大众同平台发动机 液态气态双运行

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最前沿整机、整车技术与应用，欢迎您点击关注！

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CO