w波段20fsi增压燃油分层直接喷式汽油机的研制

w波段20fsi增压燃油分层直接喷式汽油机的研制

2003年，大众在1.8l-5.92w锋利驱动器的基础上，开发了第二代奥迪a和a6的新水平横截面，采用齿形皮带传动的2.0-4v-fsi层直接喷洒机，其内部型号为ea113汽轮箱系列。2004年在此平台基础上开发的世界上第一台涡轮增压缸内直接喷射2.0L-TFSI汽油机批量投入生产。而2006年新开发的采用链传动的1.8L-TFSI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(TFSI)燃烧过程。不断创新的TFSI技术为这种最新的机型提供了更大的低速扭矩和更低的燃油耗,同时新一代发动机管理系统和喷油系统高压部件还能用于满足特超低排放汽车(SULEV)废气法规要求的2.0L-TFSI增压分层直喷式汽油机。这些新机型在大众公司内部被命名为EA888汽油机系列。从一开始EA888系列汽油机就是按照用于大众公司所有型号和汽车平台的“全球发动机”和全世界所有市场应用的要求来设计的。大众公司于2007年春成功推出了这种全新汽油机系列的第一代机型,随后又在此基础上开发成功了特超低排放汽车用的2.0L-TFSI机型;在2009年度的第二代机型上又进行了多处摩擦优化,并同时推出了奥迪可变气门定时和升程机构(Avs);2011年又推出了经进一步广泛优化并装备Avs机构的第三代1.8L-TFSI-Avs机型。从2005年以来,这种EA888直列4缸TFSI汽油机系列总共10次荣获著名的“年度国际发动机”和“十佳发动机”奖。本文将详细介绍第一代和第三代机型的结构和性能。一、流量为2.0的高压图像发动机表1中列出了第一代1.8L-TFSI增压燃油分层直喷式汽油机的主要尺寸和技术数据,并与老款1.8L-5V-T-MPI五气门增压进气道喷射汽油机进行对比。图1和图2分别示出了第一代1.8L-TFSI机型的总体布置和横剖视图,从中可以看出它比老机型的结构明显紧凑,而且即使采用了平衡轴传动机构和高压缸内直接喷射系统,发动机质量并没有增加。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法规要求。奥迪公司在2004年推出的EA113系列2.0L-TFSI机型的基础上,已开发出了一种全新的基础发动机,在排量较小的1.8L汽油机上应用了高压缸内直接喷射系统和废气涡轮增压系统。作为新一代汽油机系列的第一代机型,1.8L-TFSI汽油机开发的主要目标除了成本低、品质好、质量轻、适合于横置和纵置安装的外形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100kW/L)设计;(4)按照燃用辛烷值(研究法)95/91的燃油设计;(5)在全世界范围内,大众跨国集团公司可以组织生产;(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)。1.蒸发器曲轴箱的结构特点汽缸体曲轴箱用GJL250片墨铸铁制成,采用汽缸体顶面封闭的常规深裙型结构。由于集成了隧道式平衡轴轴承座、前端设计成凸起的链条盒凸缘以及进气侧贯穿汽缸体长度的冷却水布水道等措施,大大提高了汽缸体曲轴箱的刚度,并采用横向螺栓将曲轴箱裙部与中间几挡主轴承盖紧固连接进一步提高了曲轴箱裙部的刚度,同时加强后端结合面提高与变速器的连接刚度(见图3)。虽然该机型的汽缸体曲轴箱按大于100kW/L升功率进行设计,但仍获得了一个质量仅为33kg的名副其实的轻型结构机体。汽油机汽缸体曲轴箱应用铸铁材料是现代先进高功率低成本增压汽油机的标志。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汽缸体曲轴箱侧壁内的平衡轴机构。两根平衡轴是通过紧挨在配气链传动机构后面的齿形链条由曲轴传动的,而两根平衡轴的反向旋转则是通过紧挨驱动平衡轴的齿形链轮后的一对斜齿轮来实现的(见图4)。与以往轿车发动机通常附加在主轴承座下方的平衡轴机构相比,这种集成在汽缸体曲轴箱中的平衡轴机构在成本、质量和汽缸体曲轴箱刚度等方面具有明显的优点。由于平衡轴机构的位置从油底壳转移到了汽缸体曲轴箱侧壁内的隧道式轴承中,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。平衡轴采用球墨铸铁(GJS)材料制成,它具有三道支承轴承,位于第1和第2道主轴承座上方的两个轴承直接做成压铸铝衬套,而位于第4道主轴承座上方的一个轴承则做成一个多层材料制成的衬套。2.相位形成调节机构广泛研究已经证实,6.35mm的齿形链无论是在配气传动机构、平衡轴传动,还是在机油泵传动中,就声学特性、摩擦、成本、伸长和装配情况等方面与滚柱链和套筒链相比都是最好的解决方案,而且与齿形皮带相比能确保设计的使用寿命。该机型所有的齿形链机构一并示于图4上。3根齿形链条都由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涨紧器,涨紧滑轨和导向滑轨都用PA6.6尼龙制成,其中涨紧滑轨被做成具有玻璃纤维加强的承载基体双组分滑轨。它们主要通过位于汽缸盖下方汽缸体上的一个喷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涨紧器,鉴于平衡轴传动链的速度很快,其滑动衬面用PA4.6尼龙制成。为了润滑平衡轴传动链,从汽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,因此无须液压涨紧阻尼装置,只要用弹簧预紧力通过一个用PA6.6尼龙制成的滑轨来涨紧,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处理,使周边范围内的材料几何全部压实,因此磨损明显减少了。出于缸内燃烧性能指标的考虑,进气凸轮轴相位调节器(见图5)用一个定位销锁定在进气门晚开的起始位置上,并具有可向进气门早开方向提前60°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,大众公司开发了一个叶片式相位调节器,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,从机油泵过来的压力机油经过第一道凸轮轴轴承盖中的油道,通过凸轮轴轴颈圆周上的孔进入机油比例阀,然后再根据相位调节的要求,从那里通过凸轮轴上另外的油孔流入相位调节器的一个或另一个油腔中,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其轴向移动的电子控制。通过上述机油引导的优化,在热机油情况下,相位调节器的调节速度在怠速时能够超过100°CA/s,而从2000r/min起就能够达到200°CA/s,即使低至-15℃冷启动时也能够迅速调节(见图6)。3.旋转其他装置的连接技术与老机型相比,该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获得良好的声学特性,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配合。这种高刚度是发动机-变速器动力总成声学优化设计的基础。曲轴、链轮、扭振减振器之间通过齿形角为120°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(见图7)。这种对中非常重要,因为径向轴密封圈直接与旋转的扭振减振器的轮毂接触,因此必须确保必要的同轴度。曲轴上的端面啮合齿是由铣削加工而成的。通过采用这种新型的连接技术,曲轴第一道主轴承向里缩进了大约9.8mm,第一个曲柄臂也做了相应改动,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。活塞(见图8)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,而无需缩短活塞压缩高度,这种结构设计首次应用在奥迪2.0L-TFSI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,并经涂层处理,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(物理汽相沉积)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涨圈刮油环,它具有倾斜的环岸唇口,使得机油消耗量从一开始就处于最低的水平上。连杆的设计采用了奥迪机型的标准部件。4.油泵预处理辅助设备支座(见图9)除了包括用于传动发电机、空调压缩机和涨紧器的皮带传动装置常规功能外,作为组合模块的多功能基座还集成了下列部件和功能:(1)用法兰连接的机油冷却器;(2)直立式机油滤清器;(3)机油压力开关。这就是说,辅助设备支座还作为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端,是日常维护保养的最佳位置,但必须确保在更换机油滤清器滤芯时不会有机油向上溢出或留存在支座上(可以通过这样的方法来解决:在更换机油滤清器滤芯向上旋出时,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汽缸体曲轴箱中去,当滤清器旋出来的时候就不会有机油向上溢出了)。5.冷却水泵系统与老机型相比,该机型进行了以下改进:(1)汽缸盖中冷却水横向流动(见图10);(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(见图11);(3)冷却水泵由齿形皮带传动。虽然冷却水纵向流动在最高热负荷时能得到较高的传热系数,但是横向流动能够获得均匀分布的传热系数。从图10上可以清楚地看到发动机内部冷却系统的整体功能,节温器位于进气管下面汽缸体曲轴箱旁边,冷却水泵用法兰连接在其侧面。冷却水泵由一条与发动机使用寿命一样长的齿形皮带传动,并且无涨紧装置,它将冷却水输送到汽缸体曲轴箱的进气侧。在布水道中冷却水被分配到各缸环绕汽缸四周流向排气侧,并分流出一部分体积流量用来冷却废气涡轮增压器和机油冷却器,而大部分冷却水向上流入汽缸盖,首先冷却排气门和火花塞三角区,再流向进气门。热水可经过汽缸盖后端面的一个出口供给汽车采暖设备。从汽缸盖出来的冷却水向下汇流到集成在汽缸体进气侧的水腔中,再经管道流到节温器。节温器的调节温度为95℃,根据其开启状况,冷却水流向散热器(水箱)或直接流回水泵进行封闭式小循环。从汽缸体曲轴箱、机油冷却器、汽车散热器和采暖设备出来的冷却水都流入节温器壳体,全部的冷却水流量被水泵吸入。节温器壳体由PPS塑料制成,不仅成本低,而且又能确保高的形状稳定性和较轻的质量。所用的节温器就是通常的石蜡式节温器。冷却水泵的泵水量为160L/min。为了能减轻质量,其壳体选择30%玻璃纤维加强的PFGF30热固性塑料作为材料,这种形状稳定的结构能够获得具有足够刚性的壳体。冷却水泵采用齿形皮带传动,由于靠齿型来进行力的传递,因此与三角筋条皮带相比,允许皮带涨紧力较小,这有利于减轻水泵轴承的受力状况,相应地就能够使用较小的轴承,从而减少功率损耗。齿形皮带装配后由皮带盘与进气侧平衡轴之间的一个双锥形组件来涨紧。安装在护罩中的齿形皮带传动用装在齿形皮带轮上的风扇冷却。另外,这种冷却水泵上还应用了一种新型的密封装置,与以往通常使用的轴向滑动密封圈不同,它是由密封圈径向密封的。水泵叶轮由40%玻璃纤维加强的PPSGF40材料制成,由于其叶片具有特殊的形状,因此允许高速运转而不易产生穴蚀的危险。这种冷却水泵方案具有以下优点:(1)由于水泵采用小轴承、径向密封、齿形皮带传动和较小的运动件质量,因此功率损耗较小;(2)不产生噪声;(3)结构紧凑,成本低。发动机停机后由一只继续运转的电动后续冷却水泵确保了废气涡轮增压器在极限负荷运转后,特别是在停机后发动机对其继续加热情况下的冷却。6.配气传动的密封新机型的火花塞位置、进气道位置和尺寸、滚流板分隔成上下两半的进气道、气门夹角、气门中心距和气门尺寸、滚轮摇臂式配气机构和组合式凸轮轴都继承了老机型的结构设计。但是,由于采用了冷却水横向流动、正时链条传动的双凸轮轴和新型的进气凸轮轴相位调节装置,并取消了凸轮轴轴承盖框架而采用集成凸轮轴轴承盖的整体式汽缸盖罩,因此汽缸盖必须进行较大地修改。同时,为了将这种使用三条链传动的发动机的配气传动侧设计得短一些,必须将进排气凸轮轴最前端的两个轴颈布置在配气传动链条的前面,并支承在一个轴承桥上。该轴承桥是一个承担多种功能的压铸件,所有的加工都是单件进行的,这样就存在相对于进排气两根凸轮轴的对中问题,而其主要任务在于进排气凸轮轴最前端的两个轴承支承以及这两个轴承和凸轮轴相位调节器的机油压力供应,并且这两个轴承都做成轴向止推轴承。为了支持和保障凸轮轴相位调节器的功能,在轴承桥中通往凸轮轴相位调节器的机油通道中集成了一个止回阀和一个滤网,而且该机油通道还承担着从主油道向汽缸盖中的两条长油道分配机油的功能。另外,控制凸轮轴相位调节器机油的电磁阀也在轴承桥上密封,并用螺栓固定在它上面。汽缸盖罩是用AlSi9Cu3材料制成的低成本压铸件,而发动机前端上方的链条盒盖是个塑料件,其密封面做成倾斜的平面,以便于链条的安装,并避免形成需三面密封的台阶形。7.两级分离器工作原理的提出该机型的曲轴箱通风系统是单纯的机体通风,如图12所示。曲轴箱侧面的取气口位于正对第3和第4道曲轴主轴承部位,避开机油飞溅的一侧,同时机油池与曲轴箱之间又用油底壳上件挡油板隔开,因此曲轴箱侧面的取气口部位被机油飞溅的程度被降到最低。另外,将机油通道与通气通道分开,这样就能够避免机油油雾混入曲轴箱漏气中去。机油粗分离器直接正对着曲轴箱通风取气口,安装在曲轴箱外侧面上,它由两级串联的分离器组成,第一级分离器用碰撞板和扩大容积来达到分离机油的目的,而第二级分离器同样也是按碰撞板原理工作的。这些肋片状的碰撞板带有坡度,这样在重力和离心力的作用下,被分离出的成分就能够朝一个方向汇流到一处,并从安装在那里的一个回油通道排出。这两级分离器的回油通道是彼此分开的,并将回流的机油一直引导到油底壳动态机油油面以下。与机油粗分离器相连接的通风管的特点是具有较大的横截面,因而流经其中的曲轴箱通风气流的流动速度足够慢,从而防止机油雾撞击通风管壁。机油细分离器集成在比机油油面高得多的发动机罩盖中,它由一个单级旋流分离器和与其并联的旁通阀组成,这种布置型式能够在较低的压力损失下达到较高的分离效率。被分离出来的机油通过集成在发动机中的通道一直回流到油底壳机油油面以下,在该通道的末端还装有一个止回阀,它可以防止由于猛烈的横向加速度或摆动而使该通道中的机油柱过于猛烈地向上冲动。两级压力调节阀与两个止回阀一起集成在一个模块中,该模块是目前使用的2.0L-TFSI汽油机上众所周知的模块稍加改进的变型。这两个止回阀在很小的压力差下就能开通,从而控制曲轴箱通风流向进气管或废气涡轮增压器压气机的流量。由于装备了这种两级压力调节阀就能够用一个非常小型的组合阀确保曲轴箱通风系统在发动机所有运转条件下都能达到非常均匀的压力水平。曲轴箱通风阀(PCV)通过装在汽缸盖罩中的一个阀将新鲜空气吸入,这样的安装位置达到了最佳的工作方式,通风量已适合于在该机型特定条件下达到最佳的排除机油中水份和燃油的效果。8.发动机-变压器动力总成总噪声低为了降低燃油耗和提高性能,需要通过提高喷油压力来实现高效率的燃烧过程,但是这就对零件的强度和发动机的声学特性提出了新的要求,同时现在对该档次汽油机的舒适性要求也提高了,因此在开发该机型基础发动机时就必须考虑到这方面。这种1.8L-TFSI汽油机在这方面的开发目标是,即使发动机负荷有了明显提高,但是在所有声学特性方面都应比老机型有明显改善。这应当从以下三方面来实现:(1)减少机械噪声传到汽车结构中去,250Hz以下的低频噪声辐射(轻微的嗡嗡声和振动);(2)减少中频范围噪声辐射:250～800Hz(降低发动机运转粗暴度);(3)明显减少高频范围噪声辐射:800～3000Hz(总噪声水平降低≥汽车侧隔音降低噪声的潜力)。该机型上的平衡轴传动机构在这个排量等级的发动机中并非是标准的结构型式,但它对降低低频噪声辐射有良好的效果。采用这种平衡轴,一方面能够完全平衡这种发动机结构型式所决定的二阶往复惯性力,另一方面能够使相对于发动机纵轴的惯性力矩峰值移位,起到平抑惯性力矩波动的效果。根据运转工况