(接上期)

15.1　大众1.4L-TSI两级增压分层直喷式汽油机概况

一汽大众公司速腾轿车装备的最新型的1.4L-TSI两级增压分层直喷式汽油机，这是德国大众公司代表当今世界轿车汽油机最新技术水平的力作，引起业内人士的极大关注。

大众公司于2001年将燃油分层直接喷射式(FSI，Fuel Stratified Injection)汽油机推向市场，是在降低汽油机燃油耗方面实施的一项重大步骤，2005年又在该机型基础上进一步采用了机械一废气涡轮复合增压的最新技术，开发成功的复合增压分层直接喷射(TSI，Twincharged Stratified Injection)式汽油机是汽油发动机技术发展中新的里程碑。该发动机1.4L排量就能发出125kW，升功率高达90kW／L，超过了众多同排量发动机，而在该功率等级的汽油机中又具有明显低的燃油耗，这是采用发动机小型化、缸内汽油直接喷射和废气涡轮一机械复合增压的组合技术达到的。

通过发动机小型化可以进一步挖掘发动机的节油潜力。因为在预先规定的标定功率下，减小发动机排量，可以使发动机运行工况点从万用特性曲线场中的低负荷范围移向较高的负荷范围。这样，一方面由于节流损失大大降低而减少了换气损失，另一方面由于发动机排量和结构尺寸减小而降低了摩擦功率损失，从而使得总效率得到了明显的改善。

当然，发动机排量的减小会导致扭矩特别是低转速扭矩的降低，这在用户实际使用中是无法接受的，但是这能够借助于增压来补偿。在汽油机上。除了废气涡轮增压之外，在批量生产中也应用机械增压。对于增压系统的设计，除了要降低发动机的燃油耗之外，还应尽量考虑到用户对驾驶动力性和舒适性越来越高的要求。因此。为了最佳地实现目标，新型的TSI汽油机设计方案组合应用了机械增压和废气涡轮增压，将这两种增压系统各自的特点完美地结合起来。这种新型的复合增压分层喷射(TSI)汽油机(图182和图183)具有240N·m扭矩，而平均有效压力高达2.17MPa。该发动机采用了可接合或脱开的机械增压器和废气涡轮增压器组合的复合增压，这样在低转速就能够达到最大扭矩，并且最大扭矩的转速范围十分宽广。

由于采用了汽油缸内直接喷射，因此能够在压缩比为10：1的情况下增压压力达到0.25MPa(绝对压力)。搭载于高尔夫(Golf)GTI轿车的这种新型125kW汽油机的效率已成为衡量现代汽油机技术的新标杆。

15.2　开发目标及其方案

大众公司开发这种高增压小型化直喷式汽油机有两个依据：

①使省油的燃油分层喷射(FSI)发动机具有更大的驾驶乐趣，满足用户的愿望；

②为降低大众公司车型平均CO₂排放提供更多的技术组合方案。

这种新型的直喷式汽油机(见表12)开发项目采用高尔夫V型轿车用的FSI直喷式汽油机的1.4L／66kW和1.6L／85kW机型作为基础发动机，其所面临的任务和挑战是：

①低的燃油耗；

②丰满的扭矩特性曲线；

③高的品质标准；

④无限制的疲劳强度；

⑤低的生产成本；

⑥适合于批量生产；

⑦结构紧凑。

这种1.4L／125kW-TSI直喷式汽油机在1250～6000r／min范围内的扭矩均超过200N·m(图184)，确实令人信服。这是由于采用了由高速机械增压器和废气涡轮增压器组成的复合增压系统，从而获得了丰满的扭矩特性曲线。这种由大众公司开发的增压压力调节方式可以按照司机所期望的扭矩来决定由废气涡轮增压器提供的增压压力是否足够，或者是否必须接入机械增压器(图185)。

机械增压器从需要的最小扭矩起一直持续运转到发动机2400r／min，而此期间有意将废气涡轮增压器设计在高效率区运行，并处于较低的转速状态而无法提供足够的增压压力。机械增压器最迟到发动机3500r／min时就脱开了，从该转速起它就相当于一个“涡流孔”，不再起增压作用，而与此同时废气涡轮增压器就开始从助力运转状态逐渐动态过渡到全负荷运转，并单独产生所需要的增压压力，确保扭矩特性曲线圆滑平稳过渡。

由图186可清楚地看到，机械增压器由集成在水泵传动皮带轮上的一个带电磁离合器的皮带轮传动。空气调节阀用来为废气涡轮增压器提供其运转工况所必需的空气量，在只有废气涡轮增压器单级增压运转时该调节阀是打开的。废气涡轮增压器压气机以后的增压空气通路与常规的增压发动机一样，经过增压空气冷却器和节流门进入发动机进气管。为了避免发动机在高转速时突然关闭节气门而导致压气机过高的背压，电控的助推循环空气阀打开，将压缩空气引回到压气机的进口，从而避免增压器转速降低得太快。

搭载这种功率为125kW直喷式汽油机的高尔夫GTI轿车具有极低的MVEG(机动车排放组合循环)行驶试验循环燃油耗7.2L／100km，主要采用了以下措施：

①发动机的小型化，使得发动机运转工况点移向更高的平均有效压力范围，从而获得了更低的燃油耗；

②由于采用了汽油缸内分层直接喷射，因而可采用更高的压缩比；

⑨对废气涡轮增压器和排气歧管采取了零件防护措施，无须加润滑脂(允许排气温度高达1050℃)。

这些技术措施使得这种TSI直喷式汽油机为相同功率等级的传统汽油机树立了新的燃油耗目标。2005年底该机搭载于高尔夫GTI轿车首次亮相，并于2006年一季度搭载于途安轿车推出了专门为燃用ROZ-95汽油设计的103kW的变型机，紧接着又于2006年中推出了更多的A级车型，随后还有带直接挡变速箱的车型。

15.3　结构简介

因大众公司的1.4L系列汽油机尽可能采用了积木式模块化结构，因此新型的TSI直喷式汽油机通用了基础发动机的许多零部件，其结构开发的重点在于设计新的汽缸体曲轴箱、集成电磁离合器的水泵和废气涡轮一机械复合增压装置。

(1)片墨铸铁汽缸体曲轴箱

新的汽缸体曲轴箱采用与1.4L／66kW和1.6L／85kW-FSI直喷式汽油机一样的顶面敞开式结构(图187)。这种长裙式汽缸体曲轴箱选择片墨铸铁(GJL)作为材料，以便即使在2.17MPa的高平均有效压力下也能确保在任何时候都能够绝对可靠地运转。为了降低制造成本，这种薄壁的汽缸体曲轴箱采用卧式浇注工艺进行铸造。平均壁厚为3±0.5mm，在局部范围内需要视应力大小适当而加大壁厚。

这种灰铸铁汽缸体曲轴箱的重量只有29kg(不合主轴承盖)，在该功率等级汽油机中是非常轻的。能获得如此轻的重量的主要原因是：

①在设计初期就应用了有限元法(FEM)进行计算；

②曲轴箱被设计成弧形壁面，具有较

高的强度；

③根据应力分布状况合理布置具有最小横截面积的纵横向加强筋。

在采用顶面敞开式结构的同时，汽缸盖和汽缸体曲轴箱还采用了分开循环的双回路冷却，能够可靠地解决曲轴箱通风和冷却水中夹杂空气泡的问题。同时，采用计算流体动力学(CFD)计算对汽缸体曲轴箱和整个发动机内部的冷却水循环进行复查和优化。

在汽缸盖用螺栓拧紧的情况下，压紧力通过汽缸盖螺栓传入汽缸体曲轴箱，由此引起汽缸筒的变形，使之偏离理想的圆度，限制了与活塞环的贴合程度而导致较高的机油消耗量。顶面封闭式汽缸体曲轴箱的汽缸筒的变形(花瓣形)示于图188，而图189表示的是顶面敞开式汽缸体曲轴箱的汽缸筒的变形，无论是失圆度还是总的绝对变形量，顶面敞开式结构的都要小得多。

(2)钢曲轴

为了降低整机噪声，新的TSI汽油机采用了钢曲轴，与1.4L／66kW的FSI汽油机的铸铁曲轴相比，这种钢曲轴更不易弯曲。从总体上来说，钢曲轴改善了发动机的声学特性，其主要原因在于钢具有较高的弹性模数起到了加强作用，强度提高了23％，该值可通过对比计算查明，并由测量来验证。此外，客观的测量也可以由人们主观听得出的噪声改善来证实。

4000r／min时声压的实验分析示于图190，图中表示出了铸铁曲轴和钢曲轴的对比测量结果，钢曲轴的次谐波明显降低。

(3)轻型活塞

由于应用了现代先进的计算方法和开发手段，将铸铝活塞成功地应用于升功率为90kW／L(单位活塞顶面积功率为2.72kW／cm³)的增压发动机上，而其重量只有238g，因而具有很大的成本优势，成为活塞发展中新的衡量标准。活塞顶燃烧室由加工成形，并具有清晰的流动导向边棱(图191)。为了降低燃油耗，活塞组也进行了优化，为此采用了以下措施来减少其摩擦：

①表面涂层减少摩擦；

②活塞滑动间隙55μm；

③活塞环高度分别为1.2、1.5和2.0mm，并具有较小的切向力；

④火力岸高度5.8mm。

由于火力岸高度仅为5.8mm，因此只要第一道环槽的温度尽可能低，就能达到HC排放最低的目的。第一道环槽表面进行阳极硬化处理，以提高抗粘连能力，而第一道环则进行氮化处理。

为了适应12MPa的爆发压力，活塞销的直径加大到19mm，而与之相比在该结构系列的FSI汽油机上(爆发压力为8.5MPa)只需17mm就足够了。

活塞销孔也进行了优化，以提高其在有挠曲情况下的承载能力，而其润滑油的供应则由连杆大头轴承经过连杆体中的长油道来保证。

为了确保活塞在所有的运转条件下都能保持足够低的温度，用拧在机油主油道上的喷嘴向活塞较热的排气侧喷射机油进行冷却，同时活塞销座也得到了冷却。

(4)配气正时传动和机油泵传动

新的TSI汽油机驱动凸轮轴的齿形链条是经过优化的，具有淬硬的链销和高承载能力的链接片，能够承受较高的负荷。

与1.4L／66kW和1.6L／85kW的FSI汽油机相比，新的TSI汽油机由于增加了诸如活塞冷却喷嘴和涡轮增压器等润滑部位，因此需要更大的机油流量。其机油泵仍沿用FSI汽油机的，但已通过改变传动比来满足所必需的较大泵油量要求。为了降低噪声，机油泵采用8mm节距的齿形链条传动，并用一个螺旋扭力弹簧张紧器来张紧。

(5)高压燃油泵传动

新的TSI汽油机的高压燃油泵与1.4L／66kW和1.6L／85kW的FSI汽油机通用，并通过改进驱动高压燃油泵的凸轮廓线来适应所必需的较大燃油量，凸轮的最大升程由5mm加大到5.7mm，以加大供油量，同时将共轨压力从12MPa提高到15MPa，这将导致油泵挺柱一凸轮之间的接触应力增大，因而采用滚轮挺柱以确保该摩擦副的耐久性(图192)。

同时，泵油压力提高后必须将压铸铝合金的高压燃油泵泵体改为模锻铝合金泵体，这样油泵的承载能力大约可提高一倍。此外，由于采用了滚轮挺柱，高压燃油泵的驱动扭矩(平均摩擦压力)降低了一半(图193)。

(6)高效低成本的曲轴箱通风

机油分离的设计对曲轴箱通风有着重大的影响。该机优化的机油分离器设计方案在机油循环(最大流量可达140L／min)和机油分离(小于1.0g／h)方面获得了良好的结果，而且以很小的压力损失达到了最佳的机油分离效果，机油通过一根回油管连续地回流，完全可以与采用另外附加精细机油分离器的系统的效果相媲美，因此在其后续管路中很少有机油沉淀(图194)。

该机的曲轴箱通风系统在机械增压器前和进气总管上各有一个入口(图195)，而在通往进气总管管路上的节流孔则可在进气总管真空度高时限制曲轴箱通风的流量，因此可以省掉昂贵的压力调节阀。

曲轴箱通风的控制功能组合在曲轴箱通风阀模块中，该阀模块可以根据增压状况关闭曲轴箱通风管路，同时由通往机械增压器前入口的止回阀脉动开闭精确地确定泄流量，以保证曲轴箱中的真空度。这样的流动控制和较大的流通截面使得曲轴箱通风部件中具有较小的压差。

将新鲜空气引入发动机是这种曲轴箱通风系统的另一个特点。通过采用以上这些措施，达到了清扫发动机从而清除各种冷凝物的目的。

(7)采用双级节温器的冷却液调节装置

该发动机采用了双回路冷却循环，这种方法在同一结构系列的FSI汽油机上的应用已被证实是可靠的，而且将废气涡轮增压器的冷却也一并包括在内，并备有一个后续冷却水泵，负责在发动机停机后继续冷却废气涡轮增压器。

通过选择冷却水泵合适的泵水量确保在怠速运转时具有足够的暖机能力，而在额定转速时按需调节泵水量，使得在冷却管路中具有较高的系统压力。为了确保能够根据温度来开启节温器调节冷却水的进入温度，采用了一个两级节温器(图196)。由于第一级的阀盘直径较小，因此能确保正确的开启温度。当其继续打开时，将带动较大直径的阀盘一起开启。而当节温器关闭的时候，由于随着行程的变化流通截面分挡非常明显，从而能实现正确的关闭功能，可靠地防止了在冷却循环中出现高的压力峰值。

(8)带有电磁离合器的冷却水泵

这种型式的冷却水泵除了供应冷却水之外，还集成了机械增压器传动接合和脱开的功能。

在这种产品系列中，首次应用了一种VR密封装置(双唇皮碗密封圈)(图197)替代众所周知的滑动环密封装置。这种VR密封圈的工作原理相当于一种无弹簧径向密封装置，通过一定的支承体由橡胶弹性膜体产生预紧力。其最重要的特点是耐冷却介质的刮油唇和紧随其后的密封唇。在这两个密封唇之间设置了一个润滑脂储存腔，而两个密封唇口与紧套在水泵轴上的淬硬不锈钢轴套相接触运转。

冷却水泵由辅助设备传动的第一级皮带传动，而机械增压器由冷却水泵经其第二级皮带传动(参见图199)，并经过冷却水泵轴上的一个电磁离合器来接合。这是一种双安培匝数的干式电磁离合器(图198)，其中一片长寿命的摩擦片集成在传动皮带轮上。当电磁线圈通电的时候，磁通经过冷却水泵轴上的传动皮带轮到达衔铁(摩擦片)。电磁线圈吸收的最大功率为35kW，由于采用了双安培匝数，使得结构如此紧凑的离合器能够传递目前所必需的60N·m扭矩。磁通两次从转子流到衔铁，而衔铁能在轴向移动，并与冷却水泵传动皮带轮一起旋转。当切断流经电磁线圈的电流以后，板簧将衔铁复位。这种离合器由于磨损极小且寿命长而无须维修。

(9)两级多V形筋皮带辅助设备传动

辅助设备传动的重要特点是采用两级多V形筋皮带传动(图199)，从而实现可离合的机械增压器的传动，它的转速是曲轴转速的4.95倍。由第一级6-V形筋皮带传动发电机、水泵和空调压缩机，再由冷却水泵经第二级5-V形筋皮带传动机械增压器，而在冷却水泵的传动皮带轮上集成了上述介绍的电磁离合器。这两级皮带传动都因采用了持续张紧的皮带张紧器而免维护。

在接近怠速运转转速的全负荷下，皮带传动处于临界状态。在此运转工况范围内，由于双质量飞轮和机械增压器的接入而导致非常高的负荷，在850r／min转速时曲轴产生的扭转角可高达7°。为此，借助于模拟传动设计程序对皮带传动进行了模拟计算，并对所形成的传动方案进行评价，结果得到了一种具有两个皮带张紧装置的皮带传动装置，其功能经随后用试验方法复核后得到了确认(图200)。第一个皮带张紧轮布置在水泵和曲轴之间，并通过双阻尼装置来减少整个皮带传动系统的抖动，而第二个皮带张紧轮布置在水泵和发电机之间，它具有高的阻尼效果，并能进一步消除机械增压器转子惯性的影响。

(10)带有真空罐的罩盖设计

在废气涡轮增压器和发动机之间有一个罩盖，它带有一个整体式的真空罐，其容积为1000cm³，用于操纵充量运动滚流阀，而与发动机的负荷状况无关。(未完待续)