大眾公司EA113系列2.0L-FSI燃油分層直噴式汽油機詳解(三)

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博世公司開發(fā)的新型連續(xù)變化式氧傳感器（γ傳感器）是第一次在汽油機上應(yīng)用。這種LSU4.9型氧傳感器應(yīng)用了一種“基準泵電流”，因此對基準空氣“中毒”現(xiàn)象并不敏感。借助于電控單元中新開發(fā)的控制功能模塊能夠調(diào)節(jié)這種氧傳感器的溫度，其中的測量元件被加熱到恒定的780℃。與現(xiàn)在使用的溫度控制相比，這種氧傳感器的信號精度得到了明顯的改善。在發(fā)動機倒拖斷油階段，這種氧傳感器在其稀薄測量范圍內(nèi)進行特性曲線匹配，因此能夠滿足專門用于均質(zhì)稀薄運行的信號所提出的較高要求。

圖16示出了發(fā)動機電控系統(tǒng)的整套傳感器和執(zhí)行器。

大眾公司已成功開發(fā)用于存儲式NOX催化轉(zhuǎn)化器的調(diào)節(jié)功能。這種存儲式NOX催化轉(zhuǎn)化器只能在一定的溫度窗口內(nèi)工作，但是大眾公司成功開發(fā)的專利功能可以改變這種限制，因此能夠消除這種部件的誤差，并利用到最大的NOX存儲能力，從而減少了存儲式NOX催化轉(zhuǎn)化器必須再生的次數(shù)，因而有助于降低燃油耗。

在分層運行的直接噴射汽油機上組合應(yīng)用均質(zhì)燃燒過程，既可以使存儲式NOX催化轉(zhuǎn)化器獲得良好的加熱特性，又能夠降低HC排放，發(fā)動機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性也較好。

MED9.5.10型電控單元應(yīng)用了一種新型的數(shù)字化爆燃調(diào)節(jié)功能模塊，從而在確定濾波頻率時獲得更大的自由度，進一步改善了雙爆燃傳感器方案的爆燃識別品質(zhì)。

在實際使用別關(guān)注前置催化轉(zhuǎn)化器的熱負荷。為了使全負荷時降低零件溫度所要求的加濃量盡量小，應(yīng)盡可能充分利用前置催化轉(zhuǎn)化器所允許的溫度范圍。一般來說，高的穩(wěn)態(tài)溫度不至于損壞前置催化轉(zhuǎn)化器，特別是瞬態(tài)過渡過程的溫度峰值。讓汽車在動態(tài)試驗臺上按照事先輸入的行駛模式運行，并用專用攝像機觀測催化轉(zhuǎn)化器進口側(cè)和出口側(cè)在瞬態(tài)過渡過程中的溫度變化情況，能夠檢測到催化轉(zhuǎn)化器局部最熱的部位或短時間溫度的上升，從而能夠在試驗臺上直接找到降低催化轉(zhuǎn)化器熱負荷的措施，并證實其實際使用效果。

綜上所述，該發(fā)動機主要以4種模式運行（見圖17）：①有EGR的分層稀薄燃燒；②無EGR的均質(zhì)稀薄燃燒；③有EGR的γ=1的均質(zhì)燃燒；④無EGR的γ≤1的均質(zhì)燃燒。

基于扭矩的發(fā)動機控制使得運轉(zhuǎn)模式的轉(zhuǎn)換在駕駛員察覺不到的情況下就實現(xiàn)了。實施運轉(zhuǎn)模式的選擇首先取決于燃燒過程的穩(wěn)定性和燃油耗，而在稀薄燃燒運轉(zhuǎn)時，還必須評估當(dāng)時的NOx質(zhì)量流量。由于存儲式NOx催化轉(zhuǎn)化器的每次再生階段代表著燃油耗的提高，因此即使分層稀薄燃燒運轉(zhuǎn)的油耗要比均質(zhì)稀薄燃燒運轉(zhuǎn)的低，但是在某些運轉(zhuǎn)工況點可能均質(zhì)稀薄燃燒運轉(zhuǎn)模式要比分層稀薄燃燒運轉(zhuǎn)模式更為有利。

12廢氣后處理方案

廢氣后處理裝置包括兩個集成在排氣管上的金屬載體前置催化轉(zhuǎn)化器和一個位于汽車地板下的存儲式NOx催化轉(zhuǎn)化器。

當(dāng)今的存儲式NOx催化轉(zhuǎn)化器只能在一個窄的溫度窗口內(nèi)工作，而且其允許的最高溫度要比傳統(tǒng)的三元催化器低。因此，在設(shè)計汽車地板時，一開始就要考慮到使存儲式NOx催化轉(zhuǎn)化器盡可能遠離發(fā)動機。無論是排氣管一前置催化轉(zhuǎn)化器模塊的溫度還是存儲式NOx催化轉(zhuǎn)化器的溫度都應(yīng)該處于接近優(yōu)化的范圍內(nèi)，這樣就能夠取消諸如管子隔熱甚至可調(diào)式廢氣冷卻器等附加的冷卻措施。

在前置催化轉(zhuǎn)化器的前面各有一個連續(xù)變化式氧傳感器，而在后面各有一個躍變式氧傳感器。為了控制存儲式NOx催化轉(zhuǎn)化器的再生，在其后面裝有一個通過CAN總線與發(fā)動機電控單元相連的NOx傳感器，這與奧迪A4轎車汽油機上的結(jié)構(gòu)相同。另外，在存儲式NOx催化轉(zhuǎn)化器前面還裝有一個溫度傳感器，這樣就構(gòu)成了排氣系統(tǒng)的整套傳感器（見圖18）。通過測定前置催化轉(zhuǎn)化器吸收氧的能力來對其進行診斷，為此可有針對性地實施加濃/變稀的突變，再由前置催化轉(zhuǎn)化器后面的躍變式氧傳感器測出此時前置催化轉(zhuǎn)化器吸收氧的能力。串聯(lián)的存儲式NOx催化轉(zhuǎn)化器也具有三元催化功能，同樣能夠阻止有害物成分的通過。這種方案還能夠診斷出未來更低排放的在線診斷限值。

13功率和扭矩

圖19示出了2.0L-FSI汽油機的功率和扭矩特性曲線，在同類競爭機型中處于領(lǐng)先地位。最大平均有效壓力為1.267MPa（見圖20）。值得一提的是，在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有高的扭矩，在轉(zhuǎn)速2000r/min時，扭矩達到了188Nm。

14燃油耗

在新型奧迪A3轎車上，2.0L-FSI汽油機與同樣也是新開發(fā)的MQ250系列6擋變速器組合。這種變速器的設(shè)計選擇在5擋時達到最高車速，而6擋的行駛范圍設(shè)計得適當(dāng)寬一些，由于其具有較好的靈活性，因此非常適合用作行駛擋，無須頻繁地換低擋位。但是，選用如此設(shè)計的6擋變速器，在廢氣排放試驗循環(huán)中，因為試驗中指定擋位，所以會對燃油耗有些不利影響。

圖21和圖22分別示出了傳統(tǒng)的5擋變速器和這種6擋變速器在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1000r/min時各擋位車速（V1000）的比較，以及在機動車排放組合試驗循環(huán)（MVEG）中的累計燃油消耗量的比較。

在試驗中，從2擋到5擋的短暫換擋對燃油耗有些許不利影響，但是只要在城郊行駛，車速從100km/h起就掛6擋行駛（參見圖22中的擋位曲線），這種不利影響不再需要補償，與5擋變速器相比，這種6擋變速器在試驗循環(huán)中的燃油耗也就大約只差0.2L/100km。然而，在用戶的實際行駛中，這種6擋變速器卻明顯起到了有利的作用，因為駕駛員總是傾向于掛高一擋，因此行駛起來反而省油。雖然從技術(shù)上看設(shè)計似乎有缺憾，但是MVEG行駛試驗循環(huán)的燃油耗只有6.9L/100km，達到了該車型等級的最佳值，這充分顯示出了FSI技術(shù)的魅力。

二、渦輪增壓2.5L-TFSI燃油分層直噴式汽油機

奧迪轎車搭載直列5缸渦輪增壓汽油機具有很久的歷史。2022年，為了給奧迪運動型轎車配備動力性能更好的汽油發(fā)動機，將渦輪增壓2.0L-TFSI燃油分層直噴式汽油機的燃油過程移植到奧迪直列5缸自然吸氣2.5L-MPI多點氣門口噴射汽油機上，成功地開發(fā)出了2.5L-TFSI增壓燃油分層直噴式汽油機。將缸內(nèi)分層直接噴射與渦輪增壓結(jié)合起來，2.5L排量的發(fā)動機就能達到250kW（5400～6500r/min）的功率和450Nm（1600r/min）的扭矩。在奧迪轎車上，這樣的發(fā)動機動力指標與優(yōu)化匹配的6擋手動變速器相結(jié)合，能夠在適當(dāng)?shù)娜加秃南?，使其加速性和動力性指標達到運動型車型的水平。差不多相隔20年后，奧迪轎車搭載的汽油機品種又增加了一種新型的直列5缸汽油機，它被搭載于奧迪TTRS型轎車上。在奧迪汽車歷史上早已報道過5缸汽油機的結(jié)構(gòu)型式，從Urquattro型一直到奧迪quattroS1運動型汽車以及IMSA-GTO型汽車都裝備了5缸渦輪增壓發(fā)動機。

1開發(fā)目標和主要技術(shù)參數(shù)

該機型的開發(fā)目標是：①在奧迪最小的運動型汽車中，使TTRS車型的功率達到250kW；②因TT車型中的發(fā)動機橫置，所以應(yīng)采用緊湊的發(fā)動機一變速器總成；③盡可能通用自然吸氣125kW的2.5L-MPI多點氣門口噴射汽油機的基礎(chǔ)總成和奧迪發(fā)動機的標準部件；④低轉(zhuǎn)速時扭矩提升迅速，在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有高的升功率。

表4列出了該機型最主要的尺寸和特性數(shù)據(jù)，并與搭載于奧迪TTS車型的直列4缸R4-2.0L-TFSli曾壓燃油分層直噴式汽油機和搭載于大眾捷達轎車的直列5缸R5-2.5L-MPI多點氣門口噴射汽油機進行對照。圖23和圖24分布示出了該機型搭載于奧迪TT-RS型轎車的總體局部剖視圖及縱剖視圖。

2發(fā)動機簡介

超過4個汽缸的直列一橫置式發(fā)動機必須設(shè)計得較短，以便將發(fā)動機一變速器總成安裝在車輛前部的縱梁之間。奧迪直列式汽油機具有傳統(tǒng)88mm的缸心距，如果能將兩級配氣正時鏈傳動與皮帶傳動分開布置的話，那么發(fā)動機的長度還能進一步縮短。2022年以來，在北美市場上非常成功的自然吸氣直列5缸R5-2.5L-MPI多點氣門口噴射汽油機就具有這些特點。若橫置式汽油機采用增壓的方式，則還要在汽車長度方向上布置廢氣渦輪增壓器、增壓空氣管路和增壓空氣冷卻器。圖24示出該機型的長度為494mm，與目前市場上現(xiàn)有的發(fā)動機機型（包括普通汽油機和TDI增壓直噴式柴油機）相比，奧迪R5-2.5L-TFSI直噴式汽油機是最緊湊的，而且功率是最大的。

發(fā)動機的長度主要取決于汽缸體曲軸箱的設(shè)計和外形尺寸。通過縮小連桿厚度和主軸承寬度能夠?qū)⒆钔鈧?cè)的兩個主軸承移向發(fā)動機內(nèi)側(cè)，因此能將變速器一側(cè)的正時鏈條傳動以及發(fā)動機前端的曲軸密封法蘭和扭轉(zhuǎn)減震器布置在冷卻水套下面，這樣就能節(jié)省軸向長度而使結(jié)構(gòu)設(shè)計