壓縮天然氣（CNG）的發(fā)動(dòng)機(jī)是持續(xù)降低排放的汽車動(dòng)力裝置項(xiàng)目的重要組成部分，因此大眾公司與其合作單位開始對(duì)CNG進(jìn)行重點(diǎn)研究，其目標(biāo)是使這種加氣站在德國得到大規(guī)模應(yīng)用，并不斷增加德國國內(nèi)市場中天然氣汽車的保有量。本文介紹的新型1.5 L-EA211-TGI-EVO增壓直噴式壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)能以液態(tài)和氣態(tài)兩種燃料方式進(jìn)行運(yùn)作。除了具有高壓縮比之外，該類發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的特點(diǎn)是高效地采用了TGI-Miller燃燒過程，并使其與VTG渦輪增壓相組合。

關(guān)鍵詞：增壓直噴 壓縮天然氣 燃燒

1背景

大眾集團(tuán)計(jì)劃采用壓縮天然氣（CNG）作為可持續(xù)車用燃料，并與供應(yīng)商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和加氣站運(yùn)營商進(jìn)行通力合作,于2007年開始了關(guān)于CNG的相關(guān)研究，通過采取各種各樣的措施僅在一年內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了采用CNG作為替代燃料，而其研究目標(biāo)則更為具體：直至2025年將在德國建成約2 000個(gè)CNG加氣站，并使供應(yīng)量提高到可供百萬輛CNG汽車使用。由于減輕CNG燃料的納稅金額負(fù)擔(dān)現(xiàn)象會(huì)持續(xù)至2026年，因此這種政策使相關(guān)用戶獲益匪淺，駕駛CNG汽車出行即經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。

大眾集團(tuán)預(yù)期未來采用CNG燃料還將具備多方面的意義。其中，從液態(tài)能源制取的天然氣將承擔(dān)全球能源供應(yīng)的較大份額：國際能源署（IEA）預(yù)測在某些情況下，直至2040年其份額甚至?xí)仙?5%以上。基于化石天然氣的常規(guī)天然氣因其化學(xué)特性已為降低CO2排放提供了較好的潛力，而且也為人工合成氣態(tài)燃料開啟了新的機(jī)遇，所謂的新型合成能源（E-Fuels）燃料有著大幅降低排放的潛力，它們是合成燃料，例如可通過水和二氧化碳采用再生電流生產(chǎn)。

2以EA211-TSI-EVO汽油機(jī)為基礎(chǔ)

通過研究CNG汽車化和E-Fuels燃料以改善環(huán)境所具備的技術(shù)潛力，大眾認(rèn)為有義務(wù)提升其生產(chǎn)推廣的可能性。隨后，大眾公司在其產(chǎn)品系列中提供了一種用于Golf等級(jí)轎車的CNG動(dòng)力裝置，可使現(xiàn)代CNG動(dòng)力裝置的供應(yīng)更為完善（圖1），其特點(diǎn)是具有較高的效率，而燃油耗則相對(duì)較低。

圖1 大眾集團(tuán)的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)

隨著2006年1.5 L-TSI-EVO增壓分層燃燒直噴式（TSI）汽油機(jī)的推出,大眾公司首次將增壓分層直噴-米勒循環(huán)（TSI-Miller）燃燒過程投入大量生產(chǎn)。在開發(fā)TSI動(dòng)力裝置時(shí)就已考慮到將其用于TSI-Miller循環(huán)燃燒過程。此外，該燃燒過程與可變渦輪幾何截面（VTG）增壓相結(jié)合，可理想地適合于二元運(yùn)行（可分別使用液態(tài)或氣態(tài)兩種燃料運(yùn)行），再加上凸輪軸相位調(diào)節(jié)確保了無論是使用CNG還是使用汽油都能高效地運(yùn)行。1.5 L-TGI-EVO增壓直噴式壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)（圖2）已成為進(jìn)一步開發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)，在進(jìn)一步拓寬的車型生產(chǎn)業(yè)務(wù)中大眾公司則提供了可改善環(huán)境的CNG和E-Fuels燃料（圖3），因此該類動(dòng)力裝置是大眾公司的一項(xiàng)重要貢獻(xiàn)。

圖2 新型1.5 L-EA211-TGI-EVO CNG發(fā)動(dòng)機(jī)

圖3 大眾集團(tuán)的CNG車型

3新型EA211-TGI-EVO CNG發(fā)動(dòng)機(jī)

1.5 L-TSI-EVA增壓分層燃燒直噴式（TSI）汽油機(jī)在其基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已為該動(dòng)力裝置改型成CNG機(jī)型提供了良好的基礎(chǔ)，因此在開發(fā)1.5 L-TGI-EVO增壓直噴式壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)僅需添加或調(diào)整少數(shù)模塊即可，同時(shí)仍需借助于TSI-EVO機(jī)型的技術(shù)基礎(chǔ)盡可能好地發(fā)揮CNG燃料的潛力。重點(diǎn)是在具有出色的加速響應(yīng)特性和拓展功率的同時(shí)，達(dá)到盡可能高的發(fā)動(dòng)機(jī)效率或盡可能低的燃油耗。

4CNG專用部件

模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件已足夠用于CNG專用部件與1.5 L-TGI-EVO增壓直噴式壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配（圖4），僅其氣缸蓋需要實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步開發(fā)，不久后也可應(yīng)用于TSI-EVO標(biāo)準(zhǔn)部件的汽油機(jī)變型，基本的修改是全新設(shè)計(jì)的流動(dòng)優(yōu)化的冷卻水套，其有助于降低冷卻系統(tǒng)的壓力損失。此外，進(jìn)氣凸輪軸也作了進(jìn)一步調(diào)整，采用了具有中心調(diào)節(jié)閥的快速液壓凸輪軸相位調(diào)節(jié)器，其較高的調(diào)節(jié)速度有助于改善充氣調(diào)節(jié)過程。

圖4 CNG專用部件和模塊

5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的適應(yīng)性

甲烷燃料的高抗爆性容許選擇效率優(yōu)化的點(diǎn)火定時(shí)，因而峰值壓力高達(dá)13 MPa，但是較早的燃燒重心位置導(dǎo)致了較高的壁面導(dǎo)熱現(xiàn)象，再加上缺乏蒸發(fā)潛熱，致使構(gòu)件溫度較高。由于發(fā)生了這一系列的變化，因此TGI-EVO機(jī)型必須勝任這些要求。

6CNG匹配

在TGI-EVO發(fā)動(dòng)機(jī)上，氣門及其氣門導(dǎo)管和氣門座圈的材料需適應(yīng)CNG較差的潤滑性能。借助于氮化工藝，使氣門和氣門座圈與CNG運(yùn)行時(shí)所需的較高的熱硬度相匹配。此外，還要提高進(jìn)氣門導(dǎo)管的耐磨性。

氣缸蓋密封墊由3種材料組成。進(jìn)排氣凸輪廓線上落座斜面的最終0.2 mm范圍被削平，以便使氣門得以較緩慢地關(guān)閉，以此即可減小磨損。由于甲烷的著火性較差，點(diǎn)火線圈要提供比TSI機(jī)型更高的點(diǎn)火電壓。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，連桿軸承要適應(yīng)更高的壓力水平。為了提高耐磨性，活塞第二道環(huán)槽為CNG運(yùn)行采取附加的工藝步驟陽極化處理予以優(yōu)化。同樣，天然氣共軌和進(jìn)氣管在早先項(xiàng)目的基礎(chǔ)上為TGI-EVO機(jī)型進(jìn)行了進(jìn)一步的開發(fā)和優(yōu)化。天然氣壓力調(diào)節(jié)器的基本結(jié)構(gòu)和兩級(jí)減壓功能取自于3缸EA211-1.0 L-TGI機(jī)型，但是其在天然氣流量和加溫方面已得以進(jìn)一步開發(fā)。

7燃燒過程和增壓

大眾TSI-Miller循環(huán)燃燒過程的基本原理也應(yīng)用于1.5 L-TGI-EVO發(fā)動(dòng)機(jī)上，其建立在以下4個(gè)要點(diǎn)之上（圖5）：

（1）幾何壓縮比提高到12.5:1，以提高運(yùn)行范圍的效率；

（2）通過進(jìn)氣門早關(guān)（FES）及其隨之發(fā)生的進(jìn)氣行程中的膨脹冷卻降低壓縮終了溫度；

（3）為使用帶有FES的火焰?zhèn)鞑ミ^程實(shí)現(xiàn)換氣優(yōu)化，以降低低速工況下扭矩范圍內(nèi)的爆震傾向；

（4）在大量生產(chǎn)中首次使用VTG增壓，達(dá)到較高的增壓度以補(bǔ)償FES過程的充氣損失以及由增壓和燃燒過程所決定的最高總效率方面的損失。

圖5 1.5 L-TGI-EVO發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣定時(shí)

這種新的燃燒過程即使在1.5 L-TGI-EVO發(fā)動(dòng)機(jī)上采用CNG運(yùn)行時(shí)也顯示出決定性的優(yōu)勢。進(jìn)氣門早關(guān)和有效的增壓空氣冷卻使充量溫度降低，隨之降低了氣缸充量的壓縮終了溫度，其與優(yōu)化的燃燒室冷卻以及發(fā)動(dòng)機(jī)高達(dá)13 MPa的峰值壓力共同導(dǎo)致了效率優(yōu)化的燃燒重心位置，同時(shí)降低了廢氣溫度。有利的膨脹比（由FES和12.5:1高壓縮比所致）以及集成在氣缸蓋中的排氣歧管也有利于降低廢氣溫度。正如常規(guī)的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)，1.5 L-TGI-EVO發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)特性特性曲線場中以λ=1過量空氣系數(shù)運(yùn)行，最高廢氣溫度僅880 ℃。

VTG廢氣渦輪增壓器能在較低的廢氣溫度下使用，在TGI-Miller循環(huán)的燃燒過程中與采用相位可調(diào)節(jié)的進(jìn)氣凸輪軸進(jìn)行充氣調(diào)節(jié)一同起到了重要作用。在直至額定轉(zhuǎn)速的寬廣轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)其能獲得有利的掃氣壓差和減小換氣功，而在部分負(fù)荷時(shí)這種燃燒過程所產(chǎn)生的消除節(jié)流的效果具有顯著降低CO2排放的潛力，在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷（低速扭矩（LET）范圍）時(shí)則同樣具有優(yōu)勢，因?yàn)镃NG燃料較低的爆震傾向允許采用非常高的廢氣背壓，因此能建立起足夠的渦輪功率，以便在MPI多點(diǎn)氣門口噴射時(shí)盡可能補(bǔ)償由外部混合氣形成所產(chǎn)生的充氣方面的缺陷。

因此，1.5 L-EA211-TGI-EVO增壓直噴式壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的低燃油耗歸因于TGI-Miller循環(huán)燃燒過程的兩種重要效果：減小了壓縮損失并降低了換氣功。圖6示出了在寬廣的特性曲線場范圍，特別是部分負(fù)荷和LET工況范圍內(nèi)，其相對(duì)于1.4 L-TGI增壓直噴式壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)改善效率的效果。

圖6 1.5 L-TGI-EVO發(fā)動(dòng)機(jī)（96 kW）與1.4 L-TGI發(fā)動(dòng)機(jī)（81 kW）相比的相對(duì)效率優(yōu)勢（左）以及1.5 L-TGI-EVO發(fā)動(dòng)機(jī)（96 kW）與1.5 L-TSI-EVO發(fā)動(dòng)機(jī)（96 kW）發(fā)動(dòng)機(jī)相比的CO2排放優(yōu)勢（Vorteil）（右）

此外，在全負(fù)荷和動(dòng)態(tài)特性值方面更顯示出TGI-Miller循環(huán)燃燒過程的優(yōu)勢（圖7）。在1 400 r/min時(shí)扭矩就已達(dá)到了200 N·m，而在5 000 r/min時(shí)功率為96 kW。CNG發(fā)動(dòng)機(jī)在采用氣體燃料運(yùn)行時(shí)達(dá)到了與TSI汽油機(jī)相應(yīng)狀態(tài)一樣的數(shù)值，在機(jī)動(dòng)性方面毫不遜色。

圖7 1.5 L-TGI-EVO發(fā)動(dòng)機(jī)與1.4 L-TGI發(fā)動(dòng)機(jī)在1 500r/min時(shí)全負(fù)荷和

負(fù)荷突變的比較（部分示意）

8動(dòng)力學(xué)挑戰(zhàn)

為了獲得出色的動(dòng)力性能，仔細(xì)地對(duì)VTG特性、凸輪軸配氣定時(shí)、廢氣背壓限制和增壓壓力調(diào)節(jié)進(jìn)行了標(biāo)定，結(jié)果在1 500 r/min時(shí)獲得了如圖8所示的負(fù)荷突變調(diào)節(jié)效果。

圖8 1 500 r/min負(fù)荷突變時(shí)的動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)（示意圖）

8.1階段1：初試狀態(tài)

進(jìn)氣凸輪軸處于效率最佳的進(jìn)氣門早關(guān)（FES）位置，渦輪增壓器中的VTG導(dǎo)向葉片打開，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在非增壓狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，由于廢氣背壓較小，打開的導(dǎo)向葉片產(chǎn)生了有利的效果。

8.2階段2：負(fù)荷突變

當(dāng)踩下加速踏板時(shí)增壓壓力需求突然提升，VTG導(dǎo)向葉片完全關(guān)閉，從而達(dá)到了最大的廢氣背壓，可供使用的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)功率能快速地建立起增壓壓力。為了進(jìn)一步提升扭矩，將進(jìn)氣凸輪軸調(diào)節(jié)到充氣最佳位置。基于CNG燃料的抗爆性，就能不受爆震燃燒限制地采用這種策略。TGI-Miller循環(huán)燃燒過程的穩(wěn)定性則允許隨著最佳的燃燒重心位置而降低過高的廢氣背壓。

在尚未達(dá)到目標(biāo)增壓壓力之前就通過提前打開VTG導(dǎo)向葉片限制動(dòng)態(tài)排氣背壓，而在調(diào)準(zhǔn)增壓壓力過程中VTG將進(jìn)一步快速打開，否則在扭矩建立過程中駕車人就會(huì)感覺存在異常，其原因是從強(qiáng)烈的負(fù)掃氣壓差突然過渡到明顯的正掃氣壓差。這種調(diào)節(jié)策略不會(huì)對(duì)增壓壓力的建立產(chǎn)生不利的影響，因?yàn)闇u輪中良好的較為流動(dòng)大幅提升了渦輪效率。

8.3階段3：穩(wěn)態(tài)階段

一旦增壓壓力被調(diào)準(zhǔn)到目標(biāo)值，進(jìn)氣凸輪軸就被調(diào)節(jié)到效率和燃油耗最佳的位置，這樣就能達(dá)到最高的渦輪效率，從而在寬廣的發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場范圍內(nèi)獲得了正的掃氣壓差，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍內(nèi)廢氣背壓處于比動(dòng)態(tài)需求時(shí)明顯更低的水平。

9最終的動(dòng)力學(xué)特性

TGI-Miller循環(huán)燃燒過程能大幅降低過高的動(dòng)態(tài)廢氣背壓。盡管渦輪中存在諸多不穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)，但是仍能達(dá)到如燃用汽油時(shí)較為出色的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。開發(fā)中的一項(xiàng)重要課題是在從極大負(fù)掃氣壓差快速轉(zhuǎn)換到正掃氣壓差期間可調(diào)準(zhǔn)增壓壓力而不會(huì)對(duì)行駛性能產(chǎn)生不利的影響。

10廢氣系統(tǒng)

1.5 L-TGI-EVO發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣系統(tǒng)已為使用CNG運(yùn)行而進(jìn)行了優(yōu)化，其中一個(gè)重大挑戰(zhàn)是排放優(yōu)化的催化轉(zhuǎn)化器加熱，正如大眾公司已首次應(yīng)用于3缸1.0 L-TGI增壓直噴式壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)那樣。但是，因?yàn)樵?缸Miller循環(huán)燃燒過程發(fā)動(dòng)機(jī)上廢氣溫度較低，必須進(jìn)一步開發(fā)這種燃燒過程，特別是低負(fù)荷范圍存在很大的差異，對(duì)于催化轉(zhuǎn)化器的運(yùn)行準(zhǔn)備而言帶來了附加的挑戰(zhàn)。

11λ分開調(diào)節(jié)法

由于甲烷的反應(yīng)特性,其在催化轉(zhuǎn)換器中需要較高的溫度以進(jìn)行轉(zhuǎn)化凈化。為了在暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)階段能盡可能快地超過對(duì)轉(zhuǎn)化率具有決定性意義的溫度閾值500 ℃，設(shè)計(jì)了λ分開調(diào)節(jié)法，即每兩個(gè)氣缸采用低于化學(xué)計(jì)量比混合氣（直至λ=0.85）和高于化學(xué)計(jì)量比混合氣（直至λ=1.15）點(diǎn)火運(yùn)行，從而可通過調(diào)晚點(diǎn)火角顯著縮短通常的催化轉(zhuǎn)化器加熱階段，這能在燃油耗和廢氣排放方面獲得明顯的好處。這種功能在TGI-EVO發(fā)動(dòng)機(jī)上在更寬廣的范圍內(nèi)比其它CNG機(jī)型更有效。這種基本功能從3缸1.0 L-TGI發(fā)動(dòng)機(jī)即已開始使用，并傳承至1.5 L-TGI發(fā)動(dòng)機(jī)上。

12車輛結(jié)構(gòu)布置

Golf-TGI-Bluemotion（Bluemotion=藍(lán)驅(qū)技術(shù)版，譯注：“藍(lán)驅(qū)”意即降低廢氣排放的藍(lán)天效果驅(qū)動(dòng)裝置）轎車首次搭載1.5 L-TGI-EVO增壓直噴式壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，并裝備了3個(gè)圓筒形壓縮天然氣罐（圖9）。這樣布置的汽車結(jié)構(gòu)已規(guī)定采用橫置發(fā)動(dòng)機(jī)模塊化平臺(tái)（MQB），因此汽車布局沒有變化，在總體上僅有最小的影響。壓縮天然氣罐總共有114.5 L容積，在20 MPa壓力下相當(dāng)于18.5 kg CNG。焊接可靠性、電動(dòng)截止閥、管子抗斷裂可靠性和機(jī)械式截止閥保障了每個(gè)CNG罐處于安全可靠狀態(tài)。行李艙容積盡可能保持不變。后橋前面的汽油箱容積為12 L，而Golf-TGI-Bluemotion轎車被設(shè)計(jì)成準(zhǔn)單燃料車型（譯注：指可分別采用壓縮天然氣和汽油行駛的車型）。

圖9 Golf-TGI轎車的傳動(dòng)系統(tǒng)

13行駛功率、燃油耗和行駛里程

Golf-TGI-Bluemotion轎車無論使用壓縮天然氣還是汽油都能提供高達(dá)96 kW的功率，在1 400-4 500 r/min轉(zhuǎn)速之間的最大扭矩為200 N·m，從0～100 km/h的加速時(shí)間為9.6 s，最高車速可達(dá)到206 km/h。此外，車輛初始狀態(tài)的功率和扭矩既可標(biāo)定得更高也可相對(duì)較低。

使用CNG的新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）行駛里程可達(dá)到500 km，轉(zhuǎn)換到汽油狀態(tài)可再增加190 km。使用CNG行駛時(shí)，在裝備7檔雙離合器變速器情況下NEDC行駛循環(huán)的平均燃料消耗量降低到3.5 kg/100 km，這相當(dāng)于CO2排放低于100 g/km。

14總結(jié)

EA211-TGI-EVO發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)任務(wù)書中規(guī)定的目標(biāo)已在開發(fā)中得以全部實(shí)現(xiàn)。在功率、扭矩和扭矩的設(shè)計(jì)方面，新型CNG發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了96 kW功率汽油機(jī)型的相應(yīng)水平。良好的行駛性能、較低的燃料消耗量以及采用兩種燃料行駛時(shí)，較長的行駛里程使其保持了與汽油機(jī)型一致的性能型譜，使得該動(dòng)力裝置充滿技術(shù)吸引力，幾乎不受限制的整車設(shè)計(jì)也對(duì)此起到了正面推進(jìn)作用。

大眾集團(tuán)長期推廣的燃料策略的目的在于大幅降低CO2排放并有效利用可再生燃料，其中E-Fuels燃料的應(yīng)用則具有顯著意義。EA211-TGI-EVO發(fā)動(dòng)機(jī)是實(shí)施該類策略的重要部分。