Volkswagen新型3缸1.0 L TGI双燃料增压发动机

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0 前言

Volkswagen扩展了其动力装置的产品型谱，从而完善了其动力总成的高效化与小型化。EA211发动机系列以其灵活性为发展压缩天然气(CNG)变型机提供了最佳的开发基础。为了用于新型模块化横置式标准组合部件(MQB)A0级平台上，已在3缸增压分层喷射(TSI)汽油机基础上开发了一种功率为66 kW和扭矩为160 N·m的新型1.0 L天然气发动机，并于2017年首次应用于新型Polo TGI轿车。这种新型Polo TGI轿车的双燃料运行使得用户能组合使用CNG和汽油行驶,低燃油耗(新欧洲行驶循环(NEDC)CO2排放为87 g/km)和较清洁的CNG燃烧利于环保并且可降低行驶成本。如果用户永远不使用天然气，那么就可仅使用传统汽油机的TSI模式运行。在Volkswagen的动力装置策略中，当今和未来对CNG的使用都是重要因素之一，它能与电驱动一同实现降低CO2排放。

1 Volkswagen的CNG车型

自2006年起，Volkswagen就开始提供天然气驱动车型，近10年来Volkswagen集团在各种不同汽车中不断推动该技术的应用，并在汽车适用性方面具有较高的应用价值，因此CNG车型设计方案都以节省空间结构为基础，采用在地板下布置天然气罐的设计，同时也不会减小车厢空间。

目前市场上有多种Volkswagen CNG车型。例如，Volkswagen推出的eco up车型搭载了功率为50 kW的1.0 L多点进气道喷射(MPI)发动机，其百公里的天然气消耗量为2.9 kg，因而其燃料成本仅为3欧元/100 km[1]。在MQB-A平台上使用了功率为81 kW，扭矩为200 N·m的1.4 L TGI发动机，这种增压汽油机被用作Golf轿车、Golf变型车和Caddy轿车的动力源[2]。Skoda、Seat和Audi等集团品牌也提供CNG车型，并且装配有集团公司的高效CNG装置。目前，Audi还提供一款2.0 L带涡轮增压的分层喷射(TFSI)发动机作为天然气发动机[3]。

2 新型1.0 L缸内直喷(TGI)发动机的开发目标

2014年的EA211-1.0 L TSI汽油机是开发1.0 L TGI发动机的基础，前者在设计时就已考虑了使用CNG运行所必需的硬件及其部件[4]。这种机型在近年来已成功地通过了众多试验，因此该款CNG变型机被寄予了很大的期望，这在开发目标上有所反映：(1)CO2排放低于90 g/km；(2)最低的原始排放；(3)灵活的行驶性能；(4)汽油运行不受双燃料设计的限制；(5)可低成本地应用于集团所有品牌车型；(6)满足最高品质要求和耐久性。

3 紧凑的基础发动机

采用排量为0.9 L的3缸发动机，继续实施其小型化策略，而利用EA211发动机标准组合部件能在Volkswagen全球生产链中组织低成本生产[5]。这种紧凑的轻量化机型的特点是采用了众多的创新方案：(1)镶铸灰铸铁气缸套的曲轴箱质量仅为15 kg；(2)减轻曲轴、活塞和连杆的质量；(3)优化主轴承和连杆轴承直径以减少摩擦；(4)曲轴箱气缸体和气缸盖采用双循环回路冷却；(5)排气歧管集成在气缸盖中；(6)集成整体式增压空气冷却器的进气管；(7)最高喷射压力为35 MPa的共轨喷射；(8)按特性曲线场调节的无级机油泵；(9)布置紧凑的无独立支架的辅助设备。

4 气缸盖和曲柄连杆机构

CNG机型仍采用镶铸GJL250灰铸铁气缸套的高强度曲轴箱,而气缸盖则针对CNG运行时的高要求进行了改进(图1)。进排气门座圈为了提高表面耐磨性而进行整体氮化。因排气门的温度较高而采用中空充钠排气门。进气侧的气门导管采用特别硬并且耐磨的高强度黄铜材料(Diehl 470HT)，而气门座圈则采用渗铜的烧结钢(AR20D)。

图1 1.0 L TGI发动机的气门机构

进排气凸轮型线的关闭斜坡部分在0.17 mm气门升程范围内被设计成平缓形状，可使气门缓慢关闭，从而减少磨损。气缸盖密封垫被设计成3层结构。在CNG燃烧时，点火线圈可供应更高的点火电压。

由于使用CNG运行时的峰值压力高达115 MPa，因此曲柄连杆机构必须进行部分重新设计(图2)。使用CNG运行时因气体压力较高，活塞环特别是第一道环与气缸套的摩擦增大，因而需对其耐磨性能进行重点优化设计，同样，连杆轴承也按更高的压力水平来进行调整。机油滤清器全部应用了人工合成材料。

图2 1.0 L TGI发动机的曲柄连杆机构

5 冷却循环回路和废气涡轮增压器

EA211发动机模块化基础方案已考虑到了总体上较高的温度水平，而增加燃气压力调节器仅需冷却系统进行微小修改。

1.0 L TGI发动机使用新开发的单流道废气涡轮增压器后就改用了集成在气缸盖中的排气歧管。涡轮增压器壳体采用奥氏体铸钢制成，而中间轴承壳体采用水冷方式。涡轮采用MAR-M 246镍基合金，它是按高机械负荷和热负荷而设计的，能承受高达1 050 ℃的废气温度。与1.0 L TSI汽油机一样，废气放气阀调节器是电动的。

6 优化催化转化器和加热型λ传感器

甲烷是一种化学性质非常稳定的物质，其转化温度要比汽油高约50～100 ℃。1.0 L TGI发动机所使用的催化转化器的几何尺寸与1.0 L TSI汽油机相同，但是为了获得最佳的甲烷转化率，不仅要优化涂层，而且要优化甲烷转化流量。

优化暖机排放和在该阶段使用λ分段控制方法的前提条件是使用一种加热型λ传感器(图3)。这种λ传感器通过电进行加热，可在发动机起动后最迟约10 s就能达到可调节的状态，在技术上是通过一种双层护套和传感元件的涂层化处理来实现的，废气中的水分不会危及到陶瓷传感元件。

图3 1.0 L TGI发动机的涡轮增压器与催化转化器

7 高度集成的发动机电控系统

1.0 L TGI发动机电控系统的特点是所有功能进行高度集成，包括使用汽油运行时的TSI工作过程控制、使用CNG运行时的MPI工作过程控制，以及燃气成分和电控燃气压力调节器的管理等。为了确定CNG质量流量，在共轨进口处应用了压力和温度传感器，而压缩天然气的液位则用燃气压力调节器进口处的压力传感器进行测量。

发动机电控单元借助于λ传感器来识别不同品质的天然气。低品质天然气的能量比高品质天然气低，电控单元能相应为这两种品质的天然气调整到合适的喷射持续时间。

8 电控天然气压力调节器

电控天然气压力调节器(图4)分两级将天然气压力从最大压力26 MPa降低到低压系统中的0.5～0.9 MPa(绝对压力)。第一级机械节流将天然气压力降低到约2 MPa，而第二级的电控电磁阀则继续将天然气压力降低到工作压力。

图4 1.0 L TGI发动机的电控天然气压力调节器

在机械式压力调节级中集成了由金属芯组成的阻尼式滤清器，这种结构能阻止可能导致振鸣干扰噪声的固定波形成。压力调节器中的压力降低会导致天然气的强烈冷却。在1.0 L TGI发动机上这种压力调节器被接入冷却液循环回路中进行预热，这样就避免对压力调节器进行冷却，并使天然气出口温度始终保持在-40 ℃以上。

9 用于天然气共轨系统的专门支承点

进气管上有用于天然气共轨系统的专门支承点，天然气喷射器被安置于每缸的进气道中。天然气罐与共轨之间的所有导管接头，未来将使用球面扩口连接，与紧固螺钉连接方式相比，该连接方式更具优势，而且使用成本更低。

10 工作过程和运行方式策略

新型1.0 L TGI发动机在日常运行中必须始终能按需求在天然气和汽油两种运行模式之间转换，其中保持扭矩不变并转换燃料运行对发动机标定提出了很高的要求。在使用CNG运行时因受到系统的限制会产生动力性方面的缺陷，因为一方面几乎在所有条件下其废气温度都会低于使用汽油运行时的废气温度，另一方面因向进气管喷射CNG使其进气供应量要比使用汽油运行时约少15%(表1)。

表1 天然气/汽油的主要特性比较及其使用CNG的效果

为了达到与使用汽油运行时相同的全负荷特性曲线，使用CNG运行时将增压压力以0.03 MPa提高到0.23 MPa(绝对压力)，与此同时将点火时刻往前调整，而较小的增压器可帮助快速建立起增压压力。

只要CNG罐中有天然气，在冷却液温度高于-10 ℃的情况下TGI发动机从起动开始就可使用CNG工作，而在更低温度下则使用汽油起动，此时首先应在CNG压力调节器关闭的情况下将CNG喷射器稍微开启，使CNG共轨处于直空状态。然后将CNG喷射器通电加温直至达到其运行温度并能可靠地开启，之后就转换到采用CNG的状态运行。

即使在加注CNG后发动机也首先要使用汽油运行。一旦λ调节功能被激活，并至少有140 mL汽油冲洗过无回油汽油高压泵(HDP)油腔，就可转换到使用CNG运行。如果汽车在加注CNG之前使用汽油行驶的话，那么在使用λ调节功能后就可立即转换到使用CNG运行，因为在转换之前HDP油腔已被冲洗过。从汽油转换到CNG运行历经不到1 s。若实施转换的话，则要查明CNG品质，从而正确地对混合气进行预控制。当这种匹配调整好后，直至下一次加注CNG为止，1.0 L TGI发动机在高于-10 ℃的温度下的每次起动过程都使用CNG运行。

11 CNG运行时对催化转化器的挑战

为了达到尽可能低的废气排放，一方面催化转化器应尽可能快地加热到起燃温度，另一方面在发动机低负荷时应使催化转化器保持在转化温度以上，这对于催化转化器设计而言是较大的挑战，因为使用甲烷运行时的转化温度要比使用汽油运行时的转化温度高100 ℃，而使用甲烷运行时燃油耗最低时的废气温度却要比使用汽油运行时低。

冷起动后的第一步就要进行常规的催化转化器加热，为此所需的调晚点火提前角及转速提升会使效率恶化，从而导致CO2排放随之增加，因此开发的目标是要使该运行方式尽快进行，以便快速恢复到效率最佳的运行状态。

图5 相对燃油耗随入调节方法的变化对比

为此，首先在1台3缸机上采用λ分段控制方法，这样就能使效率几乎没有变化(图5)，这就意味着两个气缸采用浓混合气运行，而另一个气缸则采用稀混合气运行，所有气缸的总λ仍等于1。此时，加浓运行的气缸形成CO，在催化转化器中被转换成放热反应，CO的转化温度明显低于甲烷的转化温度。如果在常规加热情况下就能达到CO的转化温度，那么就仍然在λ分段控制状态进行转换。即使在低负荷工况下也能使用该功能达到甲烷转化温度。

12 新型POLO轿车上无需保养的CNG罐

由于MQB的灵活性，使得在中部和后部底盘范围内进行特殊布置的方案得以实现。虽然在该处除了量产的汽油箱之外还附加两个总容积为75 L的圆柱形CNG罐，但是并不会影响到行李舱的容积。

玻璃纤维加强的热塑性塑料托盘被用作为高强度钢CNG罐的支承装置(图6)，该塑料托盘通过压制而成，且质量较轻，能确保CNG罐抗碰撞性。为了获得最大的抗腐蚀能力，它们在喷砂处理后喷镀锌和环氧附着表面，并涂敷粉末面漆。该CNG贮气罐无需保养，并且应遵守4年内的检查间隔要求，使其能在整个车辆使用寿命期内安全使用。

图6 Polo TGI发动机的CNG布置

13 低燃油耗和长的行驶里程

Polo TGI轿车驾驶员可在组合仪表上的多功能显示器上读出运行模式、CNG品质、CNG罐充气状况、瞬时和平均燃油耗，以及剩余的行驶里程等相关参数。除了显示汽油存油状况之外，还能显示CNG罐中CNG储备状况信息。在历经45个月后就会显示需进行CNG装置检验的提醒。CNG充气接管与汽油加油接管一起置于汽油箱盖后面，使免维护的颗粒过滤器保护系统不受污染。

无论是使用CNG还是使用汽油运行，1.0 L TGI发动机都能输出66 kW的功率，在1 900～3 500 r/min转速区域能持续提供160 N·m的扭矩(图7)。Polo TGI轿车采用5档变速器，从0～100 km/h的加速过程需11.5 s，并且最高车速能达到185 km/h。

图7 1.0 L TGI发动机的速度特性曲线

使用CNG行驶的NEDC平均耗气量为百公里3.2 kg，相当于CO2排放为87 g/km，此时的行驶里程为390 km，使用汽油运行还能继续行驶930 km，因而总行驶里程可达到1 320 km。

14 结语

Volkswagen开发的1.0 L TGI发动机可用于其集团品牌车型，是一种既经济又环保并有较高使用灵活性的动力装置。MQB-A0级平台证实了天然气动力装置的重要意义。较低的废气排放、合乎时代要求的动力性能和低廉的使用成本为用户提供了实际的好处。

Volkswagen的CNG策略对Polo TGI轿车起着重要的作用，也包括使用可持续产生的生物甲烷，该燃料已被证实对环境无害。在当前背景下，CNG汽车能成为纯电动车(BEV)和插电式混合动力车(PHEV)方案的理想补充之一。