關(guān)于奧迪公司Q7 SUV車用V8-TDI增壓直噴式柴油機(jī)?2性能分析

Audi公司以全新的整機(jī)結(jié)構(gòu)方案開發(fā)出了新一代V8-TDI增壓直噴式柴油機(jī),采用可調(diào)式增壓系統(tǒng),并在V形夾角中組合了1個(gè)電動(dòng)壓氣機(jī)。開發(fā)的目標(biāo)是得到1款運(yùn)動(dòng)型V-TDI機(jī)型,在燃油耗、功率和扭矩方面要明顯有別于Audi V8-TDI柴油機(jī),是1種能廣泛用于高檔車型中的動(dòng)態(tài)特性優(yōu)異的動(dòng)力裝置。所應(yīng)用的重要部件是帶有電動(dòng)壓氣機(jī)的可調(diào)式增壓系統(tǒng)和近發(fā)動(dòng)機(jī)單流道廢氣后處理系統(tǒng)。

1燃燒過程和標(biāo)定

Audi V8-TDI增壓直噴式柴油機(jī)的燃燒過程和發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定的核心部分是采用排氣門控制機(jī)構(gòu)(AVS)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的可調(diào)式增壓系統(tǒng)。這些結(jié)構(gòu)部件在第一部分中已詳細(xì)介紹(圖1)。

圖1 Audi新型V8-TDI增壓直噴式柴油機(jī)

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約2 200 r/min的單渦輪運(yùn)行中，氣缸換氣是通過2個(gè)進(jìn)氣門和1個(gè)排氣門進(jìn)行的，此時(shí)通過AVS氣門控制機(jī)構(gòu)使進(jìn)氣側(cè)處于對(duì)低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最佳的短的配氣定時(shí)，進(jìn)氣門開啟持續(xù)時(shí)間為163°CA，而排氣側(cè)的1個(gè)排氣門不工作，其中換氣與增壓的相互配合是起決定性作用。采用Honeywell渦輪技術(shù)公司的GT2056型廢氣渦輪增壓器，使發(fā)動(dòng)機(jī)在3個(gè)氣門運(yùn)行時(shí)氣缸換氣所受到的限制與用1個(gè)廢氣渦輪增壓器可達(dá)到的增壓度相互協(xié)調(diào)，以致于從單渦輪運(yùn)行轉(zhuǎn)換到雙渦輪運(yùn)行時(shí)能使發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩不會(huì)受到干擾。

其中，由AVS氣門控制機(jī)構(gòu)通過接通排氣門將廢氣流分配到2個(gè)廢氣渦輪中去。第1步僅在2個(gè)氣缸中將第二個(gè)排氣門接通，從而在轉(zhuǎn)換期間繼續(xù)向主動(dòng)廢氣渦輪增壓器提供足夠的驅(qū)動(dòng)功率，而被動(dòng)廢氣渦輪增壓器已被加速。在第2步中，AVS氣門控制機(jī)構(gòu)再使其余6個(gè)氣缸轉(zhuǎn)換到4氣門運(yùn)行，同時(shí)被動(dòng)廢氣渦輪增壓器在起步加速中的轉(zhuǎn)速通過模型的再循環(huán)閥控制予以引導(dǎo)，該再循環(huán)閥將由被動(dòng)廢氣渦輪增壓器壓縮的空氣再引入主動(dòng)廢氣渦輪增壓器的進(jìn)氣管，直到被動(dòng)廢氣渦輪增壓器達(dá)到能將空氣壓縮到相同的壓力水平為止，這樣就確保了被動(dòng)廢氣渦輪增壓器能在低于喘振極限的情況下在最佳效率范圍內(nèi)進(jìn)行起步加速，結(jié)果使接通的被動(dòng)廢氣渦輪增壓器的起步加速時(shí)間很短，從而快速地轉(zhuǎn)換到雙渦輪運(yùn)行模式(圖2)。隨著轉(zhuǎn)換到185°CA長(zhǎng)的進(jìn)氣門開啟持續(xù)時(shí)間，發(fā)動(dòng)機(jī)就處于最佳運(yùn)行狀況，并一直持續(xù)到達(dá)轉(zhuǎn)速5 200 r/min的極限為止。

圖2 AVS氣門控制機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換(發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上的轉(zhuǎn)速加速試驗(yàn)曲線)

由于采用了可調(diào)式增壓原理，因而發(fā)動(dòng)機(jī)無論是處于低轉(zhuǎn)速還是高轉(zhuǎn)速運(yùn)行條件下都能夠達(dá)到最佳的協(xié)調(diào)，以致于在所有的運(yùn)行狀況下都能轉(zhuǎn)化成動(dòng)態(tài)扭矩，因此根據(jù)變速器和汽車的應(yīng)用情況，其全負(fù)荷特性曲線能在1 000～3 250 r/min寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)呈現(xiàn)出高達(dá)900 N·m的扭矩平臺(tái)，并且從3 750 r/min發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速起就能發(fā)揮出320 kW的最高功率。

采用電動(dòng)壓氣機(jī)(EAV)來輔助獲得最佳的增壓壓力，從而加快起步加速時(shí)的扭矩建立，因而能使SQ7-SUV車全負(fù)荷加速時(shí)在最初2.5 s中多走2.5 m的距離(圖3)。其起步加速性能成為了SUV車型運(yùn)動(dòng)特性的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 用電動(dòng)壓氣機(jī)(EVA)起步加速

采用AVS氣門控制機(jī)構(gòu)實(shí)施可調(diào)式轉(zhuǎn)換的另一個(gè)重要因素是采用關(guān)閉嚴(yán)密的排氣門以實(shí)現(xiàn)無泄漏轉(zhuǎn)換，在與發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷下轉(zhuǎn)換到高增壓度，就能顯著降低2 500 r/min以下轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的比燃油耗。

無論在單渦輪還是雙渦輪運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)都呈現(xiàn)出局部的最佳狀態(tài)(最低的比燃油耗范圍)，就相當(dāng)于原機(jī)型的最佳運(yùn)行工況點(diǎn)，因此在汽車行駛中可明顯拓寬的最佳燃油耗范圍(圖4)。

圖4 Audi V8-TDI增壓直噴式柴油機(jī)按

320 kW功率和歐6廢氣排放標(biāo)定的

全負(fù)荷特性曲線和油耗

高的增壓度允許實(shí)現(xiàn)良好的熱力學(xué)協(xié)調(diào)，從而達(dá)到高的燃燒效率，并在NOx排放與顆粒排放平衡方面獲得巨大的潛力，這將大大有助于達(dá)到低的發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放水平。

通過繼承當(dāng)前V6-TDI機(jī)型的寬而平坦凹坑的活塞的熱力學(xué)優(yōu)點(diǎn)，并與降低渦流水平(渦流比從1.83降低到1.65)的氣缸蓋相結(jié)合，使得發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放水平比原機(jī)型顯著降低，同時(shí)也提高了發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率。為了改善NOx排放與顆粒物排放之間的目標(biāo)沖突，幾何壓縮比也從16.5減小到16.0，同時(shí)進(jìn)氣AVS氣門機(jī)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)通過轉(zhuǎn)換到短的凸輪廓線并有效提高壓縮比。

對(duì)該機(jī)型標(biāo)定的1個(gè)很大的挑戰(zhàn)是結(jié)構(gòu)部件之間相互配合的復(fù)雜性。廢氣后處理系統(tǒng)的運(yùn)行狀況與可調(diào)式增壓轉(zhuǎn)換階段相結(jié)合，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式的變更次數(shù)大大增加。

空氣系統(tǒng)與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換的所有運(yùn)行狀態(tài)的協(xié)調(diào)只能通過應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元基于模型的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。增壓系統(tǒng)與廢氣再循環(huán)系統(tǒng)部件的相互影響，只有通過在模型中模擬整個(gè)系統(tǒng)中的物理關(guān)系才能予以控制，然后由模型結(jié)構(gòu)為當(dāng)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)計(jì)算出參與增壓系統(tǒng)和廢氣再循環(huán)系統(tǒng)部件的最佳控制。

這種基于模型的空氣系統(tǒng)協(xié)調(diào)可以通過根據(jù)各自裝配狀況的模型調(diào)整，將其標(biāo)定狀況轉(zhuǎn)移到其他衍生車型上，而無需對(duì)空氣系統(tǒng)進(jìn)行重新標(biāo)定，因而能從歐6標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出衍生車型。

2廢氣后處理系統(tǒng)

由1個(gè)NOx氧化催化轉(zhuǎn)化器(NOC)和1個(gè)選擇性催化還原(SCR)催化轉(zhuǎn)化器組成的廢氣裝置，將這兩種系統(tǒng)在不同溫度下的NOx最佳轉(zhuǎn)化效率結(jié)合起來，因此從發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)汽車行駛中呈現(xiàn)出最佳的NOx降低：

(1)NOC盡可能達(dá)到最好的低溫活性；

(2)在中等和高負(fù)荷下用SCR系統(tǒng)達(dá)到高的NOx轉(zhuǎn)化效率。

圖5 廢氣后處理裝置

為新型V8-TDI增壓直噴式柴油機(jī)設(shè)計(jì)的廢氣系統(tǒng)與2014年V6-TDI機(jī)型所使用的廢氣裝置非常相似，但是通過使用NOC對(duì)搭載V6-TDI機(jī)型的Audi公司A4轎車進(jìn)行了進(jìn)一步的開發(fā)，而對(duì)于V8-TDI機(jī)型僅對(duì)催化轉(zhuǎn)化器和顆粒捕集器的幾何形狀和容積進(jìn)行了匹配調(diào)整(圖5)。

開發(fā)目標(biāo)的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)1種單流道廢氣裝置，以限制所需的廢氣傳感器數(shù)量，這樣就能夠通過減小構(gòu)件的表面積和質(zhì)量，降低通往催化活性構(gòu)件路程上的廢氣溫度損失。同時(shí)，通過對(duì)單流道廢氣裝置中所有廢氣后處理部件壓力損失的不斷優(yōu)化，達(dá)到了320 kW發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)功率所允許的廢氣背壓。勝任全負(fù)荷的廢氣質(zhì)量流量約為1 600 kg/h，相當(dāng)于2014年V6-TDI機(jī)型流量的70%，因此采用了廢氣裝置的原有設(shè)計(jì)方案。

為了滿足未來實(shí)際行駛排放(RDE)標(biāo)準(zhǔn)的要求，各個(gè)廢氣后處理部件與低的發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放相結(jié)合，其中首先要在暖機(jī)階段和低負(fù)荷運(yùn)行范圍內(nèi)激活高效的NOC，并與NOx排放貯存，之后等到再生時(shí)就被完全轉(zhuǎn)化。在轉(zhuǎn)化率低的運(yùn)行狀態(tài)，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷時(shí)SCR催化轉(zhuǎn)化器達(dá)到其最佳運(yùn)行范圍，承擔(dān)NOx排放的還原任務(wù)(圖6)。在汽車實(shí)際行駛中得到了城市行駛、長(zhǎng)途行駛和高速公路行駛時(shí)的RDE排放值，這些數(shù)值乘以當(dāng)前的換算系數(shù)2.1后仍低于歐6限值。

3功率、燃油耗和廢氣排放

V8-TDI柴油機(jī)最初是以歐6廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)著手設(shè)計(jì)的，為了能在使用含硫量高達(dá)500×10-6燃油標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家中使用，開發(fā)了1個(gè)歐5標(biāo)準(zhǔn)方案，并為北美市場(chǎng)推出了Audi車用的V8-TDI機(jī)型，從而產(chǎn)生了1款適用于所有市場(chǎng)的通用機(jī)型，而各自的廢氣等級(jí)的差異則由汽車方面的廢氣裝置和標(biāo)定來實(shí)現(xiàn)。

其中歐5標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型的功率為310 kW，而按歐6標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定的北美機(jī)型則高達(dá)320 kW，與Q7-SUV車上的250 kW的原機(jī)型相比，提高了70 kW，達(dá)到了320 kW。V8-TDI機(jī)型在Audi SQ7-SUV車上的功率為320 kW，并配備8檔自動(dòng)變速器和全輪驅(qū)動(dòng)投放市場(chǎng)(表1)。該發(fā)動(dòng)機(jī)與8檔變矩器自動(dòng)變速器相組合使得能夠采用偏重低行駛轉(zhuǎn)速的節(jié)油行駛模式。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在相同的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能提供高扭矩，這樣就能在不損失動(dòng)力學(xué)性能的情況下轉(zhuǎn)換到設(shè)計(jì)負(fù)荷。

4展望

新型V8-TDI增壓直噴式柴油機(jī)成功地在產(chǎn)品的行駛性能、燃油耗和舒適性方面實(shí)現(xiàn)了SUV車型的特點(diǎn)，并能滿足當(dāng)今和未來的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，因而能顯著降低CO2排放，而且發(fā)動(dòng)機(jī)功率或行駛功率也得到明顯的改善，兩者都達(dá)到了SUV車型中的頂級(jí)水平，從而同樣確保了高的效率和極好的舒適性。