Volkswagen公司采用模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件的新型3缸柴油機(jī)

【德】 F.Eichler J.Kahrstedt E.Pott H.Beddies

1 開發(fā)目標(biāo)

Volkswagen公司的模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件在概念階段就已針對(duì)缸數(shù)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，減小排量的3缸發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)展了這一體系。該體系的應(yīng)用重點(diǎn)是Volkswagen公司的小型車平臺(tái)。針對(duì)小型車用新型3缸渦輪增壓直噴式（TDI）柴油機(jī)，提出了以下開發(fā)目標(biāo)：（1）與公司所有橫向平臺(tái)的兼容性；（2）與原先的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，顯著降低CO2排放和整機(jī)質(zhì)量；（3）與原先的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，提高升功率和扭矩，挖掘削減發(fā)動(dòng)機(jī)系列的潛力；（4）共享模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件，在現(xiàn)有設(shè)備上實(shí)現(xiàn)靈活制造和裝配，最終降低成本；（5）滿足歐6排放法規(guī)要求。

2 新型3缸發(fā)動(dòng)機(jī)的主要功能模塊

2012年已推出采用模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件的4缸柴油機(jī)，現(xiàn)在，新型3缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步擴(kuò)展了柴油機(jī)種類。新型3缸發(fā)動(dòng)機(jī)的排量均為1.4L，具有55～77kW的3種輸出功率（表1）。首次配裝于新Polo轎車，該發(fā)動(dòng)機(jī)能完全取代1.2L3缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)和1.6L4缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)。

基于擴(kuò)展的功率型譜和已有的模塊化4缸發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)組件，新型3缸發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)廣泛借鑒了先前的經(jīng)驗(yàn)。必須重新設(shè)計(jì)3缸機(jī)專用的曲軸箱、氣缸蓋、氣門機(jī)構(gòu)、增壓裝置和曲柄連桿機(jī)構(gòu)；而輔助傳動(dòng)和正時(shí)傳動(dòng)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)熱端和冷端部件則繼續(xù)沿用現(xiàn)有組件或經(jīng)優(yōu)化后使用。

3 氣缸體曲軸箱

通過以下方法實(shí)現(xiàn)氣缸體曲軸箱減輕質(zhì)量和聲學(xué)優(yōu)化的研發(fā)目標(biāo)：（1）在設(shè)計(jì)鋁合金曲軸箱時(shí)優(yōu)化材料與結(jié)構(gòu)的匹配；（2）設(shè)置專門的冷卻液通道，促使零件快速加熱；（3）集成熱管理措施；（4）將氣缸蓋螺栓的螺紋設(shè)計(jì)在水套下方；（5）優(yōu)化未凈化和凈化的機(jī)油回路，以減小流動(dòng)損失；（6）延長(zhǎng)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(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件中采用由鋁合金AlSi9Cu3重力金屬型鑄造的曲軸箱，為輕量化作出重大貢獻(xiàn)（圖1）。氣缸工作表面采用GJL 250制成的熱壓薄壁缸套。只改變氣缸體曲軸箱材料，就可減輕質(zhì)量11kg。

為采用鋁合金，加寬曲軸軸承蓋配合面，并提高軸承蓋螺栓的螺紋部分。為進(jìn)一步減小軸承座的應(yīng)力，通過計(jì)算優(yōu)化卸載槽。因而，相比同等的灰鑄鐵3缸機(jī)，新發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量減輕11kg，并且比1.6LTDI發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量減輕27kg。

表1 新型3缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

4 平衡軸、曲柄連桿機(jī)構(gòu)和油底殼

為平衡自由慣性矩，采用1根與曲軸旋轉(zhuǎn)方向相反且以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的平衡軸。為了減小摩擦，將平衡軸集成到帶機(jī)油泵和真空泵的聯(lián)合模塊中（圖2）。聯(lián)合模塊由直接傳動(dòng)的單級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，該機(jī)構(gòu)的齒輪齒形是經(jīng)聲學(xué)優(yōu)化的。

通過優(yōu)化減振器和飛輪的質(zhì)量平衡，使曲軸的旋轉(zhuǎn)慣性矩最小化，同時(shí)減輕曲軸質(zhì)量。

機(jī)油泵和真空泵沿用4缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)的組件。通過流量可調(diào)的葉片泵實(shí)現(xiàn)機(jī)油供給。此外，采用電磁閥（由3缸發(fā)動(dòng)機(jī)的特性曲線圖控制）進(jìn)行低壓級(jí)和高壓級(jí)轉(zhuǎn)換。

組合式油底殼的上部采用強(qiáng)度優(yōu)化的壓鑄鋁合金制成，有助于加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的連接剛度。油底殼下部由金屬薄板制成，其特定的輪廓和優(yōu)于鑄件的延展性提高了部件與路面或異物接觸時(shí)的安全性。

5 氣缸蓋

氣缸蓋的設(shè)計(jì)借鑒采用模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)系列（圖3），無須改變氣門機(jī)構(gòu)部件。此外，還集成了熱管理的冷卻概念，雙體式水套為此奠定了基礎(chǔ)。

氣門組呈直線對(duì)稱排列，進(jìn)氣門和排氣門分別位于一條線上。平行布置的氣門和優(yōu)化了壓力損失的進(jìn)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(diào)進(jìn)氣歧管，確保了應(yīng)有的渦流水平。氣缸蓋中冷卻液的導(dǎo)流使進(jìn)排氣道能按需匹配，以滿足更高的功率和排放要求。

四年的探索，無錫市人民醫(yī)院已摸索出一套多元化的切實(shí)可行方案。首先，由醫(yī)院后勤質(zhì)量管理委員會(huì)、促導(dǎo)小組、品管圈小組等構(gòu)成了品質(zhì)管理體系，采用“品管圈”“五常法”“精益管理”等品質(zhì)管理方法，應(yīng)用點(diǎn)檢表、魚骨圖、柏拉圖等工具進(jìn)行分析，提升包括安全品質(zhì)在內(nèi)的醫(yī)院后勤品質(zhì)。

由于采用4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的垂直進(jìn)氣法蘭概念及鉆孔和螺栓連接概念，所以可以直接利用4缸機(jī)的生產(chǎn)線制造新氣缸蓋。

6 增壓空氣冷卻器

新型3缸發(fā)動(dòng)機(jī)與模塊化柴油機(jī)系列的其他發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，也采用水-空增壓空氣冷卻器（圖4）。不同于4缸機(jī)，在Volkswagen公司小型車輛平臺(tái)中，要求將增壓空氣冷卻器布置在氣缸蓋的變速器一側(cè)。其冷卻芯由7個(gè)水平堆疊的扁平鋁管組成。鋁管之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。

7 耦合式低壓廢氣再循環(huán)（EGR）和高壓EGR

與4缸歐6發(fā)動(dòng)機(jī)相同，新型3缸發(fā)動(dòng)機(jī)采用儲(chǔ)存式氮氧化物催化轉(zhuǎn)化器、柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）和雙回路EGR的廢氣凈化概念。排氣側(cè)的冷卻式低壓EGR通過變速器一側(cè)帶閥門的非冷卻式高壓EGR補(bǔ)充。由于安裝原因，增壓空氣冷卻器被布置在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面，因而不同于4缸歐6發(fā)動(dòng)機(jī)，高壓EGR位于增壓空氣冷卻器后，但在進(jìn)氣歧管前。

8 噴油系統(tǒng)

整個(gè)模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件的開發(fā)目標(biāo)是，無論發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)是多少，不同供應(yīng)商的噴油系統(tǒng)均具有基本的兼容性。新型3缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)采用Delphi公司系統(tǒng)壓力為200MPa的DFS 1.20噴油系統(tǒng)，具有7孔噴嘴，在測(cè)試壓力10MPa時(shí)，每60s流量為500mm3。通過減少電磁閥式噴油器DFI 1.20的泄漏量，降低CO2排放。采取若干調(diào)整措施，如采用更強(qiáng)的電磁線圈和優(yōu)化針閥座，進(jìn)一步提高在全球市場(chǎng)應(yīng)用的穩(wěn)定性。首次應(yīng)用所謂“氣缸背壓補(bǔ)償”的軟件功能，可在相對(duì)較低的氣缸背壓下（例如DPF再生時(shí)）進(jìn)一步改善噴油精度。

綜上所述，結(jié)合氣缸蓋中的氣道幾何形狀和氣門布置設(shè)計(jì)，采取上述措施的1.4L發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放比原先的1.2L機(jī)型明顯降低。

9 摩擦

由于針對(duì)3缸柴油機(jī)的CO2限值極為嚴(yán)格，因此，在這一用途領(lǐng)域，必須大幅降低摩擦損失，這也有助于達(dá)到燃油耗目標(biāo)。

減少齒帶轉(zhuǎn)向和帶輪數(shù)量，改進(jìn)正時(shí)傳動(dòng)裝置，再結(jié)合摩擦優(yōu)化的高壓燃油泵，進(jìn)一步降低附件驅(qū)動(dòng)的功率。在全新模塊化整體式凸輪軸軸承框架下，改進(jìn)凸輪軸軸承，從而降低氣門機(jī)構(gòu)的損失。

將平衡軸、機(jī)油泵和真空泵集成到緊湊的聯(lián)合模塊中，無須單獨(dú)驅(qū)動(dòng)平衡軸。針對(duì)3缸機(jī)，在這一模塊中集成可調(diào)式機(jī)油泵，有助于降低驅(qū)動(dòng)功率。體積流量可變的水泵不僅可縮短冷卻系統(tǒng)的加熱時(shí)間，而且還能將切換狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)功率降到最低。

比較整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)功率后可知，與排量更小的3缸機(jī)相比，采取上述措施后，發(fā)動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)功率改善約20%（圖5）。

10 噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）分析

Volkswagen公司為首次采用模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件的新型3缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)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，因而必須深入研究，以確保具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度，并防止失去聲學(xué)舒適性。降低噪聲的措施主要集中在平衡軸驅(qū)動(dòng)和正時(shí)傳動(dòng)裝置上。

在改用鋁材料的情況下，為盡可能減小氣缸體曲軸箱的聲輻射，進(jìn)行大量試驗(yàn)性的結(jié)構(gòu)分析，開發(fā)并實(shí)施結(jié)構(gòu)剛度改進(jìn)措施。通過NVH計(jì)算，實(shí)現(xiàn)肋條在外部區(qū)域和內(nèi)部區(qū)域的最佳分布。因此，將曲軸箱的聲輻射表面分為多個(gè)大小不等的區(qū)域。

平衡軸驅(qū)動(dòng)的研究結(jié)果優(yōu)化了輪齒形狀和數(shù)量，有效防止產(chǎn)生干擾性噪聲和脈動(dòng)噪聲。在正時(shí)傳動(dòng)裝置方面，新的張緊裝置設(shè)計(jì)和前文提及的帶輪布置變化也具有積極的聲學(xué)影響。

此外，還采取一系列措施降低空氣和固體聲輻射，并改善振動(dòng)性能。尤其是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)支承和雙質(zhì)量飛輪進(jìn)行深入改進(jìn)，確保在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，車身和傳動(dòng)裝置能與發(fā)動(dòng)機(jī)良好解耦。為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙的聲輻射，采用油底殼擋板、降噪的罩蓋和聲學(xué)優(yōu)化的空氣濾清器殼。所有措施都有效降低了動(dòng)力裝置在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的空氣噪聲級(jí)（圖6）。

11 功率與扭矩

新型1.4L3缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)向上擴(kuò)展了3缸機(jī)領(lǐng)域的功率范圍（圖7）。原有發(fā)動(dòng)機(jī)的功率只有55kW，而目前3種機(jī)型功率最高可達(dá)77kW，最大扭矩可達(dá)250N·m。所有發(fā)動(dòng)機(jī)在寬廣轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（自1 500r／min起）均具有理想的扭矩值（超過最大扭矩的90%）。其中，1.4L55kW變型機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)尤為明顯。新發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩為210N·m，比原有發(fā)動(dòng)機(jī)提高30N·m，且明顯更早（1 500r／min）達(dá)到最大扭矩。功率最小的機(jī)型在通常與起步相關(guān)的最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，扭矩與排量超比例提高30%以上。

12 行駛動(dòng)力性與燃油耗

通過仔細(xì)優(yōu)化新型3缸機(jī)的流動(dòng)路徑、換氣和燃燒過程，各功率等級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了渦輪增壓器良好的自動(dòng)響應(yīng)性和強(qiáng)大的起步加速功率。新Polo車已完全柴油化，且機(jī)動(dòng)性得到改進(jìn)，同時(shí)，燃油耗比原先相同功率發(fā)動(dòng)機(jī)的更低。其中，功率55kW的發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化尤為顯著。

在功率66kW的發(fā)動(dòng)機(jī)上，Volkswagen公司首次將3缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)與著名的7檔雙離合變速器結(jié)合，該換檔方案可用于超低轉(zhuǎn)速的行駛模式。除汽車的燃油耗措施（藍(lán)驅(qū)技術(shù)）外，該方案是相比原先4缸發(fā)動(dòng)機(jī)減少CO2排放19g／km的重要因素。盡管排放法規(guī)日益嚴(yán)格，且對(duì)舒適性要求更高，所有采用手動(dòng)變速器的車輛CO2排放也明顯比原車型的低（表2）。

表2 新Polo車的燃油耗與行駛動(dòng)力性

13 結(jié)語

在Volkswagen公司的發(fā)動(dòng)機(jī)戰(zhàn)略框架下，新型3缸機(jī)擴(kuò)展了模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件的應(yīng)用范圍。其開發(fā)目標(biāo)是，與原有發(fā)動(dòng)機(jī)相比，質(zhì)量明顯更輕，并且具有更低的燃油耗和更強(qiáng)勁的行駛動(dòng)力性。

目前，新發(fā)動(dòng)機(jī)的功率范圍為55～77kW，可替代升功率較低的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)。首次采用剛度和質(zhì)量經(jīng)優(yōu)化的重力金屬型鑄造鋁合金氣缸體曲軸箱。極其緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使新發(fā)動(dòng)機(jī)能適用于Volkswagen公司對(duì)超低CO2排放有高要求的小型車平臺(tái)。新型3缸發(fā)動(dòng)機(jī)能滿足歐6排放法規(guī)要求，且模塊化結(jié)構(gòu)使其具有滿足未來排放法規(guī)要求的潛力。

Volkswagen公司憑借新型3缸TDI柴油機(jī)，創(chuàng)造了在小型汽車細(xì)分市場(chǎng)的通用基礎(chǔ)。通過削減發(fā)動(dòng)機(jī)系列及應(yīng)用集成的模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件，費(fèi)用和成本明顯低于原有發(fā)動(dòng)機(jī)。新型發(fā)動(dòng)機(jī)完全實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的開發(fā)目標(biāo)。