?關于Volkswagen公司3缸柴油機性能分析

Volkswagen公司憑借新型3缸柴油機創(chuàng)造了該集團在小型汽車細分市場應用的通用基礎。通過削減發(fā)動機系列及集成到模塊化柴油機標準部件中，與以往的多發(fā)動機策略相比，可顯著降低費用和成本。研發(fā)重點是降低CO2排放，并使配備新發(fā)動機的所有Polo車型都能滿足歐6排放法規(guī)要求。

1目標

Volkswagen公司的模塊化柴油機標準部件在概念階段就已針對缸數(shù)不同的發(fā)動機進行了設計。排量減小的3缸發(fā)動機擴展了這一體系。該體系的應用重點是Volkswagen公司小型汽車平臺。針對小型車用新型3缸渦輪增壓直噴式（TDI）柴油機，提出了以下技術和經(jīng)濟要求：⑴與公司所有橫向平臺的兼容性；⑵與先前的發(fā)動機相比，顯著降低CO2排放和整機質量；⑶與先前的發(fā)動機相比，提高了升功率和扭矩，因而具有削減發(fā)動機系列的潛力；⑷通過共享模塊化柴油機標準部件，以及在現(xiàn)有設備上靈活制造和裝配來降低成本；⑸滿足歐6排放法規(guī)要求。

2新型3缸發(fā)動機的主要功能模塊

隨著2012年，推出了采用模塊化標準部件的4缸柴油機[1,2]，現(xiàn)在，新型3缸發(fā)動機向下擴展了柴油機種類。新型3缸發(fā)動機的排量均為1.4 L，具有55 ~77 kW 3種輸出功率（表1）。首次配裝于新Polo轎車時，該發(fā)動機能完全取代1.2 L 3缸TDI發(fā)動機和1.6 L 4缸TDI發(fā)動機[3，4]。

表1 新型3缸TDI發(fā)動機的主要技術規(guī)格

鑒于擴展的功率型譜和模塊化4缸發(fā)動機已知的標準組件，新型3缸發(fā)動機的研發(fā)可以廣泛借鑒先前的經(jīng)驗。必須重新設計3缸機專用的曲軸箱、氣缸蓋、氣門機構、增壓裝置和曲柄連桿機構，而輔助傳動和正時傳動，以及發(fā)動機熱端和冷端則繼續(xù)沿用現(xiàn)有組件或經(jīng)優(yōu)化后使用（圖1）。

圖1 共用模塊與新模塊

3氣缸體曲軸箱

通過下述方法實現(xiàn)氣缸體曲軸箱減輕質量和聲學優(yōu)化的研發(fā)目標：⑴通過材料與結構的匹配來設計鋁合金曲軸箱;⑵設置專門的冷卻液通道使零件快速加熱；⑶集成熱管理措施；⑷將氣缸蓋螺栓的螺紋設計在水套下方；⑸優(yōu)化未凈化和凈化的機油回路，以減小流動損失；⑹延長至油底殼分界面的回油通道和“漏氣”通道。首次在模塊化柴油機標準部件中采用由鋁合金AlSi9Cu3重力金屬型鑄造的曲軸箱，為輕量化作出了重大貢獻（圖2）。氣缸工作表面采用GJL 250制成的熱牙薄壁缸套。僅改變氣缸體曲軸箱材料就可減輕質量11 kg。

圖2 氣缸體曲軸箱

為了采用鋁合金，加寬了曲軸軸承蓋配合面，并提高了軸承蓋螺栓的螺紋部分。為了進一步減小軸承座的應力，通過計算優(yōu)化了載槽。因而新發(fā)動機相比同等的灰鑄鐵3缸機質量減輕11 kg，比1.6 L TDI發(fā)動機質量減輕27 kg。

4平衡軸、曲柄連桿機構和油底殼

為平衡自由慣性矩，采用1根與曲軸旋轉方向相反且以發(fā)動機轉速旋轉的平衡軸。為了減小摩擦，將平衡軸集成到帶機油泵和真空泵的聯(lián)合模塊中（圖3）。聯(lián)合模塊由齒形經(jīng)聲學優(yōu)化的直接傳動的單級齒輪傳動機構驅動。

圖3 聯(lián)合模塊

通過優(yōu)化減振器和飛輪的質量平衡，使曲軸的旋轉慣性矩最小化，同時減小了曲軸質量。

機油泵和真空泵可采用4缸TDI發(fā)動機的組件。通過流量可調的葉片泵實現(xiàn)機油供給。此外，采用電磁閥（由3缸發(fā)動機特有的特性圖控制）進行低壓級和高壓級轉換。

兩體組合式油底殼具有1個強度優(yōu)化的壓鑄鋁合金上部，有助于加強發(fā)動機與變速器的連接剛度。油底殼下部由金屬薄板制成，其特定的輪廓和比鑄件更高的延展性，提高了與路面或異物接觸時的安全性。

5氣缸蓋

氣缸蓋（圖4）借鑒采用模塊化柴油機標準部件的4缸發(fā)動機系列。無須改變配氣機構。此外，還集成了已引入的熱管理的冷卻概念，而兩體式水套為此奠定了基礎。

圖4 氣缸蓋

氣門組呈直線對稱排列，使進氣門和排氣門分別位于一條線上。平行布置的氣門和壓力損失優(yōu)化的進氣通道使氣缸充氣效率更高。通過氣門座渦流斜角和與之相配的氣道幾何形狀，以及可調進氣歧管，確保達到所期望的渦流水平。氣缸蓋中冷卻液的導流使進排氣道能按需匹配，以滿足更高的功率和排放要求。

由于采用了4缸發(fā)動機的垂直進氣法蘭概念及鉆孔和螺栓連接概念，可以用4缸機的生產線制造新氣缸蓋。

6增壓空氣冷卻器

新型3缸發(fā)動機同模塊化柴油機中的其他發(fā)動機一樣，采用水-空增壓空氣冷卻器（圖5）。不同于4缸機，在Volkswagen公司小型車輛平臺中的用途，要求增壓空氣冷卻器布置在氣缸蓋的變速器側。其冷卻芯由7個水平堆疊的扁平鋁管組成。管子間及壓入管中的湍流板大幅改善了增壓空氣至冷卻液的傳熱。塑料空氣箱與冷卻器部件用卷邊固定在一起。

圖5 增壓空氣組件

7耦合式低壓EGR和高壓EGR

與4缸歐6發(fā)動機相同，采用存儲式NOx催化轉化器、柴油顆粒捕集器（DPF）和雙回路EGR的廢氣凈化概念[5]。排氣側的冷卻式低壓EGR通過變速器側的帶閥門的非冷卻式高壓EGR補充。由于安裝原因，增壓空氣冷卻器被布置在發(fā)動機側面，因而不同于4缸歐6發(fā)動機，高壓EGR位于增壓空氣冷卻器之后，但在進氣歧管前。

8噴油系統(tǒng)

整個模塊化柴油機標準部件的開發(fā)目標是，無論發(fā)動機的氣缸數(shù)多少，不同供應商的噴油系統(tǒng)具有基本的兼容性。新型3缸TDI發(fā)動機采用Delphi公司系統(tǒng)壓力為200 MPa的DFS 1.20噴油系統(tǒng)，具有7孔噴嘴，測試壓力10 MPa時，每60 s流量為500 mm3。通過減少電磁閥式噴油器DFI 1.20的泄漏量，可降低CO2排放。采取若干調整措施，如采用更強的電磁線圈和優(yōu)化針閥座，可進一步提高在全球市場應用的穩(wěn)定性。首次采用名為“氣缸背壓補償”的軟件功能，它可在相對較低的氣缸背壓下，例如DPF再生時，進一步改善噴油精度。

綜合所述，結合氣缸蓋中的氣道幾何形狀和氣門布置設計，采用上述措施的1.4 L發(fā)動機的原始廢氣排放比先前的1.2 L模型明顯降低。

9摩擦

對于CO2排放極其嚴格的3缸柴油機用途領域，顯著減小摩擦損失特別重要，并且還有助于達到燃油耗目標。

通過將行程從80.5 mm增大至2.0L 4缸TDI發(fā)動機常用的95.5 mm，從而將1.2 L 3缸發(fā)動機的排量提高到1.4 L。通過優(yōu)化活塞組的活塞間隙、活塞環(huán)張力和活塞環(huán)外形，大大抵消了不利的曲柄連桿比帶來的劣勢。

通過減少齒帶轉向和帶輪數(shù)量改進正時傳動裝置，再結合摩擦優(yōu)化的高壓燃油泵，進一步降低附加驅動的功率。全新模塊化整體式凸輪軸軸承框架改進的凸輪軸軸承，從而降低氣門機構的損失。

將平衡軸、機油泵和真空泵集成到緊湊的聯(lián)合模塊中，就無須單獨驅動平衡軸。針對3缸機，在此模塊中集成了可調式機油泵，有助于降低驅動功率。體積流量可變的水泵不僅使冷卻系統(tǒng)的加熱時間縮短，而且，還將切換狀態(tài)下的驅動功率降到最低。

比較整個發(fā)動機的拖動功率表明，與排量更小的3缸機相比，采用上述措施后，發(fā)動機的拖動功率改善約20%（圖6）。

圖6 發(fā)動機轉速1 600 r/min、機油溫度90°C時，發(fā)動機拖動功率的比較（總體改善約20%）

10噪聲-振動-平順性（NVH）分析

Volkswagen公司為首次采用模塊化柴油機標準部件的新型3缸TDI發(fā)動機研發(fā)了最小型的鋁合金氣缸體曲軸箱。由于采用新的曲軸箱材料，因而需要深入研究聲學舒適性，以確保具有足夠的結構剛度，并防止失去聲學舒適性。降低噪聲的措施主要集中在平衡軸驅動和正時傳動裝置上。

為使氣缸體曲軸箱的聲輻射在改用鋁材料的情況下盡可能減小，進行了大量試驗性的結構分析，并開發(fā)和實施結構剛度改進措施。通過NVH計算，實現(xiàn)肋條在外部和內部區(qū)域的最佳分布。因此，將曲軸箱的聲輻射表面分成許多較小且大小不等的表面。

平衡軸驅動的研究結果優(yōu)化了輪齒形狀和數(shù)量，有效防止產生干擾性噪聲和脈動噪聲。在正時傳動裝置方面，新的張緊裝置設計和前文提及的帶輪布置變化也具有積極的聲學影響。

此外，還采取了一系列措施來降低空氣和固體聲輻射，并改進減振。尤其是對發(fā)動機支承和雙質量飛輪進行了深入改進，確保在整個頻率范圍內，車身和傳動裝置與發(fā)動機能較好地解耦。為了減小發(fā)動機艙的聲輻射，采用油底殼擋板、降噪的罩蓋和聲學深入優(yōu)化的空氣濾清器殼。所有措施都有效地降低了動力裝置在整個轉速范圍內的空氣噪聲級（圖7）。

圖7 采用與不采用發(fā)動機聲學措施的聲功率

11功率與扭矩

新型1.4 L 3缸TDI發(fā)動機向上擴展了3缸機領域的功率范圍（圖8）。原有發(fā)動機的功率只有55 kW，而目前3種型號的發(fā)動機功率最高可達77 kW，最大扭矩可達250 N·m。對于所有型號的發(fā)動機，在寬廣的轉速范圍內（自1 500 r/min起）均有理想的扭矩值（超過最大扭矩的90%）。其中，新型1.4 L55 kW變型機的性能優(yōu)勢尤為明顯。新發(fā)動機的最大扭矩為210 N·m，比原有發(fā)動機提高30 N·m，且明顯更早（1 500 r/min時）達到最大扭矩。功率最小的發(fā)動機，在常用的與起步相關的最低轉速范圍中，扭矩與排量超比例地提高30%以上。

12行駛動力性與燃油耗

通過仔細優(yōu)化新型3缸機的流動路徑、換氣和燃燒過程，各功率等級的發(fā)動機實現(xiàn)了渦輪增壓器自動響應性能和強大的起步加速功率。新Polo車已完全柴油化，并且機動性值都得到改進，同時，燃油耗比原先相同功率發(fā)動機更低。其中，功率等級55 kW的發(fā)動機的性能優(yōu)化尤為顯著。

在功率等級66 kW的發(fā)動機上Volkswagen公司首次將3缸TDI發(fā)動機與著名的7檔雙離合變速器結合應用。該換擋方案可用于超低轉速的行車方式。除了汽車的燃油耗措施（藍驅技術），該方案是使CO2排放比原先4缸發(fā)動機減少19 g/km的重要因素。盡管排放法規(guī)要求日益嚴格且對舒適性要求更高，所有采用手動變速器的車輛發(fā)動機的CO2排放也明顯比所替換的發(fā)動機低（表2）。

表2： 新Polo車的燃油耗與行駛動力性

13結語

在Volkswagen公司的發(fā)動機戰(zhàn)略框架下，可普遍適用的新型3缸機擴展了模塊化柴油機模塊化標準部件。開發(fā)目標是，與原有發(fā)動機相比，質量明顯更輕，并且具有更低的燃油耗和改進的行駛動力性。

目前，新發(fā)動機的功率范圍為55~77 kW，可替代升功率較低的4缸發(fā)動機。首次采用剛度和質量經(jīng)優(yōu)化、重力金屬型鑄造的鋁合金氣缸體曲軸箱。極其緊湊的設計使新發(fā)動機特別適用于Volkswagen公司對超低CO2排放有高要求的小型車輛平臺。新型3缸發(fā)動機滿足歐6排放標準，且模塊化結構使其能滿足未來的排放法規(guī)。

Volkswagen公司憑借新型3缸TDI柴油機，創(chuàng)造了該公司在小型汽車細分市場應用的通用基礎。通過削減發(fā)動機系列及將其集成到模塊化柴油機標準部件中，費用和成本明顯比原有發(fā)動機降低。新型發(fā)動機的開發(fā)目標已完全實現(xiàn)。