[杂谈] 不再一味缩减排量？评大众新1.5T发动机

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• 第1页：可变几何截面涡轮、12.5:1高压缩比

• 第2页：米勒循环、缸壁减摩涂层、高压喷嘴

            1可变几何截面涡轮、12.5:1高压缩比
　　[汽车之家 发动机技术]  大众EA211 1.5L TSI Evo发动机（下称“大众1.5TSI发动机”）在今年的维也纳车展上首次发布，它将取代大众EA211 1.4TSI发动机成为大众集团旗下一款新主力机型。大众1.5TSI搭载了众多在业内领先的涡轮增压汽油发动机技术配置，包括12.5:1的高压缩比、可变几何截面涡轮、喷射压力达350bar的燃油喷嘴以及能提高燃油经济性的米勒循环等。众多技术“加持”使得这款1.5TSI发动机的热效率达到37.5%，达到行业领先水平。除此以外，这款发动机也体现了欧洲厂商的发动机技术路线由小排量化（Downsizing）向适度小排量化（Rightsizing）转变。究竟这款1.5TSI发动机有怎样的特点，下面我们一起来先睹为快。

● 排量增大，动力减弱，难道这是技术的倒退？
　　大众1.5TSI比其前辈EA211 1.4TSI发动机排量大了0.1L，但是峰值扭矩却降低了25牛·米。难道这是技术的倒退？实际上并非如此。这款1.5TSI发动机的设计目标是保证与EA211 1.4TSI发动机同等动力输出性能的同时，满足未来更为严格的排放法规以及进一步降低油耗。从大众这款1.5TSI发动机可以看出，欧洲厂商的发动机技术路线已经由过去的小排量化（Downsizing）向适度小排量化（Rightsizing）转变。适度小排量化的发动机能够保持同等级小排量发动机的动力输出，拥有更好的燃油经济性和排放水平。同时，通过结合热效率更高的米勒循环工作模式，有利于未来搭配电动机组成混合动力系统，为混合动力汽车大规模市场化做准备。

1.5TSI和1.4TSI动力输出参数对比
名称	EA211 1.5TSI 标准功率版	EA211 1.4TSI 标准功率版	EA211 1.5TSI 高功率版	EA211 1.4TSI 高功率版
最大功率	131马力/4750-5500rpm	131马力/5000-6000rpm	150马力	150马力/5000-6000rpm
峰值扭矩	200牛·米/1300-4500rpm	225牛·米/1500-3500rpm	官方未公布	250牛·米/1750-3000rpm

　　想要降低排放和油耗，提升发动机热效率是关键一步。那么什么是热效率呢？发动机燃烧汽油所产生的能量并非全部用于驱动车辆，有很大一部分能量会以热能或动能形式损失掉。发动机热效率指的是发动机利用燃料热能的有效程度。发动机热效率越高，燃烧燃料产生的能量就有更多用于驱动车辆，这有利于降低油耗和排放。大众称这款全新1.5TSI发动机的热效率达到37.5%，百公里油耗将会比EA211 1.4TSI发动机少1L，同时排放水平能够满足欧VI甚至更严格的排放标准。

　　从参数中我们也可以看到，大众1.5TSI发动机的峰值扭矩在1300rpm时就能发出，整个峰值扭矩平台也更加宽广，这使得发动机拥有更为出色的动力输出响应表现。

　　大众1.5TSI发动机除了在更低转速就能输出最大扭矩，输出响应速度也有所提升。如上图所示，相比EA211 1.4TSI发动机，1.5TSI发动机达到目标扭矩输出的速度快了35%。

● 可变几何截面涡轮增压器
　　可变几何截面涡轮增压器，英文为“Variable Turbine Geometry”，缩写为“VTG”。VTG涡轮增压器能够通过涡轮内部的可变废气导流叶片改变涡轮排气侧横切面积，从而改变涡轮增压器的工作特性。

　　为了应对汽油发动机的高温废气，保时捷997 Turbo上的两个可变几何截面涡轮采用了航空材料制造，保证在极端状况下也能稳定地工作。

　　对于非VTG涡轮增压器，发动机在低转速下，排出的废气流速/流量较低，无法有效提升涡轮转速，从而产生“迟滞现象”，低扭输出表现欠佳。过往为了解决涡轮增压器迟滞问题，一般会采用小型低惯量涡轮增压器。虽然这种涡轮增压器能很好地提升发动机低扭表现，削弱涡轮迟滞现象。但与大型涡轮相比，它不利于高转速下产生大功率。而VTG涡轮增压器在低转速时可有效提升涡轮转速，缓解涡轮迟滞现象，增强涡轮增压器的响应性能，同时也可在高转速下提升发动机的功率输出。

　　对于可变截面涡轮增压器也是同样的道理，在发动机低转速工况下，废气流速/流量较低，通过缩小废气流通截面积，可以使废气流速加快从而增强驱动涡轮叶片的废气动能，让涡轮转速更快地提升，增强发动机低扭表现。

　　但如果保持较小的涡轮废气流通截面积，到了发动机高转速区间，涡轮入口处较小的截面积导致排气阻力增大，不利于发动机高转速下动力输出的提升，对发动机的最大功率和峰值扭矩都有不利的影响。为了保证发动机高转速下的动力输出，VTG涡轮增压器通过可变废气导流叶片增大涡轮废气流通截面积，减小排气阻力，有利于“压榨”发动机高转速下的动力输出。

　　通过电控系统的监控，VTG涡轮增压器涡轮内的废气导流叶片能够实现涡轮入口横切面积的无级调节，从而根据发动机的转速和工况设定最为合适的横切面积，实现增压效率的最优化。
● 可变几何截面涡轮增压器成就了12.5:1高压缩比
　　VTG涡轮增压器的作用不仅仅在于优化动力性能，它对于燃油经济性也有非常大的影响。请不要忘记，1.5TSI发动机是一款拥有12.5:1高压缩比的涡轮增压发动机。良好的爆震控制是提高压缩比的基础。而要抑制爆震这个“淘气”的家伙，要做的就是降低气缸内的温度，避免炙热的气缸壁在火花塞点火前引燃混合气产生非正常燃烧。

　　为降低残留在气缸中废气比例，大众1.5TSI发动机通过动态控制VTG涡轮增压器的废气导流叶片，在高负载工况下保持进排气压差为正（进气压力>排气压力），从而降低残留废气比例，使12.5:1高压缩比在1.5TSI发动机上成为可能。
2米勒循环、缸壁减摩涂层、高压喷嘴
● 增强滚流强度是提升米勒循环效率的保证
　　我们此前在拆解创驰蓝天发动机的时候已经解析过米勒循环（点击查看相关文章）。简单来说，米勒循环就是膨胀比>压缩比（实际压缩比）的发动机工作模式。通过在发动机压缩行程中，延迟进气门关闭时间，把进入气缸的部分空气“挤出”气缸，从而使实际压缩比小于几何压缩比（1.5TSI发动机的几何压缩比为12.5:1）。米勒循环更长的做功行程使得混合气燃烧的能量能够更多地转化为活塞上下运动的动能，从而提升发动机的热效率，降低发动机燃油消耗率。

　　配备高压缩比以及米勒循环的大众1.5TSI发动机的热效率达到37.5%。该发动机的热效率和近期炙手可热的本田思域上搭载的L15B 1.5T 38%的热效率也较为接近。此前的涡轮增压汽油发动机热效率冠军——丰田的8NR-FTS 1.2T和8AR-FTS 2.0T（热效率为36.2%）已成历史。
● 调整更快速的油压式进气门正时调节器
　　米勒循环对于进气门正时调节器的调节速度有较高的要求。我们在拆解马自达创驰蓝天发动机的时候注意到，其进气可变气门正时调节器是一个电机，相比常见的油压式正时调节器，电机的工作不受机油流动性影响，调节速度快速且精确，是马自达创驰蓝天发动机实现米勒循环工作模式的关键部件。

　　而大众1.5TSI发动机实现米勒循环并没有采用这种电机正时调节器，而是通过优化油压式进气门正时调节器的油路和控制机构实现进气门正时的快速精确调节。系统优化后，大众1.5TSI发动机的进气门正时调整时间小于0.25秒，可以在米勒循环和奥托循环之间实现快速切换。
● 更高的燃油喷射压力提升燃效、降低排放
　　大众EA211 1.4TSI发动机的燃油喷射压力为200bar，而全新的1.5TSI发动机的燃油喷射压力提升至350bar。提升喷射压力能够增强燃油雾化效果从而提升燃效，同时更大限度地限制颗粒物排放。

　　欧VI排放标准将在2017年9月全面实施，而中国国V标准也将在2018年1月1日在全国正式推行，对尾气排放以及油耗指标的更高要求使得喷射压力更高的直喷系统将成为涡轮增压缸内直喷发动机的一个重要技术升级方向。显然，敏锐的大众早就意识到这一点并提前做好了准备。
● 用等离子体喷涂法喷涂的缸壁减摩涂层
　　提到降低活塞环和气缸壁之间的摩擦阻力，业内较为常见的是采用低张力活塞环、在气缸壁加工出能够改善润滑条件的平顶网纹等措施。而大众1.5TSI发动机则采用等离子体喷涂法（Atmosphere Plasma Spray，简称“APS”）在气缸壁喷涂了一层减摩涂层。

　　喷涂物是一层铁的氧化物，在进行缸筒桁磨后，涂层厚度约为100-180微米。这层涂层相当于固体润滑剂，可起到降低活塞环和气缸壁之间摩擦的作用。
● 电控冷却模块 & 变排量机油泵
　　在EA211 1.4TSI发动机上，发动机热管理系统采用的是两个传统石蜡型节温器，这两个节温器的开启温度不相同，可以对缸盖和缸体的冷却液实施差异化管理。控制缸体水道的节温器开启温度更高，缸体正常工作温度会高于缸盖，这样可以降低曲柄连杆机构的内部摩擦。而工作温度更低的缸盖自然是为了降低燃烧室温度，从而对抑制爆震提升燃烧效率有所裨益。

　　1.5TSI发动机则采用了更为先进的电控冷却模块，使用电控装置取代了EA211 1.4TSI发动机上的传统石蜡型节温器，可以更为精确地控制缸盖和缸体的冷却强度，从而提升冷却系统的工作效能并提升燃油经济性。

　　此外，该发动机也与现在一些主流发动机一样配备了变排量机油泵，根据发动机转速来确定机油泵送量，从而避免低转速下的泵送不足和高转速的过度泵送，在优化发动机内部润滑的同时，可一定程度提升发动机燃油经济性。
● 可变气缸技术
　　大众1.5TSI发动机同样配备了可变气缸技术，通过切换凸轮轴停止2缸和3缸的工作（气门关闭不喷油），降低了车辆中低负载工况下的燃油消耗率最高达20%。

　　国内装车的大众EA211 1.4TSI发动机都取消了可变气缸技术，引进国内的大众1.5TSI很大机会也会取消该配置。
● 哪款车型将率先“尝鲜”
　　预计在2017年上市的第八代高尔夫将成为首款搭载1.5TSI发动机的车型。随后，该1.5TSI发动机将会搭载到现在采用EA211 1.4TSI发动机的车型之上。

　　大众1.5TSI发动机将会为大众旗下的小型车、紧凑型车以及中型车提供更敏捷的加速反应、更低的尾气排放以及更好的燃油经济性，以迎接越发激烈的市场竞争。
全文总结：
　　大众1.5TSI发动机的最大亮点是把12.5:1高压缩比、可变几何截面涡轮以及米勒循环结合起来，使得该发动机在动力输出特性得到优化的同时在热效率上同样有所提升。大众1.5TSI发动机通过可变几何截面涡轮在宽广的转速范围内让进排气压差处于正值，增强扫气效果，降低残留废气量，抑制爆震，让发动机稳定工作在高压缩比之下。这是该款新型发动机设计的精妙之处。此外，仅通过优化进气门正时调节器油路和控制机构就实现了进气门正时的快速精确调节，从而实现米勒循环和奥拓循环的切换。通过优化成熟技术，能够进一步降低量产成本，体现着大众在机械设计、系统整合以及成本控制方面的优势。这款发动机预计在今年年底推出，中国是否能同步推向市场，我们拭目以待。（图/文 汽车之家 常庆林）