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（接上期）

四、1.4L-90kW-TSI涡轮增压直喷式汽油机

2007年，大众公司在功率为123kW和103kW的1.4L-TSI废气涡轮与机械式复合增压直喷式汽油机的基础上又推出了一款新型的1.4L-90kW-TSI（Turbocharged Stratified Injection）涡轮增压燃油分层喷射汽油机（见图55，表4）。它的行驶功率比被替代的自然吸气1.6L-85kW-FSI直喷式汽油机有了显著的提高，行驶动力性也有了明显改善，并且再次降低了燃油耗。

这款新型1.4L-90kW-TSI涡轮增压直喷式汽油机在尽可能继承1.4L-125kW-TSI双增压直喷式汽油机曲柄连杆机构技术的基础上，将注意力集中在显著提高行驶功率和可靠性，并进一步降低摩擦，实现低成本搭载于大众集团该类车型的大批量生产机型中，降低用户的维修保养成本。同时，进一步开发燃烧过程，重新设计进气道，其燃油耗、废气、排放性能和运转平稳性等都能达到与滚流阀板机型相当的水平，而且仍能保留较高的压缩比（ε=10.0）。

由于这种新款1.4L-TSI增压直喷式汽油机的功率（90kW）和升扭矩（144Nm/L）定得都比较合适，因此，其增压机组和配气正时能够有针对性地获得良好的低速响应性能，而且即使仅采用单级涡轮增压系统也能获得非常好的加速性能。

图56示出了1.4L-90kW-TSI增压直喷式汽油机与1.6L-85kW-FSI自然吸气直喷式汽油机扭矩特性曲线的比较。在低转速范围内，扭矩最多提高了66%，在转速为1500r/min时就已达到200Nm的最大扭矩。这种极佳的低速扭矩设计为这款发动机与较大速比的变速器的组合提供了理想的前提条件，在转速为5000r/min时就已达到标定功率，而且可以一直保持到接近最高转速6400r/min。

1 结构设计

（1）发动机零部件

开发该款1.4L-90kW-TSI机型时继续使用了1.4L-125kW-TSI机型的以下部件：①顶面开口式灰铸铁汽缸体曲轴箱；②集成机油加注口、曲轴箱通风和机油滤清器模块的正时传动机构罩盖；③钢曲轴；④连杆。

活塞被设计成轻型结构铸铝活塞，并通过正中的浇冒口浇铸，燃烧室凹坑的机械加工具有提高强度的附加效果，因为其可以去掉浇注过程中在活塞燃烧室凹坑侧壁冲蚀所形成的氧化物。气门凹陷是铸造成型的，不对称的活塞裙部几何形状及其壁厚均按质量和承载能力进行了优化。汽缸盖的基本设计方案以1.4L-125kW-TSI机型汽缸盖为基础，通过结构的优化质量可减轻6009。

进气道是在1.4L-125kW-TSI复合增压机型进气道的基础上进一步而成的，所达到的滚流水平能够取消滚流阀板。新的进气道被设计为平直地连接到进气门座圈，并在EA111汽油机系列中首次削掉了进气道下侧的棱角，使得进气流能够径直地流向气门座圈。如图57所示，进气道下侧削掉棱角部位的进气流脱离气道壁面，大部分进气流会流经进气门阀盘上侧，因此即使取消了滚流阀板也能形成稳定的充量滚流运动。

气门由两根经过优化的装配式凸轮轴和进气凸轮轴相位调节器操纵。通过减小控制凸轮的宽度、凸轮轴轴承直径（减小3mm）以及优化粉末冶全轴承衬套，两根凸轮轴的质量减轻了304g，其中轴承直径的减小有助于降低整机的摩擦功率。与减小凸轮轴轴承直径的设计相对应，汽缸盖罩的质量比1.4L-125kW-TSI机型汽缸盖罩也减轻了约150g。

全负荷时，为了降低零部件的温度而采取了适当加浓混合汽的措施，发动机的最高排气温度被限制在950℃，因此，排气门无需充入钠，进一步降低了制造成本。

（2）废气涡轮增压器

废气涡轮增压器（见图58）在设计时，十分注重改善发动机的动态性能和燃油耗。通过减小增压器转子总成的惯性获得了良好的动态性能，涡轮和压气机叶轮的外径分别为37mm和40mm。由于90kW的目标功率很合适，因此在全负荷时只需较低的增压度，同时将废气放气门通道的直径定为26mm。使用这种增压器，从转速为1250r/min起就能达到最大扭矩的80%，而从转速为1500r/min起就能达到200Nm的最大扭矩。

这种废气涡轮增压器采用整体模块式结构型式，将涡轮壳与排气歧管连成一个整体模块，由D5S高镍合金铸铁（碳3%、镍14%、铜6%、铬2%、硅1.5%）铸造而成。排气歧管/涡轮壳模块通过有限元（FEM）和计算流体动力学（CFD）模拟计算，成功地获得了最佳的强度和热力学设计。

由INCO 713镍铬耐热合金材料铸成的涡轮转子配备了具有最佳效率的三维形叶片，因此防止了叶轮中气流与叶片表面的分离。转子轴由浮动轴承支承，这样轴承部位的速度差大致能减小一半，轴承组允许的最高转速也可定为220000r/min。

倒拖运行旁通空气阀通过整体铸造法兰直接固定在压气机壳体上，电动阀确保其快速而灵活地发挥作用，而且没有运行噪声。

废气放气门采用了一个直径较大的气动压力膜盒，只需较小的控制压力就可以打开废气放气门阀板，并且在低负荷范围内就能达到基本的增压压力，从而降低了燃油耗。

（3）高压燃油泵

该机型使用了新一代燃油泵（见图59）来产生燃油高压。这种新型燃油泵的特点是能够在不通电状态下输出全供油量（即与EA111汽油机系列所使用的高压燃油泵的控制方式正好相反）以及使用整体式限压阀可以取消高压共轨的回油。这种单柱塞高压燃油泵具有较大直径（10mm）的泵油柱塞，由带有4个升程为3mm凸起的凸轮驱动，这样就能够在冷启动时快速地建立起燃油压力。因此，冷启动时，在启动电动机0.5s后，燃油共轨中的压力就能达到60bar（1bar=100kPa）以上，这是首次能够在整个冷启动温度范围内运用分层高喷油压力启动。

（4）高压喷油器

该机型应用了一种新型的6孔式高压喷油器（见图60），喷射油束不像通常那样被布置成圆形或椭圆形，而是最佳地利用了雾化空间的分配，这样就使得在较早的喷油始点以及较晚的喷油时刻都能减少润湿活塞的燃油，因此喷油时刻能够提前，从而延长了混合汽形成的时间，改善了混合汽的均质化，获得较低的HC排放，并能减少发动机冷机运行时掺入机油中的燃油量。各个喷射油束之间能避免相互的影响，每个喷射油束的贯穿度都通过其喷孔的长度与直径比进行了优化。

图60中的右图是采用激光感应荧光测。量技术（LIF），在喷油嘴顶端以下30mm处垂直于喷油器轴线的激光切面拍摄的，其显示了在催化转化器加热条件下，燃油喷束中液态和汽态燃油的分布状况。其喷射油束比批产1.4L-125kW-TSI复合增压机型的喷油束宽且不对称，并且在喷射出的几条油束的正中间布置了单个油束。该单个油束良好的部分均质化及其协调的贯穿度，为发动机在催化转化器加热运行期间稳定运转提供了前提条件。此时，运用活塞顶面导向的第2次喷油分步均质化运行方式，能够在较低的原始排放下使催化转化器快速升温。

（5）进气道的开发

缸内充量运动的能量可以被看作混合汽形成能量的量度，它对发动机的燃烧性能起着决定性的作用。图61示出了转速为2000r/min的全负荷工况下的压缩行程。1.4L-125kW-TSI复合增压机型在进气道充量运动阀板打开/关闭情况下，其缸内充量运动能量与三维模拟计算后达到90kW功率的两种进气道方案进行比较。当充量运动阀板关闭时，宏观滚流流动到离上止点不远处蜕变成微观的涡流运动，并且能够达到非常高的涡流能量值。对于两种滚流进气道（滚流进气道方案1和方案2）也能看到类似的情况，只是处于较低的水平。相反，1.4L-125kW-TSI机型进气道在充量运动阀板打开的情况下，整个压缩行程结束时并没有出现超高的充量运动能量值。若选择滚流进气道方案1，则到点火上止点时，其就能达到1.4L-125kW-TSI机型进气道充量运动阀板关闭时充量运动能量的55%。

作为新设计的滚流进气道发动机燃烧性能的实例，图62示出了全负荷时在整个转速范围内，从点火一直到达到50%燃油转化率点的时间变化曲线。1.4L-125kW-TSI机型进气道在充量运动阀板打开之前，其能量转换大约要快4°曲轴转角。与1.4L-125kW-TSI机型进气道充量运动阀板打开后的情况相比，新设计的滚流进气道的燃烧却要快很多，在整个运行范围内，燃烧持续期小于27°曲轴转角，其呈现出较短的燃烧时间和较高的燃烧速率，特别是在高转速下，对于为了将最高废气温度限制在950℃是具有决定性作用的。此时，压力升高率始终保持在低于每度曲轴转角5bar的噪声临界极限。

（6）进气管、增压空气冷却和增压空气管路

新款1.4L-90kW-TSI增压直喷式汽油机在EA111汽油机系列中，首次使用了直接安装在进气管中的水冷式增压空气冷却器进行冷却，它被集成在与发动机冷却系统无关的低温冷却回路（NT回路）中。与前置式增压空气冷却器（布置在汽车前端水箱前）设计方案相比，这种设计方案的优点是增压空气系统的容积较小，废气涡轮增压器压气机与进气门之间的系统容积可从11L减小到4.8L，因此，燃烧室达到最大充气状态的延迟时间最短，从而显著改善了车辆行驶的动态性能。与置于汽车前端的空-空式热交换器的传统增压空气冷却系统相比，这种新型增压空气冷却系统在发动机倒拖运行状态负荷突变后，可使进气管内压力达到1700mbar所需的时间在2000r/min的转速下缩短100ms，在1500r/min转速下甚至可缩短约250ms（见图63）。达到最大增压压力的绝对时间表明，该款增压汽油机具有良好的动态加速响应性能。

在典型用户行驶工况下、宽广的运行范围内，这种增压空气冷却系统的温度差能达到与空-空增压空气冷却系统相同的水平。在极端行驶条件下，如在高温地区（在环境温度40℃时以最高车速行驶），增压空气冷却器后的进气空气与环境温度之间的温度差为25℃。启动进气管内增压空气冷却器的均匀流动模式，使增压空气冷却效果最大，4个汽缸进气流道之间的增压空气温差最小，这是一项要求特别高的工作。为此，运用内部流动模拟计算来设计布置在增压空气冷却器下面的空气导向肋板（见图64）。另外，进气管由PA6-GF30玻璃纤维加强聚酰胺塑料制成薄壳结构型式。

（7）低温冷却回路

水冷式增压空气冷却器中的热量由一个独立的低温冷却回路（见图65）带走，因此，废气涡轮增压器中间轴承壳体的水冷却与其同时进行，并由塑料三通接头中的节流量孔（经优化试验确定大小）来分配冷却液，并由一个电动冷却液泵确保低温冷却回路中冷却液的流通。为了使冷却系统中的压力平衡并充满，低温冷却回路被连接到主冷却液回路中的平衡水箱。由于节流孔的存在，两个冷却系统之间的冷却液交换被限制，这是非常必要的。因为，两个冷却液回路之间的温差最大可达100℃，而且发动机停机后或车辆滑行发动机倒拖运转时，电动冷却液泵还要对废气涡轮增压器进行后冷却。

2 燃油耗

大众公司开发的新款1.4L-90kW-TSI增压直喷式汽油机，推动了其实施的TSI策略不断向前发展，而不断降低曲柄连杆机构摩擦、优化燃烧过程、实现10：1高压缩比、运用两次喷油运行方式以及优化发动机控制功能等是这种低燃油耗发动机的基石。同时，由于具有优异的稳态和动态扭矩特性值，因而能够与大速比的7挡双离合器手动变速器组合来降低转速水平，与被替代的自然吸气1.6L-85kW-FSI老机型相比，使Golf和Passat轿车明显改善了行驶性能，而且新欧洲行驶循环燃油耗分别降低了约6%～22%和8%（见图66）。

五、新一代1.4L-TSI标准部件模块化增压直喷式汽油机

2012年，大众公司又应用统一的标准部件实现了模块化结构型式，并开发出新——代的TSI（Turbocharqed Stratified Injection）涡轮增压直喷式汽油机（见图67），大大降低了大批量生产和用户维修保养的成本。其内部型号被命名为EA211系列，是专门针对大众集团搭载横置式发动机车型而开发的模块化发动机，替代了EA111发动机系列以及以其为基础的1.4L-TSI增压直喷式汽油机。与老一代机型相比，这种新一代汽油机系列的结构更紧凑，质量最多减轻30%，并可节油10%～20%。

该新机型的开发目标是：①模块化结构，以便能够与大众集团其他机型的安装位置统一，能在全世界组织生产；②紧凑的结构型式，以便能使车辆实现较短的前悬挂；③发动机质量最多减轻30%；④燃油耗和CO₂排放降低10%～20%；⑤满足未来欧VI废气排放标准要求。

1 基本结构型式

为了充分利用横置式模块化发动机标准部件的通用潜力，大众公司决定统一车辆动力总成的基本结构，其中安装位置起着重要的作用。迄今为止，EA111系列汽油机都是向前倾斜安装的，其排气侧朝向汽车散热器（水箱）。与之相反，其余所有的机型，即使是柴油机也都是向后倾斜安装的，且排气侧朝向汽车前围板（见图68）。EA211系列发动机安装位置的旋转必须完全改变发动机的基本结构，这样就需要开发一种明显模块化的全新的发动机系列，因此通过采用如变速器连结、冷却和废气装置等方面的统一结构型式，发动机新的总体布置能与车辆取得更好的配合，同时在工厂生产工艺方面也能获得较大的改进潜力。

开发EA211系列汽油机的一个重要目标是紧凑的动力总成结构具有尽可能小的总体外形尺寸，而辅助设备的布置在这方面起着决定性的作用。在这种新的TS汽油机上，空调压缩机和发电机无需附加的支架而是直接紧固在油底壳或发动机机体上的，因此可以布置得十分紧凑，并简化了皮带传动。冷却水泵则被布置在汽缸盖端面发动机一离合器结合面上，通过齿形皮带由凸轮轴驱动。

由于EA211汽油机系列具有紧凑的结构又朝后倾斜12°。安装，因此与老机型相比其前端的结构长度可缩短50mm。在搭载横置式模块化发动机情况下，汽车前桥可以向前移40mm，汽车前悬挂也能相应缩短，由此还能在碰撞性能、车型外形设计和汽车前后桥荷重分配等方面带来好处。

2 新型的发动机标准部件

EA211系列所有发动机的主要特点是：①应用四气门技术；②铝汽缸体曲轴箱；③排气歧管集成在汽缸盖中；④齿形皮带传动凸轮轴。

大众公司已经将新型标准部件装备在排量为999cm³的3缸进气道喷射汽油机上，并作为样机首次亮相。在装备标准部件的EA211系列中，排量为1.2L和1.4L的功率强劲并且节油的小型4缸TSI汽油机成为该新汽油机系列的核心机型。所有机型的特点是缸心距仍保持82mm不变，并且在考虑热力学、声学和功率的情况下，为每一种排量选择了理想的行程一缸径比，1.2L机型缸径为71.0mm，行程为75.6mm，而1.4L机型则分别为74.5mm和80.0mm。

新的TSI汽油机系列覆盖了大众集团众所周知的车型功率等级，它们从63kW开始一直到用于混合动力的110kW机型（见图69和表5）。除了TSI机型之外，装备标准部件的1.4L和1.6L 4缸进气道喷射机型也应用于全球市场。

3 气缸体曲轴箱

EA211系列汽油机的汽缸体曲轴箱被设计成刚度非常好的压铸铝结构型式（见图70），并镶有GJL250片墨灰铸铁汽缸套，这种汽缸套工作表面分4次进行液体射流研磨，并具有非常粗糙的外圆铸造表面，因而能非常坚固地镶铸在铝汽缸体中。这种新型压铸铝汽缸体曲轴箱的质量仅19kg，与1.4L排量的EA111汽油机灰铸铁汽缸体曲轴箱相比，质量轻了16kg。

曲轴箱通风被设计成机体整体式通风型式，并尽最大可能在机体内流动，其突出的特点是具有最佳的耐久性，因为几乎完全避免了外部软管的连接。在冷却水引导方面，机体被设计成可靠的双回路冷却系统。机油冷却器用螺栓固定在汽缸体曲轴箱侧面，其介质供应同样也是完全集成在曲轴箱中的。（未完待续）