第二代增压燃油分层 直接喷射1.8T-FSI汽油机

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编者按：大众集团最新的中级车PQ35平台是从高尔夫、宝来、甲壳虫等PQ34平台上全新开发而成的，诸如途安、速腾、高尔夫、奥迪A3、斯柯达明锐等都是这个平台的卓越产品。1.8T FSI汽油直喷发动机是大众集团最新的EA888系列发动机的一款，它拥有FSI汽油直喷技术、涡轮增压技术、电子油门、可调进气涡轮技术、双平衡技术、双质量飞轮、高压汽油共轨技术(喷油压力15MPa，比2.0TFSI高4MPa、六孔喷油器、二次高压喷射)，使该发动机具有低噪声、高功率、高扭矩、低油耗、低排放(达欧IV排放标准)等优点，是世界上最先进发动机之一。目前将在大众一汽发动机(大连)有限公司生产。其发动机管理系统采用了博世全新MEQ77.5，也将在联合汽车电子有限公司生产。

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2004年奥迪公司已将2.0T-FSI燃油分层直接喷射增压汽油机推向市场，这是该公司第一次在直喷式汽油机上应用废气涡轮增压。而最新推出的EA888系列的1.8T-FSI燃油分层直接喷射增压汽油机则是奥迪公司专为A级轿车研发的高性能发动机，无论从技术水平、动力性、燃油经济性以及环保等方面都堪称一流，2007年初才装备到新款奥迪A3轿车上，上海大众最新引入中国市场的斯柯达明锐1.8T-FST轿车也搭载了这款最新型的发动机。值得业内人士关注的是，这种最新型的直喷式汽油机是在全新设计的基础发动机上应用了升级版的增压燃油分层直接喷射(T-FSI)燃烧过程，能够提供更大的低速扭矩和更低的燃油耗，同时新一代的发动机管理系统和喷油系统高压部件还能满足未来特超低排放汽车(SULEV)废气法规的要求。      奥迪公司认为，对4缸汽油机而言，缸内直接喷射与废气涡轮增压是解决下列汽车和发动机开发目标冲突的最佳组合：
      ①更高的行驶功率、更好的动力性能和更多的驾驶乐趣；
      ②更低的燃油耗、更好的舒适性和更高的安全性；
      ③降低排放，并满足更严厉的汽车排放法规要求。
      奥迪公司在2004年推出的2.0T-FSI机型的基础上，已开发出了一种新的基础发动机，在较小的1.8L排量汽油机上应用了高压喷射系统和废气涡轮增压。
开发目标
      作为新一代汽油机的第一种机型，1.8T-FSI汽油机开发的主要目标，除了成本低、品质好、重量轻和合适的横向和纵向安装尺寸以及在发动机低转速范围内具有较高的升扭矩之外，还必须具备以下特点:
      ①舒适性和噪声明显改善
      
      ②通过发动机部件和结构组合件的功能集成，结构比老机型更紧凑。
      ③基础发动机按照非常宽广的功率型谱(升功率大于100 kW/L)设计。
      ④按照燃用辛烷值(研究法)95/91的燃油设计。
      ⑤可以在跨国，集团世界范围内组织生产。
      ⑥可以改用代用燃料。
      ⑦适合于世界市场应用。
      ⑧重点提高加速性能(在降低用户实际使用燃油耗的同时提高动态扭矩提升速度)。
      左下表中列出了1.8T-FSI增压燃油分层直接喷射汽油机的主要尺寸和技术数据，并与老型1.8T-5V-MPI五气门增压进气道喷射汽油机进行对比。图1示出了新的1.8T-FSI机型的横剖视图，从中可以看出它比老机型明显紧凑，而且即使采用了平衡轴传动机构和高压喷射系统，发动机重量并没有增加。
主要技术数据：

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基础发动机
      1.气缸体曲轴箱中的平衡轴传动机构
      为了减小二阶惯性力及其相对于发动机纵轴的交变惯性力矩，奥迪公司首次应用了集成在气缸体曲轴箱中的平衡轴装置(图1和图2)。平衡轴是通过配气传动机构罩壳一侧的齿形链条由曲轴传动的，而两根平衡轴的反向旋转则是在进气侧通过一对啮合的斜齿轮来实现的(图)。与以往众所周知的附加上的平衡轴装置相比，集成在气缸体曲轴箱中的平衡轴装置在成本、重量和气缸体曲轴箱刚度等方面具有明显的优点。由于平衡轴装置的位置从油底壳转移到了气缸体曲轴箱侧壁上的隧道式轴承中，从而减少了因不平衡质量旋转搅动所引起的机油起泡乳化。平衡轴的三道轴承在气缸体曲轴箱第1和第2道主轴承座高度上直接做成属于平衡轴装置的压铸铝轴套，而在第4道主轴承座高度上则做成一个多层材料制成的衬套。平衡轴的材料采用球墨铸铁(GJS)。

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气缸体曲轴箱用GJ L250片状球墨铸铁制成，采用气缸体顶面封闭的常规裙型结构，即使集成了平衡轴、链条盒凸缘、附加在进气侧的冷却水道，并按大于1OOkW/L升功率进行方案设计，但仍获得了一个重量仅为33kg(成品重量)的轻型结构机体。      在设计计算中特别注意到曲柄连杆机构与气缸体曲轴箱之间的相互作用，在考虑到液压轴承的情况下，一方面评价曲柄连杆机构的动力学和强度，另一方面评定轴承的承载能力和摩擦学，同时还将通过计算确定的轴承液压力及其随时间的变化也作为作用在气缸体曲轴箱轴承座结构上的载荷(图3)。

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2.双顶置凸轮轴配气传动机构      广泛的预研究已经证实，6.35mm的齿形链无论是在配气传动机构和平衡轴传动中，还是在机油泵传动中，与滚柱链和套筒链相比，就声学特性、摩擦、成本、伸长和装配情况等方面而言都是最好的解决方案，而且与齿形皮带相比能确保设计使用寿命。配气传动机构示于图2上。
      
      3根链条完全一样都由4片牵引接片和5片导向接片组合而成，只是链节的数目有所区别。牵引接片是精密冲压而成的，因而可以为接片和销轴之间的相对运动提供尽可能高的承载份额，而导向接片则是精密加工而成，并且销轴采用了钒碳化物涂层。在配气传动机构中有一个液压张紧器，张紧滑轨和导向滑轨都用PA6.6尼龙制成，其中张紧滑轨被做成具有玻璃纤维增强的承载基体的双组分滑轨。它们主要通过位于气缸盖下面气缸体中的一个孔由机油主油道供应机油润滑。平衡轴传动机构中有一个调节力非常柔软的液压张紧器，鉴于平衡轴传动链的速度很高，其滑动衬面用PA4.6尼龙制成。为了润滑平衡轴传动链，从气缸盖上回流的机油被接收到固定在链条盒盖上的存油槽中，再定量供应给平衡轴传动装置。由于机油泵传动上的动态负荷较小，因此无须液压阻尼装置，只要用弹簧预紧力通过一个用PA6.6尼龙制成的滑轨来张紧，并用油底壳中的或回流的机油来润滑。所有的链轮都是粉末冶金件，出于提高耐磨性的考虑，在烧结工序后再进行表面压缩，使边缘范围内的材料几何全部压实了，因此磨损明显减少。
      出于热力学指标的考虑，进气凸轮轴相位调节器(图4)用一个定位销锁定在进气门迟开的起始位置上，并具有可向进气门早开方向提前60度kW(曲轴转角)的调节范围。其开发目标是要求在最低和最高机油温度下，在整个发动机特性曲线场范围内，在具有良好的可调节性的同时获得高的调节速度。为了满足这些要求，开发了一个叶轮式相位调节器，其转子焊接在进气凸轮轴上，而应用激光焊接能够在很大程度上无应力地将传动力矩传递到进气凸轮轴上，并在结构空间上提供较大的设计自由度，这样调节相位调节器所必需的机油比例阀就能够直接集成布置在凸轮轴上转子的内部。于是，从机油泵过来的压力机油在轴承桥中轴承的上方经过凸轮轴轴颈圆周上的孔进入位于内部的机油比例阀，然后再根据相位调节的要求，从那里通过凸轮轴上其它的孔流入相位调节器的一个或另一个腔中，这样机油从比例阀到相位调节器的流程极短，从而就能够实现所要求的高调节速度。而机油比例阀则由单独固定在凸轮轴旋转轴线上的电磁线圈通过一根销轴来实现电子控制。通过上述机油引导的优化，在热机油的情况下，相位调节器的调节速度在怠速时能够超过100度kW/s，而从2000r/min起就能够达到200度kW/s，即使低至-15℃冷起动时也能够迅速调节(图5)。

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3.曲轴、扭振减振器、活塞和连杆
      与老机型相比，新机型的曲轴已改进设计得更加坚固，为了优化内部平衡，其结构以8个平衡块为基础进行设计。为了在具有足够强度的同时能够获得非常良好的声学特性，曲轴主轴颈的直径定为58mm。由于曲柄臂较宽，因此在确保性能相同的情况下能将主轴承设计得较窄，以达到摩擦功率和曲轴刚度之间良好的析衷。这种高刚度是发动机一变速器动力总成声学优化设计的基础。
      曲轴一链轮一扭振减振器之间通过齿形角为120度的端面齿啮合连接，借助于这种新型的连接技术，无论是链轮还是扭振减振器都能够在很小的直径上实现对中和传递所产生的高扭矩(图6)。这种对中非常重要，因为径向轴密封圈直接在扭振减振器的轮毅上运转，因此必须确保必要的同轴度。曲轴上的端面啮合齿是由铁削加工得到的，生产节拍较快。通过采用这种新型的连接技术，使曲轴第一道主轴承向里缩进了大约9.8mm，第一个曲柄臂也作了相应的改动，发动机的前端大大缩短，从而使发动机获得了紧凑的结构长度。扭振减振器改为了成本低而又很可靠的薄钢板冲压结构，其中的端面啮合齿同样也是一起冲压出来的。

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活塞(图7)是轻型结构耐热铝合金铸造活塞，并带有第一道环槽镶座和不对称成型活塞销孔。活塞环槽镶座至今只有在高负荷轿车柴油机上才使用，而在这种汽油机活塞上应用环槽镶座是很罕见的，这样能够在任何发动机负荷和转速下确保第一道活塞环都处于最佳的工作状况，而无须缩短活塞压缩高度。这种结构设计首次应用在奥迪2.0T-FSI汽油机上。为了降低摩擦功率，已将活塞裙部的承载面缩小到了最小程度，并进行了涂层处理。有针对性地将第一道环槽倾斜有助于在发动机整个使用期内降低机油消耗量和漏气量。复杂的活塞顶面形状部分浇铸成形有利于降低活塞的制造成本。第一道活塞环是不对称球面PVD涂层氮化钢环，第二道活塞环是鼻形气环，而第三道活塞环是双斜切式软管弹簧刮油环，它具有倾斜的环岸，使得机油消耗量从一开始就处于最低的水平上。

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连杆的设计通用了经久考验的奥迪标准部件。      4.辅助设备支座一多功能模块
      除了辅助设备支座的常规功能，包括用于传动发电机、空调压缩机和张紧器的皮带传动装置之外，作为组合模块的基座还集成了下列部件和功能：
      ①用凸缘连接的机油冷却器；
      ②直立式机油滤清器(图8)；
      ③机油压力开关。

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这就是说，辅助设备支座是机油和冷却水循环回路的组成部分，而且这种结构型式无论发动机是横置还是纵置都是直立在发动机的前面，是售后服务的最佳位置，但必须确保在更换机油滤清器滤芯时不会有机油向上逸出或留存在支座上。这是用这样的方法来解决的：在更换机油滤清器滤芯时，一个挡油圈和一根承受弹簧作用力的芯轴共同将辅助设备支座中的机油放油通道打开，这样机油就能够回流到气缸体曲轴箱中去，当滤清器旋出来的时候就不会有机油向上逸出了。
      5.发动机内部的冷却水循环
      与老机型相比，新机型进行了以下改进：
      ①气缸盖中冷却水横向流动(图9)；

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②冷却水泵、节温器和冷却水温传感器都集成在节温器壳体上(图10)；③冷却水泵由齿形皮带传动(图10)。

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诸如废气涡轮增压器和进气管等附件是在功率为147kW的2.0T-FSI汽油机批量生产使用的部件基础上进行进一步开发的，而在开发喷油系统时必须考虑到对发动机的性能已提出了更高的要求以及未来的废气排放法规。      1.废气涡轮增压器-排气歧管模块
      用于1.8T-FSI汽油机的废气涡轮增压器模块的开发目标是，将部件集成得能适用于所有的现有汽车系列而不改变相邻部件的结构。该开发目标已用一个单元模块达到了，该单元模块能用于包括右转向盘在内的所有发动机纵置和横置式驱动方案，并实现了靠近发动机安装的催化转化器。这种废气涡轮增压器的基础是K03系列的一种增压器，采用废气轴向流出的5.88涡轮与博格华纳涡轮系统(Borg Warner Turbo System)公司生产的2074 DCB型压气机相配对，并与2.0T-FSI汽油机类似也应用了由排气歧管与涡轮壳集成的带有与气缸盖连接法兰的整体式模块件，它选择著名的D5S高耐热合金灰铸铁作为材料，允许废气温度高达950摄氏度(图15)。该增压器还具有一个水冷却的中间轴承壳体，并带有一个外部机油接口。同时，通过对控制膜盒和操纵废气放气阀的杠杆系统的彻底修改，废气涡轮增压器的调节质量得到了明显的改善。整个废气涡轮增压器模块满足了对开发方案所提出的热力学和安装技术方面的要求。
      这种增压器的转子(压气机叶轮和涡轮机叶轮)与老机型相比已作了改进，能适应有关功率和加速性方面的热力学指标的要求。应用了一种经优化的涡轮机叶轮，其背部加高使热力学性能得到了优化。由于空气动力学更加有效，因此即使惯性矩稍有增加，但效率提高了4%，因此这种废气涡轮增压器在低转速范围内的加速性得到了明显的提高，而且高转速范围内流经涡轮的流量也能增大。
      由于发动机装配已有所变化，因此铝制压气机壳根据具体情况重新设计出气弯管、消声器壳、电控助推循环空气阀、活性碳罐和增压压力调节阀都直接集成或用螺栓连接在压气机壳上。
      紧接着压气机出气口装有一个脉动消声器，它能够降低各种压力脉动。在流体机械上，这种压力脉动的频率取决于叶片的数量，并对发动机噪声产生不利的影响。临界频率大约在2400Hz或5000Hz，只有采用双腔消声装置才能满足高消声效果的要求。1型和2型（批量生产用）消声器的消声效果示于图16。
      2.进气模块
      现有2.0T-147kw汽油机的进气模块零件在热力学和成本方面已经过优化，可以用于新设计的进气模块。这种新型的进气模块总成(图17)，除了基体之外，还包含有滚流阀及其用于操纵滚流阀的附件，例如气动执行器、开关阀和滚流阀位置反馈传感器等，另外进气模块总成还包·括了节气门以及活性碳罐导管和燃油管道，这些部件都用自攻螺钉方式固定在基体上。

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进气模块基体自身是由上下两半壳体组成，其模具分型面的选择使焊缝避开气道或滚流阀轴承范围，以防止由于上下两半壳体的错位而引起空气空气流动的不连续性，这是采用将转阀插在模具中以后再进行注塑的方法来实现的。同时，采取在基体上下表面附加加强筋、局部加大壁厚以及优化焊缝分布位置等措施来提高基体的破裂强度和改善其声学特性。
      由于基体选用了耐高温的PA66 GF35高强度尼龙作为材料，为实现非常大的气门重叠提供了前提条件。当然，这样的材料要求同样也适用于滚流阀，因为为了将气流正确地导入气缸盖，滚流阀位于进气管靠近气缸盖的前端，同时为了提高耐高温性，必须将滚流阀连同转轴一起做成一个零件，而且这样还能够获得高的扭转刚度。正是出于这样的原因，滚流阀轴及其操纵杠杆都采用PPS工程塑料作为材料。
      由于至今滚流阀仍布置在进气道当中，因此现在采用了一种流动优化的高刚度簸箕型滚流阀，这种滚流阀在需要时可使进气道完全畅通，而在关闭状态又能产生高的滚流强度。进气道中的滚流阀翼板设计得能关闭其旁边剩下的孔口从而产生强烈的进气滚流，而在其打开的时候又不妨碍进气流动，因此与2.0T-FSI汽油机相比，其滚流强度提高了20%。
      就热力学而言，滚流阀可以放弃中间位置的调节，因而两个位置的气动调节器就足以能够满足要求了。但是，由于放弃了电控调节器而又应用了塑料滚流阀轴，为了诊断的需要必须应用一个反馈滚流阀位置信息的传感器，它安装在执行器对面滚流阀轴的自由端。
      为了使进入进气管的气体达到最佳的均匀分布，将气缸体曲轴箱通风和活性碳罐通风的引入口位置布置在节气门后面的直通空气管道上。
      3.燃油系统
      燃油系统的所有零件和功能模块都体现出了FSI最新的技术状况，并显示出了2.OT-FSI汽油机的进一步发展。
      在开发燃油系统的时候特别重视在世界范围内的使用适应性，这除了对现有燃油的适应性之外，还必须满足有关车载诊断系统（OBD）和防止燃油蒸发等方面的要求。燃油系统的所有零件都用不锈钢和黄铜制成。除了高压喷油器之外，燃油系统其余的密封部位都是焊接或用金属密封的。系统无回油，并第一次取消了低压传感器，系统的低压输油压力为0.35-0.6MPa
      1.8T-FSI汽油机应用博世(Bosch)公司生产的可按需调节的高压燃油泵(HDP)，泵油压力现在已提高到15MPa，比2.0T-FSI汽油机提高了4MPa。油量控制阀与限压阀同样都集成在高压燃油泵上(图18)。

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限压阀能限制系统压力过高，例如在发动机倒拖运行或停机后加热阶段就可能出现这种过高的系统压力，但与2.0T-FSI汽油机不同的是，这里不是在低压油路内而是直接在高压燃油泵的泵油腔内限制燃油压力的。一个金属制成的大尺寸燃油稳压器承担平抑低压油路内压力波动的功能。
      高压燃油泵通过一个滚轮式挺柱来传动，并第一次采用方形四角凸轮驱动。这样，就能够通过调整4个凸起的相位，将这4个“油泵凸轮”布置成好象4个“气门凸轮”，并与进排气凸轮相位错开，从而使配气传动机构中的链条力最多能降低30%，另外还有一个优点是能减小凸轮升程，2.0T-FSI汽油机上采用一个升程为5mm的三角凸轮，而1.8T-FSI汽油机则应用一个升程为3.5mm的四角凸轮，由于升程较小，每次供给燃油共轨的单次体积油量就较少，因此在高压范围内的压力波动也就较小。
      同时，喷油器的计量精度也得以改善，因为每次喷油都对应着一次供油行程。
      与2.0T-FSI汽油机相比，高压燃油泵的供油频率提高了33%，因此油量控制阀(MSV)必须重新设计。通过油量控制阀中电磁线圈磁回路的优化，使得油量控制阀的工作频率最高可达到14800次行程/min，而在2.0T-FSI汽油机上该频率仍被限制在10000次行程/min。在进油阶段，由于低压油路的输油压力与油泵柱塞向下运动而造成的压力差，燃油流入泵油腔，此时油量控制阀不通电，在其弹簧作用下将进油阀顶开。而在紧接着的压油阶段期间，燃油首先仍通过被油量控制阀保持开启的进油阀回流到低压油路，一旦油量控制阀通电将进油阀关闭，燃油就开始被泵入燃油共轨。
      此时，油量控制阀通电只是释放进油阀而使其在自身弹簧压力的作用下关闭，由于油泵柱塞上行压挤燃油，在油压作用下进油阀继续保持在原始关闭状态。
      将高压燃油从油泵输送到燃油共轨的高压油管与燃油共轨一样也是焊接结构。由于采用方形四角凸轮驱动，使得燃油压力波动较小，因此燃油共轨的容积可以从130cm3(2.0T-FSI汽油机)减小到80cm“，于是在发动机起动和从倒拖运转恢复到正常运转的情况下，燃油共轨中的油压建立得比较快，同时其较小的内表面对强度、重量、所需的结构空间和成本等方面都起到了有利的作用(图19)。

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基于印刷电路板技术的共轨压力传感器直接拧在燃油共轨管上，其检测范围高达20MPa，而且外形尺寸也要比老型号混合电路传感器的小，同时还能够直接编程不同的特性曲线。

qiuruoyou

你太有才了。分析的这么透彻，谢谢，很需要你的信息，我正在设计一款GDI发动机