明銳、邁騰發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)解析(圖)

發(fā)動(dòng)機(jī)性能改進(jìn)

    1.8T FSI汽油機(jī)的換氣和燃燒過程是以2004年已批量生產(chǎn)的2.0T FSI汽油機(jī)為基礎(chǔ)的，但是許多部件都經(jīng)過了改進(jìn)，其開發(fā)的重點(diǎn)是改善起步時(shí)低速扭矩，特別是動(dòng)態(tài)扭矩的建立。

    1.8T FSI汽油機(jī)繼承了2.0T FSI汽油機(jī)的燃燒室形狀，其進(jìn)氣道同樣也是滾流氣道，壓縮比則考慮到按燃用辛烷值為95（研究法）的汽油進(jìn)行設(shè)計(jì)而降低到
9.5。除了優(yōu)化滾流閥之外，還采取了新的配氣正時(shí)策略，對(duì)換氣過程進(jìn)行了較大的改進(jìn)，并在批量生產(chǎn)中采用多孔噴油器，同時(shí)還應(yīng)用了新型的多油束和雙次噴射技術(shù)。為了在低轉(zhuǎn)速時(shí)獲得較高的平均有效壓力，混合氣形成和燃燒過程必須滿足特殊的技術(shù)要求。

1.燃油噴射

    1.8T FSI汽油機(jī)應(yīng)用了多孔噴油器技術(shù)，以便能夠明顯地改善混合氣的均質(zhì)化。通過噴孔數(shù)目、單個(gè)噴孔幾何形狀、單個(gè)分支油束錐角和方位的選擇，并與噴油壓力相結(jié)合，多孔噴油器可以提供多種匹配可能性（圖2）。為此，技術(shù)人員進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)研究來驗(yàn)證眾多的開發(fā)目標(biāo)對(duì)噴油系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性（圖3）。在噴油器的開發(fā)過程中，除了進(jìn)行壓力罐試驗(yàn)和石英玻璃單缸發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)之外，進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)（CFD）計(jì)算也是一種非常有價(jià)值的輔助方法。

    試驗(yàn)結(jié)果顯示，在選定的10 MPa噴油壓力下靜態(tài)流量為15 cm3/s時(shí)，采用6個(gè)噴孔和最短噴孔長度的噴油嘴結(jié)構(gòu)是最理想的。而選擇最大噴油壓力為15 MPa則使得噴油器能夠?qū)崿F(xiàn)最小和最大噴油量之間大的噴油量跨度，并從而獲得對(duì)噴油定時(shí)進(jìn)行精細(xì)優(yōu)化的空間。這樣就使得發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)最小油量的混合氣形成更加理想，高負(fù)荷時(shí)改變噴油參數(shù)的可能性也大大增加，特別是全負(fù)荷工況的混合氣形成得到了明顯改善，燃油消耗和排放也大大降低。由于混合氣良好的均質(zhì)化，即使在極限條件下也會(huì)避免出現(xiàn)例如提前點(diǎn)火等無法控制的燃燒出現(xiàn)。同時(shí)，通過應(yīng)用雙次噴射使混合氣均質(zhì)化獲得了更多的優(yōu)點(diǎn)。由于將燃油量分配到進(jìn)氣行程和壓縮行程進(jìn)行噴射，從而促使燃油與新鮮空氣可以更加均勻的混合。但是，應(yīng)用雙次噴射會(huì)受到一定條件的制約：負(fù)荷太低時(shí)受到噴油系統(tǒng)最小噴油量的限制；而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在3000r/min時(shí)又受到電控單元輸出功率及再充電時(shí)間的限制。

2.充量運(yùn)動(dòng)

    在受爆震制約的特性曲線場范圍內(nèi)，低轉(zhuǎn)速和高平均有效壓力工況必須具有很高的燃燒穩(wěn)定性，其中滾流閥的控制作用十分重要。通過關(guān)閉滾流閥，進(jìn)氣充量產(chǎn)生的高強(qiáng)度滾流運(yùn)動(dòng)可以明顯改善混合氣的形成。如圖4所示為有/無充量滾流運(yùn)動(dòng)汽缸內(nèi)部流動(dòng)模擬計(jì)算結(jié)果比較。當(dāng)滾流閥完全打開，與進(jìn)氣同步噴射時(shí)，充量流動(dòng)使燃油束向活塞運(yùn)動(dòng)，并且液態(tài)燃油滴碰到活塞頂面；而當(dāng)滾流閥關(guān)閉的時(shí)候，強(qiáng)烈的充量滾流運(yùn)動(dòng)將燃油束包裹起來，燃油很少呈液態(tài)，到點(diǎn)火時(shí)已形成了非常有利的均勻的油霧分布。

    在從怠速到3000 r/min的特性曲線場范圍內(nèi)，滾流閥是始終關(guān)閉的，以確保形成良好的混合氣和穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)，從而能夠在部分負(fù)荷時(shí)應(yīng)用較高的殘余廢氣穩(wěn)定運(yùn)行，并保持理想的燃燒效率。發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷時(shí)，由于強(qiáng)烈的充量運(yùn)動(dòng)使燃油獲得良好的均質(zhì)化，燃燒速度提高，從而使50%能量轉(zhuǎn)換點(diǎn)出現(xiàn)在較早的相位，Pmi的標(biāo)準(zhǔn)偏差也明顯減小。這樣，發(fā)動(dòng)機(jī)在保持低噪聲運(yùn)行的同時(shí)達(dá)到了較高的平均有效壓力。

3.穩(wěn)態(tài)全負(fù)荷特性

    1.8T FSI發(fā)動(dòng)機(jī)采取上述優(yōu)化措施后其效果反映在全負(fù)荷特性曲線上（圖5），在1000r/min轉(zhuǎn)速時(shí)的扭矩就已經(jīng)達(dá)到了165N·m，而在1500～4200r/min范圍內(nèi)始終保持著最大扭矩250N·m，并在5000～6200r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)達(dá)到最大功率118kW，因此能夠匹配低燃油耗的變速器傳動(dòng)設(shè)計(jì)，并具有運(yùn)動(dòng)特性。

    從圖6上可以清楚地看到，發(fā)動(dòng)機(jī)排量修改后在平均有效壓力方面的提高是非常明顯的。由于在2.0T FSI汽油機(jī)上應(yīng)用了汽油直接噴射，與采用進(jìn)氣道噴射的增壓汽油機(jī)相比，低轉(zhuǎn)速時(shí)的平均有效壓力得到了非常明顯的改善。新型1.8T FSI汽油機(jī)的開發(fā)是通過優(yōu)化缸內(nèi)充量運(yùn)動(dòng)使起步扭矩得到了進(jìn)一步提高，特別是在動(dòng)態(tài)扭矩建立方面的改善更加顯著，這對(duì)提高汽車加速性能是非常重要的。

4.動(dòng)態(tài)加速性能

    1.8T FSI汽油機(jī)2000 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)負(fù)荷突變?nèi)鐖D7所示，它達(dá)到全負(fù)荷的時(shí)間縮短到了1.2 s，而在以前的1.8T-MPI進(jìn)氣道噴射增壓汽油機(jī)則需要1.6s。若要對(duì)比達(dá)到1.5 MPa平均有效壓力所需要的時(shí)間間隔來看，當(dāng)1.8T-MPI汽油機(jī)換為新型的1.8T FSI汽油機(jī)，可縮短1s的時(shí)間。因此這種新型汽油機(jī)在改善動(dòng)態(tài)性能方面取得了很大的進(jìn)步，這對(duì)車輛的加速性能是非常重要的。

    由于1.8T FSI汽油機(jī)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)扭矩建立較快，從而獲得良好的行駛動(dòng)力性。以裝備該發(fā)動(dòng)機(jī)的奧迪A3為例（圖8），當(dāng)該車在最高的兩個(gè)檔位時(shí)，新歐洲行駛循環(huán)（NEFZ）燃油消耗和機(jī)動(dòng)性，并將2.0T FSI汽油機(jī)和1.8T-MPI進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)進(jìn)行比較。與1.8T-MPI汽油機(jī)相比，1.8T FSI汽油機(jī)的行駛動(dòng)力性稍有改善，但是其燃油消耗量卻降低了0.8 L/100km，這相當(dāng)于在舒適性明顯提高和駕駛機(jī)動(dòng)性得到改善的同時(shí)燃油消耗卻降低了9%。

    1.8T FSI汽油機(jī)是2004年首次推出2.0T FSI汽油機(jī)以后大眾公司在汽油機(jī)戰(zhàn)略中的一個(gè)里程碑，其再次顯示出增壓直接噴射汽油機(jī)技術(shù)未來所具有的潛力。