◆文/江苏 范明强

2003年大众公司在1.8L-5V-92kW进气道喷射汽油机的基础上为第2代奥迪(Audi)A3和A4轿车开发了一种新型横置式2.0L-4V-FSI分层直接喷射汽油机，除了将发动机功率由92kW增加到110kW使汽车的动力性得到了显著提高外，还使汽车燃油耗降低了大约1L/100km，同时更加舒适，并达到了当时欧洲实施的欧Ⅳ废气排放标准。

这种采用汽油分层直接喷射(FSI)技术的直列4缸4气门汽油机成功地解决了传统汽车在功率、舒适性和燃油耗之间的目标冲突，表明汽油分层直接喷射技术始终是提高汽油机燃烧效率潜力最大的一种技术措施。

2004年，大众公司在这种EA113汽油机系列平台基础上又开发出了世界上第一台涡轮增压缸内直接喷射2.0L-TFSI汽油机，功率为195kW，扭矩为350Nm。

2010年，为了给奥迪运动型轿车配备动力性能更好的汽油发动机，又将上述涡轮增压2.0L-TFSI燃油分层直喷式汽油机的燃油过程移植到奥迪直列5缸自然吸气2.5L-MPI多点气门口喷射汽油机上，成功地开发出了功率250kW，扭矩450Nm的2.5L-TFSI增压燃油分层直喷式汽油机。本文将详细介绍4缸自然吸气2.0L-FSI燃油分层直喷式汽油机和5缸涡轮增压2.5L-TFSI燃油分层直喷式汽油机。

范明强

(本刊专家委员会委员)

教授级高级工程师，曾任中国第一汽车集团公司无锡研究所发动机研究室主任、湖南奔腾动力科技有限公司轿车柴油机项目部总工程师、无锡柴油机厂高级技术顾问和多所高校客座教授。

6.排气歧管-催化器模块

用于新型奥迪A3轿车的2.0L-FSI汽油机采用了双排气歧管。图12示出了双排气歧管相对于单排气歧管在低转速范围内提高发动机扭矩的效果。

与开发进气模块一样，开发排气歧管-催化器模块也同时设计了多种前置催化器位置，并运用了不同的技术方案，以便在催化器中获得最佳的气体流动。现在该机所应用的技术方案是满足所有要求的最佳折中方案，它采用不锈钢制成排气歧管-催化器壳一体化的结构型式。这种不锈钢材料具有特别低的热膨胀性，能够明显地降低零件中的热应力。由于排气门与前置催化器之间的废气流程很短，因此无需应用双层中空隔热排气管的技术方案。

在开发排气歧管-催化器模块时已通过计算了解了它们所承受的振动负荷和热应力，因此在进行部件试验时就已达到了计算优化的状态。模块支撑采用两个支架分别用螺栓连接在两个催化器柔性软管的连接法兰上，其中一个支架用螺钉直接固定在汽缸体曲轴箱上，另一个支架则用螺钉固定在变速器壳上。

在开发过程中，特别重视氧传感器(λ传感器)周围和催化器中的废气流动，为此进行了三维流动计算，使催化器金属载体中的废气均匀分布，并将其所产生的压力梯度与其他发动机前置催化器方案得到的大量经验数据进行比较。图13示出了开发初期基本型与经优化后定型产品前置催化器中废气分布的均匀性状况。

为了对发动机舱内相邻零件进行热屏蔽，用两片簿钢板罩壳分别罩住两个前置催化器，而装在排气歧管上方的隔热板是为了防止向上的热辐射。这种隔热板采用一种特殊的工艺制造而成，以避免这种薄钢板会产生的折痕。

7.附件

在发动机一侧，除了机油滤清器模块外，还有许多其他部件，如节温器壳、辅助设备支架和爆燃传感器等。

节温器能够按特性曲线场运行工况的要求进行控制，将冷却水出口温度调节在90～105℃范围内，以较高的冷却水温度运转，特别在低负荷工况范围内能明显降低燃油耗。

发电机和空调压缩机固定在质量优化的辅助设备支架上，而机械式弹簧涨紧器能够使其传动皮带适当地涨紧。新型VDA空调压缩机用螺钉固定在支架上，它没有传动离合器，而是在外部根据需要调节的。

由于新型奥迪A3轿车采用了机电式转向助力器，因此取消了传统的机械式转向助力泵。

8.废气再循环系统

该机的废气再循环系统(EGR)采用了一种旋转调节阀。这种旋转调节阀因其几何特性而能在达到较大流量的同时仍具有良好的小流量计量精度，并且采用镶在调节阀上的活塞环来密封。由于空气滤清器与进气管之间的距离较短，因此这种旋转式的EGR调节阀无法像纵置发动机一样采用空气冷却方案，而改用现在的这种水冷却阀安装在排气歧管上的汽缸盖上的方案。废气取气口的位置在2-3缸催化器的后面，因此大大降低了EGR系统和进气系统产生积炭的可能。

废气被直接导入塑料进气管，为了不超过允许的温度，EGR管与其连接的法兰是隔热的。EGR管在进气管上的导入位置也有不同的方案，一种非常简单的方案在废气均匀分布和进气管所达到的表面温度上达到最佳。这种废气管的末端被封闭，而在其侧面有一个大孔，让废气逆着新鲜空气流动方向以稍微朝下的角度流出。借助于热红外线摄象来校验进气管壁上的温度分布。图14示出了在某个高EGR率试验工况点进气管表面的温度分布情况。试验已可靠地排除了因再循环废气较多而超过允许温度的可能性。同时，通过试验确定了进气压力/温度传感器的最佳位置，该传感器测量进气管中的压力和温度作为发动机的负荷信号，而所确定的传感器位置能够测量出与废气混合的新鲜空气具有代表性的温度。

9.燃油系统

在奥迪A2轿车1.6L汽油机上应用的是三柱塞高压燃油泵，在奥迪2.0L-FSI汽油机上已改用可按需调节供油量的单柱塞高压燃油泵，并悬挂安装在凸轮轴相位调节器的旁边。与前者相比，由于泵油量可按需调节，因此大大降低了高压燃油泵的传动功率。泵油量的调节是由集成在油泵上的电子控制油量调节阀来实现的，当高压腔内的燃油压力达到所要求的压力时，该调节阀就打开返回进油口的旁通油路，而膜片式压力阻尼器能够减小进油油路中的压力波动。这种高压燃油泵由位于进气凸轮轴轴端的凸轮传动，该凸轮上的两个凸起相差180°。由于两次相邻的喷射只有一次泵油行程，在第一次喷射后燃油共轨中的压力会减小，因此第二次喷射的喷油时间由发动机电控单元进行修正，以使第二次喷油仍能喷射出相同的燃油量。

与奥迪A4轿车上的FSI汽油机相比，这种新型高压燃油泵的进油油路是按需进行调节的，为此在低压进油油路中安装了一个压力传感器。由于燃油箱中的电动燃油泵只供应实际所必需的燃油量，因此减少了的传动电功率明显地降低了燃油耗。同时，还具有改变低压进油油路压力的可能性，在易发生汽阻危险的运转范围内(如热启动)，低压进油油路压力能够在短时间内从0.4MPa提高到0.5MPa。

1 0.燃烧过程

2.0 L-FSI汽油机的燃烧过程是在奥迪A4轿车原先所使用的FSI汽油机的基础上重新开发，采用了空气引导的燃烧过程，并应用无级调节的滚流阀将空气滚流引入燃烧室并导向活塞顶部(见图15-a)。这种方式能够实现均质充量运行，也能够实现分层充量运行(见图15-b)，由发动机电控单元根据负荷状况和加速踏板的位置操纵滚流阀的开关始终选择最佳的运转模式。在全负荷时，FSI汽油机通常以均质充量运行方式工作，而在部分负荷时，以分层充量运行方式工作，此时仅仅在火花塞附近聚集着易着火的化学计量空燃比，而在其余的燃烧室空间内充满着空气明显过量的稀薄混合汽，因此这种FSI燃烧方式具有很大的节油潜力。在这种运转方式中，燃油以22.5°的角度喷入燃烧室，恰好喷在火花塞的下方，因此油雾并不会与燃烧室顶部或活塞顶面接触，因而也称为“空气引导燃烧”方式。

由于活塞顶凹坑具有特殊的形状，燃烧室中占优势的滚流气流被向上引导到火花塞附近，燃油滴与空气之间具有很大的相对速度，从而形成了比较浓的混合汽，同时油雾和已汽化的燃油蒸汽也将被直接引导到火花塞。因此，与壁面引导燃烧方式相比，这种空气引导燃烧方式喷油器与火花塞之间的路程明显较短，因而反映到喷油和着火之间的时间间隔也明显短很多。

燃油束与被活塞顶凹坑向上引导旋转的滚流之间的相互作用对空气引导燃烧过程的可靠性具有决定性的作用。在FSI燃烧过程中，随着运转转速的变化，通常流动状况将会发生激烈的变化，但是通过改变喷油压力和滚流强度能使燃油和空气的流动始终处于最佳状态。由于燃油束以很平坦的角度喷入燃烧室，因此能够很早就开始喷油而不会沾湿活塞，这样就有足够的时间用于混合汽形成，使燃油在整个燃烧室内均匀分布，从而有助于燃烧室充量的均质化。全负荷均质运转时还能够在具有高抗爆燃性的同时，获得非常有效而又洁净的燃烧，降低了HC的排放。因此，这种空气引导燃烧过程能够在较大的转速和负荷范围内非常稳定地工作，并能够适用于未来的增压和高转速方案。

特别是在特性曲线场中，以上两种运转模式之间还能够实现一种以过量空气系数λ≈1.5运行的“均质稀薄燃烧”。这种模式不采用EGR运转，与分层运转模式相比，在平均有效压力较高的情况下NOx排放具有明显的优势。

1 1.发动机控制及其应用

为了在奥迪A3轿车上应用2.0L-FSI汽油机，将发动机电控系统MED7.1.1型改进成MED9.5.10型。这种发动机电控单元的配置和印刷电路板都是专门按照2.0L-FSI汽油机的要求设计的。由于采用了32位微处理器和新的印刷电路板布置，使MED9.5.10型电控单元具有更高的运算能力，而且未来还可以进一步开发出运算能力大大提高的控制功能。

同样，新开发的65V功率输出级代替迄今通常使用的90V功率输出级来驱动高压喷油器。这种新的功率输出级的成本较低，而且由于发热量较小，电控单元可以设计的更加紧凑。为了减少新的功率输出级的能量消耗，博世(Bosch)公司开发出了一种改进型HDEV1.1喷油器，减轻了开启阶段的运动质量，从而减少了所必需消耗的能量。这种喷油器的喷雾形状与纵置发动机上所使用的喷油器完全一样，开启特性的变化很小，但可通过改变喷油时间来补偿。

在FSI汽油机上第一次采用进气压力作为发动机负荷信号，这种压力-转速(p-n)控制模式可以取消通常使用的进气空气质量流量测量装置。除了EGR、可调式进气管和可连续调节的进气凸轮轴相位调节之外，还必须应用可连续调节的进气滚流阀，因此这种电控系统应用在2.0L-FSI汽油机上是迄今最复杂的程序。

模拟残留在汽缸中的残余废气，以及先前进入进气管经过进气过程又被吸入汽缸的废气是计算汽缸中空气质量重要的特性参数。同时，采集发动机负荷信号要应用下列传感器信号：①集成在发动机电控单元中的海拔高度传感器测量环境压力；②安装在进气管上的传感器测量吸入空气的温度；③节流阀位置传感器(在电子节气门上)；④通过进气管上的压力-温度复合传感器测量进气管中的温度和压力；⑤EGR阀位置传感器；⑥滚流阀位置传感器；⑦进气凸轮轴相位。(未完待续)