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热管理/冷却系统 整个冷却液回路（包括发动机内部和车辆侧）的设计旨在为热管理服务，从而使发动机和车辆内部（如果有需要的话）快速升温。热管理系统的两个主要部件是集成式废气冷却系统（如前所述），以及用于实现全电子冷却液控制的模块。整个冷却回路还配有流量控制阀，用于开启或停止流经散热器和变速箱热交换器的流量。如图7所示。 发动机冷却回路布置图 4.1全电子冷却控制 用于全电子冷却控制和热管理系统的核心执行元件是塑料旋转滑块，它容纳了两个机械耦合的旋转滑块，用于调节冷却液流量。一个电机通过一个减速器迅速驱动旋转滑块1。依次通过灯笼齿轮与旋转滑块2连接。旋转滑块1取代了传统的石蜡式节温器，能够根据需要在85°C和107°C之间随意地改变冷却水温度。旋转滑块1还可以调节发动机机油冷却器的冷却液回流。如图8所示。 旋转滑动模块（控制发动机和车辆中的热传递） 4.2升温策略 在热机过程中，流入发动机的冷却液最初被旋转滑块2完全关闭。所有外部阀门都关闭，水只在发动机内部流动，也就是常说的小循环。当现实中用户需要进行空调加热等操作时，不必利用小循环内部的冷却液。在这种情况下，设计了一个带有辅助水泵的自动加热回路，通过该回路，来自排气歧管集成式气缸盖的废热被利用，送入空调系统传递热量。进入发动机缸体（旋转滑块2）的冷却液入口保持关闭状态，因此尽可能保持气缸的快速升温从而减少摩擦。这套系统可以在满足客户的舒适性要求前提下，同时实施最佳升温策略。 随着发动机温度进一步升高，旋转滑块2局部打开，产生部分的冷却液流量，以确保部件充分冷却。并且通过对水的快速加热减少了热机过程中的热损失。最终，在达到规定的水温后，发动机机油通过旋转滑块1定向流经发动机机油冷却器，对机油进行加热。一旦判定发动机充分热机后，变速箱冷却器的切换阀再打开，以便用部分热量对变速箱油进行加热。在热机过程中，一旦冷却液流经主散热器，则不可避免的会带来热量损失。因此，为了保证热效率，主散热器会在所有相关零部件充分热机的基础上再发挥作用。依靠这套集成式废气冷却系统和全电子冷却液控制系统，可以为这款发动机提供比上一代更短的热机时间，此外还可以加快空调加热的响应时间，如图9所示。 NEDC中的发动机升温曲线 不同发动机工况下冷却液温度目标map 4.3温度控制 此热管理系统可以在整个发动机转速负荷区间对冷却液温度进行优化，从而最大限度地降低摩擦损失并提高热效率。在发动机转速和负荷较低时，冷却液调节至107°C，以将发动机机油回路阻力降到最低。随着负荷和发动机转速的提高，冷却液温度降低到85°C。平衡机油阻力损失和最佳点火提前角效率（以及爆震控制）之间实现最优化，从而确保发动机热效率的最佳化。旋转滑动模块的高响应速度和热管理系统的高可控性使冷却液温度能够迅速降低，以便在高负荷下保证可靠性。 这套热管理系统还有一个特殊的功能，就是在发动机关闭时也能工作。通过对旋转滑动模块的协同控制，让冷却液以一个设定的流量持续通过冷却液沸腾敏感的气缸盖和涡轮增压器，从而使存储在这些部件中的热量快速排出，解决了传统涡轮增压器寿命短的问题。 在发动机气缸体的部分位置，没有设计冷却回路，以免对发动机进行过冷却。通过该设计，显著减少了热机时间。总的来说，这套热管理系统，在NEDC中节约了2.5 g CO2/km，在实际驾驶模式下也大大节约了行驶成本。另外，空调的快速制热设计，也提高了舒适性。 5 双喷射系统 在第3代EA888上使用一套双喷射系统。直喷系统中，高压喷射的最大压力从150bar（15Mpa）提高到200bar（20Mpa）、从性能和成本进行了优化。为了满足欧6排放标准中颗粒物（PM/PN）限制，并进一步开发省油的潜力，还采用了一套歧管喷射系统。 满足欧6排放法规的双喷射系统 如图11所示，对歧管喷射喷油嘴（MPI）的回路进行设计，确保歧管喷射喷油嘴工作时有部分汽油流量流经高压燃油泵（High-pressure pump），以确保歧管喷射喷油嘴在工作期间对高压燃油泵（HPP，High-pressure pump）的冷却。在低压回路中还设计了一个节流阀，尽可能的让低压喷嘴不受到高压燃油泵油压脉冲影响。燃油通过工程塑料制成的低压油轨供给歧管喷射系统。油轨集成了低压传感器（LP sensor），根据低压压力来决定喷射时间，调节喷油量。在进气歧管中，有一个VTS机构（可变滚流系统），通过控制进气歧管碟形导流片的开闭，可以满足发动机在不同工况下的充气要求。如发动机在低速工况时，通过进气歧管碟形导流片关闭下进气通道，可以减少气流通过的横截面，来增加气流流速，结合活塞顶的特殊设计，有效形成强烈的进气涡流（滚流），有利于混合气的形成与雾化。同样地，当发动机进入高速工况采用均质混合气模式时，进气歧管碟形导流片开启下进气通道，增大气流通过的横截面，以获得更多进气，提高发动机的输出功率。配合着低压喷射系统，可以实现不同的喷射策略。据我所示，这套系统应用的发动机比较少。 高压燃油泵和缸内直喷喷嘴（HPI，High-pressure injector）的工作压力为200bar。发动机在部分负荷工况下，通过低压喷射系统喷油，在大负载和启动时，采用高压喷射系统。缸内直喷喷嘴的燃油是通过高压油轨提供的，高压油轨与进气歧管分离，直接用螺栓固定在气缸盖上。该系统有一个高压压力传感器，根据不同的工况，其压力范围可以调整，以达到性能与节能的协调。 双喷射系统为发动机喷射策略提供了很高的自由度。除了单次、两次和三次高压直喷外，还可以在发动机部分负荷范围内用歧管喷射进行混合气成型。从而一方面进一步提高了燃油经济性，另一方面也显著降低了颗粒物排放。这台发动机已经能够满足的欧6标准。通过采用了如下各种设计标准，对发动机的喷射策略进行标定： 1热效率提高、爆震抑制 2尾气排放降低、PM/PN降低 3歧管湿壁改善、燃油稀释缓解 4运行顺滑 5.1喷射策略 在极低温度下冷启动和暖机期间较大负荷下，使用三次缸内直喷策略。这可以使发动机的喷油量最小，排放量最小（尤其使HC排放和PM排放）。在低温/常温发动机启动和催化转化器热机阶段，采用两次直喷喷射策略进行混合气的形成。在这种情况下，最优先的目标是保证平稳运行、确保燃油喷射量稳定和排放量最小的情况下的鲁棒性。两次直喷策略也在中高负荷下运行。此喷射策略可确保在相应的映射范围内实现最佳的抗爆特性、微粒排放和废气排放。 由于涡轮增压压力较高，对进气歧管中的VTS机构（可变滚流系统）进行了优化。曲柄一体式刚性轴保证了进气道中碟形导流片的扭转刚度。通过非接触式旋转角度传感器检测导流片的角度信息。当打开时，碟形导流片被固定在发动机机体中，以使气流的激振最小化，降低噪音。刚性轴由发动机控制单元进行控制，现实导流片的旋转。 5.2燃烧过程 对于第3代EA888发动机，在充分验证TFSI燃烧过程的基础上，进行了多方面优化。一方面在保证平均燃烧压力达到22bar的基础上改善了爆震早燃的鲁棒性，另一方面也依靠集成式气缸盖改善了燃烧稳定性。 由于采用了集成式废气冷却的气缸盖，标准燃烧过程中的能量转换时间U05（燃烧5%）-U50（燃烧50%）增加了1至2°CA。从而使部分负荷尤其是3000rpm时的燃烧有效压力变得较差，由于进气道的重新设计（滚流增加），补偿这种变差影响，并在较高的发动机转速下实现更高的燃油经济性。由于高压喷油嘴的优化、提高了油气混合的均匀度，同时也降低高压喷油嘴上的温度负荷（一般直喷发动机要依靠汽油对高压喷油嘴进行冷却，单纯的直喷发动机没有该问题。双喷射系统发动机由于直喷系统并不是一直工作，存在温度负荷过高的情况，因此在设计和标定中要考虑该风险）。 为了协调发动机性能和燃油经济性，第3代EA888发动机采用了可变气门技术，并首次将其与排气装置上的凸轮轴调整器相结合，从而给气流控制提供最大的自由度。通过对排气凸轮轴正时的调整，可以满足全负荷和部分负荷下各种控制策略的需求，排气门关闭时刻在TDC后的-2CA°到6CA°之间调整。通过这种方式，一方面可以在全负荷下具有出色的动力响应性和优秀的燃油经济性（全负荷下燃油消耗率<250 g/kWh），另一方面可以利用燃烧过程的内部废气再循环，在部分负荷下具有良好的燃油经济性。如图12所示，在某全负荷工况下，排气门关闭时刻在6CA°，可以实现低油耗和高响应。 性能与燃油经济性冲突——寻找平衡点 如图13所示，由于采用了如上所述的集成式废气冷却，因此可以在很宽的范围内实现空燃比λ=1。发动机图中的最佳燃效点低于230g/kWh，但更重要的是发动机高效区间范围非常宽，在常用范围内的耗油量低于250g/kWh，即使用户的驾驶方式比较激烈，也能保证良好的燃油经济性。 燃效图（单位g/kWh） |
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