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1 40多年的5缸机传统

1976年，Audi公司的100-5E型轿车搭载了功率为100 kW的2.0 L 5缸自然吸气汽油机，经历了很长的使用周期后，又开发出了与废气涡轮增压器相组合的派生机型。1980年，功率为147 kW的直列5缸涡轮增压汽油机搭载于Audi公司的Quattro配置的轿车上，该机型的最高功率为232 kW，曾搭载于RS2 Avant轿车上。2009年，5缸涡轮增压汽油机搭载于Audi系列轿车之前，曾在1997年搭载于S2型和S6型轿车上[1-2]。在直列5缸涡轮增压汽油机的发展历史中，其第一代紧凑型横置式机型曾连续7次在著名的“国际年度发动机”中获得发动机奖。目前，这种机型仍用于RS3 Sportback型和RS Q3型轿车上，并在此基础上重新进行了开发[3]。

2 开发目标

新机型的开发目标为：显著提高动力学性能、驾驶灵活性和加速响应特性；显著减轻前桥上的质量以提高汽车动力学性能；再次缩短结构空间；降低CO2排放量，满足未来废气排放标准。

3 发动机技术重点简介

第二代直列5缸燃油分层喷射(TFSI)增压汽油机进行了全新改进，进一步改善了发动机内部摩擦，并通过广泛使用轻型结构材料显著减轻了新机型的质量，其中铝气缸体曲轴箱、铝油底壳上件、质量优化的曲轴，以及包括铝扭转振动减振器在内的单根多V形槽皮带传动等起到了决定性的作用。按照DIN GZ标准，其质量总共减轻了26 kg。各方面减轻质量的潜力归纳于图1。

为了改善扭矩特性，重新开发时匹配了新的废气涡轮增压器和Audi可变气门升程系统(AVS)，还开发了可调式冷却液泵，用于控制发动机热流热管理，采用这种方法能在暖机阶段切断冷却液进入发动机。

为了达到未来欧6废气排放标准的要求，配装了Audi燃油分层喷射(FSI)+多点喷射(MPI)的缸内和进气道组合喷射系统。这种喷油方式的灵活性既能减少颗粒物排放又能降低燃油耗，而且还有可能在全负荷范围内通过组合喷射使用更大的喷油量，而且无需加大高压喷油器的动态流量范围。

图1 按照DIN GZ标准的新机型相对于原机型的质量减轻潜力

表1列出了最重要的尺寸和特性参数，并以TT RS型轿车为基础对这两代机型进行比较。通过使用单根皮带传动和减小定时链条宽度使新机型的安装长度比原机型缩短了2.5 mm，第二代直列5缸TFSI增压汽油机以493 mm绝对长度可纳入传统的直列4缸机范围内(图2)。

表1 两代直列5缸TFSI增压汽油机的主要尺寸和特性参数

图2 直列5缸TFSI汽油机的总长度

4 气缸体曲轴箱

气缸体曲轴箱箱体由AlSi7MgCu0.5铝合金制成，并采用金属模翻转浇注法铸造，其主要优点除了减轻质量之外还大大改善了燃烧室中的热量散发，在现有的119 kW升功率情况下有助于提高点火稳定性。这种气缸体曲轴箱被设计成深裙结构。为了提高轴承座的强度，采用GJS700球墨铸铁，主轴承盖在剖分面上进行了激光处理，由此提高摩擦系数，降低了轴承座中的应力负荷。主轴承盖本身从两侧面用螺栓拉紧，被横向拉紧在轴承座内部。全新设计的曲轴箱通风加强了轴承座强度，现在的曲轴箱通风途径是经过链条盒导向气缸盖的，而不像原机型那样穿过轴承座，这样就同时改善了分离机油的曲轴箱通风功能。

Audi公司首次采用大气等离子喷镀法(APS)进行气缸工作表面涂层。这种铁-碳涂层与优化的珩磨相结合提供了全球车辆使用所需的耐磨性。在5.5 mm气缸“鼻梁”宽度和150 μm涂层厚度情况下，这种工艺方法提供了冷却气缸“鼻梁”的可能性。与灰铸铁气缸套结构型式相比，通过使用APS涂层的气缸“鼻梁”温度降低了30 ℃。APS涂层应用于生产中，在实施等离子涂层之前气缸套表面被机械打毛，紧接着通过在齿形轮廓表面上的喷涂形成了由等离子火焰熔融的喷涂粉末与基质之间的紧密结合。图3示出了这种气缸体曲轴箱的微小结构。

图3 第二代直列5缸TFSI汽油机的气缸曲轴箱

5 曲柄连杆机构、活塞组和油底壳

高的燃烧室压力对曲轴传动强度提出了更高的要求(图4)。调质锻钢曲轴采用42CrMoS4合金钢制成，轴颈部位被感应淬硬，并对曲柄臂的过渡圆角进行滚压硬化。为了减轻质量，在连杆轴颈中钻孔，并用1个长油孔通往主轴承。此外，为了减少摩擦和优化机油的渗透，主轴承直径从58 mm减小到52 mm，并减轻了8%的质量，但是抗扭强度却提高了24%。

图4 第二代直列5缸TFSI汽油机的曲轴传动和活塞组

Audi公司在汽油机中首次使用了具有机油冷却通道的活塞，从而使活塞顶最高温度降低约30℃。为了优化活塞销座范围和无衬套连杆小头孔的承载能力，采用了单一涂层的活塞销。

扭振减振器采用铝加工成型方法制造，用1个浮动支承在硅油中的铸铁环，附加在外壳前侧面的散热片可使部件的温度最多降低20 ℃，从而确保了能量的吸收。

油底壳上件是减轻质量的1个组件，采用Audi公司自己的铸造厂中用MgAlRE-2合金制成的。在设计时特别注意通过附加的螺栓紧固在主轴承盖上，使其以最大的刚性连接在气缸体曲轴箱上。在该零件上还集成了机油托盘，重新设计的油底壳结构和发动机通风系统，能使其在赛车路段行驶时无需应用干式油底壳。发动机是针对高达1.3 G加速度进行优化的。

6 链传动

位于变速器侧的正时传动机构采用了两种不同型式的链条(图5)。转速较高的机油泵集成在第一级链传动中，为了减少摩擦损失，体积流量可调式机油泵采用叶片式泵。带有凸轮轴相位调节器的两根凸轮轴、机械式真空泵和高压燃油泵通过中间轴由第二级链传动驱动。两级链传动都配备了液力阻尼链条张紧器。

图5 第二代直列5缸TFSI汽油机的链传动布置

高压燃油泵是从气缸体曲轴箱装入链传动中的，这对凸轮轴相位调节力矩和气门机构动力学带来了明显的优点。此外，因高压燃油泵直接安装在气缸体曲轴箱上形成了极其刚性的结合，为未来燃油压力的提高作好了准备。第一级链传动采用了摩擦优化的接片轮廓形状的齿形链条，而第二级链传动则使用了滚柱链条。与原机型上的3/8 in*为了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。的几何尺寸相比，通过使用2条8 mm长度的链条，在保持强度性能的同时降低了安装高度。

7 气缸盖及其AVS系统

Audi公司重新设计了第二代直列5缸TFSI汽油机的气缸盖方案。考虑到气缸的峰值压力负荷，为了优化密封燃烧室，使用了14.9超强力度等级的气缸盖螺栓及5层气缸盖密封垫。高的废气渗透能力需要应用1个集成在气门弹簧座圈中的气门杆密封圈。

气缸盖结构设计的变化主要涉及凸轮轴的支承方案，这款发动机的凸轮轴首次完全集成在气缸盖罩上，不仅装配方便，而且绝无任何遮挡。

这种新型直列5缸TFSI汽油机首次在排气门侧应用了两级Audi AVS系统。与Audi现有的直列式汽油机上使用的AVS相比，新款机型的基础轴支承在凸轮轴轴承上，气缸之间的凸轮轴轴承确保了这种系统紧凑的结构型式。这种两级AVS系统能在200°CA(用于达到低部分负荷时适度的燃油耗)和270°CA(用于获得快速的加速响应特性和高功率)气门开启持续时间之间进行转换。采用双滑块调节单元作为执行机构。

8 发动机摩擦

设计开始时所确定的相对于原机型降低摩擦功率的目标主要通过多种措施来实现，包括：(1)曲柄连杆机构的支承，主轴承直径从58 mm减小到52 mm；(2)活塞组，降低活塞环预张力、加大活塞间隙和APS涂层；(3)单根多槽V形皮带传动；(4)采用可调式冷却液泵和气缸盖中零件温度传感器进行热管理。

所有这些措施组合使用在基础发动机上，使得发动机转速为2 000 r/min时的摩擦平均压力降低12%。

9 进气系统

在设计进气管路时最主要的是效率和流量特性。在最大空气流量高达1 200 kg/h的情况下，利用最大可能的燃烧室横截面积，以及尽可能采用短且直接的空气管路是具有决定性作用的。图6示出了新机型空气进气系统的布置状况。

图6 进气空气系统布置图

增压空气侧的主要损失出现在增压空气冷却器上。通过优化外部冷却空气质量流量就能获得增压空气冷却器内部分层方面的自由度。由于消除了增压空气冷却器内部的节流，整个增压空气路段在最大流量时的压力损失就能优化到13.5 Pa，增压空气冷却器的结构在全负荷运行时的效率达到了80%以上。

进气管是两段式的砂型铸件。集成在进气管中可气动调节的滚流调节装置与滚流进气道相结合就能获得最佳混合气均质化所必需的充量运动。

10 废气系统

废气系统由众多部件组成，包括排气歧管-废气涡轮增压器模块、近发动机前置催化转化器、带有隔板的双通道前接管、可选用的地板下催化转化器及其紧接着的中间消声器和带有两根尾管的尾管消声器。

在废气侧最重要的部件排气歧管-废气涡轮增压器模块的新设计方案中，增压器转子的旋转方向与之前相反。经过流动和换气方面多次优化后，如图7所示，“附加”气缸的连接改为废气“单独引入”方式。

图7 废气涡轮增压器模块

废气涡轮增压器的压气机和涡轮能在宽广的运行范围内具有高的效率。水冷却和外部供应机油的增压器轴承壳在发动机停机后由1个附加水泵进行冷却，以保护其免受高温损害。此外，通过模型支持的废气温度调节，使得在所有的运行条件下确保不超过允许的最高废气温度1 000 ℃。由1.4849品质等级铸钢制成的排气歧管-废气涡轮增压器模块采用经Audi公司试验过的卡式法兰技术紧固在气缸盖上。

11 燃烧过程

开发目标是要将升功率提升到119 kW，并利用尽可能宽广的转速范围直至较高的平均压力水平，这就对燃烧过程提出了最高的要求。

燃烧过程开发的基础是最新一代的直列4缸2.0 L TFSI汽油机[4-5]。通过FSI/MPI组合喷射系统达到最佳的混合气准备(图8)，采用高达25 MPa燃油压力实现缸内直接喷射，以及进气道接近进气门多点喷射。与进气侧充量运动调节阀板相组合在选择喷油参数方面高的自由度能降低颗粒物的排放，以满足未来的废气排放限值。活塞顶简单的几何形状为达到高升功率提供了基础。

图8 燃烧过程示意图

12 功率和扭矩的提高

虽然Audi公司所开发的直列5缸2.5 L TFSI汽油机缸内平均压力达到了2.35 MPa，在此领域内已是最高水平，但是进一步开发的目标要达到2.43 MPa，为此必须对决定功率的系统进行广泛的改进。

在低转速范围内，FSI喷射能将换气与混合气准备分开来。与进排气凸轮轴相位调节及通过AVS系统进行排气门动作持续时间调整相结合，就能大大减少残余废气。

在低转速范围内力争保持高充气效率的前提条件是要在小的废气质量流量下产生足够的涡轮功率。通过改进排气歧管的设计降低压力损失，并将增压器转子旋转方向反过来以最佳地利用涡轮的排气脉冲。小的残余废气份额、良好的混合气均质化、改善热量从燃烧室中排出，以及由此减小的爆燃倾向，使得能保持用于这种增压度的高压缩比达到10.0。

对于这种高功率发动机的高转速范围而言，相互协调和压力损失优化的进气管路、增压空气管路和废气管路是起决定性作用的。带有平坦活塞顶面的燃烧过程能减小空气侧的机内损失，而按比例分配的多点喷射保障了最大功率所需燃油量的准备，并降低了发动机的爆燃倾向。

13 试验结果及其比较

通过FSI/MPI组合喷射系统、智能型热管理，以及与AVS系统相结合，借助于废气涡轮增压器的重新设计，使该机型最大功率从265 kW提高到294 kW(转速5 850～7 000 r/min)，同时最大扭矩不仅从465 N·m提升到480 N·m，而且其转速范围扩展到1 700～5 800 r/min。新机型效率的提高不仅表现在性能的增益上(图9)，而且也体现在所达到的节油效果上。

图9 第二代与第一代直列5缸TFSI汽油机功率和扭矩特性曲线的比较

14 行驶性能和燃油耗

在配备7档双离合器变速器的Audi新型TT RS轿车上，这种新型直列5缸汽油机扭矩和功率的提高改善了最新一代超级运动型轿车领域的行驶性能，0～100 km/h的加速仅用时3.7 s。

这种加速性能令人印象深刻，但是也能使用经济的行驶方式，新型TT RS轿车187 g/km的CO2排放量处于非常低的水平，比原机型降低了10 g/km。

15 结语和展望

Audi公司新开发的直列5缸TFSI汽油机在5缸增压汽油机的传统历史上又树立了新的里程碑。通过持续不断地挖掘轻型结构的潜力，并与降低摩擦的措施相结合，以及采用适当的增压和喷油技术，开发出了高功率机型，它使奥迪TT RS型轿车在降低燃油耗和CO2排放的同时，使其行驶性能和驾驶乐趣达到了超级运动型轿车的水平。这种新型直列5缸TFSI汽油机是RS级轿车上首款新一代横置式高功率汽油机。

参 考 文 献

[1] Böhme J, Müller H, Ganz M,u.a. Der neue 2.5-liter-TFSI-fünfzylinder-motor für den Audi TT RS[C].30. Wiener Motorensymposium,2009.

[2] Böhme J, Eiser A, Ganz M, u.a. Der neus fünfzylindermotor für den Audi TT RS[J]. MTZ,2010,71(5):304-313.

[3] Pelzer A, Mendi G, Dengler S, u.a. The new Audi 2.5 L TFSI five cylinder engine for the new Audi TT RS-a lightweight design high performance engine[C].25th. Aachener Kolloqulum Fahrzeugund Motorentechnik,2016.