壓縮天然氣（CNG）的發動機是持續降低排放的汽車動力裝置項目的重要組成部分，因此大眾公司與其合作單位開始對CNG進行重點研究，其目標是使這種加氣站在德國得到大規模應用，并不斷增加德國國內市場中天然氣汽車的保有量。本文介紹的新型1.5 L-EA211-TGI-EVO增壓直噴式壓縮天然氣發動機能以液態和氣態兩種燃料方式進行運作。除了具有高壓縮比之外，該類發動機最重要的特點是高效地采用了TGI-Miller燃燒過程，并使其與VTG渦輪增壓相組合。

關鍵詞：增壓直噴 壓縮天然氣 燃燒

1背景

大眾集團計劃采用壓縮天然氣（CNG）作為可持續車用燃料，并與供應商、網絡運營商和加氣站運營商進行通力合作,于2007年開始了關于CNG的相關研究，通過采取各種各樣的措施僅在一年內就實現了采用CNG作為替代燃料，而其研究目標則更為具體：直至2025年將在德國建成約2 000個CNG加氣站，并使供應量提高到可供百萬輛CNG汽車使用。由于減輕CNG燃料的納稅金額負擔現象會持續至2026年，因此這種政策使相關用戶獲益匪淺，駕駛CNG汽車出行即經濟又環保。

大眾集團預期未來采用CNG燃料還將具備多方面的意義。其中，從液態能源制取的天然氣將承擔全球能源供應的較大份額：國際能源署（IEA）預測在某些情況下，直至2040年其份額甚至會上升到25%以上?；诨烊粴獾某Ｒ幪烊粴庖蚱浠瘜W特性已為降低CO2排放提供了較好的潛力，而且也為人工合成氣態燃料開啟了新的機遇，所謂的新型合成能源（E-Fuels）燃料有著大幅降低排放的潛力，它們是合成燃料，例如可通過水和二氧化碳采用再生電流生產。

2以EA211-TSI-EVO汽油機為基礎

通過研究CNG汽車化和E-Fuels燃料以改善環境所具備的技術潛力，大眾認為有義務提升其生產推廣的可能性。隨后，大眾公司在其產品系列中提供了一種用于Golf等級轎車的CNG動力裝置，可使現代CNG動力裝置的供應更為完善（圖1），其特點是具有較高的效率，而燃油耗則相對較低。

圖1 大眾集團的CNG發動機

隨著2006年1.5 L-TSI-EVO增壓分層燃燒直噴式（TSI）汽油機的推出,大眾公司首次將增壓分層直噴-米勒循環（TSI-Miller）燃燒過程投入大量生產。在開發TSI動力裝置時就已考慮到將其用于TSI-Miller循環燃燒過程。此外，該燃燒過程與可變渦輪幾何截面（VTG）增壓相結合，可理想地適合于二元運行（可分別使用液態或氣態兩種燃料運行），再加上凸輪軸相位調節確保了無論是使用CNG還是使用汽油都能高效地運行。1.5 L-TGI-EVO增壓直噴式壓縮天然氣發動機（圖2）已成為進一步開發的技術基礎，在進一步拓寬的車型生產業務中大眾公司則提供了可改善環境的CNG和E-Fuels燃料（圖3），因此該類動力裝置是大眾公司的一項重要貢獻。

圖2 新型1.5 L-EA211-TGI-EVO CNG發動機

圖3 大眾集團的CNG車型

3新型EA211-TGI-EVO CNG發動機

1.5 L-TSI-EVA增壓分層燃燒直噴式（TSI）汽油機在其基本結構設計中已為該動力裝置改型成CNG機型提供了良好的基礎，因此在開發1.5 L-TGI-EVO增壓直噴式壓縮天然氣發動機時僅需添加或調整少數模塊即可，同時仍需借助于TSI-EVO機型的技術基礎盡可能好地發揮CNG燃料的潛力。重點是在具有出色的加速響應特性和拓展功率的同時，達到盡可能高的發動機效率或盡可能低的燃油耗。

4CNG專用部件

模塊化標準部件已足夠用于CNG專用部件與1.5 L-TGI-EVO增壓直噴式壓縮天然氣發動機的匹配（圖4），僅其氣缸蓋需要實現進一步開發，不久后也可應用于TSI-EVO標準部件的汽油機變型，基本的修改是全新設計的流動優化的冷卻水套，其有助于降低冷卻系統的壓力損失。此外，進氣凸輪軸也作了進一步調整，采用了具有中心調節閥的快速液壓凸輪軸相位調節器，其較高的調節速度有助于改善充氣調節過程。

圖4 CNG專用部件和模塊

5結構設計的適應性

甲烷燃料的高抗爆性容許選擇效率優化的點火定時，因而峰值壓力高達13 MPa，但是較早的燃燒重心位置導致了較高的壁面導熱現象，再加上缺乏蒸發潛熱，致使構件溫度較高。由于發生了這一系列的變化，因此TGI-EVO機型必須勝任這些要求。

6CNG匹配

在TGI-EVO發動機上，氣門及其氣門導管和氣門座圈的材料需適應CNG較差的潤滑性能。借助于氮化工藝，使氣門和氣門座圈與CNG運行時所需的較高的熱硬度相匹配。此外，還要提高進氣門導管的耐磨性。

氣缸蓋密封墊由3種材料組成。進排氣凸輪廓線上落座斜面的最終0.2 mm范圍被削平，以便使氣門得以較緩慢地關閉，以此即可減小磨損。由于甲烷的著火性較差，點火線圈要提供比TSI機型更高的點火電壓。

曲柄連桿機構中，連桿軸承要適應更高的壓力水平。為了提高耐磨性，活塞第二道環槽為CNG運行采取附加的工藝步驟陽極化處理予以優化。同樣，天然氣共軌和進氣管在早先項目的基礎上為TGI-EVO機型進行了進一步的開發和優化。天然氣壓力調節器的基本結構和兩級減壓功能取自于3缸EA211-1.0 L-TGI機型，但是其在天然氣流量和加溫方面已得以進一步開發。

7燃燒過程和增壓

大眾TSI-Miller循環燃燒過程的基本原理也應用于1.5 L-TGI-EVO發動機上，其建立在以下4個要點之上（圖5）：

（1）幾何壓縮比提高到12.5:1，以提高運行范圍的效率；

（2）通過進氣門早關（FES）及其隨之發生的進氣行程中的膨脹冷卻降低壓縮終了溫度；

（3）為使用帶有FES的火焰傳播過程實現換氣優化，以降低低速工況下扭矩范圍內的爆震傾向；

（4）在大量生產中首次使用VTG增壓，達到較高的增壓度以補償FES過程的充氣損失以及由增壓和燃燒過程所決定的最高總效率方面的損失。

圖5 1.5 L-TGI-EVO發動機的配氣定時

這種新的燃燒過程即使在1.5 L-TGI-EVO發動機上采用CNG運行時也顯示出決定性的優勢。進氣門早關和有效的增壓空氣冷卻使充量溫度降低，隨之降低了氣缸充量的壓縮終了溫度，其與優化的燃燒室冷卻以及發動機高達13 MPa的峰值壓力共同導致了效率優化的燃燒重心位置，同時降低了廢氣溫度。有利的膨脹比（由FES和12.5:1高壓縮比所致）以及集成在氣缸蓋中的排氣歧管也有利于降低廢氣溫度。正如常規的CNG發動機，1.5 L-TGI-EVO發動機在整個特性特性曲線場中以λ=1過量空氣系數運行，最高廢氣溫度僅880 ℃。

VTG廢氣渦輪增壓器能在較低的廢氣溫度下使用，在TGI-Miller循環的燃燒過程中與采用相位可調節的進氣凸輪軸進行充氣調節一同起到了重要作用。在直至額定轉速的寬廣轉速范圍內其能獲得有利的掃氣壓差和減小換氣功，而在部分負荷時這種燃燒過程所產生的消除節流的效果具有顯著降低CO2排放的潛力，在低轉速高負荷（低速扭矩（LET）范圍）時則同樣具有優勢，因為CNG燃料較低的爆震傾向允許采用非常高的廢氣背壓，因此能建立起足夠的渦輪功率，以便在MPI多點氣門口噴射時盡可能補償由外部混合氣形成所產生的充氣方面的缺陷。

因此，1.5 L-EA211-TGI-EVO增壓直噴式壓縮天然氣發動機的低燃油耗歸因于TGI-Miller循環燃燒過程的兩種重要效果：減小了壓縮損失并降低了換氣功。圖6示出了在寬廣的特性曲線場范圍，特別是部分負荷和LET工況范圍內，其相對于1.4 L-TGI增壓直噴式壓縮天然氣發動機改善效率的效果。

圖6 1.5 L-TGI-EVO發動機（96 kW）與1.4 L-TGI發動機（81 kW）相比的相對效率優勢（左）以及1.5 L-TGI-EVO發動機（96 kW）與1.5 L-TSI-EVO發動機（96 kW）發動機相比的CO2排放優勢（Vorteil）（右）

此外，在全負荷和動態特性值方面更顯示出TGI-Miller循環燃燒過程的優勢（圖7）。在1 400 r/min時扭矩就已達到了200 N·m，而在5 000 r/min時功率為96 kW。CNG發動機在采用氣體燃料運行時達到了與TSI汽油機相應狀態一樣的數值，在機動性方面毫不遜色。

圖7 1.5 L-TGI-EVO發動機與1.4 L-TGI發動機在1 500r/min時全負荷和

負荷突變的比較（部分示意）

8動力學挑戰

為了獲得出色的動力性能，仔細地對VTG特性、凸輪軸配氣定時、廢氣背壓限制和增壓壓力調節進行了標定，結果在1 500 r/min時獲得了如圖8所示的負荷突變調節效果。

圖8 1 500 r/min負荷突變時的動力學調節（示意圖）

8.1階段1：初試狀態

進氣凸輪軸處于效率最佳的進氣門早關（FES）位置，渦輪增壓器中的VTG導向葉片打開，此時發動機在非增壓狀態下運轉，由于廢氣背壓較小，打開的導向葉片產生了有利的效果。

8.2階段2：負荷突變

當踩下加速踏板時增壓壓力需求突然提升，VTG導向葉片完全關閉，從而達到了最大的廢氣背壓，可供使用的壓縮機驅動功率能快速地建立起增壓壓力。為了進一步提升扭矩，將進氣凸輪軸調節到充氣最佳位置?；贑NG燃料的抗爆性，就能不受爆震燃燒限制地采用這種策略。TGI-Miller循環燃燒過程的穩定性則允許隨著最佳的燃燒重心位置而降低過高的廢氣背壓。

在尚未達到目標增壓壓力之前就通過提前打開VTG導向葉片限制動態排氣背壓，而在調準增壓壓力過程中VTG將進一步快速打開，否則在扭矩建立過程中駕車人就會感覺存在異常，其原因是從強烈的負掃氣壓差突然過渡到明顯的正掃氣壓差。這種調節策略不會對增壓壓力的建立產生不利的影響，因為渦輪中良好的較為流動大幅提升了渦輪效率。

8.3階段3：穩態階段

一旦增壓壓力被調準到目標值，進氣凸輪軸就被調節到效率和燃油耗最佳的位置，這樣就能達到最高的渦輪效率，從而在寬廣的發動機特性曲線場范圍內獲得了正的掃氣壓差，在穩態運行范圍內廢氣背壓處于比動態需求時明顯更低的水平。

9最終的動力學特性

TGI-Miller循環燃燒過程能大幅降低過高的動態廢氣背壓。盡管渦輪中存在諸多不穩定的流動狀態，但是仍能達到如燃用汽油時較為出色的動態響應特性。開發中的一項重要課題是在從極大負掃氣壓差快速轉換到正掃氣壓差期間可調準增壓壓力而不會對行駛性能產生不利的影響。

10廢氣系統

1.5 L-TGI-EVO發動機的廢氣系統已為使用CNG運行而進行了優化，其中一個重大挑戰是排放優化的催化轉化器加熱，正如大眾公司已首次應用于3缸1.0 L-TGI增壓直噴式壓縮天然氣發動機那樣。但是，因為在4缸Miller循環燃燒過程發動機上廢氣溫度較低，必須進一步開發這種燃燒過程，特別是低負荷范圍存在很大的差異，對于催化轉化器的運行準備而言帶來了附加的挑戰。

11λ分開調節法

由于甲烷的反應特性,其在催化轉換器中需要較高的溫度以進行轉化凈化。為了在暖機運轉階段能盡可能快地超過對轉化率具有決定性意義的溫度閾值500 ℃，設計了λ分開調節法，即每兩個氣缸采用低于化學計量比混合氣（直至λ=0.85）和高于化學計量比混合氣（直至λ=1.15）點火運行，從而可通過調晚點火角顯著縮短通常的催化轉化器加熱階段，這能在燃油耗和廢氣排放方面獲得明顯的好處。這種功能在TGI-EVO發動機上在更寬廣的范圍內比其它CNG機型更有效。這種基本功能從3缸1.0 L-TGI發動機即已開始使用，并傳承至1.5 L-TGI發動機上。

12車輛結構布置

Golf-TGI-Bluemotion（Bluemotion=藍驅技術版，譯注：“藍驅”意即降低廢氣排放的藍天效果驅動裝置）轎車首次搭載1.5 L-TGI-EVO增壓直噴式壓縮天然氣發動機，并裝備了3個圓筒形壓縮天然氣罐（圖9）。這樣布置的汽車結構已規定采用橫置發動機模塊化平臺（MQB），因此汽車布局沒有變化，在總體上僅有最小的影響。壓縮天然氣罐總共有114.5 L容積，在20 MPa壓力下相當于18.5 kg CNG。焊接可靠性、電動截止閥、管子抗斷裂可靠性和機械式截止閥保障了每個CNG罐處于安全可靠狀態。行李艙容積盡可能保持不變。后橋前面的汽油箱容積為12 L，而Golf-TGI-Bluemotion轎車被設計成準單燃料車型（譯注：指可分別采用壓縮天然氣和汽油行駛的車型）。

圖9 Golf-TGI轎車的傳動系統

13行駛功率、燃油耗和行駛里程

Golf-TGI-Bluemotion轎車無論使用壓縮天然氣還是汽油都能提供高達96 kW的功率，在1 400-4 500 r/min轉速之間的最大扭矩為200 N·m，從0～100 km/h的加速時間為9.6 s，最高車速可達到206 km/h。此外，車輛初始狀態的功率和扭矩既可標定得更高也可相對較低。

使用CNG的新歐洲行駛循環（NEDC）行駛里程可達到500 km，轉換到汽油狀態可再增加190 km。使用CNG行駛時，在裝備7檔雙離合器變速器情況下NEDC行駛循環的平均燃料消耗量降低到3.5 kg/100 km，這相當于CO2排放低于100 g/km。

14總結

EA211-TGI-EVO發動機設計任務書中規定的目標已在開發中得以全部實現。在功率、扭矩和扭矩的設計方面，新型CNG發動機達到了96 kW功率汽油機型的相應水平。良好的行駛性能、較低的燃料消耗量以及采用兩種燃料行駛時，較長的行駛里程使其保持了與汽油機型一致的性能型譜，使得該動力裝置充滿技術吸引力，幾乎不受限制的整車設計也對此起到了正面推進作用。

大眾集團長期推廣的燃料策略的目的在于大幅降低CO2排放并有效利用可再生燃料，其中E-Fuels燃料的應用則具有顯著意義。EA211-TGI-EVO發動機是實施該類策略的重要部分。