[落日余晖]大众集团EA211 1.5L TSI evo2技术大盘点（硬核内容）

这是一篇硬核文章，看这篇文章之前，可以先看我去年写的EA211科普系列，《动力总成工程师带你深入了解EA211-大众奥迪1.2T、1.4T、1.5L》。动力总成工程师带你深入了解EA211-大众奥迪1.2T、1.4T、1.5L

1 前言

在整个大众旗下EA211系列中，有着辉煌的历史，早在2005年就诞生了EA111系列的1.4L，然后在此基础上延伸出1.0T、1.2T、1.5L、1.4T等等系列发动机，都统称之为EA211，EA211也成为大众旗下入门级动力，在燃油车时代，其皮实、可靠、性能优秀的特点广受消费者的喜爱。

2016年，大众集团推出了EA211 1.5L TSI evo，开始将其作为入门级发动机进行全球范围大批量生产，然而由于各种原因，一直没有在国内上市，最近速腾上市发布了一款1.5T的版本，这是哪一款呢？没错，这就是千呼万唤始出来的EA211 1.5L TSI evo2，下面我带领大家好好领略一下它的风采。

2 硬件变化在哪里？

废话不多说，先上性能图。EA211 1.5L TSI evo2目前有两个版本，一个是欧洲用的，压缩比12:1，功率扭矩和EA211 1.5L TSI evo高功率一样，110kW/250Nm；一个是美国/中国用的，压缩比11.5:1，功率从110kW提高到118kW，扭矩保持250Nm。此外据说还会有更加高功率的版本，因为我也没有具体信息，不做讨论。

关于EA211 1.4L TSI和EA211 1.5L TSI evo的区别，是比较明显的，由于结合了米勒燃烧概念和VTG可变截面涡轮，其相比老的EA211在燃烧效率上有较大提高，即使到今天，这一套技术依然是全球范围比较领先的技术，让小排量涡轮增压发动机也实现了效率和性能的平衡。具体手段有停缸技术，35MPa高压直喷，低功率采用VTG可变截面涡轮增压器，高功率采用了APS缸孔图层等等。

而EA211 1.5L TSI evo2在evo基础上做了进一步升级，相当于把低功率和高功率evo结合起来，做到了低功率版的油耗，高功率版本的性能。EA211 1.5L TSI evo2具体的亮点硬件技术如下图。当然，除了这些以外，还有一些特殊的控制和技术手段，我们一起来探讨。

3 EA211 1.5L TSI evo2核心技术解析

Evo2主要对燃烧室冷却系统进行强化，对燃烧过程进行优化，并实现了优秀的动态响应性。此外，凸轮轴的可变气门系统也进行了重新设计，优化了可变排量技术（气缸停止技术，4缸变2缸），实现了更高的效率。此外，废气后处理也进行了重新设计，由一个紧耦合催化器CCC和一个颗粒补集器C-GPF组成，以减少尾气排放。相应的软件功能也进行重新设计，他们对排放起着至关重要的作用。

3.1 燃烧过程和可变截面涡轮VTG

EA211 1.5L TSI evo2的燃烧过程与EA211 1.5L TSI evo的低功率版本（Pe=96kW）非常相似，和EA211 1.5L TSI evo的高功率版本（Pe=110kW）并不一样。燃烧模型也采用了深度米勒循环，并且能够实现相对较高的压缩比ε=12.0/11.5（evo低功率版本为12.5，evo高功率版本为10.5，evo2中国/美国为11.5，欧洲为12.0），因为米勒循环通过提前关闭进气门来限制进入气缸的新鲜空气，可以抵消爆震的趋势，因此压缩比可以适当提高。当与高效的增压冷却相结合时，即使在低扭区间，也可以保证较高的扭矩输出。

通过这种燃烧模型，evo2可以在更高压缩比下实现和evo高功率一样的性能，适当降低压缩比，升功率可以更高。这些措施包括改进燃烧室，通过对气缸盖的冷却流道优化，活塞也增加冷却喷头，增强涡轮增压器的冷却能力。由于原型发动机也能承受比较高的Pmax峰值压力（高功率设计），这些综合特性使的发动机在更宽的工况范围实现最高效率。同时，因为效率更高，废气温度也会相对较低，使得在整个发动机特性区间内，燃烧空燃比处于理论空燃比λ=1.0，不需要额外加浓，这一点对于未来的RDE随机道路排放至关重要。

此外，它能够使用VTG可变截面涡轮增压器（大众也叫VNT，Variable Nozzle Turbine，一个含义），满足TSI evo燃烧的必要条件。该技术与传统废气阀控制的涡轮相比具有效率优势，因为在VTG叶片非常宽的控制范围内，整个排气质量流始终可以通过涡轮，全域效率更高。如下图，蓝色是VTG可变截面涡轮技术，灰色是传统废气旁通阀涡轮技术。反过来，这也提高了燃烧室中的进气充填效率以及减少了气体交换的损失（泵气损失之一）。进气凸轮轴的可调相位使TSI evo燃烧过程能够通过调整增压压力，涡轮以极高的压缩效率实现全负荷发动机运行。

总之，TSI evo燃烧过程的独特优势来自于它与VTG可变截面涡轮增压器的结合。该涡轮增压器有效地提供所需的增压压力，以补偿由于提前关闭进气门而导致的充填不足。与传统燃烧过程相比，这导致压缩和气体交换工作的损失显著减少，从而相应减少了燃油的消耗。

3.2加速响应性的改善（变负荷，比如一脚油门下去）

对于VTG涡轮增压发动机来说，尽管在稳态工况下有显著的优势，但是在动态响应上会出现劣势。当出现负荷请求（一脚油门下去）时，VTG叶片需要从几乎完全关闭再打开，这与废气阀设计的传统涡轮增压器相比，响应速度较慢，而且效率较低。

这种缺点是由于关闭的叶片导致涡轮机叶轮的入射角很高，无法及时响应。为了确保瞬时扭矩产生满足TSI发动机的要求，特别是在发动机低转速下，大众在发动机控制上着手，增加一些特定的逻辑功能，精确地适应了燃烧过程特性。

下图显示了一个全油门负荷变化的案例，展示了各种控制变量和动态干预。如果驾驶员有相应的瞬间高动力要求，快速相位控制器会短暂地将进气凸轮轴移至最佳填充的位置，让进气量更大。与上一代evo进气门固定的模式相比，这减少了填充不足的缺点，通过控制系统自发增加充填效率改善了响应性。

排气和涡轮条件更加复杂。当叶片处于关闭位置时，必须补偿VTG涡轮效率不足的影响，以便在动态要求的情况下获得最大可能的涡轮性能。这是通过控制涡轮进气压力的增加来实现的，同时不会超过燃烧过程的热力学极限，排气背压限制也用于此目的。在此过程中，计算最大可能VTG位置，该位置与当前进气歧管压力相关，并定义了燃烧过程仍能保持的对应排气背压。

TSI evo燃烧过程和VTG可变截面涡轮技术产生的复杂瞬态相互作用，大众集团通过重新设计的ECU和标定程序实现了凸轮轴和VTG控制功能。因此，除了出色的稳态特性外，还满足了动态要求，和上一代相比，一脚油门下去，涡轮迟滞更小。这也部分解释了为何上一代evo只在低功率上了VTG，高功率没有上，一方面是废气温度，一方面就是动力响应性。

3.3停缸技术进一步减少CO2排放（中国/美国版被阉割）

停缸技术是减少4缸汽油发动机CO2排放的主要控制策略。通过移动位于相应凸轮轴上的可轴向移动的凸轮套筒，从而停止内侧2个气缸的进气门和排气门的运动，在气门升程曲线旁边有第二个轮廓线，即所谓的零升程凸轮。因此，阀门不会被打开，保持永久关闭，不进行任何的气体交换，同时关闭喷油和点火，气缸也就等于“无”了。在该发动机半缸运行模式（Half­-engine operating Mode, HEM）中，停用的气缸不再提供扭矩，将依然保持工作的外侧2个气缸在较高的负荷点运行，以保持内燃机的总扭矩输出不变。

与全缸运行模式（Full ­ engine operating Mode, FEM）相比，热效率优势主要来自于泵气损失的减少，泵气损失是由于不参与工作的气缸没有气体流动造成的，并且减少进气侧的节流，从而可以在工作气缸上实现更高的负荷，使工作点偏向于更高效的区间。

想要实现这个功能，必须在气门管理系统上做文章。EA211 1.5L TSI evo2采用了优化的ACT+（cylinder management system）系统，主要优化了半缸工作模式的工况以及全缸（FEM）到半缸（HEM）之间的动态切换。如下图所示，这是通过引入滑动组合凸轮套筒实现的，该套筒可以同时应对停止工作的内缸和保持工作的外缸。

与之前在气缸3和4（内侧两个）上使用单独的凸轮套以及在气缸1和2（外侧两个）上使用固定凸轮轮廓相比，这可以对外侧两个气缸进行单独的气门升程设置，可以优化气门升程，让系统控制具备更多的灵活性。因此，evo2发动机在切换工作模式时也会同步改变主动气缸的凸轮轮廓（气门升程），让进气效率更高。可惜，国内被阉割了。

3.4 停缸技术稳态驾驶油耗优势（中国/美国版被阉割）

由于更宽的进气门和排气门升程/时刻范围，半缸模式（HEM）的发动机转速范围提高到3500 rpm，并且让进排气门的加速度依然保持在硬件物理极限内（气门运行速度有物理限制，过快会导致金属疲劳）。与全缸模式下TSI evo燃烧过程相比，这种组合减少了节流阀和泵气损失，同时保持了半缸模式下膨胀功的高利用率（发挥更佳的米勒循环），热效率更高。

下图显示了气缸停用的工作范围，包括与发动机全缸工作模式相比的油耗差异。HEM具有广泛的扭矩范围的油耗优势，可用于城市和城市间驾驶。当负载要求超出HEM的油耗优势时，系统自动切换到FEM。最大可实现HEM的范围越广，越有助于无缝加速衔接，直到内侧气缸重新启动。

从图中分析，在最高3500rpm，75Nm点半缸模式（HEM）依然有效率优势，此时功率为27kW，已经可以应对高速巡航了，所以在真实驾驶环境下，城市的高架道路巡航、高速巡航等等都可以使用半缸模式（HEM）。可惜，国内没有用这个技术。

3.5 停缸技术减少模式转换损耗（中国/美国版被阉割）

其实EA211 1.5L TSI evo已经有停缸技术，但是EA211 1.5L TSI evo2的停缸技术的实际效果会更好。因为在半缸模式（HEM）和全缸模式（FEM）切换阶段，通常会让油耗增加。为了进入HEM，在进气歧管中需要进行压力储备，以便在随后的气缸停缸期间，保持工作的外侧气缸有足够的新鲜空气量，以产生所需的扭矩。因此，在切换之前会通过降低点火角效率，保持一致输出扭矩下提高节气门开度，提高进气量，直到发生模式切换。由于空燃比不变，产生的较高燃油消耗与压力储备成比例增加，频繁切换时油耗甚至比没有停缸技术的车型还高。

下图显示了从FEM切换到HEM时相关发动机变量的变化，在经典ACT系统中，气缸填充量在转换前增加到HEM中所需的值。进气凸轮轴相位延迟，以增加填充效率并减少燃烧室中的残余气体含量，提高燃烧稳定性。而使用ACT+系统，与FEM相比，保持活动状态的气缸进气凸轮旋转到稍微偏后的正时时刻。当更多新鲜空气在相同的进气歧管压力下流入燃烧室时，转换瞬间让容积效率突变，进气歧管压力仅增加到HEM中后续燃烧过程所需的程度即可。因此，与先前的ACT系统相比，新的ACT+系统能够显著减少模式切换阶段的额外消耗（减少点火角延迟的时间段）。

3.6 排放控制模块变革

虽然和消费者距离比较远，但是发动机研发过程中，实现法规要求的排放也是核心挑战之一。特别是，低温冷启动阶段的快速暖机对控制整车排放起到关键作用，大众为了满足未来日益严苛的法规，并面向未来更严苛的RDE标准，力求在所有驾驶条件下都实现大幅度减排，在软硬件上做了相应的变革。

其中，1.5L TSI evo2中的排气系统做了升级，采用了封闭耦合排放控制模块（德语：Motornahe Abgasreinigung，MAR），如下图。

该系统将氧化还原与颗粒物捕集器分离。三元催化转化器位于第一个位置，直接位于涡轮增压器的涡轮出口，以确保其尽快达到催化剂起燃的工作温度。汽油颗粒过滤器（GPF）位于催化转化器后面。集成在MAR中的压差和温度传感器用于记录GPF的碳负载水平以及废气温度。与第一代相比，这种布置形式减少了贵金属的使用，降低了成本。同时，它也为未来的欧6e和欧7/国7排放标准奠定了基础。对消费者来说，紧耦合的设计，GPF温度可以轻易达到600℃以上，不会出现GPF再生问题，也就不会出现GPF堵塞的弊端。

3.7 催化器加热策略的优化

催化器中的氧化还原过程要求废气温度至少超过300°C，这也被称为起燃温度（light-off）。利用点火角延迟可以尽快加热系统，与油耗优先的最佳点火提前角相比，点火角延迟可以推迟燃烧的时间，热量得以保留，在排气管中产生了更高的排气温度。因此，为了排放必须尽可能快地达到催化器起燃温度。

在初始点火角延迟阶段之后，利用λ的浓稀控制来对催化转化器加热。这种操作模式在CNG发动机中很常见，但是汽油发动机中非常罕见。该策略通过气缸内未燃烧空气和燃料重新在排气管中组合，发生燃烧反应将热量更多地集中在催化器中所需的位置，而不是加热整个排气系统。

具体来说，这是用控制系统对两个气缸进行加浓（尾气残留燃油），对两个气缸进行减稀（尾气残留氧气），然后，未燃烧的燃油和氧气在排气道中均质化，直接在催化器中发生化学反应，从而快速提高催化器温度。其中，主要控制手段为一个比例系数（Split Factor）：气缸参与燃烧燃油占据整体燃油的比例，催化器加热的效果取决于比例系数的标定，大概范围在0.8-1之间。而减稀的两个气缸的比例可以通过计算机自动产生，最终确保在催化器中实现λ=1.0的理论空燃比。下图显示了与标准燃烧过程相比，通过对不同气缸λ加浓减稀操作下，催化器温度升高的案例。

由初始点火角推迟加热和随后的局部加浓减稀控制策略组成的组合快速暖机方案能够在催化转化器加热阶段显著节约燃油消耗。这个策略相当大胆，很厉害。

4 性能到底有多少提高？

首先对比一下发动机的性能，下图是我根据MTZ和SAE paper数据整理的外特性图，从EA211 1.4L TSI到EA211 1.5L TSI evo，再到EA211 1.5L TSI evo2，区别不大。EA211 1.5L TSI evo相比EA211 1.4L TSI最大扭矩区间更广一点，而EA211 1.5L TSI evo2的扭矩区间又更广了一点，功率也从110kW提高到118kW。

在热效率上也有一点点提高，EA211 1.5L TSI evo（96kW版本）相比EA211 1.4L TSI （92kW版本），主要工况的热效率有5%到10%的提高，低负荷和高负荷有15%-30%的提高，EA211 1.5L TSI evo的最高热效率在37.5%左右。

EA211 1.5L TSI evo2（110kW版本）相比于1.5L TSI evo的高功率（110kW版本），在整个工况范围内都实现了油耗的降低，主要工况点提高了4%到8%，在中小负荷和大负荷提高了10%以上。考虑到1.5L TSI evo的高功率（110kW版本）版本压缩比较低，热效率不可能比低功率版本高，估计EA211 1.5L TSI evo2（110kW版本）热效率依然在37.5%左右。而国内发布的EA211 1.5L TSI evo2（118kW版本）最高热效率应该也处于37.5%左右，只不过性能区间的热效率可能有下滑。

此外在参数看不出来的动力响应性上有明显提高，尤其是在低转速下，负荷跳变的过渡时间显著缩短，达到峰值扭矩的时间缩短了0.5s。结合高效的废气后处理系统，该发动机已经为未来欧6e/欧7的排放目标做好准备，并将在全球范围内使用。

5 小结

目前1.5L TSI evo2 已经搭载到2023款 300TSI DSG速腾，未来估计会引入到宝来、高尔夫、奥迪A3、Q3、探岳、朗逸、凌渡等等一汽大众、上汽大众的相关车型，成为全面替代EA211 1.4L TSI的产品。

尽管EA211 1.5L TSI evo2使用了一系列全新技术，但是放到今天，我觉得它的产品力并不强，而且还阉割了最期待的气缸停止技术，搭载到车型上的优化效果也不太明显。作为万众瞩目的全新换代发动机，1.5T排量的机型功率只有118kW，扭矩只有250Nm，相比老一代的EA211 1.4L TSI，工信部油耗只下降了0.19L/100km，百公里加速只快了0.4s。

如果放到同级别对比，不要说和通用、本田动不动140kW的1.5T相比，就是和自主品牌的1.5T对比，在功率、扭矩、热效率、升功率等一切账面参数上都没有优势。EA211 1.5L TSI evo2拿得出手的估计是高可靠性、高稳定性、实际驾驶体验等主观感受，或许这是燃油车时代的落日余晖吧。

以上，我是天马行空，谢谢~