1途觀(guān)車(chē)TSI發(fā)動(dòng)機的結構特點(diǎn)

    型號為CEA和CGM的兩款汽油直噴發(fā)動(dòng)機是德國大眾發(fā)動(dòng)機技術(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，此兩款發(fā)動(dòng)機分別應用于途觀(guān)1.8 TSI轎車(chē)2.0 TSI轎車(chē)上。途觀(guān)車(chē)1.8 TSI發(fā)動(dòng)機外形如圖1所示，性能參數如表1所列。

    途觀(guān)車(chē)1.8 TSI發(fā)動(dòng)機采用4氣門(mén)技術(shù)、灰鑄鐵氣缸體、發(fā)動(dòng)機氣缸體內置雙平衡軸、機油泵由鏈條驅動(dòng)、具有進(jìn)氣可調的進(jìn)氣歧管、連續可調進(jìn)氣門(mén)正時(shí)系統、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、曲柄連桿機構、內置雙平衡軸和進(jìn)氣可調的進(jìn)氣歧管技術(shù)的特點(diǎn)。

1.1發(fā)動(dòng)機氣缸體

    發(fā)動(dòng)機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(guò)射流巧磨工藝處理。

1.2曲柄連桿機構

    曲柄連桿機構如圖2所示，是發(fā)動(dòng)機實(shí)現工作循環(huán)，完成能量轉換的主要運動(dòng)零件。它由機體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組等組成。

    曲軸由經(jīng)過(guò)感應淬火的鋼材制成，為了達到內部的一個(gè)最佳平衡，它擁有5個(gè)軸承和8個(gè)配重。目前市場(chǎng)上傳統發(fā)動(dòng)機每個(gè)軸瓦上有2個(gè)螺栓．實(shí)現軸瓦在氣缸體上垂直方向的固定，途觀(guān)車(chē)此款新型發(fā)動(dòng)機又多加了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。這種結構設計不僅減小了軸瓦徑向竄動(dòng)，而且增加了發(fā)動(dòng)機的剛性，從而減小其振動(dòng)。

    為了更好地進(jìn)行力的分配，連桿頭設計成梯形，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構，及石墨涂層，這樣就能達到一種長(cháng)久的耐用性。運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于在氣缸內部產(chǎn)生最佳的均勻混合氣起到了重要的作用。

13內置雙平衡軸設計

    四缸發(fā)動(dòng)機在4000 r/min以上時(shí)，振動(dòng)通過(guò)車(chē)身傳遞變得明顯起來(lái)，令人不快的嗡嗡聲降低了車(chē)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動(dòng)加以抵消。如圖3所示，途觀(guān)1.8 TSI發(fā)動(dòng)機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．由平衡軸鏈條驅動(dòng)．由于存在換向齒輪。因此2根軸的旋轉方向相反，平衡軸的交互運動(dòng)消除了發(fā)動(dòng)機縱向慣性。

1.4可調進(jìn)氣的進(jìn)氣歧管

    途觀(guān)車(chē)TSI發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣有兩種方式，第一種方式是吸入的空氣通過(guò)關(guān)閉的進(jìn)氣歧管翻板從渦旋板上方被引入燃燒室內，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)機轉速在3000 r/min以上時(shí)，吸入的空氣通過(guò)打開(kāi)的進(jìn)氣歧管翻板從渦旋板上、下方被引入到燃燒室內。這種空氣進(jìn)氣方式可實(shí)現均質(zhì)模式(圖5)。

2途觀(guān)車(chē)TSI發(fā)動(dòng)機的工作原理

    缸內直噴技術(shù)中，噴油器設置在進(jìn)、排氣門(mén)之間，通過(guò)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的噴油器，如圖6所示。然后通過(guò)ECU控制噴油器將燃料在最恰當的時(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(mén)。已經(jīng)相當緊湊。所以將其布置在靠近進(jìn)氣門(mén)側。缸內直噴發(fā)動(dòng)機對燃油品質(zhì)的要求比較高。途觀(guān)車(chē)TSI發(fā)動(dòng)機必須使用97號汽油且建議使用上海大眾生產(chǎn)的汽油添加劑。此外，缸內直噴技術(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)機低速或中速運轉時(shí)采用分層充氣模式，工作過(guò)程如圖7所示。此時(shí)節氣門(mén)為半開(kāi)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)氣道內流動(dòng)的速度就加快了，空氣會(huì )呈旋渦狀流入氣缸內，活塞上的氣流凹坑會(huì )增強這種渦旋流動(dòng)效果，從而在火花塞附近形成所期望的渦流。當壓縮過(guò)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域．由于噴油壓力較高，使缸內的直噴油霧顆粒直徑達到20 N.m-25 N.m,而MPI發(fā)動(dòng)機的油霧顆粒直徑為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，結果在火花塞附近形成可燃氣體（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?chē)�，另外在燃燒后，被點(diǎn)燃的混合氣與氣缸壁之間會(huì )出現一個(gè)隔離用的空氣層，其作用是降低通過(guò)發(fā)動(dòng)機氣缸體散發(fā)掉的熱量。這種分層充氣模式可充分提高發(fā)動(dòng)機的經(jīng)濟性，因為在轉速較低、負荷較小時(shí)除了火花塞周?chē)�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?chē)�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(guò)程如圖8所示，進(jìn)氣與分層充氣相同，節氣門(mén)部分開(kāi)，此時(shí)進(jìn)氣歧管翻板仍然關(guān)閉（中等負荷和轉速范圍時(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(lái)充分混合油和氣，混合氣形成的時(shí)間較長(cháng)。點(diǎn)火后，整個(gè)燃燒室內都在燃燒，沒(méi)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(guò)程如圖9所示，在發(fā)動(dòng)機負荷較大且轉速較高時(shí)。進(jìn)氣歧管翻板就會(huì )打開(kāi)，于是吸入的空氣就經(jīng)過(guò)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結語(yǔ)

    綜上所述，缸內直噴發(fā)動(dòng)機有以下幾個(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。強制分層充氣可使廢氣再循環(huán)率高達35%，在均質(zhì)模式(轉速低于4000 r/min且中等負荷時(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(guò)燃油在燃燒室直接噴射霧化而冷卻下來(lái)，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，缸內直噴發(fā)動(dòng)機也存在以下問(wèn)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，傳統的三元催化凈化器無(wú)法對NOx進(jìn)行足夠的轉換，因此研制了NOx存儲式催化凈化器，使得尾氣排放滿(mǎn)足EU4排放標準。

    (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)物也同樣存儲在NOx存儲式催化凈化器中，燃油中的硫含量越多，存儲式催化凈化器就必須更頻繁地進(jìn)行還原反應，這就提高了燃油消耗率。

    缸內直噴技術(shù)對汽油的油品質(zhì)量是個(gè)嚴格考驗，正是基于這個(gè)原因，德國大眾針對中國新研發(fā)的缸內直噴發(fā)動(dòng)機上取消了分層充氣模式、均質(zhì)稀混合氣模式和NOx存儲式催化凈化器．只保留了均質(zhì)充氣模式，并致力于增加發(fā)動(dòng)機功率和轉矩所帶來(lái)的駕駛樂(lè )趣及動(dòng)力性和經(jīng)濟性，所以研發(fā)出帶渦輪增壓的汽油直噴發(fā)動(dòng)機（TSI發(fā)動(dòng)機），渦輪增壓的主要作用就是增加發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣量。提高發(fā)動(dòng)機充氣效率從而提高發(fā)動(dòng)機的功率和轉矩。一臺發(fā)動(dòng)機裝上渦輪增壓器后，其最大功率與未裝增壓器時(shí)相比可增加40％甚至更高。