鲁达 对于车型车迷来说，奥迪RS系列和奔驰AMG、宝马M并成为三大性能系列，无数车迷为之疯狂。在奥迪RS系列中，其中入门级奥迪RS3和TT RS搭载的2.5L直列5缸TFSI发动机地位是崇高的，无论你是否是一个奥迪车迷，都应该知道这台发动机是当前市面上最后一款还在量产的5缸发动机了，而照着当前电气化的路线来看，奢望其他车企会重新去研发5缸发动机几乎是不可能的事情了，所以，可能在未来来看，这台发动机也是内燃机时代最后一款5缸机了，它的性能、它的地位、它的象征意义足以让所有车迷为之折服。
左图 TTRS 右图 RS3
PS：原文来自MTZ worldwide 04|2017，此为翻译稿，没有利益关系，仅供学术交流。
1 奥迪五缸发动机的历史
奥迪的五缸汽油发动机的历史始于1976年。当年推出的奥迪100 5E搭载了一台100kW 2.1L自然吸气发动机。在其进化过程中，还开发了一系列衍生产品，同时还开发了涡轮增压版本。在1980年，奥迪Quattro五缸直列涡轮发动机有着147kW功率输出，在后期达到顶峰的是RS2 Avant中的232kW发动机。五缸发动机的使用随着1997年的S2和S6车型的下市而停滞。在2009年春季，在奥迪TT RS上满血复活，以涡轮增压的形式重新走入视野。奥迪TTRS上的第一代发动机首次采用紧凑型横置结构，在五缸直列式涡轮发动机的历史上名列前茅，连续七次荣获"国际年度发动机"大奖。它也被搭载在RS3 Sportback和RS Q3上。在此基础上，2017年奥迪重新推出了2.5L五缸直列式TFSI发动机，在性能和效率维度有有所提高，这款发动机也更轻，排放更低。294kW（400马力）的性能也帮助奥迪TT RS取得百公里加速3.7s，帮助奥迪RS3取得百公里加速4.1s，成为钢炮之王。
（PS：该发动机满足欧6标准，但是没有对国6B进行适应性匹配，因此暂时退出中国市场）
2 第二代L5发动机开发目标
第二代2.5T L5发动机2017年推出，在第一代基础上进行的大范围改善：
–车身姿态，动态响应性方面显著提高
–前轴轻量化，增强车辆的横向动力学特性
–更紧凑的安装空间（应用紧凑型车辆）
–减少CO2排放，改善油耗
–符合未来排放标准
3 发动机特点-技术亮点
第二代直列五缸TFSI发动机在第一代基础上进行了大幅度革新。通过广泛使用轻质材料而显著减轻重量。虽然增加了奥迪可变气门升程系统（AVS）和双喷射系统（MPI），但是通过采用了全铝发动机缸体、镁合金的油底壳、轻量化优化的曲轴和链传动系统等措施，总重量减轻了26 kg，图1总结了各个轻量化措施的效果。
图1 第二代和第一代轻量化对比图（©Audi）
为了改善扭矩特性，采用了全新涡轮增压器并调整了奥迪专利Valvelift系统（AVS）。采用一个电子开关冷却水泵实现复杂热管理。从而在暖机阶段切断进入发动机的冷却水。也对奥迪经典的组合FSI/MPI燃油喷射系统进行了调整，以符合未来的欧6排放标准。双喷射模式的灵活性可以降低颗粒物，减少排放和燃油消耗。另外，在不增加高压直喷喷油器喷口宽度的情况下，通过组合喷射模式，可以在满负荷范围内提供更高的喷流量（提高极限功率）。表1列出了该发动机第一代和第二代的主要尺寸和其他特性数据。
表1 L5 TFSI发动机的主要尺寸和特性数据（©Audi）
由于采用了单轨带传动和较窄的正时链条，发动机总宽度与前代相比又缩短了2.5 mm，绝对宽度只有493mm，让L5 TFSI发动机的宽度与传统的L4发动机保持一致，图2。
图2 L5发动机的尺寸（©Audi）
4 发动机缸体
发动机缸体由铝合金AlSi7MgCu0.5制成，采用结合旋转铸造的重力铸造方式进行制造。铝合金的主要优点是能够改善燃烧室内的热排放，从而在该发动机119 kW/L的升功率输出下保证点火稳定性（无爆震）。为了提高轴承座的强度，GJS700主轴承盖在安装面上进行激光加工。为了降低轴承座的张力，也适当增加了摩擦系数。轴承盖主体采用双螺栓连接，并通过交叉螺栓固定在内部轴承座上。曲轴箱通风系统经过重新设计，进一步提高了轴承座的强度。上一代发动机曲轴箱通风管直接穿过轴承座，这一代通风管通过链条箱进入气缸盖。同时，在油气分离方面也进一步完善。
APS（等离子喷涂）气缸涂层方法首次应用于奥迪车型。铁碳涂层与珩磨技术相结合，提高了整体耐磨性。由于气缸间隙宽度为5.5 mm，涂层厚度约150µm，这种方法使气缸之间的冷却成为可能。与灰铸气缸设计相比，使用APS涂层可将气缸内壁温度降低30℃。APS涂层是奥迪自己的配方。在涂覆涂层之前，气缸壁进行粗糙化处理，随后的铁碳涂层在等离子火焰的高温下熔融，喷涂粉末和基体之间形成了有效粘结。发动机缸体的设计的细节如图3所示。
PS：该技术已经成为主流技术，国内外主机厂应用也较多。
图3 发动机缸体（©Audi）
5 曲轴连杆机构与机油泵
该发动机升功率较高（119kW/L同级别少见），燃烧室高压对曲柄传动系统有更高的强度要求，图4。曲轴由MoS42Cr4材料锻造而成。支承点采用感应淬火工艺，进行局部硬化并轧制。曲柄销上增加钻孔，底销开槽以减轻重量。此外，主轴承盖直径已从58mm减至52mm，以减少摩擦并优化润滑油量。虽然设计尺寸更小，进行了8%的轻量化，可曲轴设计的扭转强度依然提高了24%。
冷却通道活塞首次用于奥迪汽油发动机，这使活塞顶面温度可以降低30℃。在活塞杆上实现了与活塞杆的最大承载力相同的活塞环。为了在活塞销和连杆孔处实现最佳的载荷承载能力，使用了MoN纳米涂层技术。扭振减振器由铝合金制成，采用成型工艺制造。阻尼单元由浸没在机油中的铸造金属环提供。外壳上额外的散热片确保能量被吸收，可将零件温度降低20℃。
另外一个轻量化的重点零件是油底壳，油底壳采用了奥迪内部铸造厂的MgALRE-2合金制成。设计重点在于通过轴承盖上的附加螺栓配件，实现与发动机缸体连接的最大刚度。机油挡托盘内置于油底壳中，重新设计的机油流量管理和发动机通风技术能够让此车型满足赛道要求，而不需要干式油底壳概念。发动机也经过优化，在1.3 g的横向加速度下能够正常运行。
图4 L5 TFSI发动机的曲柄连杆和活塞总成（©Audi）
6 链传动
该发动机的两级正时驱动采用两种不同的链条类型，如图5所示。机油泵集成在主传动路径中，采用了可变流量控制叶轮泵用于减少机械损失。
图5 2.5L 5缸 TFSI链传动布置(© Audi)
两套传动装置均配有液压阻尼链条张紧器。将燃油泵布置从传统的气缸盖移动到链条驱动中，能够对凸轮轴相位调整带来显著优势。燃油泵与发动机缸体的直接连接也提高了整体的刚性，同时为将来高压直喷系统提高压力提供了准备。主传动中的链条是一个齿形链条，具有经过摩擦优化的托架轮廓。二级传动采用滚子链。与之前的几何结构相比，使用两个8mm链条减少了链条总长度，同时保持了相等的强度特性。
7 奥迪VALVELIFT系统气缸盖
对于第二代L5 TFSI，气缸盖进行了重新优化。为了密封燃烧室并承受峰值压力负荷，安装了强度等级为14.9的超高强度气缸盖螺栓，以及一个五层气缸盖垫圈。高排气量的技术指标也迫使使气门杆密封件集成到气门弹簧支架中。
主要优化涉及凸轮轴轴承，该发动机第一次将它们完全集成到缸盖罩中。除了有助于安装，这允许绝对无张力配合，从而减少摩擦。新款L5 TFSI首次在排气侧采用了两级奥迪Valvelift结构。与之前奥迪直列式汽油发动机上的AVS应用不同，主轴由凸轮轴轴承支撑，气缸之间的凸轮轴安装确保了紧凑的外观设计。两级AVS系统可在200CA的阀门开启时刻之间切换，以实现低负荷和部分负荷下的适度消耗。
8 发动机机械损失
通过以下措施降低了机械损失：
–动力总成轴承：主轴承直径从58mm减少到52mm
–活塞总成：活塞环预紧力减小，活塞间隙增大，摩擦降低
–APS气缸壁涂层
–单轨多组V带传动
–基于开关电子水泵和气缸盖温度传感器的热管理
通过这些措施，在发动机2000rpm的典型工况下，平均机械阻力降低了12%。
9 进气系统
进气系统的设计主要集中在高效率和通过性上。由于该发动机升功率高，极限性能要实现高达1200 kg/h的最大进气量，因此在总布置时进气横截面尽可能大，且沿途距离尽可能短，进气侧如图6所示，为奥迪TTRS的进气模型。
图6进气和沿程阻力的概述（© Audi）
进气过程中，沿程阻力大部分损失归因于中冷器。第二代发动机对中冷器进行优化设计，取消中冷器内部流量的限制，使整个沿程阻力的压力损失在最大性能下仅为0.135 bar，中冷器在满负荷时也能达到80%以上的冷却效率。
进气歧管设计为两部分砂型铸造。进气管中内置的气动翻板系统与高滚流比进气歧管一起，为实现最佳混合气均匀化提供了必要的条件。
10 排气侧
排气侧包括以下部件组件：排气歧管/涡轮增压器模块、紧密耦合的前级催化器、带隔离板的双支管前排气管、带下游中央消音器的后级催化器、带有两个排气尾管的末端消音器。
重新设计了排气侧的核心部件排气歧管/涡轮增压器模块，转子组件的旋转方向与上一代相反，如图7所示。
图7 涡轮增压器（© Audi）
压缩器和增压器是为了在广泛的工作范围内实现高效率而开发的。当发动机关闭时，水冷式轴承壳通过辅助水泵防止温度过高。废气温度预测系统确保在所有工况条件下都符合1000°C的最大允许废气温度。歧管/涡轮增压器模块由1.4849级铸钢制成，通过夹紧法兰系统连接到气缸盖上。
11 燃烧方式
为了尽可能在广域转速范围保持大扭矩，实现最高119kW/L的目标，对该发动机的燃烧过程提出了极端的要求。燃烧开发中，基于最新一代奥迪2.0L L4 TFSI发动机（EA888 gen3），通过组合式FSI/MPI双喷射系统实现最佳燃料混合，如图8所示。采用分层喷射（FSI），燃油压力达到25MPa，并在靠近进气门的进气道中进行多点喷射（MPI）。喷射参数选择具有高自由度，加上进气侧进气隔板，提到充填效率，使颗粒排放量减少，以满足未来的排放法规。
图8 燃烧模型(© Audi)
12 性能和扭矩开发
虽然奥迪第一代 2.5L L5 TFSI发动机已经以23.5bar的平均有效压力水平击败了其直接竞争对手，第二代产品将这个目标提高到24.3bar。在较低的发动机转速范围内，FSI采用非同步喷射策略，并通过对进气和排气凸轮轴的相位调整，以及AVS在排气侧调整气门升程，大大减少气缸残余废气。
为了在较低的发动机转速范围内保持高充填率，需要在低流量下产生足够的涡轮功率。通过在压力损失方面修改排气歧管设计，并通过反转转子总成的旋转方向，优化了涡轮上排气脉冲的利用率。低残余气体含量、良好的混合气均匀性、改善的燃烧室热排放以及由此产生的低爆震倾向，使该性能发动机做到了ε=10.0的压缩比，这对于该涡轮增压发动机来说是比较高的。
协调排气压力损失并优化进气阻力是这款高性能发动机技术的关键。平顶活塞端面设计保证燃烧过程中发动机的空气侧损失降至最低，而MPI燃油喷射可确保为最大功率输出提供所需的燃油量，并减少发动机爆震的倾向。
13 结果与比较
通过重新设计的FSI/MPI燃油喷射系统，将奥迪燃油喷射系统的最大功率从原来的265kW提高到294kW（转速5850rpm~7000rpm）。尽管扭矩提升不明显，从465Nm增加到480Nm，但是最大扭矩平台扩大到1700~5800rpm。此外，发动机效率的巨大提高不仅表现在性能上的提高，也体现在燃油消耗的节省上。
图9与上一代发动机相比的扭矩和功率曲线（© Audi）
14 性能和油耗
五缸发动机增加的扭矩和功率输出，加上7速双离合器变速器，使新奥迪TT RS能够在最新一代跑车领域获得钢炮称号，比如其在3.7s内从0加速到100 km/h。奥迪RS3也取得百公里加速4.1s。同价位难寻对手。尽管这种加速能力令人印象深刻，这款发动机的燃油经济性也是不错的。奥迪TS3的工信部油耗在8.8L/100km，TT RS在8.4L/100km。
15 总结
凭借第二代2.5L五缸直列式TFSI发动机，奥迪在五缸涡轮增压发动机的传统中实现了又一个里程碑。轻量化结构的持续实施，加上减摩措施以及最先进的涡轮增压和燃油喷射技术的应用，创造了一款高端发动机，提供了跑车的性能水平和驾驶享受，同时将油耗和二氧化碳排放降至最低。新款2.5L五缸直列TFSI发动机是奥迪RS细分市场新一代横置高性能发动机中的第一款。
据可靠消息，这款发动机还在升级进化，期待未来全新的RS3。。。