现代缸内直喷式汽油机(十九)

　　打开本文图片集

　　(接上期)

　　12.8降低发动机噪声的措施

　　为了降低燃油耗和提高性能，需要通过提高喷油压力来实现高效率的燃烧过程，这就对零件的强度和发动机的声学特性提出了新的要求，同时当今对该档次汽油机的舒适性要求也提高了，因此在开发基础发动机时就必须对这方面有所打算。1.8L-T-FSI汽油机在这方面的开发目标是，即使发动机负荷有了明显的提高，但是在所有声学特性方面都应比老机型有明显的改善。这是从以下三方面来实现的：

　　1.减少机械噪声传到汽车结构中去——250Hz以下的低频哚声排放(轻微的嗡嗡声和振动)；

　　2.减少中频范围噪声排放——250～800Hz(降低发动机运转粗暴性)；

　　3.明显减少高频范围噪声辐射——800～3000Hz(总噪声水平降低≥汽车侧隔音降低噪声的潜力)。

　　该发动机上的平衡轴传动机构(图157见上期)在这个排量等级的发动机中并非是标准的结构型式，但它对降低低频噪声排放有良好的效果。采用这种平衡轴，一方面能够完全平衡这种发动机结构型式所决定的二阶往复惯性力，另一方面能够使相对于发动机纵轴的惯性力矩峰值移位，起到平抑惯性力矩波动的效果。根据运转工况的不同，惯性力矩的峰值最多可降低50％(图168右)，因此1.8L-T-FSI汽油机的2阶振动，特别是从3000r/min起要比无平衡轴传动机构的同类型汽油机低15dB以上(图168左)。由于用于支承平衡轴的隧道式轴承位于气缸体曲轴箱侧壁，以及油底壳上件刚度较高的结构设计，使气缸体曲轴箱装配组件的基础刚度提高了20％，这样就使得发动机一变速箱总成的一般振动形式(高度方向和横向弯曲)处于发动机主激励之外，防止了汽车内部嗡嗡低频噪声的增大。

　　为了降低中频范围内的噪声排放，对曲轴和气缸体曲轴箱进行了广泛的加强和改进。为了能够大大地降低轴向振动及其所产生的振动力，用横向螺栓将中间几挡主轴承座与气缸体曲轴箱裙部外壁紧固在一起，从而获得了较高的抗剪刚度，极其有效地降低了气缸体曲轴箱侧壁的振动，因而从总体上成功地减少了250～800Hz频率范围内的空气和固体噪声排放，即使在高性能和加速性极好的全负荷工况下，发动机也运转得很轻快柔和，而使司机不太感觉得出来。

　　为了减少高频噪声辐射，在开发初期就已借助干计算机辅助工程(CAE)方法对那些旨在降低噪声的发动机罩盖进行优化设计。其中特别是对链条盒盖和配气传动机构罩壳的设计提出了挑战，在密封性和功能方面是丝毫不允许疏忽的。链条盒盖被设计成塑料结构型式，而配气传动机构罩壳则用夹层阻尼板制成。模拟计算结果表明，即使刚性优化的铝罩壳也达不到夹层阻尼板材料降低噪声的潜力，这两种样品的测试已证实了该模拟计算的结论。与此相反，由于油底壳上件降低了底座的噪声激励，而油底壳下件通过模拟计算获得了布局优化的结构，因此它们可换用单块钢板制成而不会存在声学方面的缺陷。这些措施特别是在1～2kHz频率范围内明显降低了发动机一变速箱动力总成的总体平均噪声水平。因此，18L-T-FSI汽油机以其低噪声以及高功率和高扭矩成为众多同类竞争机型中的姣姣者(图169)。

　　13.发动机附件

　　诸如废气涡轮增压器和进气管等附件是在功率为147kW的2.0L-T-FSI汽油机批量生产使用的部件基础上进行进一步开发的，而在开发喷油系统时必须考虑到对发动机的性能已提出了更高的要求以及未来的废气排放法规。

　　13.1废气涡轮增压器一排气歧管模块

　　用于1.8L-T-FSI汽油机的废气涡轮增压器模块的开发目标是，将部件集成得能适用于所有的现有汽车系列而不改变相邻部件的结构。该开发目标已用一个单元模块达到了，该单元模块能用于包括右方向盘在内的所有发动机纵置和横置式驱动方案，并实现了靠近发动机安装的催化转化器。这种废气涡轮增压器的基础是K03系列的一种增压器，采用废气轴向流出的5.88涡轮与博格瓦纳涡轮系统(Borg Warner Turbo System)公司生产的2074 DCB型压气机相配对，并与2.0L-T-FSI汽油机类似也应用了由排气歧管与涡轮壳集成并带有与气缸盖连接法兰的整体式模块件，它选择著名的D5S高耐热合金灰铸铁作为材料，允许废气温度高达950℃(图170)。该增压器还具有一个水冷却的中间轴承壳体，并带有一个外部机油接口。同时，通过对控制膜盒和操纵废气放气阀的杠杆系统的彻底修改，使废气涡轮增压器的调节质量得到了明显的改善。整个废气涡轮增压器模块满足了对开发方案所提出的热力学和安装技术方面的要求。

　　这种增压器的转子(压气机叶轮和涡轮机叶轮)与老机型相比已作了改进，能适应有关功率和加速性方面的热力学指标的要求。应用了一种经优化的涡轮机叶轮，其背部加高使热力学性能得到了优化。由于空气动力学更加有效，因此即使惯性矩稍有增加，但效率提高了4％，因此这种废气涡轮增压器在低转速范围内的加速性得到了明显的提高，而且高转速范围内流经涡轮的流量也能增大。

　　由于发动机装配已有所变化，因此铝制压气机壳根据具体情况重新设计，出气弯管、消音器壳、电控助推循环空气阀、活性碳罐和增压压力调节阀都直接集成或用螺栓连接在压气机壳上。

　　紧接着压气机出气口装有一个脉动消音器，它能够降低各种压力脉动。在流体机械上，这种压力脉动的频率取决于叶片的数量，并对发动机噪声产生不利的影响。临界频率大约在2400Hz或5000Hz，只有采用双腔消音装置才能满足高消音效果的要求。1型和2型(批量生产用)消音器的消音效果示于图171。

　　13.2进气模块

　　现有2.0L-147kW汽油机的进气模块零件在热力学和成本方面已经过优化，可以用于新设计的进气模块。这种新型的进气模块总成(图172)，除了基体之外，还包含有滚流阀及其用于操纵滚流阀的附件，例如气动执行器、开关阀和滚流阀位置反馈传感器等，另外进气模块总成还包括了节气门以及活性碳罐导管和燃油管道，这些部件都用自攻螺钉方式固定在基体上。

　　进气模块基体自身是由上下两半壳体组成，其模具分型面的选择使焊缝避开气道或滚流阀轴承范围，以防止由于上下两半壳体的错位而引起空气流动的不连续性，这是采用将转阀插在模具中以后再进行注塑的方法来实现的。同时，采取在基体上下表面附加加强筋、局部加大壁厚以及优化焊缝分布位置等措施来提高基体的破裂强度和改善其声学特性。

　　由于基体选用了耐高温的PA66 GF35高强度尼龙作为材料，为实现非常大的气门重叠提供了前提条件。当然，这样的材料要求同样也适用于滚流阀，因为为了将气流正确地导入气缸盖，滚流阀位于进气

　　管靠近气缸盖的前端，同时为了提高耐高温性，必须将滚流阀连同转轴一起做成一个零件，而且这样还能够获得高的扭转刚度。正是出于这样的原因，滚流阀轴及其操纵杠杆都采用PPS工程塑料作为材料。

　　由于至今滚流阀仍布置在进气道当中，因此现在采用了一种流动优化的高刚度簸箕形滚流阀，这种滚流阀在需要时可使进气道完全畅通，而在关闭状态又能产生高的滚流强度。进气道中的滚流阀翼板设计得能封闭其侧面剩下的孔口从而产生强烈的进气滚流，而在其打开的时候又不妨碍进气流动，因此与2.0L-T-FSf汽油机相比，其滚流强度提高了20％。

　　就热力学而言，滚流阀可以放弃中间位置的调节，因而两个位置的气动调节器就足以能够满足要求了。但是，由于放弃电控调节器而又应用了塑料滚流阀轴，为了诊断的需要必须应用一个反馈滚流阀位置信息的传感器，它安装在执行器对面滚流阀轴的自由端。

　　为了使进入进气管的气体达到最佳的均匀分布，将气缸体曲轴箱通风和活性碳罐通风的引入口位置布置在节气门后面的直通空气管道上。

　　13.3燃油系统

　　燃油系统的所有零件和功能模块都体现出了FSI最新的技术状况和2.0L-T-FSI汽油机的进一步发展。

　　在开发燃油系统的时候特别重视在世界范围内的使用适应性，这除了对现有燃油的适应性之外，还必须满足有关车载诊断系统(OBD)和防止燃油蒸发等方面的要求。燃油系统的所有零件都用不锈钢和黄铜制成。除了高压喷油器之外，燃油系统其余的密封部位都是焊接或用金属密封的。系统无回油，并第一次取消了低压传感器，系统的低压输油压力为0.35～0.6MPa。

　　1.8L-T-FSI汽油机应用博世(Bosch)公司生产的可按需调节的高压燃油泵(HDP)，泵油压力现在已提高到15MPa，比2.0L-T-FSI汽油机提高了4MPa。油量控制阀与限压阀同样都集成在高压燃油泵上(图173)。限压阀能限制系统压力过，高，例如在发动机倒拖运行或停机后加热阶段就可能出现这种过高的系统压力，但与2.0L-T-FSI汽油机不同的是，这里不是在低压油路内而是直接在高压燃油泵的泵油腔内限制燃油压力的。一个金属制成的大尺寸燃油稳压器承担平抑低压油路内压力波动的功能。

　　高压燃油泵通过一个滚轮式挺柱来传动，并第一次采用方形四角凸轮驱动。这样，就能够通过调整4个凸起的相位，将这4个“油泵凸轮”布置成好像4个“气门凸轮”，并与进排气凸轮相位错开，从而使配气传动机构中的链条力最多能降低30％，另外还有一个优点是能减小凸轮升程，2.0L-T-FSI汽油机上采用一个升程为5mm的三角凸轮，而1.8L-T-FSI汽油机则应用一个升程为3.5mm的四角凸轮，由于升程较小，每次供给燃油共轨的单次体积油量就较少，因此在高压范围内的压力波动也就较小。同时，喷油器的计量精度也得以改善，因为每次喷油都对应着一次供油行程。

　　与2.0L-T-FSI汽油机相比，高压燃油泵的供油频率提高了33％，因此油量控制阀(MSV)必须重新设计。通过油量控制阀中电磁线圈磁回路的优化，使得油量控制阀的工作频率最高可达到每分钟14800次行程，而在2.0L-T-FSI汽油机上该频率仍被限制在每分钟10000次行程。在进油阶段，由于低压油路的输油压力与油泵柱塞向下运动而造成的压力差，燃油流入泵油腔，此时油量控制阀不通电，在其弹簧作用下将进油阀顶开。而在紧接着的压油阶段期间，燃油首先仍通过被油量控制阀保持开启的进油阀回流到低压油路，一旦油量控制阀通电将进油阀关闭，燃油就开始被泵入燃油共轨。此时，油量控制阀通电只是释放进油阀而使其在自身弹簧压力的作用下关闭，由于油泵柱塞上行压挤燃油，在油压作用下进油阀继续保持在原始关闭状态。

　　将高压燃油从油泵输送到燃油共轨的高压油管，与燃油共轨一样也是焊接结构。由于采用方形四角凸轮驱动，使得燃油压力波动较小，因此燃油共轨的容积可以从130cm3(2.0L-T-FSI汽油机)减小到80cm3，于是在发动机起动和从倒拖运转恢复到正常运转的情况下，燃油共轨中的油压建立得比较快，同时其较小的内表面对强度、重量、所需的结构空间和成本等方面都起到了有利的作用(图174)。

　　基于印刷电路板技术的共轨压力传感器直接拧在燃油共轨上，其检测范围高达20MPa，而且外形尺寸也要比老型号混合电路传感器的小，同时还能够直接编程不同的特性曲线。

　　14.发动机性能的改进

　　1.8L-T-FSI汽油机的换气和燃烧过程是以2004年已批量生产的2.0L-T-FSI汽油机为基础的，但是许多部件都已经过仔细的改进，开发的重点是改善起步扭矩，特别是动态扭矩的建立。

　　1.8L-T-FSI汽油机继承了2.0L-T-FSI汽油机的燃烧室形状，其进气道同样也是滚流气道，压缩比则考虑到按燃用辛烷值为95(研究法)的汽油进行设计而适当降低到9.5。除了精细地优化滚流阀之外，还采取了新的配气正时策略，对换气过程进行了较大的改进，并在批量生产中采用多孔喷油器，应用了新型的多油束和双次喷射技术。为了在低转速时获得较高的平均有效压力，混合汽形成和燃烧过程必须满足特殊的要求。

　　14.1燃油喷射

　　1.8L-T-FSI汽油机应用了多孔喷油器技术，以便能够明显地改善混合汽的均质化。通过喷孔数目、单个喷孔几何形状、单个分支油束锥角和方位的选择，并与喷油压力相结合，多孔喷油器可以提供多种多样的匹配可能性(图175)，为此进行了广泛的试验研究来验证为数众多的开发目标对喷油系统设计参数的敏感性(图176)。在喷油器的开发过程中，除了进行压力罐试验和石英玻璃单缸发动机试验之外，计算流体动力学(CFD)计算也是一种非常有价值的辅助方法。

　　试验研究已证实，在选定的10 MPa喷油压力下静态流量为15cm3/s时，采用6个喷孔和最短喷孔长度的喷油嘴结构型式是最有利的，而选择最大喷油压力为15MPa则使得喷油器能够实现最小和最大喷油量之间大的喷油量跨度，并从而能获得对喷油定时进行精细优化的空间，这样就使得发动机低负荷时最小油量的混合汽形成和高负荷时改变喷油参数的可能性都能够解决得比较理想，特别是全负荷工况的混合汽形成得到了明显的改善，降低了燃油耗和排放。由于混合汽良好的均质化，即使在不利的边界条件下也避免了出现例如提前着火之类无法控制的燃烧过程的倾向。

　　同时，还通过应用双次喷射使得混合汽均质化获得了更多的优点。由于将燃油量分配到进气行程和压缩行程分两次进行喷射，促进了燃油与周围新鲜空气更均匀

　　的混合。但是，可应用双次喷射的范围却受到限制：负荷太低时受到喷油系统最小喷油量的限制，而3000r/min时又受到电控单元输出功率级再充电时间的限制。

　　14.2充量运动

　　在受爆震制约的特性曲线场范围内，低转速和高平均有效压力工况必须具有高的燃烧稳定性，其中滚流阀的控制起着十分重要的作用。通过关闭滚流阀使进气充量产生的高强度滚流运动能明显改善混合汽的形成。图177示出了有/无充量滚流运动时气缸内部流动模拟计算结果的比较。当滚流阀完全打开的时候，在与进气同步喷射时充量流动使燃油束向下朝活塞运动，并且液态燃油滴碰到活塞顶面；而当滚流阀关闭的时候，强烈的充量滚流运动将燃油束包裹起来。燃油量中很少有呈液态状的，到点火时刻时已形成了非常有利的均匀的A分布。

　　在从怠速一直到3000r/min的特性曲线场范围内，滚流阀是始终关闭的，以便确保良好的混合汽形成和稳定的燃烧，这样就能够在部分负荷时应用高的残余废气含量稳定运行，并保持高的燃烧效率，而在高负荷时，由于强烈的充量运动而获得良好的均质化，使燃烧速度提高。从而使50％能量转换点出现在较早的相位，平均指示压力Pmi的标准偏差也明显减小。这样，奥迪轿车在保持低噪声运行的同时首次达到了如此高的平均有效压力。

　　14.3稳态全负荷特性

　　1.8L-T-FSI汽油机采取上述优化措施的效果反映在其全负荷特性曲线(图178)上，在1000r/min转速时的扭矩就已经达到了165Nm，而在1500～4200r/min范围内始终保持着最大扭矩250Nm，并在5000～6200r/min非常宽广的转速范围内都能发出最大功率118kW，因此能够得到低燃油耗的变速箱传动设计，并具有运动型汽车的特点。

　　从图179上可以清楚地看到，发动机排量修改后在平均有效压力方面的提高是非常明显的。由于在2.0L-T-FSI汽油机上应用了汽油直接喷射，与采用进气道喷射的老的增压汽油机相比，低转速时的平均有效压力得到了非常明显的改善，而新型18L-T-FSI汽油机的开发则通过优化缸内充量运动使起步扭矩得到了进一步的提高，特别是在动态扭矩建立方面的改善更加显著，这对提高汽车加速性能来说是非常重要的。

　　14.4动态加速性能

　　2000r/min转速时负荷突变的情况示于图180上，18L-T-FSI汽油机达到全负荷的时间缩短到了1.2s，而以前1.8L-T-MPI进气道喷射增压汽油机则需要1.6s。若考察达到1.5MPa平均有效压力所需要的时间间隔，则当将1.8L-T-MPI汽油机调换成2.0L-T-FSI汽油机后加速时间缩短了0.4s，而新型的18L-T-FSI汽油机还能再减少0.4s，已缩短到了1s以下，因此这种新型汽油机在改善动态性能方面取得了很大的进步，这对用户来说是非常有利的。

　　由于18L-T-FSI汽油机的稳态和动态扭矩建立得较快，因此汽车能够选择一个较长的变速箱，从而获得良好的行驶动力性。图181示出了其在最高的两个挡位时的新欧洲行驶循环(NEFZ)燃油耗和机动性，并与2.0L-T-FSI汽油机和老的1.8L-T-MPI进气道喷射汽油机进行比较。与1.8L-T-MPI汽油机相比，1.8L-T-FSI汽油机的行驶动力性稍有改善。但燃油耗降低了0.8 L/100km，这相当于在舒适性明显提高和驾驶机动性得到改善的同时，燃油耗却降低了9％。1.8L-T-FSI汽油机是2004年首次推出2.0L-T-FSI汽油机以后奥迪公司轿车汽油机战略的一个里程碑，并再次显示出增压直接喷射汽油机未来具有非常大的潜力。(未完待续)