精品文檔-下載后可編輯大眾公司EA113系列2.0L—FSI燃油分層直噴式汽油機(jī)詳解(三)（接上期）

博世公司開(kāi)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(jī)上應(yīng)用。這種LSU4.9型氧傳感器應(yīng)用了一種“基準(zhǔn)泵電流”，因此對(duì)基準(zhǔn)空氣“中毒”現(xiàn)象并不敏感。借助于電控單元中新開(kāi)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(cè)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(hào)精度得到了明顯的改善。在發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖斷油階段，這種氧傳感器在其稀薄測(cè)量范圍內(nèi)進(jìn)行特性曲線匹配，因此能夠滿足專門(mén)用于均質(zhì)稀薄運(yùn)行的信號(hào)所提出的較高要求。

圖16示出了發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的整套傳感器和執(zhí)行器。

大眾公司已成功開(kāi)發(fā)用于存儲(chǔ)式NOX催化轉(zhuǎn)化器的調(diào)節(jié)功能。這種存儲(chǔ)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(kāi)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(chǔ)能力，從而減少了存儲(chǔ)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(yùn)行的直接噴射汽油機(jī)上組合應(yīng)用均質(zhì)燃燒過(guò)程，既可以使存儲(chǔ)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(dòng)機(jī)運(yùn)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(shí)獲得更大的自由度，進(jìn)一步改善了雙爆燃傳感器方案的爆燃識(shí)別品質(zhì)。

在實(shí)際使用別關(guān)注前置催化轉(zhuǎn)化器的熱負(fù)荷。為了使全負(fù)荷時(shí)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(lái)說(shuō)，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(guò)渡過(guò)程的溫度峰值。讓汽車(chē)在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)上按照事先輸入的行駛模式運(yùn)行，并用專用攝像機(jī)觀測(cè)催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)口側(cè)和出口側(cè)在瞬態(tài)過(guò)渡過(guò)程中的溫度變化情況，能夠檢測(cè)到催化轉(zhuǎn)化器局部最熱的部位或短時(shí)間溫度的上升，從而能夠在試驗(yàn)臺(tái)上直接找到降低催化轉(zhuǎn)化器熱負(fù)荷的措施，并證實(shí)其實(shí)際使用效果。

綜上所述，該發(fā)動(dòng)機(jī)主要以4種模式運(yùn)行（見(jiàn)圖17）：①有EGR的分層稀薄燃燒；②無(wú)EGR的均質(zhì)稀薄燃燒；③有EGR的γ=1的均質(zhì)燃燒；④無(wú)EGR的γ≤1的均質(zhì)燃燒。

基于扭矩的發(fā)動(dòng)機(jī)控制使得運(yùn)轉(zhuǎn)模式的轉(zhuǎn)換在駕駛員察覺(jué)不到的情況下就實(shí)現(xiàn)了。實(shí)施運(yùn)轉(zhuǎn)模式的選擇首先取決于燃燒過(guò)程的穩(wěn)定性和燃油耗，而在稀薄燃燒運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，還必須評(píng)估當(dāng)時(shí)的NOx質(zhì)量流量。由于存儲(chǔ)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(yùn)轉(zhuǎn)的油耗要比均質(zhì)稀薄燃燒運(yùn)轉(zhuǎn)的低，但是在某些運(yùn)轉(zhuǎn)工況點(diǎn)可能均質(zhì)稀薄燃燒運(yùn)轉(zhuǎn)模式要比分層稀薄燃燒運(yùn)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(gè)集成在排氣管上的金屬載體前置催化轉(zhuǎn)化器和一個(gè)位于汽車(chē)地板下的存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)化器。

當(dāng)今的存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)化器只能在一個(gè)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(jì)汽車(chē)地板時(shí)，一開(kāi)始就要考慮到使存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)化器盡可能遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)。無(wú)論是排氣管一前置催化轉(zhuǎn)化器模塊的溫度還是存儲(chǔ)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(gè)連續(xù)變化式氧傳感器，而在后面各有一個(gè)躍變式氧傳感器。為了控制存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)化器的再生，在其后面裝有一個(gè)通過(guò)CAN總線與發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元相連的NOx傳感器，這與奧迪A4轎車(chē)汽油機(jī)上的結(jié)構(gòu)相同。另外，在存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)化器前面還裝有一個(gè)溫度傳感器，這樣就構(gòu)成了排氣系統(tǒng)的整套傳感器（見(jiàn)圖18）。通過(guò)測(cè)定前置催化轉(zhuǎn)化器吸收氧的能力來(lái)對(duì)其進(jìn)行診斷，為此可有針對(duì)性地實(shí)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(cè)出此時(shí)前置催化轉(zhuǎn)化器吸收氧的能力。串聯(lián)的存儲(chǔ)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(guò)。這種方案還能夠診斷出未來(lái)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(jī)的功率和扭矩特性曲線，在同類競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型中處于領(lǐng)先地位。最大平均有效壓力為1.267MPa（見(jiàn)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(shí)，扭矩達(dá)到了188Nm。

14燃油耗

在新型奧迪A3轎車(chē)上，2.0L-FSI汽油機(jī)與同樣也是新開(kāi)發(fā)的MQ250系列6擋變速器組合。這種變速器的設(shè)計(jì)選擇在5擋時(shí)達(dá)到最高車(chē)速，而6擋的行駛范圍設(shè)計(jì)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(wú)須頻繁地?fù)Q低擋位。但是，選用如此設(shè)計(jì)的6擋變速器，在廢氣排放試驗(yàn)循環(huán)中，因?yàn)樵囼?yàn)中指定擋位，所以會(huì)對(duì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)各擋位車(chē)速（V1000）的比較，以及在機(jī)動(dòng)車(chē)排放組合試驗(yàn)循環(huán)（MVEG）中的累計(jì)燃油消耗量的比較。

在試驗(yàn)中，從2擋到5擋的短暫換擋對(duì)燃油耗有些許不利影響，但是只要在城郊行駛，車(chē)速?gòu)?00km/h起就掛6擋行駛（參見(jiàn)圖22中的擋位曲線），這種不利影響不再需要補(bǔ)償，與5擋變速器相比，這種6擋變速器在試驗(yàn)循環(huán)中的燃油耗也就大約只差0.2L/100km。然而，在用戶的實(shí)際行駛中，這種6擋變速器卻明顯起到了有利的作用，因?yàn)轳{駛員總是傾向于掛高一擋，因此行駛起來(lái)反而省油。雖然從技術(shù)上看設(shè)計(jì)似乎有缺憾，但是MVEG行駛試驗(yàn)循環(huán)的燃油耗只有6.9L/100km，達(dá)到了該車(chē)型等級(jí)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(jī)

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

1開(kāi)發(fā)目標(biāo)和主要技術(shù)參數(shù)

該機(jī)型的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是：①在奧迪最小的運(yùn)動(dòng)型汽車(chē)中，使TTRS車(chē)型的功率達(dá)到250kW；②因TT車(chē)型中的發(fā)動(dòng)機(jī)橫置，所以應(yīng)采用緊湊的發(fā)動(dòng)機(jī)一變速器總成；③盡可能通用自然吸氣125kW的2.5L-MPI多點(diǎn)氣門(mén)口噴射汽油機(jī)的基礎(chǔ)總成和奧迪發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)部件；④低轉(zhuǎn)速時(shí)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(jī)型最主要的尺寸和特性數(shù)據(jù)，并與搭載于奧迪TTS車(chē)型的直列4缸R(shí)4-2.0L-TFSli曾壓燃油分層直噴式汽油機(jī)和搭載于大眾捷達(dá)轎車(chē)的直列5缸R(shí)5-2.5L-MPI多點(diǎn)氣門(mén)口噴射汽油機(jī)進(jìn)行對(duì)照。圖23和圖24分布示出了該機(jī)型搭載于奧迪TT-RS型轎車(chē)的總體局部剖視圖及縱剖視圖。

2發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

超過(guò)4個(gè)汽缸的直列一橫置式發(fā)動(dòng)機(jī)必須設(shè)計(jì)得較短，以便將發(fā)動(dòng)機(jī)一變速器總成安裝在車(chē)輛前部的縱梁之間。奧迪直列式汽油機(jī)具有傳統(tǒng)88mm的缸心距，如果能將兩級(jí)配氣正時(shí)鏈傳動(dòng)與皮帶傳動(dòng)分開(kāi)布置的話，那么發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度還能進(jìn)一步縮短。2022年以來(lái)，在北美市場(chǎng)上非常成功的自然吸氣直列5缸R(shí)5-2.5L-MPI多點(diǎn)氣門(mén)口噴射汽油機(jī)就具有這些特點(diǎn)。若橫置式汽油機(jī)采用增壓的方式，則還要在汽車(chē)長(zhǎng)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(jī)型的長(zhǎng)度為494mm，與目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型（包括普通汽油機(jī)和TDI增壓直噴式柴油機(jī)）相比，奧迪R5-2.5L-TFSI直噴式汽油機(jī)是最緊湊的，而且功率是最大的。

發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度主要取決于汽缸體曲軸箱的設(shè)計(jì)和外形尺寸。通過(guò)縮小連桿厚度和主軸承寬度能夠?qū)⒆钔鈧?cè)的兩個(gè)主軸承移向發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)側(cè)，因此能將變速器一側(cè)的正時(shí)鏈條傳動(dòng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhǎng)度而使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)