RS2 Avant轎車上。2009年，5缸渦輪增壓汽油機(jī)搭載于Audi系列轎車之前，曾在1997年搭載于S2型和S6型轎車上[1-2]。在直列5缸渦輪增壓汽油機(jī)的發(fā)展歷史中，其第一代緊湊型橫置式機(jī)型曾連續(xù)7次在著名的“國際年度發(fā)動機(jī)”中獲得發(fā)動機(jī)獎。目前，這種機(jī)型仍用于RS3 Sportback型和RS Q3型轎車上，并在此基礎(chǔ)上重新進(jìn)行了開發(fā)[3]。

2 開發(fā)目標(biāo)

新機(jī)型的開發(fā)目標(biāo)為：顯著提高動力學(xué)性能、駕駛靈活性和加速響應(yīng)特性；顯著減輕前橋上的質(zhì)量以提高汽車動力學(xué)性能；再次縮短結(jié)構(gòu)空間；降低CO2排放量，滿足未來廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 發(fā)動機(jī)技術(shù)重點(diǎn)簡介

第二代直列5缸燃油分層噴射(TFSI)增壓汽油機(jī)進(jìn)行了全新改進(jìn)，進(jìn)一步改善了發(fā)動機(jī)內(nèi)部摩擦，并通過廣泛使用輕型結(jié)構(gòu)材料顯著減輕了新機(jī)型的質(zhì)量，其中鋁氣缸體曲軸箱、鋁油底殼上件、質(zhì)量優(yōu)化的曲軸，以及包括鋁扭轉(zhuǎn)振動減振器在內(nèi)的單根多V形槽皮帶傳動等起到了決定性的作用。按照DIN GZ標(biāo)準(zhǔn)，其質(zhì)量總共減輕了26 kg。各方面減輕質(zhì)量的潛力歸納于圖1。

為了改善扭矩特性，重新開發(fā)時匹配了新的廢氣渦輪增壓器和Audi可變氣門升程系統(tǒng)(AVS)，還開發(fā)了可調(diào)式冷卻液泵，用于控制發(fā)動機(jī)熱流熱管理，采用這種方法能在暖機(jī)階段切斷冷卻液進(jìn)入發(fā)動機(jī)。

為了達(dá)到未來歐6廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，配裝了Audi燃油分層噴射(FSI)+多點(diǎn)噴射(MPI)的缸內(nèi)和進(jìn)氣道組合噴射系統(tǒng)。這種噴油方式的靈活性既能減少顆粒物排放又能降低燃油耗，而且還有可能在全負(fù)荷范圍內(nèi)通過組合噴射使用更大的噴油量，而且無需加大高壓噴油器的動態(tài)流量范圍。

圖1 按照DIN GZ標(biāo)準(zhǔn)的新機(jī)型相對于原機(jī)型的質(zhì)量減輕潛力

表1列出了最重要的尺寸和特性參數(shù)，并以TT RS型轎車為基礎(chǔ)對這兩代機(jī)型進(jìn)行比較。通過使用單根皮帶傳動和減小定時鏈條寬度使新機(jī)型的安裝長度比原機(jī)型縮短了2.5 mm，第二代直列5缸TFSI增壓汽油機(jī)以493 mm絕對長度可納入傳統(tǒng)的直列4缸機(jī)范圍內(nèi)(圖2)。

表1 兩代直列5缸TFSI增壓汽油機(jī)的主要尺寸和特性參數(shù)

圖2 直列5缸TFSI汽油機(jī)的總長度

4 氣缸體曲軸箱

氣缸體曲軸箱箱體由AlSi7MgCu0.5鋁合金制成，并采用金屬模翻轉(zhuǎn)澆注法鑄造，其主要優(yōu)點(diǎn)除了減輕質(zhì)量之外還大大改善了燃燒室中的熱量散發(fā)，在現(xiàn)有的119 kW升功率情況下有助于提高點(diǎn)火穩(wěn)定性。這種氣缸體曲軸箱被設(shè)計(jì)成深裙結(jié)構(gòu)。為了提高軸承座的強(qiáng)度，采用GJS700球墨鑄鐵，主軸承蓋在剖分面上進(jìn)行了激光處理，由此提高摩擦系數(shù)，降低了軸承座中的應(yīng)力負(fù)荷。主軸承蓋本身從兩側(cè)面用螺栓拉緊，被橫向拉緊在軸承座內(nèi)部。全新設(shè)計(jì)的曲軸箱通風(fēng)加強(qiáng)了軸承座強(qiáng)度，現(xiàn)在的曲軸箱通風(fēng)途徑是經(jīng)過鏈條盒導(dǎo)向氣缸蓋的，而不像原機(jī)型那樣穿過軸承座，這樣就同時改善了分離機(jī)油的曲軸箱通風(fēng)功能。

Audi公司首次采用大氣等離子噴鍍法(APS)進(jìn)行氣缸工作表面涂層。這種鐵-碳涂層與優(yōu)化的珩磨相結(jié)合提供了全球車輛使用所需的耐磨性。在5.5 mm氣缸“鼻梁”寬度和150 μm涂層厚度情況下，這種工藝方法提供了冷卻氣缸“鼻梁”的可能性。與灰鑄鐵氣缸套結(jié)構(gòu)型式相比，通過使用APS涂層的氣缸“鼻梁”溫度降低了30 ℃。APS涂層應(yīng)用于生產(chǎn)中，在實(shí)施等離子涂層之前氣缸套表面被機(jī)械打毛，緊接著通過在齒形輪廓表面上的噴涂形成了由等離子火焰熔融的噴涂粉末與基質(zhì)之間的緊密結(jié)合。圖3示出了這種氣缸體曲軸箱的微小結(jié)構(gòu)。

圖3 第二代直列5缸TFSI汽油機(jī)的氣缸曲軸箱

5 曲柄連桿機(jī)構(gòu)、活塞組和油底殼

高的燃燒室壓力對曲軸傳動強(qiáng)度提出了更高的要求(圖4)。調(diào)質(zhì)鍛鋼曲軸采用42CrMoS4合金鋼制成，軸頸部位被感應(yīng)淬硬，并對曲柄臂的過渡圓角進(jìn)行滾壓硬化。為了減輕質(zhì)量，在連桿軸頸中鉆孔，并用1個長油孔通往主軸承。此外，為了減少摩擦和優(yōu)化機(jī)油的滲透，主軸承直徑從58 mm減小到52 mm，并減輕了8%的質(zhì)量，但是抗扭強(qiáng)度卻提高了24%。

圖4 第二代直列5缸TFSI汽油機(jī)的曲軸傳動和活塞組

Audi公司在汽油機(jī)中首次使用了具有機(jī)油冷卻通道的活塞，從而使活塞頂最高溫度降低約30℃。為了優(yōu)化活塞銷座范圍和無襯套連桿小頭孔的承載能力，采用了單一涂層的活塞銷。

扭振減振器采用鋁加工成型方法制造，用1個浮動支承在硅油中的鑄鐵環(huán)，附加在外殼前側(cè)面的散熱片可使部件的溫度最多降低20 ℃，從而確保了能量的吸收。

油底殼上件是減輕質(zhì)量的1個組件，采用Audi公司自己的鑄造廠中用MgAlRE-2合金制成的。在設(shè)計(jì)時特別注意通過附加的螺栓緊固在主軸承蓋上，使其以最大的剛性連接在氣缸體曲軸箱上。在該零件上還集成了機(jī)油托盤，重新設(shè)計(jì)的油底殼結(jié)構(gòu)和發(fā)動機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)，能使其在賽車路段行駛時無需應(yīng)用干式油底殼。發(fā)動機(jī)是針對高達(dá)1.3 G加速度進(jìn)行優(yōu)化的。

6 鏈傳動

位于變速器側(cè)的正時傳動機(jī)構(gòu)采用了兩種不同型式的鏈條(圖5)。轉(zhuǎn)速較高的機(jī)油泵集成在第一級鏈傳動中，為了減少摩擦損失，體積流量可調(diào)式機(jī)油泵采用葉片式泵。帶有凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的兩根凸輪軸、機(jī)械式真空泵和高壓燃油泵通過中間軸由第二級鏈傳動驅(qū)動。兩級鏈傳動都配備了液力阻尼鏈條張緊器。

圖5 第二代直列5缸TFSI汽油機(jī)的鏈傳動布置

高壓燃油泵是從氣缸體曲軸箱裝入鏈傳動中的，這對凸輪軸相位調(diào)節(jié)力矩和氣門機(jī)構(gòu)動力學(xué)帶來了明顯的優(yōu)點(diǎn)。此外，因高壓燃油泵直接安裝在氣缸體曲軸箱上形成了極其剛性的結(jié)合，為未來燃油壓力的提高作好了準(zhǔn)備。第一級鏈傳動采用了摩擦優(yōu)化的接片輪廓形狀的齒形鏈條，而第二級鏈傳動則使用了滾柱鏈條。與原機(jī)型上的3/8 in*為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。的幾何尺寸相比，通過使用2條8 mm長度的鏈條，在保持強(qiáng)度性能的同時降低了安裝高度。

7 氣缸蓋及其AVS系統(tǒng)

Audi公司重新設(shè)計(jì)了第二代直列5缸TFSI汽油機(jī)的氣缸蓋方案。考慮到氣缸的峰值壓力負(fù)荷，為了優(yōu)化密封燃燒室，使用了14.9超強(qiáng)力度等級的氣缸蓋螺栓及5層氣缸蓋密封墊。高的廢氣滲透能力需要應(yīng)用1個集成在氣門彈簧座圈中的氣門桿密封圈。

氣缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變化主要涉及凸輪軸的支承方案，這款發(fā)動機(jī)的凸輪軸首次完全集成在氣缸蓋罩上，不僅裝配方便，而且絕無任何遮擋。

這種新型直列5缸TFSI汽油機(jī)首次在排氣門側(cè)應(yīng)用了兩級Audi AVS系統(tǒng)。與Audi現(xiàn)有的直列式汽油機(jī)上使用的AVS相比，新款機(jī)型的基礎(chǔ)軸支承在凸輪軸軸承上，氣缸之間的凸輪軸軸承確保了這種系統(tǒng)緊湊的結(jié)構(gòu)型式。這種兩級AVS系統(tǒng)能在200°CA(用于達(dá)到低部分負(fù)荷時適度的燃油耗)和270°CA(用于獲得快速的加速響應(yīng)特性和高功率)氣門開啟持續(xù)時間之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。采用雙滑塊調(diào)節(jié)單元作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

8 發(fā)動機(jī)摩擦

設(shè)計(jì)開始時所確定的相對于原機(jī)型降低摩擦功率的目標(biāo)主要通過多種措施來實(shí)現(xiàn)，包括：(1)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的支承，主軸承直徑從58 mm減小到52 mm；(2)活塞組，降低活塞環(huán)預(yù)張力、加大活塞間隙和APS涂層；(3)單根多槽V形皮帶傳動；(4)采用可調(diào)式冷卻液泵和氣缸蓋中零件溫度傳感器進(jìn)行熱管理。

所有這些措施組合使用在基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)上，使得發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時的摩擦平均壓力降低12%。

9 進(jìn)氣系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)進(jìn)氣管路時最主要的是效率和流量特性。在最大空氣流量高達(dá)1 200 kg/h的情況下，利用最大可能的燃燒室橫截面積，以及盡可能采用短且直接的空氣管路是具有決定性作用的。圖6示出了新機(jī)型空氣進(jìn)氣系統(tǒng)的布置狀況。

圖6 進(jìn)氣空氣系統(tǒng)布置圖

增壓空氣側(cè)的主要損失出現(xiàn)在增壓空氣冷卻器上。通過優(yōu)化外部冷卻空氣質(zhì)量流量就能獲得增壓空氣冷卻器內(nèi)部分層方面的自由度。由于消除了增壓空氣冷卻器內(nèi)部的節(jié)流，整個增壓空氣路段在最大流量時的壓力損失就能優(yōu)化到13.5 Pa，增壓空氣冷卻器的結(jié)構(gòu)在全負(fù)荷運(yùn)行時的效率達(dá)到了80%以上。

進(jìn)氣管是兩段式的砂型鑄件。集成在進(jìn)氣管中可氣動調(diào)節(jié)的滾流調(diào)節(jié)裝置與滾流進(jìn)氣道相結(jié)合就能獲得最佳混合氣均質(zhì)化所必需的充量運(yùn)動。

10 廢氣系統(tǒng)

廢氣系統(tǒng)由眾多部件組成，包括排氣歧管-廢氣渦輪增壓器模塊、近發(fā)動機(jī)前置催化轉(zhuǎn)化器、帶有隔板的雙通道前接管、可選用的地板下催化轉(zhuǎn)化器及其緊接著的中間消聲器和帶有兩根尾管的尾管消聲器。

在廢氣側(cè)最重要的部件排氣歧管-廢氣渦輪增壓器模塊的新設(shè)計(jì)方案中，增壓器轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與之前相反。經(jīng)過流動和換氣方面多次優(yōu)化后，如圖7所示，“附加”氣缸的連接改為廢氣“單獨(dú)引入”方式。

圖7 廢氣渦輪增壓器模塊

廢氣渦輪增壓器的壓氣機(jī)和渦輪能在寬廣的運(yùn)行范圍內(nèi)具有高的效率。水冷卻和外部供應(yīng)機(jī)油的增壓器軸承殼在發(fā)動機(jī)停機(jī)后由1個附加水泵進(jìn)行冷卻，以保護(hù)其免受高溫?fù)p害。此外，通過模型支持的廢氣溫度調(diào)節(jié)，使得在所有的運(yùn)行條件下確保不超過允許的最高廢氣溫度1 000 ℃。由1.4849品質(zhì)等級鑄鋼制成的排氣歧管-廢氣渦輪增壓器模塊采用經(jīng)Audi公司試驗(yàn)過的卡式法蘭技術(shù)緊固在氣缸蓋上。

11 燃燒過程

開發(fā)目標(biāo)是要將升功率提升到119 kW，并利用盡可能寬廣的轉(zhuǎn)速范圍直至較高的平均壓力水平，這就對燃燒過程提出了最高的要求。

燃燒過程開發(fā)的基礎(chǔ)是最新一代的直列4缸2.0 L TFSI汽油機(jī)[4-5]。通過FSI/MPI組合噴射系統(tǒng)達(dá)到最佳的混合氣準(zhǔn)備(圖8)，采用高達(dá)25 MPa燃油壓力實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)直接噴射，以及進(jìn)氣道接近進(jìn)氣門多點(diǎn)噴射。與進(jìn)氣側(cè)充量運(yùn)動調(diào)節(jié)閥板相組合在選擇噴油參數(shù)方面高的自由度能降低顆粒物的排放，以滿足未來的廢氣排放限值?；钊敽唵蔚膸缀涡螤顬檫_(dá)到高升功率提供了基礎(chǔ)。

圖8 燃燒過程示意圖

12 功率和扭矩的提高

雖然Audi公司所開發(fā)的直列5缸2.5 L TFSI汽油機(jī)缸內(nèi)平均壓力達(dá)到了2.35 MPa，在此領(lǐng)域內(nèi)已是最高水平，但是進(jìn)一步開發(fā)的目標(biāo)要達(dá)到2.43 MPa，為此必須對決定功率的系統(tǒng)進(jìn)行廣泛的改進(jìn)。

在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，F(xiàn)SI噴射能將換氣與混合氣準(zhǔn)備分開來。與進(jìn)排氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)及通過AVS系統(tǒng)進(jìn)行排氣門動作持續(xù)時間調(diào)整相結(jié)合，就能大大減少殘余廢氣。

在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)力爭保持高充氣效率的前提條件是要在小的廢氣質(zhì)量流量下產(chǎn)生足夠的渦輪功率。通過改進(jìn)排氣歧管的設(shè)計(jì)降低壓力損失，并將增壓器轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向反過來以最佳地利用渦輪的排氣脈沖。小的殘余廢氣份額、良好的混合氣均質(zhì)化、改善熱量從燃燒室中排出，以及由此減小的爆燃傾向，使得能保持用于這種增壓度的高壓縮比達(dá)到10.0。

對于這種高功率發(fā)動機(jī)的高轉(zhuǎn)速范圍而言，相互協(xié)調(diào)和壓力損失優(yōu)化的進(jìn)氣管路、增壓空氣管路和廢氣管路是起決定性作用的。帶有平坦活塞頂面的燃燒過程能減小空氣側(cè)的機(jī)內(nèi)損失，而按比例分配的多點(diǎn)噴射保障了最大功率所需燃油量的準(zhǔn)備，并降低了發(fā)動機(jī)的爆燃傾向。

13 試驗(yàn)結(jié)果及其比較

通過FSI/MPI組合噴射系統(tǒng)、智能型熱管理，以及與AVS系統(tǒng)相結(jié)合，借助于廢氣渦輪增壓器的重新設(shè)計(jì)，使該機(jī)型最大功率從265 kW提高到294 kW(轉(zhuǎn)速5 850～7 000 r/min)，同時最大扭矩不僅從465 N·m提升到480 N·m，而且其轉(zhuǎn)速范圍擴(kuò)展到1 700～5 800 r/min。新機(jī)型效率的提高不僅表現(xiàn)在性能的增益上(圖9)，而且也體現(xiàn)在所達(dá)到的節(jié)油效果上。

圖9 第二代與第一代直列5缸TFSI汽油機(jī)功率和扭矩特性曲線的比較

14 行駛性能和燃油耗

在配備7檔雙離合器變速器的Audi新型TT RS轎車上，這種新型直列5缸汽油機(jī)扭矩和功率的提高改善了最新一代超級運(yùn)動型轎車領(lǐng)域的行駛性能，0～100 km/h的加速僅用時3.7 s。

這種加速性能令人印象深刻，但是也能使用經(jīng)濟(jì)的行駛方式，新型TT RS轎車187 g/km的CO2排放量處于非常低的水平，比原機(jī)型降低了10 g/km。

15 結(jié)語和展望

Audi公司新開發(fā)的直列5缸TFSI汽油機(jī)在5缸增壓汽油機(jī)的傳統(tǒng)歷史上又樹立了新的里程碑。通過持續(xù)不斷地挖掘輕型結(jié)構(gòu)的潛力，并與降低摩擦的措施相結(jié)合，以及采用適當(dāng)?shù)脑鰤汉蛧娪图夹g(shù)，開發(fā)出了高功率機(jī)型，它使奧迪TT RS型轎車在降低燃油耗和CO2排放的同時，使其行駛性能和駕駛樂趣達(dá)到了超級運(yùn)動型轎車的水平。這種新型直列5缸TFSI汽油機(jī)是RS級轎車上首款新一代橫置式高功率汽油機(jī)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] B?hme J, Müller H, Ganz M,u.a. Der neue 2.5-liter-TFSI-fünfzylinder-motor für den Audi TT RS[C].30. Wiener Motorensymposium,2009.

[2] B?hme J, Eiser A, Ganz M, u.a. Der neus fünfzylindermotor für den Audi TT RS[J]. MTZ,2010,71(5):304-313.

[3] Pelzer A, Mendi G, Dengler S, u.a. The new Audi 2.5 L TFSI five cylinder engine for the new Audi TT RS-a lightweight design high performance engine[C].25th. Aachener Kolloqulum Fahrzeugund Motorentechnik,2016.