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1途觀車TSI發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

    型號(hào)為CEA和CGM的兩款汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)是德國(guó)大眾發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的最新成果，在保證高可靠性的前提條件下，同時(shí)擁有非常好的性能指標(biāo)，此兩款發(fā)動(dòng)機(jī)分別應(yīng)用于途觀1.8 TSI轎車2.0 TSI轎車上。途觀車1.8 TSI發(fā)動(dòng)機(jī)外形如圖1所示，性能參數(shù)如表1所列。

    途觀車1.8 TSI發(fā)動(dòng)機(jī)采用4氣門技術(shù)、灰鑄鐵氣缸體、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體內(nèi)置雙平衡軸、機(jī)油泵由鏈條驅(qū)動(dòng)、具有進(jìn)氣可調(diào)的進(jìn)氣歧管、連續(xù)可調(diào)進(jìn)氣門正時(shí)系統(tǒng)、多點(diǎn)高壓噴射單元和帶有增壓壓力控制的渦輪增壓器等先進(jìn)技術(shù)。下面重點(diǎn)分析氣缸體、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、內(nèi)置雙平衡軸和進(jìn)氣可調(diào)的進(jìn)氣歧管技術(shù)的特點(diǎn)。

1.1發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體

    發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體由灰鑄鐵制成，氣缸缸徑為82.5 mm，活塞行程為84.1 mm。氣缸的工作鏡面經(jīng)過射流巧磨工藝處理。

1.2曲柄連桿機(jī)構(gòu)

    曲柄連桿機(jī)構(gòu)如圖2所示，是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運(yùn)動(dòng)零件。它由機(jī)體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組等組成。

    曲軸由經(jīng)過感應(yīng)淬火的鋼材制成，為了達(dá)到內(nèi)部的一個(gè)最佳平衡，它擁有5個(gè)軸承和8個(gè)配重。目前市場(chǎng)上傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)軸瓦上有2個(gè)螺栓．實(shí)現(xiàn)軸瓦在氣缸體上垂直方向的固定，途觀車此款新型發(fā)動(dòng)機(jī)又多加了6個(gè)螺栓橫向連接軸承蓋與曲軸箱，增加了軸瓦在氣缸體上水平方向的固定。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅減小了軸瓦徑向竄動(dòng)，而且增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的剛性，從而減小其振動(dòng)。

    為了更好地進(jìn)行力的分配，連桿頭設(shè)計(jì)成梯形，活塞連桿瓦用黃銅合金制成，上面的軸承蓋和下面的軸承蓋用不同的材料制成。

    活塞上端部分使用的是一個(gè)環(huán)形托架。另外還保留了活塞套的輕型結(jié)構(gòu)，及石墨涂層，這樣就能達(dá)到一種長(zhǎng)久的耐用性。運(yùn)行的高度平靜性和極小的摩擦損失�；钊�頂部新穎的凹面造型對(duì)于在氣缸內(nèi)部產(chǎn)生最佳的均勻混合氣起到了重要的作用。

13內(nèi)置雙平衡軸設(shè)計(jì)

    四缸發(fā)動(dòng)機(jī)在4000 r/min以上時(shí)，振動(dòng)通過車身傳遞變得明顯起來，令人不快的嗡嗡聲降低了車輛的舒適性，這種振動(dòng)是由慣性力引起的，可以用帶平衡重的軸以相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)加以抵消。如圖3所示，途觀1.8 TSI發(fā)動(dòng)機(jī)雙平衡軸采用石墨鑄鐵并有3道軸承支撐，平衡軸安裝于鑄鋁軸承座里．由平衡軸鏈條驅(qū)動(dòng)．由于存在換向齒輪。因此2根軸的旋轉(zhuǎn)方向相反，平衡軸的交互運(yùn)動(dòng)消除了發(fā)動(dòng)機(jī)縱向慣性。

1.4可調(diào)進(jìn)氣的進(jìn)氣歧管

    途觀車TSI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣有兩種方式，第一種方式是吸入的空氣通過關(guān)閉的進(jìn)氣歧管翻板從渦旋板上方被引入燃燒室內(nèi)，這種空氣進(jìn)氣方式用于分層充氣模式(圖4)。

    第二種方式是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3000 r/min以上時(shí)，吸入的空氣通過打開的進(jìn)氣歧管翻板從渦旋板上、下方被引入到燃燒室內(nèi)。這種空氣進(jìn)氣方式可實(shí)現(xiàn)均質(zhì)模式(圖5)。

2途觀車TSI發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

    缸內(nèi)直噴技術(shù)中，噴油器設(shè)置在進(jìn)、排氣門之間，通過高壓燃油泵提供所需的100 bar(1 bar=100 kPa)以上的壓力，將汽油提供給位于氣缸內(nèi)的噴油器，如圖6所示。然后通過ECU控制噴油器將燃料在最恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間直接注入燃燒室，其控制精確度接近毫秒，關(guān)鍵是要考慮噴油器的安裝．必須在氣缸上部留給其一定的空間，由于氣缸頂部已經(jīng)布置了火花塞和多個(gè)氣門。已經(jīng)相當(dāng)緊湊。所以將其布置在靠近進(jìn)氣門側(cè)。缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油品質(zhì)的要求比較高。途觀車TSI發(fā)動(dòng)機(jī)必須使用97號(hào)汽油且建議使用上海大眾生產(chǎn)的汽油添加劑。此外，缸內(nèi)直噴技術(shù)采用了3種不同的注油模式，即分層充氣模式、均質(zhì)稀混合氣模式和均質(zhì)混合氣模式。

2.1分層充氣模式
  發(fā)動(dòng)機(jī)低速或中速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)采用分層充氣模式，工作過程如圖7所示。此時(shí)節(jié)氣門為半開狀態(tài)，進(jìn)氣歧管翻板會(huì)將下部進(jìn)氣道完全關(guān)閉，這樣吸入的空氣在上部進(jìn)氣道內(nèi)流動(dòng)的速度就加快了，空氣會(huì)呈旋渦狀流入氣缸內(nèi)，活塞上的氣流凹坑會(huì)增強(qiáng)這種渦旋流動(dòng)效果，從而在火花塞附近形成所期望的渦流。當(dāng)壓縮過程接近尾聲時(shí)。少量的高壓燃油（50 bar-100 bar)被噴到火花塞附近區(qū)域．由于噴油壓力較高，使缸內(nèi)的直噴油霧顆粒直徑達(dá)到20 N.m-25 N.m,而MPI發(fā)動(dòng)機(jī)的油霧顆粒直徑為200 N.m,因此霧化效果極好。燃油噴射出后撞在活塞頂部的燃油凹坑，結(jié)果在火花塞附近形成可燃?xì)怏w（混合氣形成只發(fā)生在40°-50°曲軸角，空燃比λ=1.6-3 )，最后于上止點(diǎn)前點(diǎn)火，燃燒集中在火花塞周圍，另外在燃燒后，被點(diǎn)燃的混合氣與氣缸壁之間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)隔離用的空氣層，其作用是降低通過發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體散發(fā)掉的熱量。這種分層充氣模式可充分提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速較低、負(fù)荷較小時(shí)除了火花塞周圍需要形成濃度較高的油氣混合氣外．燃燒室的其他地方只需空氣含量較高的極稀混合氣即可，周圍這些極稀的氣體起到隔離熱量的作用，缸壁熱損耗減小，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率得到提高，只是點(diǎn)火時(shí)刻范圍窄。

2.2均質(zhì)稀混合氣模式

    均質(zhì)稀混合氣模式工作過程如圖8所示，進(jìn)氣與分層充氣相同，節(jié)氣門部分開，此時(shí)進(jìn)氣歧管翻板仍然關(guān)閉（中等負(fù)荷和轉(zhuǎn)速范圍時(shí)是關(guān)閉的）。燃油約在點(diǎn)火上止點(diǎn)前300°（進(jìn)氣行程）時(shí)噴入，空燃比λ= 1.55左右，在進(jìn)氣和壓縮兩個(gè)行程來充分混合油和氣，混合氣形成的時(shí)間較長(zhǎng)。點(diǎn)火后，整個(gè)燃燒室內(nèi)都在燃燒，沒有隔離空氣層，點(diǎn)火時(shí)刻范圍較寬。

2.3均質(zhì)模式

    均質(zhì)模式工作過程如圖9所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較大且轉(zhuǎn)速較高時(shí)。進(jìn)氣歧管翻板就會(huì)打開，于是吸入的空氣就經(jīng)過上、下進(jìn)氣道進(jìn)入氣缸，如圖10所示。此工況下，噴油、混合氣形成和燃燒與均質(zhì)稀混合氣模式是一樣的，只是空燃比λ＝1。

3結(jié)語

    綜上所述，缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

    (1)在分層充氣模式和均質(zhì)稀混合氣模式工作時(shí)，入值分別為1.6-3和1.55左右，因此燃油消耗較低。

    (2)缸壁熱損耗小。由于分層充氣模式的燃燒只發(fā)生在火花塞附近，所以缸壁上的熱損耗是很少的，熱效率提高了。

    (3)廢氣再循環(huán)率高。強(qiáng)制分層充氣可使廢氣再循環(huán)率高達(dá)35%，在均質(zhì)模式(轉(zhuǎn)速低于4000 r/min且中等負(fù)荷時(shí))也發(fā)生廢氣再循環(huán)，但在怠速時(shí)不發(fā)生。

   (4)壓縮比高。吸入的空氣通過燃油在燃燒室直接噴射霧化而冷卻下來，降低了爆震的可能性，可提高壓縮比，這就提高了壓縮終了時(shí)的壓力，熱效率也就提高了。

    然而，缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)也存在以下問題。

    (1)N0x含量高。在稀混合氣模式時(shí)燃燒產(chǎn)物中NOx含量較高，傳統(tǒng)的三元催化凈化器無法對(duì)NOx進(jìn)行足夠的轉(zhuǎn)換，因此研制了NOx存儲(chǔ)式催化凈化器，使得尾氣排放滿足EU4排放標(biāo)準(zhǔn)。

    (2)汽油中的硫。與NOx化學(xué)性質(zhì)相似，汽油中的硫燃燒后的產(chǎn)物也同樣存儲(chǔ)在NOx存儲(chǔ)式催化凈化器中，燃油中的硫含量越多，存儲(chǔ)式催化凈化器就必須更頻繁地進(jìn)行還原反應(yīng)，這就提高了燃油消耗率。

    缸內(nèi)直噴技術(shù)對(duì)汽油的油品質(zhì)量是個(gè)嚴(yán)格考驗(yàn)，正是基于這個(gè)原因，德國(guó)大眾針對(duì)中國(guó)新研發(fā)的缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上取消了分層充氣模式、均質(zhì)稀混合氣模式和NOx存儲(chǔ)式催化凈化器．只保留了均質(zhì)充氣模式，并致力于增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩所帶來的駕駛樂趣及動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，所以研發(fā)出帶渦輪增壓的汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)（TSI發(fā)動(dòng)機(jī)），渦輪增壓的主要作用就是增加發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量。提高發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝上渦輪增壓器后，其最大功率與未裝增壓器時(shí)相比可增加40％甚至更高。