Audi公司新一代V6渦輪增壓直噴式轎車柴油機(jī)——熱力學(xué)、應(yīng)用和排氣后處理

【德】 S.Knirsch U.Weiss S.M?hn G.Pamio

1 模塊化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

新一代V6渦輪增壓直噴式（TDI）柴油機(jī)的主要開發(fā)目標(biāo)是柴油機(jī)系列的模塊化結(jié)構(gòu)（圖1），以及用于不同功率和廢氣排放變型機(jī)的通用件。以200kW歐6發(fā)動(dòng)機(jī)為基本機(jī)型，圖2示出了相應(yīng)的全負(fù)荷特性曲線。在老機(jī)型基礎(chǔ)上，對(duì)燃燒過程、增壓和廢氣再循環(huán)（EGR）等進(jìn)行改進(jìn)。為了達(dá)到CO2排放目標(biāo)，對(duì)創(chuàng)新的熱管理和發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功率進(jìn)行優(yōu)化。在機(jī)油循環(huán)回路中集成的全可變機(jī)油泵對(duì)此作出了很大貢獻(xiàn)，因此，機(jī)油泵的功率消耗或流動(dòng)損失能與不同的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷達(dá)到最佳的匹配狀態(tài)，機(jī)油循環(huán)回路能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)過程進(jìn)行按需調(diào)節(jié)。

圖1 Audi公司3.0L-V6-TDI轎車柴油機(jī)

圖2 200kW歐6變型機(jī)的全負(fù)荷特性曲線

提高缸內(nèi)充量的渦流水平，并匹配合適的配氣正時(shí)，使160kW功率變型機(jī)獲得最高效率。V6-TDI柴油機(jī)較小的冷卻需求可使冷卻液泵和機(jī)油泵更為小型化，從而進(jìn)一步降低流動(dòng)損失和熱損失，而使用低黏度機(jī)油又能進(jìn)一步提升降低摩擦功率的潛力。

在北美市場(chǎng)，為滿足超低排放車（ULEV125）排放法規(guī)要求，在柴油機(jī)上應(yīng)用最佳的低流量壓電式噴油器，以改善氮氧化物（NOx）與碳煙排放之間的平衡。在主冷卻器之外又附加預(yù)冷卻器，提高EGR系統(tǒng)的冷卻能力。為了在使用北美市場(chǎng)現(xiàn)有柴油燃料（較低的十六烷值）的情況下確保燃燒穩(wěn)定性，借助于氣缸壓力傳感器實(shí)施燃燒重心位置調(diào)節(jié)。

歐5變型機(jī)可使用含硫量高達(dá)500×10-6的柴油，相應(yīng)的氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）和柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）采用耐高含硫量柴油的催化劑涂層。為保持良好的起動(dòng)性能，將壓縮比提高到16.8，這種配置能適應(yīng)目前全球市場(chǎng)的要求。

2 燃燒過程和噴油系統(tǒng)

為了將歐6基本機(jī)型的功率提高到200kW，并降低燃油耗，必須優(yōu)化Audi公司目前的4氣門燃燒過程。開發(fā)重點(diǎn)是重新設(shè)計(jì)缸內(nèi)充量的渦流水平，并優(yōu)化進(jìn)排氣道流動(dòng)，在減少換氣損失的同時(shí)，顯著改善充氣效果。同時(shí)，在壓縮比降至16.0的情況下，優(yōu)化活塞頂燃燒室凹坑的幾何形狀和尺寸，與相匹配的燃油噴束相結(jié)合，改善整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)內(nèi)NOx與碳煙排放之間的平衡，并降低燃油耗（圖3）。借助于合適的進(jìn)氣門升程曲線和新設(shè)計(jì)的廢氣渦輪增壓器，在低轉(zhuǎn)速階段就能夠獲得最佳的加速響應(yīng)性能。

圖3 新型V6-TDI柴油機(jī)的燃油耗特性曲線場(chǎng)及相比老機(jī)型的節(jié)油效果

同樣，還要進(jìn)一步開發(fā)并改進(jìn)老機(jī)型所用的20MPa噴油系統(tǒng)。為提高噴油器的液力壓力，將噴油器節(jié)流孔板上的節(jié)流孔加大20%，這樣就能在不改變噴油嘴流量的情況下提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率。對(duì)于滿足ULEV125排放法規(guī)的機(jī)型，則應(yīng)用降低液壓流量的噴油嘴，以降低原始排放水平。為了進(jìn)一步提高功率，加大了高壓燃油泵的柱塞行程。

3 空氣系統(tǒng)：廢氣渦輪增壓器、進(jìn)氣系統(tǒng)和EGR

新型V6-TDI柴油機(jī)系列應(yīng)用全新開發(fā)的廢氣渦輪增壓器（圖4），縮小了可變渦輪截面（VTG）的公差，降低了流動(dòng)損失，從而成功將功率從160kW擴(kuò)展到200kW。并且，無須改變廢氣渦輪增壓器，在所有應(yīng)用場(chǎng)合都能改善發(fā)動(dòng)機(jī)的加速響應(yīng)性能，明顯優(yōu)化了行駛動(dòng)力性能。

位于發(fā)動(dòng)機(jī)V形夾角內(nèi)的進(jìn)氣管被設(shè)計(jì)成連續(xù)的雙通道結(jié)構(gòu)型式，能借助中央渦流調(diào)節(jié)閥，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷調(diào)節(jié)進(jìn)氣渦流。為了改善再循環(huán)廢氣的均勻分布狀況，減少換氣功，通過多次模擬計(jì)算，優(yōu)化EGR引入管的位置和進(jìn)氣位置的幾何形狀。

圖4 廢氣渦輪增壓器及流動(dòng)優(yōu)化的渦輪噴嘴環(huán)盤

為適用不同場(chǎng)合，對(duì)EGR系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)（圖5）。歐6基本型EGR系統(tǒng)由冷卻能力很強(qiáng)的主冷卻器及冷卻器旁通道組成。如要滿足ULEV125排放法規(guī)要求，還須附加1個(gè)預(yù)冷卻器和1個(gè)旁通道，預(yù)冷卻器的開關(guān)由氣動(dòng)旁通閥操縱。EGR閥和主冷卻器均采用電動(dòng)旁通閥，并且都是通用件，因此，可提供4種不同的冷卻功率。采用這種模塊化方案，能夠根據(jù)使用情況，在冷卻功率與壓力損失之間尋找一種最佳的解決方案。

圖5 EGR系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)

4 排氣后處理系統(tǒng)

在全球廢氣排放法規(guī)日益嚴(yán)格的背景下，排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要與新發(fā)動(dòng)機(jī)系列的開發(fā)緊密結(jié)合，而滿足當(dāng)前排放法規(guī)的重點(diǎn)在于降低NOx排放的選擇性催化還原（SCR）技術(shù)。2008年，Audi公司首次在配裝3.0L-V6-TDI柴油機(jī)的A4和Q7車型上使用排氣后處理裝置［2］，并對(duì)這種置于汽車地板下遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)的SCR系統(tǒng)不斷進(jìn)行開發(fā)［3］。近年來，不斷降低的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗導(dǎo)致廢氣能量明顯降低，以致于汽車地板下的排氣后處理系統(tǒng)因溫度過低而出現(xiàn)轉(zhuǎn)化性能方面的缺陷。圖6示出了配裝于Audi A6轎車的V6-TDI柴油機(jī)排氣溫度與CO2排放的關(guān)系。汽車地板下的布置方式已逐步被近發(fā)動(dòng)機(jī)布置的SCR系統(tǒng)所替代［4］，或者采用電加熱輔助措施［5］。圖7示出了發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣后處理技術(shù)的發(fā)展情況。

圖6 配裝于Audi A6轎車的3.0LV6-TDI柴油機(jī)的排氣溫度

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣后處理技術(shù)的發(fā)展

為新一代V6-TDI柴油機(jī)開發(fā)排氣后處理系統(tǒng)的具體難點(diǎn)在于（圖8）：（1）縮小與廢氣渦輪增壓器出口的距離，以減少溫度損失；（2）將DOC加大到1.6L；（3）用 NOC（儲(chǔ)存 NOx，氧化 CO 和碳?xì)浠衔铮┨娲鶧OC；（4）進(jìn)一步開發(fā)集成在多孔性DPF上的SCR涂層，目標(biāo)是為未來車型開發(fā)通用的模塊化排氣裝置；（5）加長(zhǎng)AdBlue混合器區(qū)段，并使用全流式混合器，以便在NH3逃逸量最少的情況下準(zhǔn)備計(jì)量的NOx還原劑，以獲得高NOx轉(zhuǎn)化性能。

圖8 帶SCR-DPF的模塊化近發(fā)動(dòng)機(jī)布置排氣后處理系統(tǒng)

通常，出于發(fā)動(dòng)機(jī)總體布置的原因，靠近發(fā)動(dòng)機(jī)布置AdBlue計(jì)量模塊是很大的挑戰(zhàn)。為此，NOx還原劑采用6個(gè)噴束，以25°的噴霧錐角形成噴霧，并與橢圓形的全流式混合器相配合，以獲得良好的NH3分布，從而確保在SCR轉(zhuǎn)化器橫斷面范圍內(nèi)的NOx能被均勻轉(zhuǎn)化。圖9示出了200℃排氣溫度下SCR轉(zhuǎn)化器出口的NOx轉(zhuǎn)化率變化。

將160kW柴油機(jī)用于前輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，因驅(qū)動(dòng)效率提高，導(dǎo)致排氣溫度損失加大。此時(shí)，采用1個(gè)相同體積的NOC替代DOC，以支持NOx的還原［6］。采用這種組合方式能在顯著降低CO2排放的同時(shí)，獲得較低的有害物排放。此外，借助于智能化的運(yùn)行策略，還能獲得以下優(yōu)勢(shì)：（1）NOC具有良好的低溫活性；（2）避免加熱措施，在純粹的SCR系統(tǒng)中必須低于某個(gè)CO2閾值；（3）在發(fā)動(dòng)機(jī)中等負(fù)荷和高負(fù)荷時(shí)，采用SCR系統(tǒng)獲得高NOx轉(zhuǎn)化率。

為此，開發(fā)了1個(gè) NOC／SCR協(xié)調(diào)器，優(yōu)化NOC與SCR之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，以便在盡可能減少CO2排放的情況下獲得低排放性能。

5 發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的主要目標(biāo)是要充分挖掘各部件和模塊所能達(dá)到的在改善燃油耗、行駛功率和舒適性等方面的潛力。

為了減少CO2排放，必須降低空氣系統(tǒng)中的壓力損失，以減少換氣功。同時(shí)，優(yōu)化燃燒過程并不斷實(shí)施低轉(zhuǎn)速化策略也有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。將用于Audi A6和A7轎車的7檔S-tronic變速器的總速比設(shè)計(jì)得較大，并配備離心配重，使行駛時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 000r／min，并且不損害舒適性。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是調(diào)節(jié)模塊化排氣后處理系統(tǒng)，特別是NOC＋SCR-DPF的排氣后處理系統(tǒng)需要一種新的功能方式。為了控制眾多的運(yùn)行狀態(tài)和轉(zhuǎn)換過程，為新型V6-TDI柴油機(jī)系列開發(fā)了一種基于模型的空氣調(diào)節(jié)方式，借助于傳感器采集的輸入信息（壓力、溫度等），計(jì)算EGR率和氣缸充氣等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行具有重要意義的參數(shù)，進(jìn)而在發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元中形成各種執(zhí)行器（如廢氣渦輪增壓器調(diào)節(jié)器或EGR閥）不同位置調(diào)節(jié)狀況的特性曲線場(chǎng)，從而確定基于模型的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)基本位置。其優(yōu)點(diǎn)在于，除了可改善調(diào)節(jié)品質(zhì)外，還可取消依賴于環(huán)境狀況和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況的高成本調(diào)節(jié)參數(shù)，以相對(duì)較低的費(fèi)用從已匹配好的車型轉(zhuǎn)換到其他車型。

6 行駛功率和燃油耗

新型V6-TDI柴油機(jī)率先配裝于Audi A6和A7轎車系列，并且首次使用帶S-tronic變速器和Quattro全輪驅(qū)動(dòng)的200kW功率機(jī)型。之后，又?jǐn)U展到160kW功率機(jī)型，并與新型S-tronic前輪驅(qū)動(dòng)變速器相結(jié)合［7］。

為了在降低燃油耗的同時(shí)改善行駛動(dòng)力性能，必須完美匹配發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器。性能優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)-變速器接口是將低轉(zhuǎn)速行駛、良好的發(fā)動(dòng)機(jī)加速性能和快速換檔過程相互結(jié)合的前提條件，最終所達(dá)到的行駛功率和CO2排放值為同類車型樹立了新標(biāo)桿（圖10）。表1列出了新型Audi A6轎車與老車型的特性值比較。

圖10 CO2排放和加速性能比較

7 結(jié)語(yǔ)

Audi公司成功開發(fā)了V6-TDI轎車柴油機(jī)系列，在降低CO2排放的同時(shí)，能滿足ULEV125或歐6排放法規(guī)等嚴(yán)格的限值要求，并且提高了功率?；景l(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)使其能在不同車型上匹配各種變速器，因此，V6-TDI柴油機(jī)是轎車舒適性、駕駛樂趣和高效率的保障。

表1 新型Audi A6轎車與老車型的特性值比較

［1］Knirsch S， Wei? U，F(xiàn)r?hlich A，u.a. Die neue V6-TDI-motorengeneration von Audi，teil 1：konstruktion und mechanik［J］.MTZ，2014，75（9）.

［2］Gruber M，Hatz W，Bauder R，u.a.Der neue Audi 3.0lV6-TDI mit ultra low emission system ［C］.17. Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik，2008.

［3］Reuss T，Bauder R，wei?U，et al.The new，second-generation Audi 3.0V6TDI EU6—powerful and economical［C］.21.Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik，2012.

［4］Wei?U，L?rch H，Pamic G，et al.The new EU6R4and V6 TDI engines from Volkswagen and Audi integration of SCR functionality in a close coupled particulate trar［C］.22.Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik，2013.

［5］L?rch H，M?hn S，Wei?U，et al.Combination of electrically heated catalytic converter and SCR＠DPF for challenging V-TDI projects［C］.14.Internationales Stutgarter Symposium，2014.

［6］Knirsch S，Wei?U，F(xiàn)rohlich A，et al.The new generation of the Audi V6-TDI engine 25years of technology—dynamics—innovation［C］.35.Wiener Motorensymposium，2014.

［7］Knirsch S，Sch?ffmann M，F(xiàn)leischmann H，u.a.Die neue S tronic-getriebegeneration von Audi［C］.35. Wiener Motorensymposium，2014.