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0 前言

Volkswagen擴(kuò)展了其動力裝置的產(chǎn)品型譜，從而完善了其動力總成的高效化與小型化。EA211發(fā)動機(jī)系列以其靈活性為發(fā)展壓縮天然氣(CNG)變型機(jī)提供了最佳的開發(fā)基礎(chǔ)。為了用于新型模塊化橫置式標(biāo)準(zhǔn)組合部件(MQB)A0級平臺上，已在3缸增壓分層噴射(TSI)汽油機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)了一種功率為66 kW和扭矩為160 N·m的新型1.0 L天然氣發(fā)動機(jī)，并于2017年首次應(yīng)用于新型Polo TGI轎車。這種新型Polo TGI轎車的雙燃料運(yùn)行使得用戶能組合使用CNG和汽油行駛,低燃油耗(新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)CO2排放為87 g/km)和較清潔的CNG燃燒利于環(huán)保并且可降低行駛成本。如果用戶永遠(yuǎn)不使用天然氣，那么就可僅使用傳統(tǒng)汽油機(jī)的TSI模式運(yùn)行。在Volkswagen的動力裝置策略中，當(dāng)今和未來對CNG的使用都是重要因素之一，它能與電驅(qū)動一同實現(xiàn)降低CO2排放。

1 Volkswagen的CNG車型

自2006年起，Volkswagen就開始提供天然氣驅(qū)動車型，近10年來Volkswagen集團(tuán)在各種不同汽車中不斷推動該技術(shù)的應(yīng)用，并在汽車適用性方面具有較高的應(yīng)用價值，因此CNG車型設(shè)計方案都以節(jié)省空間結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用在地板下布置天然氣罐的設(shè)計，同時也不會減小車廂空間。

目前市場上有多種Volkswagen CNG車型。例如，Volkswagen推出的eco up車型搭載了功率為50 kW的1.0 L多點進(jìn)氣道噴射(MPI)發(fā)動機(jī)，其百公里的天然氣消耗量為2.9 kg，因而其燃料成本僅為3歐元/100 km[1]。在MQB-A平臺上使用了功率為81 kW，扭矩為200 N·m的1.4 L TGI發(fā)動機(jī)，這種增壓汽油機(jī)被用作Golf轎車、Golf變型車和Caddy轎車的動力源[2]。Skoda、Seat和Audi等集團(tuán)品牌也提供CNG車型，并且裝配有集團(tuán)公司的高效CNG裝置。目前，Audi還提供一款2.0 L帶渦輪增壓的分層噴射(TFSI)發(fā)動機(jī)作為天然氣發(fā)動機(jī)[3]。

2 新型1.0 L缸內(nèi)直噴(TGI)發(fā)動機(jī)的開發(fā)目標(biāo)

2014年的EA211-1.0 L TSI汽油機(jī)是開發(fā)1.0 L TGI發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)，前者在設(shè)計時就已考慮了使用CNG運(yùn)行所必需的硬件及其部件[4]。這種機(jī)型在近年來已成功地通過了眾多試驗，因此該款CNG變型機(jī)被寄予了很大的期望，這在開發(fā)目標(biāo)上有所反映：(1)CO2排放低于90 g/km；(2)最低的原始排放；(3)靈活的行駛性能；(4)汽油運(yùn)行不受雙燃料設(shè)計的限制；(5)可低成本地應(yīng)用于集團(tuán)所有品牌車型；(6)滿足最高品質(zhì)要求和耐久性。

3 緊湊的基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)

采用排量為0.9 L的3缸發(fā)動機(jī)，繼續(xù)實施其小型化策略，而利用EA211發(fā)動機(jī)標(biāo)準(zhǔn)組合部件能在Volkswagen全球生產(chǎn)鏈中組織低成本生產(chǎn)[5]。這種緊湊的輕量化機(jī)型的特點是采用了眾多的創(chuàng)新方案：(1)鑲鑄灰鑄鐵氣缸套的曲軸箱質(zhì)量僅為15 kg；(2)減輕曲軸、活塞和連桿的質(zhì)量；(3)優(yōu)化主軸承和連桿軸承直徑以減少摩擦；(4)曲軸箱氣缸體和氣缸蓋采用雙循環(huán)回路冷卻；(5)排氣歧管集成在氣缸蓋中；(6)集成整體式增壓空氣冷卻器的進(jìn)氣管；(7)最高噴射壓力為35 MPa的共軌噴射；(8)按特性曲線場調(diào)節(jié)的無級機(jī)油泵；(9)布置緊湊的無獨(dú)立支架的輔助設(shè)備。

4 氣缸蓋和曲柄連桿機(jī)構(gòu)

CNG機(jī)型仍采用鑲鑄GJL250灰鑄鐵氣缸套的高強(qiáng)度曲軸箱,而氣缸蓋則針對CNG運(yùn)行時的高要求進(jìn)行了改進(jìn)(圖1)。進(jìn)排氣門座圈為了提高表面耐磨性而進(jìn)行整體氮化。因排氣門的溫度較高而采用中空充鈉排氣門。進(jìn)氣側(cè)的氣門導(dǎo)管采用特別硬并且耐磨的高強(qiáng)度黃銅材料(Diehl 470HT)，而氣門座圈則采用滲銅的燒結(jié)鋼(AR20D)。

圖1 1.0 L TGI發(fā)動機(jī)的氣門機(jī)構(gòu)

進(jìn)排氣凸輪型線的關(guān)閉斜坡部分在0.17 mm氣門升程范圍內(nèi)被設(shè)計成平緩形狀，可使氣門緩慢關(guān)閉，從而減少磨損。氣缸蓋密封墊被設(shè)計成3層結(jié)構(gòu)。在CNG燃燒時，點火線圈可供應(yīng)更高的點火電壓。

由于使用CNG運(yùn)行時的峰值壓力高達(dá)115 MPa，因此曲柄連桿機(jī)構(gòu)必須進(jìn)行部分重新設(shè)計(圖2)。使用CNG運(yùn)行時因氣體壓力較高，活塞環(huán)特別是第一道環(huán)與氣缸套的摩擦增大，因而需對其耐磨性能進(jìn)行重點優(yōu)化設(shè)計，同樣，連桿軸承也按更高的壓力水平來進(jìn)行調(diào)整。機(jī)油濾清器全部應(yīng)用了人工合成材料。

圖2 1.0 L TGI發(fā)動機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)

5 冷卻循環(huán)回路和廢氣渦輪增壓器

EA211發(fā)動機(jī)模塊化基礎(chǔ)方案已考慮到了總體上較高的溫度水平，而增加燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器僅需冷卻系統(tǒng)進(jìn)行微小修改。

1.0 L TGI發(fā)動機(jī)使用新開發(fā)的單流道廢氣渦輪增壓器后就改用了集成在氣缸蓋中的排氣歧管。渦輪增壓器殼體采用奧氏體鑄鋼制成，而中間軸承殼體采用水冷方式。渦輪采用MAR-M 246鎳基合金，它是按高機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷而設(shè)計的，能承受高達(dá)1 050 ℃的廢氣溫度。與1.0 L TSI汽油機(jī)一樣，廢氣放氣閥調(diào)節(jié)器是電動的。

6 優(yōu)化催化轉(zhuǎn)化器和加熱型λ傳感器

甲烷是一種化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定的物質(zhì)，其轉(zhuǎn)化溫度要比汽油高約50～100 ℃。1.0 L TGI發(fā)動機(jī)所使用的催化轉(zhuǎn)化器的幾何尺寸與1.0 L TSI汽油機(jī)相同，但是為了獲得最佳的甲烷轉(zhuǎn)化率，不僅要優(yōu)化涂層，而且要優(yōu)化甲烷轉(zhuǎn)化流量。

優(yōu)化暖機(jī)排放和在該階段使用λ分段控制方法的前提條件是使用一種加熱型λ傳感器(圖3)。這種λ傳感器通過電進(jìn)行加熱，可在發(fā)動機(jī)起動后最遲約10 s就能達(dá)到可調(diào)節(jié)的狀態(tài)，在技術(shù)上是通過一種雙層護(hù)套和傳感元件的涂層化處理來實現(xiàn)的，廢氣中的水分不會危及到陶瓷傳感元件。

圖3 1.0 L TGI發(fā)動機(jī)的渦輪增壓器與催化轉(zhuǎn)化器

7 高度集成的發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)

1.0 L TGI發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的特點是所有功能進(jìn)行高度集成，包括使用汽油運(yùn)行時的TSI工作過程控制、使用CNG運(yùn)行時的MPI工作過程控制，以及燃?xì)獬煞趾碗娍厝細(xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器的管理等。為了確定CNG質(zhì)量流量，在共軌進(jìn)口處應(yīng)用了壓力和溫度傳感器，而壓縮天然氣的液位則用燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器進(jìn)口處的壓力傳感器進(jìn)行測量。

發(fā)動機(jī)電控單元借助于λ傳感器來識別不同品質(zhì)的天然氣。低品質(zhì)天然氣的能量比高品質(zhì)天然氣低，電控單元能相應(yīng)為這兩種品質(zhì)的天然氣調(diào)整到合適的噴射持續(xù)時間。

8 電控天然氣壓力調(diào)節(jié)器

電控天然氣壓力調(diào)節(jié)器(圖4)分兩級將天然氣壓力從最大壓力26 MPa降低到低壓系統(tǒng)中的0.5～0.9 MPa(絕對壓力)。第一級機(jī)械節(jié)流將天然氣壓力降低到約2 MPa，而第二級的電控電磁閥則繼續(xù)將天然氣壓力降低到工作壓力。

圖4 1.0 L TGI發(fā)動機(jī)的電控天然氣壓力調(diào)節(jié)器

在機(jī)械式壓力調(diào)節(jié)級中集成了由金屬芯組成的阻尼式濾清器，這種結(jié)構(gòu)能阻止可能導(dǎo)致振鳴干擾噪聲的固定波形成。壓力調(diào)節(jié)器中的壓力降低會導(dǎo)致天然氣的強(qiáng)烈冷卻。在1.0 L TGI發(fā)動機(jī)上這種壓力調(diào)節(jié)器被接入冷卻液循環(huán)回路中進(jìn)行預(yù)熱，這樣就避免對壓力調(diào)節(jié)器進(jìn)行冷卻，并使天然氣出口溫度始終保持在-40 ℃以上。

9 用于天然氣共軌系統(tǒng)的專門支承點

進(jìn)氣管上有用于天然氣共軌系統(tǒng)的專門支承點，天然氣噴射器被安置于每缸的進(jìn)氣道中。天然氣罐與共軌之間的所有導(dǎo)管接頭，未來將使用球面擴(kuò)口連接，與緊固螺釘連接方式相比，該連接方式更具優(yōu)勢，而且使用成本更低。

10 工作過程和運(yùn)行方式策略

新型1.0 L TGI發(fā)動機(jī)在日常運(yùn)行中必須始終能按需求在天然氣和汽油兩種運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換，其中保持扭矩不變并轉(zhuǎn)換燃料運(yùn)行對發(fā)動機(jī)標(biāo)定提出了很高的要求。在使用CNG運(yùn)行時因受到系統(tǒng)的限制會產(chǎn)生動力性方面的缺陷，因為一方面幾乎在所有條件下其廢氣溫度都會低于使用汽油運(yùn)行時的廢氣溫度，另一方面因向進(jìn)氣管噴射CNG使其進(jìn)氣供應(yīng)量要比使用汽油運(yùn)行時約少15%(表1)。

表1 天然氣/汽油的主要特性比較及其使用CNG的效果

為了達(dá)到與使用汽油運(yùn)行時相同的全負(fù)荷特性曲線，使用CNG運(yùn)行時將增壓壓力以0.03 MPa提高到0.23 MPa(絕對壓力)，與此同時將點火時刻往前調(diào)整，而較小的增壓器可幫助快速建立起增壓壓力。

只要CNG罐中有天然氣，在冷卻液溫度高于-10 ℃的情況下TGI發(fā)動機(jī)從起動開始就可使用CNG工作，而在更低溫度下則使用汽油起動，此時首先應(yīng)在CNG壓力調(diào)節(jié)器關(guān)閉的情況下將CNG噴射器稍微開啟，使CNG共軌處于直空狀態(tài)。然后將CNG噴射器通電加溫直至達(dá)到其運(yùn)行溫度并能可靠地開啟，之后就轉(zhuǎn)換到采用CNG的狀態(tài)運(yùn)行。

即使在加注CNG后發(fā)動機(jī)也首先要使用汽油運(yùn)行。一旦λ調(diào)節(jié)功能被激活，并至少有140 mL汽油沖洗過無回油汽油高壓泵(HDP)油腔，就可轉(zhuǎn)換到使用CNG運(yùn)行。如果汽車在加注CNG之前使用汽油行駛的話，那么在使用λ調(diào)節(jié)功能后就可立即轉(zhuǎn)換到使用CNG運(yùn)行，因為在轉(zhuǎn)換之前HDP油腔已被沖洗過。從汽油轉(zhuǎn)換到CNG運(yùn)行歷經(jīng)不到1 s。若實施轉(zhuǎn)換的話，則要查明CNG品質(zhì)，從而正確地對混合氣進(jìn)行預(yù)控制。當(dāng)這種匹配調(diào)整好后，直至下一次加注CNG為止，1.0 L TGI發(fā)動機(jī)在高于-10 ℃的溫度下的每次起動過程都使用CNG運(yùn)行。

11 CNG運(yùn)行時對催化轉(zhuǎn)化器的挑戰(zhàn)

為了達(dá)到盡可能低的廢氣排放，一方面催化轉(zhuǎn)化器應(yīng)盡可能快地加熱到起燃溫度，另一方面在發(fā)動機(jī)低負(fù)荷時應(yīng)使催化轉(zhuǎn)化器保持在轉(zhuǎn)化溫度以上，這對于催化轉(zhuǎn)化器設(shè)計而言是較大的挑戰(zhàn)，因為使用甲烷運(yùn)行時的轉(zhuǎn)化溫度要比使用汽油運(yùn)行時的轉(zhuǎn)化溫度高100 ℃，而使用甲烷運(yùn)行時燃油耗最低時的廢氣溫度卻要比使用汽油運(yùn)行時低。

冷起動后的第一步就要進(jìn)行常規(guī)的催化轉(zhuǎn)化器加熱，為此所需的調(diào)晚點火提前角及轉(zhuǎn)速提升會使效率惡化，從而導(dǎo)致CO2排放隨之增加，因此開發(fā)的目標(biāo)是要使該運(yùn)行方式盡快進(jìn)行，以便快速恢復(fù)到效率最佳的運(yùn)行狀態(tài)。

圖5 相對燃油耗隨入調(diào)節(jié)方法的變化對比

為此，首先在1臺3缸機(jī)上采用λ分段控制方法，這樣就能使效率幾乎沒有變化(圖5)，這就意味著兩個氣缸采用濃混合氣運(yùn)行，而另一個氣缸則采用稀混合氣運(yùn)行，所有氣缸的總λ仍等于1。此時，加濃運(yùn)行的氣缸形成CO，在催化轉(zhuǎn)化器中被轉(zhuǎn)換成放熱反應(yīng)，CO的轉(zhuǎn)化溫度明顯低于甲烷的轉(zhuǎn)化溫度。如果在常規(guī)加熱情況下就能達(dá)到CO的轉(zhuǎn)化溫度，那么就仍然在λ分段控制狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。即使在低負(fù)荷工況下也能使用該功能達(dá)到甲烷轉(zhuǎn)化溫度。

12 新型POLO轎車上無需保養(yǎng)的CNG罐

由于MQB的靈活性，使得在中部和后部底盤范圍內(nèi)進(jìn)行特殊布置的方案得以實現(xiàn)。雖然在該處除了量產(chǎn)的汽油箱之外還附加兩個總?cè)莘e為75 L的圓柱形CNG罐，但是并不會影響到行李艙的容積。

玻璃纖維加強(qiáng)的熱塑性塑料托盤被用作為高強(qiáng)度鋼CNG罐的支承裝置(圖6)，該塑料托盤通過壓制而成，且質(zhì)量較輕，能確保CNG罐抗碰撞性。為了獲得最大的抗腐蝕能力，它們在噴砂處理后噴鍍鋅和環(huán)氧附著表面，并涂敷粉末面漆。該CNG貯氣罐無需保養(yǎng)，并且應(yīng)遵守4年內(nèi)的檢查間隔要求，使其能在整個車輛使用壽命期內(nèi)安全使用。

圖6 Polo TGI發(fā)動機(jī)的CNG布置

13 低燃油耗和長的行駛里程

Polo TGI轎車駕駛員可在組合儀表上的多功能顯示器上讀出運(yùn)行模式、CNG品質(zhì)、CNG罐充氣狀況、瞬時和平均燃油耗，以及剩余的行駛里程等相關(guān)參數(shù)。除了顯示汽油存油狀況之外，還能顯示CNG罐中CNG儲備狀況信息。在歷經(jīng)45個月后就會顯示需進(jìn)行CNG裝置檢驗的提醒。CNG充氣接管與汽油加油接管一起置于汽油箱蓋后面，使免維護(hù)的顆粒過濾器保護(hù)系統(tǒng)不受污染。

無論是使用CNG還是使用汽油運(yùn)行，1.0 L TGI發(fā)動機(jī)都能輸出66 kW的功率，在1 900～3 500 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)域能持續(xù)提供160 N·m的扭矩(圖7)。Polo TGI轎車采用5檔變速器，從0～100 km/h的加速過程需11.5 s，并且最高車速能達(dá)到185 km/h。

圖7 1.0 L TGI發(fā)動機(jī)的速度特性曲線

使用CNG行駛的NEDC平均耗氣量為百公里3.2 kg，相當(dāng)于CO2排放為87 g/km，此時的行駛里程為390 km，使用汽油運(yùn)行還能繼續(xù)行駛930 km，因而總行駛里程可達(dá)到1 320 km。

14 結(jié)語

Volkswagen開發(fā)的1.0 L TGI發(fā)動機(jī)可用于其集團(tuán)品牌車型，是一種既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保并有較高使用靈活性的動力裝置。MQB-A0級平臺證實了天然氣動力裝置的重要意義。較低的廢氣排放、合乎時代要求的動力性能和低廉的使用成本為用戶提供了實際的好處。

Volkswagen的CNG策略對Polo TGI轎車起著重要的作用，也包括使用可持續(xù)產(chǎn)生的生物甲烷，該燃料已被證實對環(huán)境無害。在當(dāng)前背景下，CNG汽車能成為純電動車(BEV)和插電式混合動力車(PHEV)方案的理想補(bǔ)充之一。