分析Audi公司V6渦輪增壓直噴式轎車柴油機(jī)1性能介紹

針對(duì)低燃油耗、低廢氣排放、良好的功率輸出和持續(xù)不斷的輕量化結(jié)構(gòu),Audi公司對(duì)新一代3.0L-V6渦輪增壓直噴式轎車柴油機(jī)進(jìn)行重新開發(fā)。通過(guò)優(yōu)化熱管理、內(nèi)部摩擦和燃燒過(guò)程等措施提高效率,并集成近發(fā)動(dòng)機(jī)布置的排氣后處理裝置是重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù),為此,對(duì)基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了更為全面的改進(jìn)。介紹新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1Audi公司渦輪增壓直噴柴油機(jī)的發(fā)展歷程

1989年，轎車柴油機(jī)經(jīng)歷了一次變革，Audi公司推出渦輪增壓直噴式(TDI)柴油機(jī)，這種TDI柴油機(jī)成為運(yùn)動(dòng)、舒適和節(jié)油型轎車的新標(biāo)桿。25年前，Audi公司就將全球第1款5缸2.5L直列式TDI轎車柴油機(jī)投入量產(chǎn)，該機(jī)型結(jié)合直噴、廢氣渦輪增壓和增壓空氣冷卻技術(shù)，為燃油直噴提供了一種發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)在這種方法已被推廣到所有先進(jìn)柴油機(jī)上。1997年，全球第1臺(tái)V6-TDI轎車柴油機(jī)問(wèn)世，這款2.5L柴油機(jī)應(yīng)用分配式噴油泵，是第1款采用4氣門技術(shù)的TDI柴油機(jī)，隨后還出現(xiàn)了更多的變型機(jī)。

如今，不僅Audi公司應(yīng)用V6-TDI柴油機(jī)，Volkswagen公司也成功推出這種機(jī)型，并生產(chǎn)超過(guò)230萬(wàn)臺(tái)V6-TDI柴油機(jī)。下文介紹的新一代3.0L-V6-TDI柴油機(jī)是TDI V型柴油機(jī)系列在功率、廢氣排放和燃油耗等方面的開發(fā)成果(圖1)，已被配裝于新型Audi A6和A7汽車系列的2014年第3代Quartal 200kW歐6變型車。

圖1 Audi公司3.0L-V6-TDI轎車柴油機(jī)

2開發(fā)目標(biāo)

新一代轎車柴油機(jī)系列的主要開發(fā)目標(biāo)如下： (1)低燃油耗；(2)滿足歐5、歐6和超低排放車(ULEV125)的低廢氣排放要求；(3)發(fā)動(dòng)機(jī)功率最高可達(dá)200kW；(4)大扭矩；(5)按最高燃燒壓力200MPa設(shè)計(jì)基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)；(6)集成近發(fā)動(dòng)機(jī)布置的排氣后處理系統(tǒng)；(7)強(qiáng)勁的功率輸出；(8)高舒適性。

此外，還必須滿足模塊化結(jié)構(gòu)的要求，包括開發(fā)可用于所有發(fā)動(dòng)機(jī)變型的相同件和通用件，而與功率、排放等級(jí)及不同車型的裝配無(wú)關(guān)。

3發(fā)動(dòng)機(jī)基本技術(shù)規(guī)格

表1列出了新型V6-TDI轎車柴油機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格。

氣缸體曲軸箱材質(zhì)為GJV 450，采用組合砂芯鑄造工藝制成，從曲軸中心線剖分，并為新型V6-TDI柴油機(jī)作了全面修改(圖2)，通過(guò)減小壁厚及縮小下止點(diǎn)范圍內(nèi)的氣缸套長(zhǎng)度，使新機(jī)型的質(zhì)量比老機(jī)型減輕1.1kg。

通過(guò)縮小長(zhǎng)度和厚度，冷卻水套的容積減小 0.4L，同時(shí)將氣缸蓋和氣缸體分開冷卻，與冷起動(dòng)期間氣缸體曲軸箱中靜止的冷卻液相結(jié)合，提高冷起動(dòng)后的暖機(jī)速度。

圖2 新型V6-TDI柴油機(jī)的氣缸體曲軸箱和曲柄連桿機(jī)構(gòu)

為了在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)獲得最佳的氣缸形狀，氣缸套采用中心支架珩磨加工，這種工藝是通過(guò)減小活塞環(huán)預(yù)張力以顯著降低摩擦的基本前提條件。

42CrMoS4鍛鋼曲軸具有錯(cuò)開30°的連桿軸頸，以獲得相同的點(diǎn)火間距。為提高強(qiáng)度，主軸頸和連桿軸頸都經(jīng)感應(yīng)淬火硬化。取消中間平衡塊，并在所有連桿軸頸上設(shè)置減重孔，使曲軸質(zhì)量進(jìn)一步減輕。為了減少裝配時(shí)間，將老機(jī)型上彈性扭振減震器的8螺栓連接改為只用1個(gè)中心螺栓緊固的圓錐齒圈連接。

200kW變型機(jī)的鋁活塞具有鹽芯冷卻油道，以降低摩擦和提高強(qiáng)度，活塞為筒形結(jié)構(gòu)型式，并采用涂覆類金剛石碳(DLC)涂層的活塞銷。新開發(fā)的活塞環(huán)組明顯降低了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的摩擦。圖3示出了降低活塞環(huán)預(yù)張力的效果，結(jié)合明顯減小的活塞環(huán)高度，曲柄連桿機(jī)構(gòu)(曲軸及其密封圈、連桿和活塞組)的摩擦比第1代機(jī)型降低17%，比老機(jī)型降低約10%(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min，機(jī)油溫度35℃)?；钊h(huán)使用組合涂層(物理汽相沉積(PVD)和DLC)，能在磨損、機(jī)油耗和曲軸箱漏氣方面獲得最佳效果。

圖3 活塞環(huán)預(yù)張力和曲柄連桿機(jī)構(gòu)摩擦的比較(1500r/min,機(jī)油溫度35℃)

4鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

新型V6-TDI轎車柴油機(jī)系列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求是集成近發(fā)動(dòng)機(jī)布置的排氣后處理裝置，以便通過(guò)快速預(yù)熱改善其起燃性能。氧化催化轉(zhuǎn)化器的體積增大60%，并用法蘭同軸連接在廢氣渦輪增壓器渦輪出口處，因此必須在發(fā)動(dòng)機(jī)V形夾角后部范圍內(nèi)準(zhǔn)備相應(yīng)的結(jié)構(gòu)空間。將鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)得十分緊湊，支撐氣缸蓋中的中間齒輪和串聯(lián)的兩級(jí)齒輪傳動(dòng)(圖4)。為降低噪聲，預(yù)先設(shè)定齒輪間隙補(bǔ)償裝置。為了降低摩擦，中間齒輪采用滾針軸承支承。

圖4 鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及高壓、燃油泵和機(jī)油泵驅(qū)動(dòng)裝置

在老機(jī)型上，機(jī)油泵和高壓燃油泵傳動(dòng)被布置在同一個(gè)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中。由于噴油壓力提高，對(duì)新機(jī)型提出了更高的要求，因而將機(jī)油泵和高壓燃油泵的傳動(dòng)分開布置。動(dòng)態(tài)負(fù)荷較高的高壓燃油泵鏈傳動(dòng)被設(shè)計(jì)成扭轉(zhuǎn)剛度較大的兩軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)型式，能在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可靠避免共振和高鏈條力。

用法蘭連接在油底殼中的機(jī)油/真空串聯(lián)泵通過(guò)單獨(dú)的鏈條直接由曲軸前端驅(qū)動(dòng)。鑒于機(jī)油品質(zhì)和低機(jī)油黏度(0W30)，Audi公司的V形柴油機(jī)只使用更為堅(jiān)固的具有滲鉻銷的套筒鏈。

5氣缸蓋和氣門機(jī)構(gòu)

通過(guò)重新設(shè)計(jì)氣缸蓋，滿足了在功率和缸內(nèi)最高壓力方面的更高要求。其主要特點(diǎn)是平行于氣缸中心線的對(duì)稱氣門星形布置及雙層冷卻水套。在V6-TDI雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上經(jīng)驗(yàn)證的雙層冷卻水套設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)不斷開發(fā)改進(jìn)，現(xiàn)已應(yīng)用于所有發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型(圖5)。

圖5 雙層冷卻水套氣缸蓋和氣門機(jī)構(gòu)

下層冷卻水套因具有高流動(dòng)速度，能確?；鹆γ婧蜔嶝?fù)荷極高的氣門鼻梁區(qū)的強(qiáng)烈冷卻，與采用單層冷卻水套的老機(jī)型相比，即使提高了功率，仍能使氣門鼻梁區(qū)的溫度降低25K。由于溫度均勻分布，可取消專門針對(duì)進(jìn)氣門鼻梁區(qū)的冷卻。

為了消除高負(fù)荷區(qū)域的微溝槽效應(yīng)，與進(jìn)氣道一樣，對(duì)冷卻水道的幾何形狀分模型面曲線進(jìn)行優(yōu)化，將分模型面設(shè)置在低負(fù)荷區(qū)域，并自動(dòng)清除砂芯飛邊，作為提高強(qiáng)度的輔助措施。

新氣缸蓋的另一個(gè)特點(diǎn)是具有非常緊湊的結(jié)構(gòu)型式，放棄了目前一體式的進(jìn)氣道法蘭，在新型V6-TDI柴油機(jī)上，采用單獨(dú)的用PA6-GF35合成材料制成的構(gòu)件替代進(jìn)氣道法蘭，與其他優(yōu)化結(jié)構(gòu)相結(jié)合后，2個(gè)氣缸蓋的質(zhì)量相比老機(jī)型減輕2.5kg。

凸輪軸采用輕型裝配式中空結(jié)構(gòu)方案，由2道分開的中間軸承支撐。為減輕質(zhì)量，將軸承直徑縮小27%。采用全新設(shè)計(jì)的高剛性滾輪搖臂操縱氣門，其滾輪直徑比老機(jī)型的大，與其一起轉(zhuǎn)動(dòng)的滾輪銷具有必要的強(qiáng)度，這也是采用低黏度機(jī)油(0W30)的前提條件。

6進(jìn)氣系統(tǒng)

電動(dòng)節(jié)氣門是汽車與發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)空氣管路的接口，與用PA6.6-GF35合成材料制成的增壓空氣管路相連接(圖6)，并通過(guò)1根隔熱的不銹鋼管將再循環(huán)廢氣引入進(jìn)氣管，再循環(huán)廢氣引入管的幾何設(shè)計(jì)可確保廢氣與新鮮空氣均勻混合，并能在任何運(yùn)行工況點(diǎn)防止廢氣直接沖擊塑料進(jìn)氣管壁面。

圖6 進(jìn)氣系統(tǒng)

用于2排氣缸的中央渦流調(diào)節(jié)閥將進(jìn)氣管分成1個(gè)常開的渦流進(jìn)氣道，以及1個(gè)可連續(xù)關(guān)閉的充氣進(jìn)氣道，而位于V形夾角內(nèi)的進(jìn)氣管被相應(yīng)設(shè)計(jì)成分別至2排氣缸的雙氣道結(jié)構(gòu)型式。為獲得復(fù)雜的幾何形狀，用PA6-GF35合成材料制成的進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)是由3個(gè)分開的殼體經(jīng)摩擦熱壓焊接而成的。借助于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬，EGR引入口橫截面的幾何形狀和尺寸都針對(duì)換氣功和再循環(huán)廢氣的均勻分布進(jìn)行優(yōu)化。

7排氣歧管和廢氣渦輪增壓器

排氣歧管被設(shè)計(jì)成中空隔熱式薄鋼板歧管結(jié)構(gòu)型式,內(nèi)管采用內(nèi)高壓成型法制成。將1個(gè)質(zhì)量?jī)?yōu)化的法蘭連接到氣缸蓋上，其螺栓緊固點(diǎn)從8個(gè)減至7個(gè)，與廢氣渦輪增壓器的連接則采用V形箍，從而使質(zhì)量比老機(jī)型減輕20%(圖7)。

圖7 排氣歧管、廢氣渦輪增壓器和EGR系統(tǒng)

新型V6-TDI轎車柴油機(jī)采用新一代廢氣渦輪增壓器，其主要特點(diǎn)是降低了VTG噴嘴環(huán)的流通高度，以及用鉚接結(jié)構(gòu)的噴嘴環(huán)盤替代原先的鑄件結(jié)構(gòu)。后一項(xiàng)改進(jìn)可優(yōu)化渦輪入口橫截面的流動(dòng)狀況，并與摩擦優(yōu)化的軸承相結(jié)合，在低轉(zhuǎn)速時(shí)獲得高效率，并且加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)，改善廢氣渦輪增壓器的瞬態(tài)性能。

8EGR

高壓EGR的主要部件是EGR模塊，由功能件EGR閥、EGR冷卻器和旁通閥組成，其中，調(diào)節(jié)EGR率的電動(dòng)行程閥布置在EGR模塊的熱端。由于伴隨流動(dòng)速度的增大，廢氣溫度提高,會(huì)導(dǎo)致閥座處產(chǎn)生壓力損失，因此，優(yōu)化EGR閥中的流動(dòng)狀況具有重要意義，必須借助CFD模擬來(lái)設(shè)計(jì)EGR閥座前殼體的幾何形狀，并采用不銹鋼精密鑄件結(jié)構(gòu)。

冷卻能力優(yōu)化的U形不銹鋼管式冷卻器用法蘭連接在2個(gè)水冷式鋁壓鑄閥體(EGR閥和旁通閥)上。為了旁通EGR冷卻器，沿用老機(jī)型的氣動(dòng)式行程閥。通過(guò)將鋁壓鑄件與不銹鋼薄板結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提高EGR模塊的冷卻能力，并且質(zhì)量比老模塊減輕16%。

在ULEV125的應(yīng)用場(chǎng)合，采用前置冷卻器和氣動(dòng)式旁通閥替代廢氣渦輪增壓器與EGR模塊之間的管道。帶一級(jí)或兩級(jí)廢氣冷卻器的2種模塊方案能很好地解決各種應(yīng)用場(chǎng)合下冷卻能力與EGR系統(tǒng)壓力損失之間的目標(biāo)沖突。若要提高最大冷卻能力，就需要有4種EGR旁通開關(guān)狀態(tài)，具有不同的冷卻能力和廢氣側(cè)壓力損失，以勝任不同場(chǎng)合的需求。

9機(jī)油循環(huán)回路

首次在Audi公司的TDI V型柴油機(jī)上使用全可變機(jī)油泵。通過(guò)偏心環(huán)連續(xù)調(diào)節(jié)滑片泵，就能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速獲得機(jī)油供油壓力及體積流量的匹配。圖8示出了在機(jī)油溫度90℃時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性曲線場(chǎng)中的機(jī)油壓力。特性曲線場(chǎng)中的大部分區(qū)域能按需進(jìn)行全可變調(diào)節(jié)，此時(shí)，活塞冷卻噴嘴的工作能力受機(jī)油壓力特性曲線場(chǎng)的影響。與老機(jī)型使用的兩級(jí)機(jī)油泵相比，這種全可變機(jī)油泵在新歐洲行駛循環(huán)下可獲得2g/km的CO2排放優(yōu)勢(shì)。

圖8 全可變機(jī)油泵的特性曲線場(chǎng)

集成在氣缸體曲軸箱主油道中的機(jī)油節(jié)溫器由帶滑套的石蠟收縮元件組成，能根據(jù)機(jī)油溫度調(diào)節(jié)機(jī)油冷卻器的旁通，確保發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)后迅速加熱機(jī)油(圖9)。

圖9 根據(jù)機(jī)油溫度調(diào)節(jié)機(jī)油冷卻器的旁通

10冷卻水循環(huán)回路及其熱管理

保留老機(jī)型中氣缸蓋與氣缸體分開冷卻的可靠方案,并針對(duì)減少壓力損失和冷起動(dòng)后氣缸體的快速預(yù)熱進(jìn)行優(yōu)化(圖10)。采用氣缸體和氣缸蓋平行流動(dòng)的冷卻液循環(huán)回路，使氣缸蓋冷卻液循環(huán)回路的冷卻液供應(yīng)充足，確保車廂內(nèi)采暖設(shè)備和變速器所用，而不會(huì)在冷起動(dòng)時(shí)受氣缸體中冷卻液不流動(dòng)的影響。通過(guò)創(chuàng)新的熱管理，為整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍開拓出更好的節(jié)油效果。位于V形夾角內(nèi)的冷卻液泵具有1個(gè)加蓋的轉(zhuǎn)子及三維彎曲的葉片，能連續(xù)不斷地為冷卻系統(tǒng)的2個(gè)子回路供應(yīng)冷卻液。

11氣缸蓋冷卻液循環(huán)回路

氣缸蓋冷卻液循環(huán)回路中的冷卻液始終是流通的，回路由2個(gè)氣缸蓋中的水套、機(jī)油冷卻器、EGR冷卻器，以及汽車上的采暖設(shè)備熱交換器、變速器油/水熱交換器和主散熱器等部件組成，并在水冷式廢氣渦輪增壓器和用于選擇性催化還原(SCR)裝置的AdBlue還原劑計(jì)量模塊下游附加1個(gè)電動(dòng)冷卻液循環(huán)泵，它能在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后需要后續(xù)冷卻時(shí)工作。氣缸蓋冷卻液循環(huán)回路的溫度水平由新開發(fā)的帶球閥的節(jié)溫器按特性曲線場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)(圖10)，這種球閥在全開狀態(tài)下的流通橫截面接近完全通暢，因而其壓力損失要比傳統(tǒng)的圓盤式節(jié)溫器降低約70%。

圖10 冷卻循環(huán)回路

12氣缸冷卻液循環(huán)回路

發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)后，氣缸體冷卻液循環(huán)回路中先采用不流動(dòng)的冷卻液，位于V形夾角內(nèi)真空控制的旋轉(zhuǎn)滑閥處于關(guān)閉狀態(tài)，阻止氣缸體水套中的冷卻液流動(dòng)，防止不必要的熱量散發(fā)。在達(dá)到運(yùn)行溫度后，為了降低部分負(fù)荷運(yùn)行范圍內(nèi)的摩擦，旋轉(zhuǎn)滑閥將氣缸體循環(huán)回路中的冷卻液溫度調(diào)節(jié)到約105℃。

13結(jié)語(yǔ)

新一代V6-TDI轎車柴油機(jī)是針對(duì)效率、功率潛力、廢氣排放和輕量化結(jié)構(gòu)進(jìn)一步開發(fā)的成果。為了提高效率，對(duì)內(nèi)部摩擦、熱管理和增壓等方面進(jìn)行優(yōu)化，而排氣后處理是發(fā)動(dòng)機(jī)方案的重要組成部分。對(duì)基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全面改進(jìn)，特別是復(fù)雜的配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使其能集成高效的近發(fā)動(dòng)機(jī)布置的排氣后處理系統(tǒng)，與模塊化裝配的高壓EGR系統(tǒng)相結(jié)合后，能滿足全球最嚴(yán)格的廢氣排放限值要求。新一代廢氣渦輪增壓器實(shí)現(xiàn)了極為突出的動(dòng)態(tài)增壓壓力，能確保強(qiáng)勁的加速響應(yīng)性能。