奧迪新型A6轎車(chē)V6汽油發(fā)動(dòng)機(jī)重點(diǎn)解析(一)

◆文/江蘇 范明強(qiáng)

一、V6-3.2L-4V-F S I燃油分層直接噴射汽油機(jī)

新型V6-4V汽油機(jī)(包括3.2L-FSI和2.4L-MPI兩種機(jī)型)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是：①高模塊化程度；②緊湊的結(jié)構(gòu)型式；③制造和裝配方式的高度通用性；④汽油機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)缸內(nèi)燃油分層直接噴射(FSI)和多點(diǎn)氣門(mén)口噴射(MPI)燃燒過(guò)程；⑤能夠滿足全球當(dāng)今和未來(lái)的法規(guī)要求；⑥便于維護(hù)保養(yǎng)；⑦具有進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的潛力；⑧高的扭矩和功率水平；⑨低的燃油消耗；⑩在具有強(qiáng)勁動(dòng)力性能的同時(shí)滿足高舒適性的要求。

新型V6-3.2L-4V-FSI直噴式汽油機(jī)(圖1)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。它被應(yīng)用于新型A6轎車(chē)上，并為前橋驅(qū)動(dòng)和全輪驅(qū)動(dòng)車(chē)型配置手動(dòng)變速器，而無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器則只用于前橋驅(qū)動(dòng)車(chē)型，六擋變速器配備全輪驅(qū)動(dòng)車(chē)型。與其同步開(kāi)發(fā)的是V6-2.4L-4V-MPI多點(diǎn)氣門(mén)口噴射汽油機(jī)。

表1 V6-3.2L-4V-FSI直噴式汽油機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)

1.基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)

(1)汽缸體曲軸箱

90°V形夾角的汽缸體曲軸箱(圖2)是從曲軸中心平面剖分的，并采用了床板型底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。汽缸直徑84.5mm，缸心距90m m，汽缸體曲軸箱總成長(zhǎng)360m m，寬430mm，外形尺寸十分緊湊。

汽缸體曲軸箱總成的上半部分是采用AlSi17Cu4Mg過(guò)共晶鋁合金的低壓金屬模鑄造的整體鑄件。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是具有高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度、非常小的汽缸變形和良好的燃燒室散熱。由于沒(méi)有汽缸套，因而能實(shí)現(xiàn)非常窄的汽缸鼻梁寬度(5.5mm)，而且汽缸鼻梁中有冷卻水套冷卻，這樣就使得汽缸周?chē)塬@得盡可能均勻的溫度分布。

鋁汽缸工作表面的最終機(jī)械加工采用了分三次珩磨和時(shí)效處理工藝。首先從環(huán)保觀點(diǎn)出發(fā)，與迄今為止通常采用氫氧化鈉溶液進(jìn)行時(shí)效處理的工藝相比，這種生產(chǎn)工藝極大地改善了環(huán)境，同時(shí)也明顯提高了隨后汽缸工作表面機(jī)械加工的生產(chǎn)工藝安全可靠性。

床板型底座由AlSi9Cu3鋁合金壓鑄而成，并鑲鑄GJS50球墨鑄鐵軸承橋予以加強(qiáng)，床板型底座中的主要力線就通過(guò)這些軸承橋傳遞，而且這些鑲鑄件也有助于降低在零件溫度較高情況下主軸承的間隙。

汽缸體曲軸箱裝配總成的重量為33kg，這對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)所實(shí)現(xiàn)的升功率而言是非常輕的，但是其承載能力仍為例如采用增壓可能進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)功率留有儲(chǔ)備。通過(guò)采用床板型底座結(jié)構(gòu)型式所達(dá)到的縱向和橫向剛度還為有助于機(jī)組在汽車(chē)上承受極端的振動(dòng)狀況。

(2)曲柄連桿機(jī)構(gòu)

與老機(jī)型V6-3L-5V汽油機(jī)相比，V6-3.2L-4V-FSI直噴式汽油機(jī)曲軸(圖3)的曲柄臂加寬了1mm，同樣連桿軸頸的直徑也從54mm加大到56mm，以使連桿軸頸具有較大的重疊度，為提高剛度所采取的這些措施有助于改善曲柄連桿機(jī)構(gòu)的聲學(xué)和動(dòng)態(tài)性能。

由于連桿材料從C70碳鋼改換為33MnVS4合金鋼及其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)造型優(yōu)化，首先大大減少了連桿的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，而且因新材料具有較高的強(qiáng)度，使得細(xì)長(zhǎng)的連桿體能可靠地傳遞較大的汽缸燃?xì)鈮毫Α?/p>

專(zhuān)門(mén)為新的FSI燃燒過(guò)程匹配的鍛壓活塞的重量比老機(jī)型的活塞稍有增加，但正好被連桿質(zhì)量的減輕相抵消，這樣就整個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)而言，與老機(jī)型V6-3L-5V汽油機(jī)相比，其運(yùn)動(dòng)質(zhì)量甚至還有所減少?；钊共客坑泻F的耐磨涂層。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)通過(guò)上述這些優(yōu)化措施能使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)7200r/min。

(3)平衡軸

90°V形夾角的V6發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性力可以完全被平衡，但是慣性力矩卻必須采取附加措施才能予以平衡。這也適用于現(xiàn)在這種連桿軸頸錯(cuò)開(kāi)(30°錯(cuò)位)的結(jié)構(gòu)型式，它可獲得120°均勻的點(diǎn)火次序，此時(shí)最重要的首先是一級(jí)慣性力矩。為了能滿足提高的舒適性要求，采用了附加的質(zhì)量平衡軸(圖3)。在V形發(fā)動(dòng)機(jī)系列中，這種新的V6機(jī)型將平衡軸集成在汽缸體曲軸箱的V形夾角內(nèi)，無(wú)論是對(duì)平衡功能還是充分利用結(jié)構(gòu)空間而言都是最佳的。

(4)汽缸蓋

該機(jī)型的汽缸蓋(圖4)是由已為人們所熟悉的直列4缸2.0L-FSI直噴式汽油機(jī)的四氣門(mén)鋁合金汽缸蓋經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)而成的。無(wú)論是2.4L-4V-MPI多點(diǎn)氣門(mén)口噴射汽油機(jī)還是3.2L-4V-FSI直噴式汽油機(jī)的汽缸蓋都是用相同的金屬模鑄造的，而其中燃燒室和進(jìn)氣道的型芯作了相應(yīng)的變化，汽缸墊的設(shè)計(jì)也根據(jù)汽缸直徑和配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方面的變化作了相應(yīng)的調(diào)整。汽缸蓋上的凸輪軸軸承蓋采用壓鑄鋁合金的整體式框架結(jié)構(gòu)，有助于提高汽缸蓋的剛度。汽缸蓋端面?zhèn)鲃?dòng)鏈模塊和進(jìn)排氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的機(jī)油供應(yīng)與汽缸蓋上的凸輪軸軸承和氣門(mén)液壓元件的機(jī)油供應(yīng)是彼此相互分開(kāi)的，因此汽缸蓋中的機(jī)油壓力可被節(jié)流，同時(shí)也改善了機(jī)油供應(yīng)對(duì)凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的影響。真空泵和高壓燃油泵由裝配式凸輪軸傳動(dòng)。

借助于電裝(Denso)公司的可換向電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)凸輪軸相位的調(diào)節(jié)，這種電動(dòng)機(jī)重量?jī)?yōu)化的轉(zhuǎn)子和定子是用鋁制成的。彈簧力作用的密封元件承擔(dān)著進(jìn)排氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)器中各自4個(gè)壓力室的徑向密封。為了實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)確定的配氣相位，在建立起所必需的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力之前，凸輪軸相位調(diào)節(jié)器是被彈簧力作用的差動(dòng)銷(xiāo)機(jī)械鎖定的。

(5)配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)油泵與平衡軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

在鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不同布置方案進(jìn)行廣泛的模擬和先期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，特別是從整機(jī)觀點(diǎn)出發(fā)，決定采用布置在飛輪側(cè)的由4部分鏈傳動(dòng)組合的型式，而且與此類(lèi)似的鏈傳動(dòng)型式早已在V8-4V-TDI和V6-TDI直噴式柴油機(jī)以及V8-5V汽油機(jī)上應(yīng)用過(guò)。

如圖5所示，該機(jī)型的配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩級(jí)鏈傳動(dòng)A、B和C組成。凸輪軸是由曲軸用一條簡(jiǎn)易的3/8〃套筒鏈通過(guò)兩個(gè)中間軸傳動(dòng)的，至汽缸蓋凸輪軸的傳動(dòng)比取決于中間軸上的中間齒輪。A、B和C鏈傳動(dòng)均采用集成止回閥的液壓鏈張緊器作為鏈張緊裝置。

機(jī)油泵和平衡軸則是通過(guò)傳動(dòng)鏈D來(lái)傳動(dòng)的。機(jī)油泵的轉(zhuǎn)速由鏈傳動(dòng)來(lái)匹配，同樣平衡軸的反向旋轉(zhuǎn)也是通過(guò)鏈傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于該鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的動(dòng)態(tài)負(fù)荷較小，因此采用簡(jiǎn)易的機(jī)械張緊器，這是對(duì)于摩擦和成本而言均是最佳的解決方案，同時(shí)選用簡(jiǎn)易的滾柱鏈，無(wú)論在摩擦和聲學(xué)方面都具有優(yōu)勢(shì)。(6)機(jī)油循環(huán)回路和曲軸箱通風(fēng)

采用安裝在油底殼中的機(jī)油泵來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力循環(huán)潤(rùn)滑，并選用0W30牌號(hào)機(jī)油作為潤(rùn)滑劑，因此換油周期高達(dá)30000km。

機(jī)油泵是內(nèi)齒輪泵，并帶有前置式機(jī)油濾網(wǎng)和冷起動(dòng)閥，而冷起動(dòng)閥是被用于作為在低環(huán)境溫度下冷態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)期間機(jī)油冷卻器和機(jī)油濾清器的過(guò)載保護(hù)裝置。在上述介紹的傳動(dòng)鏈D機(jī)構(gòu)中的機(jī)油泵傳動(dòng)鏈輪通過(guò)一根插接軸以i=0.86的傳動(dòng)比驅(qū)動(dòng)機(jī)油泵。

緊湊的機(jī)油循環(huán)回路示于圖6。機(jī)油濾清器模塊位于發(fā)動(dòng)機(jī)后端上方，便于濾芯的更換。

經(jīng)過(guò)濾清的清潔機(jī)油從主油道出發(fā)，分別通過(guò)兩列汽缸體中兩條彼此分開(kāi)的向上油道供應(yīng)給使用機(jī)油的部位。其中一條向上的油道將機(jī)油供應(yīng)給氣門(mén)液壓挺柱和凸輪軸軸承，另一條向上的油道則為鏈傳動(dòng)模塊中的鏈條導(dǎo)軌和張緊器以及兩個(gè)凸輪軸相位調(diào)節(jié)器供應(yīng)壓力機(jī)油。凸輪軸相位調(diào)節(jié)器和鏈條張緊器動(dòng)態(tài)工作所產(chǎn)生的機(jī)油壓力波動(dòng)完全可由汽缸蓋中的機(jī)油道所吸收。在汽車(chē)行駛中，機(jī)油溫度和實(shí)時(shí)的機(jī)油液面位置由油底殼下半部中的熱機(jī)油狀態(tài)傳感器來(lái)控制。

如圖7所示，曲軸箱通風(fēng)氣體僅通過(guò)汽缸蓋罩排出，每個(gè)汽缸蓋罩中都有用于分離粗機(jī)油滴的迷宮式密封裝置。曲軸箱通風(fēng)氣體由一條塑料的通風(fēng)管匯總后再導(dǎo)向一個(gè)串聯(lián)的細(xì)分離器，這個(gè)塑料壓注件包含有一個(gè)雙旋流分離器以及儲(chǔ)油室和調(diào)節(jié)機(jī)油向油底殼回流的止回閥。這個(gè)機(jī)油分離器被安裝在汽缸體曲軸箱的V形夾角空間內(nèi)。被濾清的氣體經(jīng)過(guò)一根短管道被導(dǎo)入安裝在進(jìn)氣管上的壓力調(diào)節(jié)閥，并從那里直接被導(dǎo)入進(jìn)氣管。

機(jī)油分離器布置在發(fā)動(dòng)機(jī)V形夾角空間內(nèi)，在總體布置外形尺寸、成本以及防止可能發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象的安全性等方面都具有很大的優(yōu)勢(shì)。由于機(jī)油分離器中的曲軸箱通風(fēng)氣流溫度能提高20℃以上，因此同樣能保護(hù)其后的零部件避免可能發(fā)生的結(jié)冰現(xiàn)象，因而壓力調(diào)節(jié)器及其后導(dǎo)入進(jìn)氣管的部位完全可以無(wú)需采取加熱和絕熱措施。由于采取了主動(dòng)的曲軸箱通風(fēng)措施來(lái)促進(jìn)這種通風(fēng)效果，因而在接近怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)曲軸箱通風(fēng)體積流量就會(huì)明顯地增多，因此進(jìn)氣軟管處的新鮮空氣就會(huì)被抽吸出來(lái)直接導(dǎo)入曲軸箱內(nèi)，這種措施同樣能夠?qū)C(jī)油品質(zhì)產(chǎn)生有利的影響，因?yàn)榍S箱通風(fēng)流量增大，將大大促進(jìn)水分和燃油從發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油中分離出來(lái)。

(7)冷卻液循環(huán)回路

冷卻液循環(huán)采用了一個(gè)集成在汽缸體曲軸箱V形空間內(nèi)的常規(guī)冷卻液泵，將冷卻液通過(guò)汽缸體曲軸箱和V形空間蓋板向后導(dǎo)入水套，并從排氣側(cè)對(duì)角線地流經(jīng)汽缸蓋，以確保在那里獲得最大的冷卻效果。幾乎完全用塑料制成的節(jié)溫器被安裝在汽缸體曲軸箱中的水泵附近，因而冷卻液小循環(huán)運(yùn)行時(shí)的流動(dòng)通道很短。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)外圍設(shè)備

(1)FSI直噴式汽油機(jī)的可變進(jìn)氣管

奧迪公司與Mahler公司共同合作為V6-3.2L-FSI直噴式汽油機(jī)開(kāi)發(fā)了一種新型的塑料可變進(jìn)氣管，其進(jìn)氣系統(tǒng)如圖8所示。在這種可變進(jìn)氣管方案中有長(zhǎng)度兩級(jí)可變的空氣振蕩管道，在扭矩調(diào)節(jié)時(shí)的進(jìn)氣管通道長(zhǎng)度為691mm，而在功率調(diào)節(jié)時(shí)則變成396mm(分別指直至進(jìn)氣門(mén)的通道長(zhǎng)度)。這種進(jìn)氣管被設(shè)計(jì)成由6段組成的薄殼結(jié)構(gòu)型式，并在設(shè)計(jì)的前期階段就已通過(guò)詳細(xì)的流動(dòng)計(jì)算特別著重注意減少流動(dòng)損失，因此在儲(chǔ)氣腔進(jìn)口處的彎管中設(shè)置了有利于流動(dòng)的導(dǎo)向肋片。為了轉(zhuǎn)換進(jìn)氣管的長(zhǎng)度，使用了兩根鋼制轉(zhuǎn)換軸，它們通過(guò)一對(duì)齒輪彼此相互連接，而且第二根轉(zhuǎn)換軸上包含有一個(gè)非接觸連續(xù)反饋式位置傳感器。轉(zhuǎn)換軸上的塑料轉(zhuǎn)換閥板被做成有利于流動(dòng)的翼片形狀，并在其四周?chē)娡繌椥院铣上鹉z，能最佳地密封防止泄漏損失。轉(zhuǎn)換軸由真空操縱，并由彈簧力復(fù)位。進(jìn)氣管最上面的殼體中還包含有一個(gè)整體式真空儲(chǔ)存腔，它由一個(gè)機(jī)械式真空泵來(lái)產(chǎn)生真空。這些薄殼部件均呈鈦灰色。為了降低噪聲水平，整個(gè)可變進(jìn)氣管被隔振地緊固在汽缸蓋側(cè)面的充量運(yùn)動(dòng)閥板調(diào)節(jié)器模塊上。

(2)充量運(yùn)動(dòng)閥板調(diào)節(jié)器模塊

充量運(yùn)動(dòng)閥板調(diào)節(jié)模塊位于汽缸蓋與可變進(jìn)氣管之間，而其中的充量運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)閥板用于根據(jù)燃燒過(guò)程對(duì)進(jìn)氣運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的要求關(guān)閉或打開(kāi)汽缸蓋進(jìn)氣道的下半部。充量運(yùn)動(dòng)閥板調(diào)節(jié)器模塊同樣也是與與Mahler公司共同合作而成的，它被整體集成并模塊化裝配，包括塑料壓注進(jìn)氣導(dǎo)管、不銹鋼整體式燃油共軌和壓鑄鋁底座。為了減少流動(dòng)損失，充量運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)閥板是偏心安置的，其形狀能在打開(kāi)位置時(shí)與汽缸蓋進(jìn)氣道壁面完全緊密貼合。充量運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)閥板由塑料制成，而其轉(zhuǎn)軸則是鋼的。充量運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)閥板可在開(kāi)和關(guān)兩個(gè)位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(3)燃油系統(tǒng)

燃油系統(tǒng)應(yīng)用了日本日立(Hitachi)公司生產(chǎn)的按需調(diào)節(jié)的單柱塞高壓燃油泵，高壓和低壓燃油系統(tǒng)如圖9所示。高壓燃油泵由設(shè)置在第2排汽缸進(jìn)氣凸輪軸末端的三面凸輪驅(qū)動(dòng)。與供油量固定不變的燃油泵相比，這種按需調(diào)節(jié)的燃油泵可通過(guò)進(jìn)油量的按需調(diào)節(jié)來(lái)減少其驅(qū)動(dòng)功率。系統(tǒng)壓力處于約3～10MPa，其調(diào)節(jié)是由集成在燃油泵上的電控油量控制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而同樣集成在燃油泵上的壓力阻尼器能使進(jìn)口處保持較小的壓力波動(dòng)。

在這種無(wú)回油的燃油系統(tǒng)中，由按需調(diào)節(jié)的電動(dòng)輸油泵來(lái)提供必需的初始供油壓力，因此在高壓燃油泵的低壓范圍內(nèi)集成了一個(gè)燃油壓力傳感器。

另外，這種燃油系統(tǒng)還提供了改變初始供油壓力水平的可能性，在例如發(fā)動(dòng)機(jī)熱態(tài)起動(dòng)和停機(jī)等易產(chǎn)生汽泡的臨界運(yùn)行條件下，能將初始供油壓力從0.3MPa提高到0.6MPa。

(4)廢氣系統(tǒng)

研發(fā)人員為排氣側(cè)開(kāi)發(fā)了一種新的排氣歧管鑄件，為了防止在排氣歧管安裝法蘭中產(chǎn)生熱應(yīng)力，將其分成3個(gè)單獨(dú)的安裝法蘭。前置催化轉(zhuǎn)化器的氧傳感器從催化轉(zhuǎn)化器向前移動(dòng)到了排氣歧管上(圖10)。為了使排氣聲響不被察覺(jué)出來(lái)，各缸排氣道被分開(kāi)，并采用從3個(gè)合并成2個(gè)再合并成1個(gè)排氣道的結(jié)構(gòu)型式。這種排氣道引導(dǎo)方式更有利的效果是使得廢氣均勻的流經(jīng)氧傳感器，從而能夠?qū)崿F(xiàn)分缸識(shí)別過(guò)量空氣系數(shù)。根據(jù)CAD模型進(jìn)行了流入催化轉(zhuǎn)化器的廢氣流動(dòng)模擬計(jì)算，從而使近發(fā)動(dòng)機(jī)催化轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)方案達(dá)到非常高的均勻性指數(shù)，因此這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型式能確保催化轉(zhuǎn)化器達(dá)到法規(guī)所要求的使用壽命。

催化轉(zhuǎn)化器本身被做成單體催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)型式，排氣歧管-催化轉(zhuǎn)化器總成使用了一個(gè)尺寸為4"×6"(600目)的陶瓷催化轉(zhuǎn)化器，這種設(shè)計(jì)能夠使廢氣排放在汽車(chē)整個(gè)使用期內(nèi)都明顯低于法規(guī)限值。(未完待續(xù))