大众同平台发动机 液态气态双运行

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大众的新型1.5 L-EA211-TGI-EVO增压直喷式压缩天然气发动机能以液态和气态两种燃料方式进行运作。除了具有高压缩比之外，该类发动机最重要的特点是高效地采用了TGI-Miller燃烧过程，并使其与VTG涡轮增压相组合。

1 背景

大众集团计划采用压缩天然气（CNG）作为可持续车用燃料，并与供应商、网络运营商和加气站运营商进行通力合作,于2007年开始了关于CNG的相关研究，通过采取各种各样的措施仅在一年内就实现了采用CNG作为替代燃料，而其研究目标则更为具体：直至2025年将在德国建成约2 000个CNG加气站，并使供应量提高到可供百万辆CNG汽车使用。由于减轻CNG燃料的纳税金额负担现象会持续至2026年，因此这种政策使相关用户获益匪浅，驾驶CNG汽车出行即经济又环保。

大众集团预期未来采用CNG燃料还将具备多方面的意义。其中，从液态能源制取的天然气将承担全球能源供应的较大份额：国际能源署（IEA）预测在某些情况下，直至2040年其份额甚至会上升到25%以上。基于化石天然气的常规天然气因其化学特性已为降低CO2排放提供了较好的潜力，而且也为人工合成气态燃料开启了新的机遇，所谓的新型合成能源（E-Fuels）燃料有着大幅降低排放的潜力，它们是合成燃料，例如可通过水和二氧化碳采用再生电流生产。

图1 大众集团的CNG发动机

随着2006年1.5 L-TSI-EVO增压分层燃烧直喷式（TSI）汽油机的推出,大众公司首次将增压分层直喷-米勒循环（TSI-Miller）燃烧过程投入大量生产。在开发TSI动力装置时就已考虑到将其用于TSI-Miller循环燃烧过程。此外，该燃烧过程与可变涡轮几何截面（VTG）增压相结合，可理想地适合于二元运行（可分别使用液态或气态两种燃料运行），再加上凸轮轴相位调节确保了无论是使用CNG还是使用汽油都能高效地运行。1.5 L-TGI-EVO增压直喷式压缩天然气发动机（图2）已成为进一步开发的技术基础，在进一步拓宽的车型生产业务中大众公司则提供了可改善环境的CNG和E-Fuels燃料（图3），因此该类动力装置是大众公司的一项重要贡献。

图2 新型1.5 L-EA211-TGI-EVO CNG发动机

图3 大众集团的CNG车型

3 新型EA211-TGI-EVO CNG发动机

1.5 L-TSI-EVA增压分层燃烧直喷式（TSI）汽油机在其基本结构设计中已为该动力装置改型成CNG机型提供了良好的基础，因此在开发1.5 L-TGI-EVO增压直喷式压缩天然气发动机时仅需添加或调整少数模块即可，同时仍需借助于TSI-EVO机型的技术基础尽可能好地发挥CNG燃料的潜力。重点是在具有出色的加速响应特性和拓展功率的同时，达到尽可能高的发动机效率或尽可能低的燃油耗。

4 CNG专用部件

模块化标准部件已足够用于CNG专用部件与1.5 L-TGI-EVO增压直喷式压缩天然气发动机的匹配（图4），仅其气缸盖需要实现进一步开发，不久后也可应用于TSI-EVO标准部件的汽油机变型，基本的修改是全新设计的流动优化的冷却水套，其有助于降低冷却系统的压力损失。此外，进气凸轮轴也作了进一步调整，采用了具有中心调节阀的快速液压凸轮轴相位调节器，其较高的调节速度有助于改善充气调节过程。

图4 CNG专用部件和模块

5 结构设计的适应性

甲烷燃料的高抗爆性容许选择效率优化的点火定时，因而峰值压力高达13 MPa，但是较早的燃烧重心位置导致了较高的壁面导热现象，再加上缺乏蒸发潜热，致使构件温度较高。由于发生了这一系列的变化，因此TGI-EVO机型必须胜任这些要求。

6 CNG匹配

在TGI-EVO发动机上，气门及其气门导管和气门座圈的材料需适应CNG较差的润滑性能。借助于氮化工艺，使气门和气门座圈与CNG运行时所需的较高的热硬度相匹配。此外，还要提高进气门导管的耐磨性。

气缸盖密封垫由3种材料组成。进排气凸轮廓线上落座斜面的最终0.2 mm范围被削平，以便使气门得以较缓慢地关闭，以此即可减小磨损。由于甲烷的着火性较差，点火线圈要提供比TSI机型更高的点火电压。

曲柄连杆机构中，连杆轴承要适应更高的压力水平。为了提高耐磨性，活塞第二道环槽为CNG运行采取附加的工艺步骤阳极化处理予以优化。同样，天然气共轨和进气管在早先项目的基础上为TGI-EVO机型进行了进一步的开发和优化。天然气压力调节器的基本结构和两级减压功能取自于3缸EA211-1.0 L-TGI机型，但是其在天然气流量和加温方面已得以进一步开发。

7燃烧过程和增压

大众TSI-Miller循环燃烧过程的基本原理也应用于1.5 L-TGI-EVO发动机上，其建立在以下4个要点之上（图5）：

（1）几何压缩比提高到12.5:1，以提高运行范围的效率；

（2）通过进气门早关（FES）及其随之发生的进气行程中的膨胀冷却降低压缩终了温度；

（3）为使用带有FES的火焰传播过程实现换气优化，以降低低速工况下扭矩范围内的爆震倾向；

（4）在大量生产中首次使用VTG增压，达到较高的增压度以补偿FES过程的充气损失以及由增压和燃烧过程所决定的最高总效率方面的损

图5 1.5 L-TGI-EVO发动机的配气定时

这种新的燃烧过程即使在1.5 L-TGI-EVO发动机上采用CNG运行时也显示出决定性的优势。进气门早关和有效的增压空气冷却使充量温度降低，随之降低了气缸充量的压缩终了温度，其与优化的燃烧室冷却以及发动机高达13 MPa的峰值压力共同导致了效率优化的燃烧重心位置，同时降低了废气温度。有利的膨胀比（由FES和12.5:1高压缩比所致）以及集成在气缸盖中的排气歧管也有利于降低废气温度。正如常规的CNG发动机，1.5 L-TGI-EVO发动机在整个特性特性曲线场中以λ=1过量空气系数运行，最高废气温度仅880 ℃。

VTG废气涡轮增压器能在较低的废气温度下使用，在TGI-Miller循环的燃烧过程中与采用相位可调节的进气凸轮轴进行充气调节一同起到了重要作用。在直至额定转速的宽广转速范围内其能获得有利的扫气压差和减小换气功，而在部分负荷时这种燃烧过程所产生的消除节流的效果具有显著降低CO₂排放的潜力，在低转速高负荷（低速扭矩（LET）范围）时则同样具有优势，因为CNG燃料较低的爆震倾向允许采用非常高的废气背压，因此能建立起足够的涡轮功率，以便在MPI多点气门口喷射时尽可能补偿由外部混合气形成所产生的充气方面的缺陷。

因此，1.5 L-EA211-TGI-EVO增压直喷式压缩天然气发动机的低燃油耗归因于TGI-Miller循环燃烧过程的两种重要效果：减小了压缩损失并降低了换气功。图6示出了在宽广的特性曲线场范围，特别是部分负荷和LET工况范围内，其相对于1.4 L-TGI增压直喷式压缩天然气发动机改善效率的效果。

图6 1.5 L-TGI-EVO发动机（96 kW）与1.4 L-TGI发动机（81 kW）相比的相

此外，在全负荷和动态特性值方面更显示出TGI-Miller循环燃烧过程的优势（图7）。在1 400 r/min时扭矩就已达到了200 N·m，而在5 000 r/min时功率为96 kW。CNG发动机在采用气体燃料运行时达到了与TSI汽油机相应状态一样的数值，在机动性方面毫不逊色。

图7 1.5 L-TGI-EVO发动机与1.4 L-TGI发动机在1 500r/min时全负荷和

8 动力学挑战

为了获得出色的动力性能，仔细地对VTG特性、凸轮轴配气定时、废气背压限制和增压压力调节进行了标定，结果在1 500 r/min时获得了如图8所示的负荷突变调节效果。

图8 1 500 r/min负荷突变时的动力学调节（示意图）

8.1 阶段1：初试状态

进气凸轮轴处于效率最佳的进气门早关（FES）位置，涡轮增压器中的VTG导向叶片打开，此时发动机在非增压状态下运转，由于废气背压较小，打开的导向叶片产生了有利的效果。

8.2 阶段2：负荷突变

当踩下加速踏板时增压压力需求突然提升，VTG导向叶片完全关闭，从而达到了最大的废气背压，可供使用的压缩机驱动功率能快速地建立起增压压力。为了进一步提升扭矩，将进气凸轮轴调节到充气最佳位置。基于CNG燃料的抗爆性，就能不受爆震燃烧限制地采用这种策略。TGI-Miller循环燃烧过程的稳定性则允许随着最佳的燃烧重心位置而降低过高的废气背压。

在尚未达到目标增压压力之前就通过提前打开VTG导向叶片限制动态排气背压，而在调准增压压力过程中VTG将进一步快速打开，否则在扭矩建立过程中驾车人就会感觉存在异常，其原因是从强烈的负扫气压差突然过渡到明显的正扫气压差。这种调节策略不会对增压压力的建立产生不利的影响，因为涡轮中良好的较为流动大幅提升了涡轮效率。

8.3 阶段3：稳态阶段

一旦增压压力被调准到目标值，进气凸轮轴就被调节到效率和燃油耗最佳的位置，这样就能达到最高的涡轮效率，从而在宽广的发动机特性曲线场范围内获得了正的扫气压差，在稳态运行范围内废气背压处于比动态需求时明显更低的水平。

9最终的动力学特性

TGI-Miller循环燃烧过程能大幅降低过高的动态废气背压。尽管涡轮中存在诸多不稳定的流动状态，但是仍能达到如燃用汽油时较为出色的动态响应特性。开发中的一项重要课题是在从极大负扫气压差快速转换到正扫气压差期间可调准增压压力而不会对行驶性能产生不利的影响。

10废气系统

1.5 L-TGI-EVO发动机的废气系统已为使用CNG运行而进行了优化，其中一个重大挑战是排放优化的催化转化器加热，正如大众公司已首次应用于3缸1.0 L-TGI增压直喷式压缩天然气发动机那样。但是，因为在4缸Miller循环燃烧过程发动机上废气温度较低，必须进一步开发这种燃烧过程，特别是低负荷范围存在很大的差异，对于催化转化器的运行准备而言带来了附加的挑战。

11λ分开调节法

由于甲烷的反应特性,其在催化转换器中需要较高的温度以进行转化净化。为了在暖机运转阶段能尽可能快地超过对转化率具有决定性意义的温度阈值500 ℃，设计了λ分开调节法，即每两个气缸采用低于化学计量比混合气（直至λ=0.85）和高于化学计量比混合气（直至λ=1.15）点火运行，从而可通过调晚点火角显著缩短通常的催化转化器加热阶段，这能在燃油耗和废气排放方面获得明显的好处。这种功能在TGI-EVO发动机上在更宽广的范围内比其它CNG机型更有效。这种基本功能从3缸1.0 L-TGI发动机即已开始使用，并传承至1.5 L-TGI发动机上。

12车辆结构布置

Golf-TGI-Bluemotion（Bluemotion=蓝驱技术版，译注：“蓝驱”意即降低废气排放的蓝天效果驱动装置）轿车首次搭载1.5 L-TGI-EVO增压直喷式压缩天然气发动机，并装备了3个圆筒形压缩天然气罐（图9）。这样布置的汽车结构已规定采用横置发动机模块化平台（MQB），因此汽车布局没有变化，在总体上仅有最小的影响。压缩天然气罐总共有114.5 L容积，在20 MPa压力下相当于18.5 kg CNG。焊接可靠性、电动截止阀、管子抗断裂可靠性和机械式截止阀保障了每个CNG罐处于安全可靠状态。行李舱容积尽可能保持不变。后桥前面的汽油箱容积为12 L，而Golf-TGI-Bluemotion轿车被设计成准单燃料车型（译注：指可分别采用压缩天然气和汽油行驶的车型）。

图9 Golf-TGI轿车的传动系统

13行驶功率、燃油耗和行驶里程

Golf-TGI-Bluemotion轿车无论使用压缩天然气还是汽油都能提供高达96 kW的功率，在1 400-4 500 r/min转速之间的最大扭矩为200 N·m，从0～100 km/h的加速时间为9.6 s，最高车速可达到206 km/h。此外，车辆初始状态的功率和扭矩既可标定得更高也可相对较低。

使用CNG的新欧洲行驶循环（NEDC）行驶里程可达到500 km，转换到汽油状态可再增加190 km。使用CNG行驶时，在装备7档双离合器变速器情况下NEDC行驶循环的平均燃料消耗量降低到3.5 kg/100 km，这相当于CO₂排放低于100 g/km。

14总结

EA211-TGI-EVO发动机设计任务书中规定的目标已在开发中得以全部实现。在功率、扭矩和扭矩的设计方面，新型CNG发动机达到了96 kW功率汽油机型的相应水平。良好的行驶性能、较低的燃料消耗量以及采用两种燃料行驶时，较长的行驶里程使其保持了与汽油机型一致的性能型谱，使得该动力装置充满技术吸引力，几乎不受限制的整车设计也对此起到了正面推进作用。

大众集团长期推广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燃料的应用则具有显著意义。EA211-TGI-EVO发动机是实施该类策略的重要部分。

【美】W.Demmelbauer-Ebner 等

【译】 范明强

【编辑】 伍赛特

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