不再一味縮減排量？評大眾新1.5T發動機

　　[汽車之家 發動機技術]  大眾EA211 1.5L TSI Evo直列四缸渦輪增壓發動機（下稱“大眾1.5TSI發動機”）在今年的維也納車展上首次發布，它將取代大眾EA211 1.4TSI發動機成為大眾集團旗下一款新主力機型。大眾1.5TSI搭載了眾多在業內領先的渦輪增壓汽油發動機技術配置，包括12.5:1的高壓縮比、可變幾何截面渦輪、噴射壓力達350bar的燃油噴嘴以及能提高燃油經濟性的米勒循環等。眾多技術“加持”使得這款1.5TSI發動機的熱效率達到37.5%，達到行業領先水平。除此以外，這款發動機也體現了歐洲廠商的發動機技術路線由小排量化（Downsizing）向適度小排量化（Rightsizing）轉變。究竟這款1.5TSI發動機有怎樣的特點，下面我們一起來先睹為快。

● 排量增大，動力減弱，難道這是技術的倒退？

　　大眾1.5TSI比其前輩EA211 1.4TSI發動機排量大了0.1L，但是峰值扭矩卻降低了25�！っ住ｋy道這是技術的倒退？實際上并非如此。這款1.5TSI發動機的設計目標是保證與EA211 1.4TSI發動機同等動力輸出性能的同時，滿足未來更為嚴格的排放法規以及進一步降低油耗。從大眾這款1.5TSI發動機可以看出，歐洲廠商的發動機技術路線已經由過去的小排量化（Downsizing）向適度小排量化（Rightsizing）轉變。適度小排量化的發動機能夠保持同等級小排量發動機的動力輸出，擁有更好的燃油經濟性和排放水平。同時，通過結合熱效率更高的米勒循環工作模式，有利于未來搭配電動機組成混合動力系統，為混合動力汽車大規模市場化做準備。

　　想要降低排放和油耗，提升發動機熱效率是關鍵一步。那么什么是熱效率呢？發動機燃燒汽油所產生的能量并非全部用于驅動車輛，有很大一部分能量會以熱能或動能形式損失掉。發動機熱效率指的是發動機利用燃料熱能的有效程度。發動機熱效率越高，燃燒燃料產生的能量就有更多用于驅動車輛，這有利于降低油耗和排放。大眾稱這款全新1.5TSI發動機的熱效率達到37.5%，百公里油耗將會比EA211 1.4TSI發動機少1L，同時排放水平能夠滿足歐VI甚至更嚴格的排放標準。

　　從參數中我們也可以看到，大眾1.5TSI發動機的峰值扭矩在1300rpm時就能發出，整個峰值扭矩平臺也更加寬廣，這使得發動機擁有更為出色的動力輸出響應表現。

　　大眾1.5TSI發動機除了在更低轉速就能輸出最大扭矩，輸出響應速度也有所提升。如上圖所示，相比EA211 1.4TSI發動機，1.5TSI發動機達到目標扭矩輸出的速度快了35%。

● 可變幾何截面渦輪增壓器

　　可變幾何截面渦輪增壓器，英文為“Variable Turbine Geometry”，縮寫為“VTG”。VTG渦輪增壓器能夠通過渦輪內部的可變廢氣導流葉片改變渦輪排氣側橫切面積，從而改變渦輪增壓器的工作特性。

　　為了應對汽油發動機的高溫廢氣，保時捷997 Turbo上的兩個可變幾何截面渦輪采用了航空材料制造，保證在極端狀況下也能穩定地工作。

　　對于非VTG渦輪增壓器，發動機在低轉速下，排出的廢氣流速/流量較低，無法有效提升渦輪轉速，從而產生“遲滯現象”，低扭輸出表現欠佳。過往為了解決渦輪增壓器遲滯問題，一般會采用小型低慣量渦輪增壓器。雖然這種渦輪增壓器能很好地提升發動機低扭表現，削弱渦輪遲滯現象。但與大型渦輪相比，它不利于高轉速下產生大功率。而VTG渦輪增壓器在低轉速時可有效提升渦輪轉速，緩解渦輪遲滯現象，增強渦輪增壓器的響應性能，同時也可在高轉速下提升發動機的功率輸出。

　　對于可變截面渦輪增壓器也是同樣的道理，在發動機低轉速工況下，廢氣流速/流量較低，通過縮小廢氣流通截面積，可以使廢氣流速加快從而增強驅動渦輪葉片的廢氣動能，讓渦輪轉速更快地提升，增強發動機低扭表現。

　　但如果保持較小的渦輪廢氣流通截面積，到了發動機高轉速區間，渦輪入口處較小的截面積導致排氣阻力增大，不利于發動機高轉速下動力輸出的提升，對發動機的最大功率和峰值扭矩都有不利的影響。為了保證發動機高轉速下的動力輸出，VTG渦輪增壓器通過可變廢氣導流葉片增大渦輪廢氣流通截面積，減小排氣阻力，有利于“壓榨”發動機高轉速下的動力輸出。

　　通過電控系統的監控，VTG渦輪增壓器渦輪內的廢氣導流葉片能夠實現渦輪入口橫切面積的無級調節，從而根據發動機的轉速和工況設定最為合適的橫切面積，實現增壓效率的最優化。

● 可變幾何截面渦輪增壓器成就了12.5:1高壓縮比

　　VTG渦輪增壓器的作用不僅僅在于優化動力性能，它對于燃油經濟性也有非常大的影響。請不要忘記，1.5TSI發動機是一款擁有12.5:1高壓縮比的渦輪增壓發動機。良好的爆震控制是提高壓縮比的基礎。而要抑制爆震這個“淘氣”的家伙，要做的就是降低氣缸內的溫度，避免炙熱的氣缸壁在火花塞點火前引燃混合氣產生非正常燃燒。

　　為降低殘留在氣缸中廢氣比例，大眾1.5TSI發動機通過動態控制VTG渦輪增壓器的廢氣導流葉片，在高負載工況下保持進排氣壓差為正（進氣壓力>排氣壓力），從而降低殘留廢氣比例，使12.5:1高壓縮比在1.5TSI發動機上成為可能。

● 增強滾流強度是提升米勒循環效率的保證

　　我們此前在拆解創馳藍天發動機的時候已經解析過米勒循環（點擊查看相關文章）。簡單來說，米勒循環就是膨脹比>壓縮比（實際壓縮比）的發動機工作模式。通過在發動機壓縮行程中，延遲進氣門關閉時間，把進入氣缸的部分空氣“擠出”氣缸，從而使實際壓縮比小于幾何壓縮比（1.5TSI發動機的幾何壓縮比為12.5:1）。米勒循環更長的做功行程使得混合氣燃燒的能量能夠更多地轉化為活塞上下運動的動能，從而提升發動機的熱效率，降低發動機燃油消耗率。

　　配備高壓縮比以及米勒循環的大眾1.5TSI發動機的熱效率達到37.5%。該發動機的熱效率和近期炙手可熱的本田思域上搭載的L15B 1.5T 38%的熱效率也較為接近。此前的渦輪增壓汽油發動機熱效率冠軍——豐田的8NR-FTS 1.2T和8AR-FTS 2.0T（熱效率為36.2%）已成歷史。

● 調整更快速的油壓式進氣門正時調節器

　　米勒循環對于進氣門正時調節器的調節速度有較高的要求。我們在拆解馬自達創馳藍天發動機的時候注意到，其進氣可變氣門正時調節器是一個電機，相比常見的油壓式正時調節器，電機的工作不受機油流動性影響，調節速度快速且精確，是馬自達創馳藍天發動機實現米勒循環工作模式的關鍵部件。

　　而大眾1.5TSI發動機實現米勒循環并沒有采用這種電機正時調節器，而是通過優化油壓式進氣門正時調節器的油路和控制機構實現進氣門正時的快速精確調節。系統優化后，大眾1.5TSI發動機的進氣門正時調整時間小于0.25秒，可以在米勒循環和奧托循環之間實現快速切換。

● 更高的燃油噴射壓力提升燃效、降低排放

　　大眾EA211 1.4TSI發動機的燃油噴射壓力為200bar，而全新的1.5TSI發動機的燃油噴射壓力提升至350bar。提升噴射壓力能夠增強燃油霧化效果從而提升燃效，同時更大限度地限制顆粒物排放。

　　歐VI排放標準將在2017年9月全面實施，而中國國V標準也將在2018年1月1日在全國正式推行，對尾氣排放以及油耗指標的更高要求使得噴射壓力更高的直噴系統將成為渦輪增壓缸內直噴發動機的一個重要技術升級方向。顯然，敏銳的大眾早就意識到這一點并提前做好了準備。

● 用等離子體噴涂法噴涂的缸壁減摩涂層

　　提到降低活塞環和氣缸壁之間的摩擦阻力，業內較為常見的是采用低張力活塞環、在氣缸壁加工出能夠改善潤滑條件的平頂網紋等措施。而大眾1.5TSI發動機則采用等離子體噴涂法（Atmosphere Plasma Spray，簡稱“APS”）在氣缸壁噴涂了一層減摩涂層。

　　噴涂物是一層鐵的氧化物，在進行缸筒桁磨后，涂層厚度約為100-180微米。這層涂層相當于固體潤滑劑，可起到降低活塞環和氣缸壁之間摩擦的作用。

● 電控冷卻模塊 & 變排量機油泵

　　在EA211 1.4TSI發動機上，發動機熱管理系統采用的是兩個傳統石蠟型節溫器，這兩個節溫器的開啟溫度不相同，可以對缸蓋和缸體的冷卻液實施差異化管理�？刂聘左w水道的節溫器開啟溫度更高，缸體正常工作溫度會高于缸蓋，這樣可以降低曲柄連桿機構的內部摩擦。而工作溫度更低的缸蓋自然是為了降低燃燒室溫度，從而對抑制爆震提升燃燒效率有所裨益。

　　1.5TSI發動機則采用了更為先進的電控冷卻模塊，使用電控裝置取代了EA211 1.4TSI發動機上的傳統石蠟型節溫器，可以更為精確地控制缸蓋和缸體的冷卻強度，從而提升冷卻系統的工作效能并提升燃油經濟性。

　　此外，該發動機也與現在一些主流發動機一樣配備了變排量機油泵，根據發動機轉速來確定機油泵送量，從而避免低轉速下的泵送不足和高轉速的過度泵送，在優化發動機內部潤滑的同時，可一定程度提升發動機燃油經濟性。

● 可變氣缸技術

　　大眾1.5TSI發動機同樣配備了可變氣缸技術，通過切換凸輪軸停止2缸和3缸的工作（氣門關閉不噴油），降低了車輛中低負載工況下的燃油消耗率最高達20%。

　　國內裝車的大眾EA211 1.4TSI發動機都取消了可變氣缸技術，引進國內的大眾1.5TSI很大機會也會取消該配置。

● 哪款車型將率先“嘗鮮”

　　預計在2017年上市的第八代高爾夫將成為首款搭載1.5TSI發動機的車型。隨后，該1.5TSI發動機將會搭載到現在采用EA211 1.4TSI發動機的車型之上。

　　大眾1.5TSI發動機將會為大眾旗下的小型車、緊湊型車以及中型車提供更敏捷的加速反應、更低的尾氣排放以及更好的燃油經濟性，以迎接越發激烈的市場競爭。

全文總結：

　　大眾1.5TSI發動機的最大亮點是把12.5:1高壓縮比、可變幾何截面渦輪以及米勒循環結合起來，使得該發動機在動力輸出特性得到優化的同時在熱效率上同樣有所提升。大眾1.5TSI發動機通過可變幾何截面渦輪在寬廣的轉速范圍內讓進排氣壓差處于正值，增強掃氣效果，降低殘留廢氣量，抑制爆震，讓發動機穩定工作在高壓縮比之下。這是該款新型發動機設計的精妙之處。此外，僅通過優化進氣門正時調節器油路和控制機構就實現了進氣門正時的快速精確調節，從而實現米勒循環和奧托循環的切換。通過優化成熟技術，能夠進一步降低量產成本，體現著大眾在機械設計、系統整合以及成本控制方面的優勢。這款發動機預計在今年年底推出，中國是否能同步推向市場，我們拭目以待。（圖/文 汽車之家 常慶林）

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