明銳、邁騰發動機技術解析(圖)

發動機性能改進

    1.8T FSI汽油機的換氣和燃燒過程是以2004年已批量生產的2.0T FSI汽油機為基礎的，但是許多部件都經過了改進，其開發的重點是改善起步時低速扭矩，特別是動態扭矩的建立。

    1.8T FSI汽油機繼承了2.0T FSI汽油機的燃燒室形狀，其進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）的汽油進行設計而降低到
9.5。除了優化滾流閥之外，還采取了新的配氣正時策略，對換氣過程進行了較大的改進，并在批量生產中采用多孔噴油器，同時還應用了新型的多油束和雙次噴射技術。為了在低轉速時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要求。

1.燃油噴射

    1.8T FSI汽油機應用了多孔噴油器技術，以便能夠明顯地改善混合氣的均質化。通過噴孔數目、單個噴孔幾何形狀、單個分支油束錐角和方位的選擇，并與噴油壓力相結合，多孔噴油器可以提供多種匹配可能性（圖2）。為此，技術人員進行了廣泛的試驗研究來驗證眾多的開發目標對噴油系統設計參數的敏感性（圖3）。在噴油器的開發過程中，除了進行壓力罐試驗和石英玻璃單缸發動機試驗之外，進行流體動力學（CFD）計算也是一種非常有價值的輔助方法。

    試驗結果顯示，在選定的10 MPa噴油壓力下靜態流量為15 cm3/s時，采用6個噴孔和最短噴孔長度的噴油嘴結構是最理想的。而選擇最大噴油壓力為15 MPa則使得噴油器能夠實現最小和最大噴油量之間大的噴油量跨度，并從而獲得對噴油定時進行精細優化的空間。這樣就使得發動機低負荷時最小油量的混合氣形成更加理想，高負荷時改變噴油參數的可能性也大大增加，特別是全負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化，即使在極限條件下也會避免出現例如提前點火等無法控制的燃燒出現。同時，通過應用雙次噴射使混合氣均質化獲得了更多的優點。由于將燃油量分配到進氣行程和壓縮行程進行噴射，從而促使燃油與新鮮空氣可以更加均勻的混合。但是，應用雙次噴射會受到一定條件的制約：負荷太低時受到噴油系統最小噴油量的限制；而當發動機在3000r/min時又受到電控單元輸出功率及再充電時間的限制。

2.充量運動

    在受爆震制約的特性曲線場范圍內，低轉速和高平均有效壓力工況必須具有很高的燃燒穩定性，其中滾流閥的控制作用十分重要。通過關閉滾流閥，進氣充量產生的高強度滾流運動可以明顯改善混合氣的形成。如圖4所示為有/無充量滾流運動汽缸內部流動模擬計算結果比較。當滾流閥完全打開，與進氣同步噴射時，充量流動使燃油束向活塞運動，并且液態燃油滴碰到活塞頂面；而當滾流閥關閉的時候，強烈的充量滾流運動將燃油束包裹起來，燃油很少呈液態，到點火時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，滾流閥是始終關閉的，以確保形成良好的混合氣和穩定的燃燒狀態，從而能夠在部分負荷時應用較高的殘余廢氣穩定運行，并保持理想的燃燒效率。發動機在高負荷時，由于強烈的充量運動使燃油獲得良好的均質化，燃燒速度提高，從而使50%能量轉換點出現在較早的相位，Pmi的標準偏差也明顯減小。這樣，發動機在保持低噪聲運行的同時達到了較高的平均有效壓力。

3.穩態全負荷特性

    1.8T FSI發動機采取上述優化措施后其效果反映在全負荷特性曲線上（圖5），在1000r/min轉速時的扭矩就已經達到了165N·m，而在1500～4200r/min范圍內始終保持著最大扭矩250N·m，并在5000～6200r/min的轉速范圍內達到最大功率118kW，因此能夠匹配低燃油耗的變速器傳動設計，并具有運動特性。

    從圖6上可以清楚地看到，發動機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汽油機上應用了汽油直接噴射，與采用進氣道噴射的增壓汽油機相比，低轉速時的平均有效壓力得到了非常明顯的改善。新型1.8T FSI汽油機的開發是通過優化缸內充量運動使起步扭矩得到了進一步提高，特別是在動態扭矩建立方面的改善更加顯著，這對提高汽車加速性能是非常重要的。

4.動態加速性能

    1.8T FSI汽油機2000 r/min轉速時負荷突變如圖7所示，它達到全負荷的時間縮短到了1.2 s，而在以前的1.8T-MPI進氣道噴射增壓汽油機則需要1.6s。若要對比達到1.5 MPa平均有效壓力所需要的時間間隔來看，當1.8T-MPI汽油機換為新型的1.8T FSI汽油機，可縮短1s的時間。因此這種新型汽油機在改善動態性能方面取得了很大的進步，這對車輛的加速性能是非常重要的。

    由于1.8T FSI汽油機的穩態和動態扭矩建立較快，從而獲得良好的行駛動力性。以裝備該發動機的奧迪A3為例（圖8），當該車在最高的兩個檔位時，新歐洲行駛循環（NEFZ）燃油消耗和機動性，并將2.0T FSI汽油機和1.8T-MPI進氣道噴射汽油機進行比較。與1.8T-MPI汽油機相比，1.8T FSI汽油機的行駛動力性稍有改善，但是其燃油消耗量卻降低了0.8 L/100km，這相當于在舒適性明顯提高和駕駛機動性得到改善的同時燃油消耗卻降低了9%。

    1.8T FSI汽油機是2004年首次推出2.0T FSI汽油機以后大眾公司在汽油機戰略中的一個里程碑，其再次顯示出增壓直接噴射汽油機技術未來所具有的潛力。