奧迪新型A6轎車V6汽油發(fā)動(dòng)機(jī)重點(diǎn)解析(三)

◆文/江蘇 范明強(qiáng)

奧迪新型A6轎車V6汽油發(fā)動(dòng)機(jī)重點(diǎn)解析(三)

◆文/江蘇 范明強(qiáng)

2004年奧迪公司在原有V型汽油機(jī)系列的基礎(chǔ)上開發(fā)了兩款用于新型奧迪A6轎車上的全新V6汽油機(jī)，其中V6-3.2L-4V-FSI直噴式汽油機(jī)是新型缸內(nèi)燃油分層直接噴射式(FSI)汽油機(jī)系列的第一款V6代表機(jī)型，它是著重滿足奧迪品牌轎車的運(yùn)動(dòng)型動(dòng)力性能要求的頂級(jí)V6機(jī)型，而新型V6-2.4L-4V-MPI多點(diǎn)氣門口噴射(MPI)汽油機(jī)是與上述機(jī)型同步開發(fā)的一款以舒適性為目標(biāo)的基本機(jī)型，實(shí)際上是原有2.4L-5V-MPI汽油機(jī)的改進(jìn)型。2006年奧迪公司又推出了采用奧迪可變氣門升程系統(tǒng)和可調(diào)機(jī)油泵的第一款替代機(jī)型V6-2.8L-FSI。2008年奧迪公司再次推出的V6-3.0L-TFSI機(jī)型是奧迪首款增壓直噴式汽油機(jī)，使得V6汽油機(jī)系列動(dòng)力總成的品種向更高的功率擴(kuò)展，進(jìn)一步凸現(xiàn)了奧迪轎車運(yùn)動(dòng)型動(dòng)力性能的品牌特色。本文將分別對(duì)V6-3.2L-4V-FSI燃油分層直接噴射汽油機(jī)、V6-2.4L-4V-MPI多點(diǎn)氣門口噴射汽油機(jī)、V6-3.0L-TFSI增壓直噴式汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行重點(diǎn)詳細(xì)介紹。

范明強(qiáng)

(本刊專家委員會(huì)委員)

教授級(jí)高級(jí)工程師，參加過陜西汽車制造總廠的籌建工作，主管柴油機(jī)的產(chǎn)品開發(fā)，1984年調(diào)往機(jī)械工業(yè)部無錫油泵油嘴研究所，曾任一汽無錫柴油機(jī)廠、第一汽車集團(tuán)公司無錫研究所高級(jí)技術(shù)顧問、湖南奔騰動(dòng)力科技有限公司總工程師。

(接2014年第2期)

1.發(fā)動(dòng)機(jī)外圍設(shè)備

與Mahler公司共同合作開發(fā)的MPI汽油機(jī)的兩級(jí)可變塑料進(jìn)氣管(圖15)的主體被做成有利于降低成本的薄殼結(jié)構(gòu)型式，整個(gè)進(jìn)氣裝置是由6個(gè)單體薄殼件經(jīng)焊接而成的。扭矩與功率調(diào)節(jié)之間進(jìn)氣管振蕩長度分別為668㎜和392㎜(指直至進(jìn)氣門的長度)，進(jìn)氣管長度的轉(zhuǎn)換是借助于轉(zhuǎn)換閥板實(shí)現(xiàn)的。這種技術(shù)方案與V6-3.2L-4V-FSI直噴式汽油機(jī)的可變進(jìn)氣管相當(dāng)，這樣既能明顯縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，并能降低開發(fā)成本。同時(shí)，由于流動(dòng)模擬計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，因此能夠明顯優(yōu)化流動(dòng)導(dǎo)向和換向范圍以及轉(zhuǎn)換閥板的設(shè)計(jì)，從而使得在3000～6250r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的充氣系數(shù)大于100%(圖16)。

在多點(diǎn)氣門口噴射進(jìn)氣管上使用了博世公司最新一代噴油器，它通過優(yōu)化噴霧角降低了冷起動(dòng)時(shí)的原始排放。

同時(shí)，還十分重視提高與V6-3.2L-4V-FSI直噴式汽油機(jī)零部件的通用化程度。即使兩種機(jī)型的結(jié)構(gòu)空間不同，但是進(jìn)氣管上的基本附件，諸如節(jié)氣門、曲軸箱通風(fēng)、燃油回油管、真空控制、前后罩蓋以及清潔空氣管道等都是FSI直噴式汽油機(jī)的通用件，因此顯著降低了成本和開發(fā)的復(fù)雜程度。

為了達(dá)到歐Ⅳ廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用了二次空氣裝置。與迄今為止所使用的裝置相比，通過應(yīng)用自動(dòng)開啟的二次空氣閥(圖17)，取消了包括電動(dòng)轉(zhuǎn)換閥在內(nèi)的全套真空控制裝置，因此明顯降低了成本。

2.工作過程優(yōu)化

新型V6-2.4L-4V-MPI多點(diǎn)氣門口噴射汽油機(jī)使用了西門子VDO公司開發(fā)的SIMOS 6 M3型發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，它采用最新一代扭矩導(dǎo)向的電子控制系統(tǒng)。

開發(fā)的重點(diǎn)是p-n系統(tǒng)及其所必需的用于兩列汽缸系統(tǒng)的功能模塊。為了提供必需的計(jì)算能力，應(yīng)用了具有56MHz節(jié)拍的微處理器。通過用于進(jìn)氣凸輪軸相位連續(xù)調(diào)節(jié)的主從設(shè)計(jì)方案，確保兩列汽缸的平衡，從而為混合汽準(zhǔn)備和燃燒正確地預(yù)調(diào)諸如噴油量和點(diǎn)火等基本參數(shù)。

(1)扭矩和功率

開發(fā)的目標(biāo)是在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況就能獲得豐滿的扭矩特性曲線。除了車輛方面的空氣導(dǎo)向和進(jìn)氣管之外，另一個(gè)重點(diǎn)是汽缸蓋中的進(jìn)氣道造型設(shè)計(jì)。良好的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性以及高功率所需要的大空氣消耗量和最大空氣流量能有針對(duì)性地進(jìn)行協(xié)調(diào)，這不僅反映在良好的充氣系數(shù)特性曲線上，而且也反映在扭矩和功率值比老機(jī)型有明顯改善(圖18)。

發(fā)動(dòng)機(jī)在3000～5000r/min轉(zhuǎn)速之間輸出230N·m最大扭矩，而6000r/min時(shí)達(dá)到130kW最大功率，在4250r/min時(shí)轉(zhuǎn)換閥板就將進(jìn)氣管長度轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)到適合于功率發(fā)揮的短進(jìn)氣管。

(2)廢氣裝置和增壓器方案

V6-2.4L-4V-MPI多點(diǎn)氣門口噴射汽油機(jī)除了美國之外提供全球市場(chǎng)，而且在歐洲市場(chǎng)滿足歐4廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，采用一個(gè)4"×6"(600目)大小的近發(fā)動(dòng)機(jī)陶瓷主催化轉(zhuǎn)化器達(dá)到嚴(yán)厲的廢氣排放限值，此時(shí)應(yīng)用了帶有自動(dòng)開啟閥的二次空氣系統(tǒng)有助于達(dá)到催化轉(zhuǎn)化器的快速起燃。

該機(jī)型的壓縮比為10.3∶1,并且是按采用ROZ 95號(hào)汽油運(yùn)行來設(shè)計(jì)的，同時(shí)通過分缸爆燃調(diào)節(jié)還容許采用ROZ 91號(hào)汽油運(yùn)行。

三、V6-3.0L-TFSI增壓直噴式汽油機(jī)

2008年奧迪公司再次推出的V6-3.0L-TFSI(增壓燃油分層噴射)機(jī)型(圖19a和圖19b)是奧迪首款增壓直噴式汽油機(jī)，使得V6汽油機(jī)系列動(dòng)力總成的品種向更高的功率擴(kuò)展，進(jìn)一步凸現(xiàn)了奧迪轎車運(yùn)動(dòng)型動(dòng)力性能的品牌特色。

在這種機(jī)型上，奧迪公司首次應(yīng)用機(jī)械式羅茨增壓器，并將其設(shè)計(jì)成高度集成的模塊布置在V形空間內(nèi)，總體結(jié)構(gòu)十分緊湊。這種發(fā)動(dòng)機(jī)搭載于奧迪A6轎車提高了舒適性，并在新型奧迪S4轎車上更顯示出其運(yùn)動(dòng)型動(dòng)力性能。

1.發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案(1)增壓技術(shù)的選擇

選擇發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)首先要考慮達(dá)到奧迪A6-V6汽油機(jī)的全局性目標(biāo)，諸如：①自然吸氣和增壓汽油機(jī)統(tǒng)一的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案；②V型汽油機(jī)系列通用的高模塊化程度；③極其緊湊的結(jié)構(gòu)型式；④低的燃油消耗；⑤便于日常的維護(hù)保養(yǎng)；⑥V6機(jī)型制造和安裝方面的高通用性；⑦按研究法辛烷值(ROZ)95/91汽油設(shè)計(jì)，適合于全球市場(chǎng)。

與此同時(shí)，在選擇增壓技術(shù)時(shí)還要將以下所有要求作為重點(diǎn)：①在強(qiáng)勁的起步加速性的同時(shí)具有高的舒適性；②快速的動(dòng)態(tài)扭矩建立，具有極佳的加速性能，以獲得寬廣的使用范圍；③以有利的成本搭載到奧迪A4、A6、A8轎車和SUV車型平臺(tái)；④滿足全球當(dāng)今和未來所有的法規(guī)要求；⑤可獲得不同的發(fā)動(dòng)機(jī)特性(舒適型或運(yùn)動(dòng)型)。

在方案設(shè)計(jì)階段，在均采用FSI燃燒技術(shù)的情況下，V6雙渦輪增壓和V6機(jī)械增壓的潛力在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架和汽車上進(jìn)行了評(píng)價(jià)。正如圖20所示，由于機(jī)械增壓在達(dá)到所必需的汽車性能的同時(shí)，還在起步加速性能和廢氣排放性能方面，以及通過將增壓模塊布置在V形夾角空間中而在外形尺寸方面所具備的優(yōu)勢(shì)，因此奧迪公司決定在V6機(jī)型上采用機(jī)械增壓。這種機(jī)械增壓機(jī)型在具有高的熱力學(xué)效率的同時(shí)，起動(dòng)扭矩的建立較快，并能較早地達(dá)到最大扭矩，同時(shí)具有良好的起步加速性能，除了要應(yīng)用能節(jié)油的速比較大的變速器外，首先在較重的高檔車型上能獲得最佳的動(dòng)態(tài)性能，并確保在諸如美國和亞洲這種傳統(tǒng)的V6車型市場(chǎng)上獲得高的用戶認(rèn)同。

表3 奧迪V6汽油機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)

(2)新開發(fā)范圍的重點(diǎn)

與2006年開發(fā)的采用奧迪可變氣門升程系統(tǒng)和可調(diào)機(jī)油泵的V6-2.8LFSI直噴式汽油機(jī)相比，機(jī)械增壓的V6-3.0L-TFSI直噴式汽油機(jī)進(jìn)行了如下的重要改進(jìn)：①增壓器轉(zhuǎn)子；②汽缸體曲軸箱采用熱處理；③增壓模塊中集成了增壓空氣冷卻器；④通往汽車低溫循環(huán)回路的水管；⑤機(jī)械增壓器的皮帶傳動(dòng)；⑥凸輪軸；⑦氣門和氣門彈簧；⑧充量運(yùn)動(dòng)閥法蘭。

(3)基本技術(shù)數(shù)據(jù)

表3示出了V6-3.0L-TFSI增壓直噴式汽油機(jī)重要的基本技術(shù)數(shù)據(jù)與其他V6汽油機(jī)機(jī)型的比較，其中針對(duì)舒適性設(shè)計(jì)的機(jī)型用于奧迪A6轎車上，而運(yùn)動(dòng)型機(jī)型則用于奧迪S4轎車上。(未完待續(xù))