Audi公司新一代V6渦輪增壓直噴式轎車柴油機
——機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

【德】 S.Knirsch U.Weiss A.Fr?hlich J.Helbig

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Audi公司新一代V6渦輪增壓直噴式轎車柴油機
——機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

【德】 S.Knirsch U.Weiss A.Fr?hlich J.Helbig

針對低燃油耗、低廢氣排放、良好的功率輸出和持續(xù)不斷的輕量化結(jié)構(gòu)，Audi公司對新一代3.0L-V6渦輪增壓直噴式轎車柴油機進行重新開發(fā)。通過優(yōu)化熱管理、內(nèi)部摩擦和燃燒過程等措施提高效率，并集成近發(fā)動機布置的排氣后處理裝置是重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)，為此，對基礎(chǔ)發(fā)動機進行了更為全面的改進。介紹新一代發(fā)動機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。

增壓直噴式柴油機 排氣后處理 廢氣再循環(huán) 熱管理 摩擦

1 Audi公司渦輪增壓直噴式柴油機的發(fā)展歷程

1989年，轎車柴油機經(jīng)歷了一次變革，Audi公司推出渦輪增壓直噴式(TDI)柴油機，這種TDI柴油機成為運動、舒適和節(jié)油型轎車的新標桿[1]。25年前，Audi公司就將全球第1款5缸2.5L直列式TDI轎車柴油機投入量產(chǎn)，該機型結(jié)合直噴、廢氣渦輪增壓和增壓空氣冷卻技術(shù)，為燃油直噴提供了一種發(fā)展趨勢，現(xiàn)在這種方法已被推廣到所有先進柴油機上[2]。1997年，全球第1臺V6-TDI轎車柴油機問世，這款2.5L柴油機應(yīng)用分配式噴油泵，是第1款采用4氣門技術(shù)的TDI柴油機，隨后還出現(xiàn)了更多的變型機[3]。

如今，不僅Audi公司應(yīng)用V6-TDI柴油機，Volkswagen公司也成功推出這種機型，并生產(chǎn)超過230萬臺V6-TDI柴油機。下文介紹的新一代3.0L-V6-TDI柴油機是TDI V型柴油機系列在功率、廢氣排放和燃油耗等方面的開發(fā)成果(圖1)，已被配裝于新型Audi A6和A7汽車系列的2014年第3代Quartal 200kW歐6變型車。

圖1 Audi公司3.0L-V6-TDI轎車柴油機

2 開發(fā)目標

新一代轎車柴油機系列的主要開發(fā)目標如下： (1)低燃油耗；(2)滿足歐5、歐6和超低排放車(ULEV125)的低廢氣排放要求；(3)發(fā)動機功率最高可達200kW；(4)大扭矩；(5)按最高燃燒壓力200MPa設(shè)計基礎(chǔ)發(fā)動機；(6)集成近發(fā)動機布置的排氣后處理系統(tǒng)；(7)強勁的功率輸出；(8)高舒適性。

此外，還必須滿足模塊化結(jié)構(gòu)的要求，包括開發(fā)可用于所有發(fā)動機變型的相同件和通用件，而與功率、排放等級及不同車型的裝配無關(guān)。

3 發(fā)動機基本技術(shù)規(guī)格

表1列出了新型V6-TDI轎車柴油機的主要技術(shù)規(guī)格。

氣缸體曲軸箱材質(zhì)為GJV 450，采用組合砂芯鑄造工藝制成，從曲軸中心線剖分，并為新型V6-TDI柴油機作了全面修改(圖2)，通過減小壁厚及縮小下止點范圍內(nèi)的氣缸套長度，使新機型的質(zhì)量比老機型減輕1.1kg。

通過縮小長度和厚度，冷卻水套的容積減小 0.4L，同時將氣缸蓋和氣缸體分開冷卻，與冷起動期間氣缸體曲軸箱中靜止的冷卻液相結(jié)合，提高冷起動后的暖機速度。

表1 新型V6-TDI轎車柴油機的主要技術(shù)規(guī)格

圖2 新型V6-TDI柴油機的氣缸體曲軸箱和曲柄連桿機構(gòu)

為了在發(fā)動機運行時獲得最佳的氣缸形狀，氣缸套采用中心支架珩磨加工，這種工藝是通過減小活塞環(huán)預(yù)張力以顯著降低摩擦的基本前提條件。

42CrMoS4鍛鋼曲軸具有錯開30°的連桿軸頸，以獲得相同的點火間距。為提高強度，主軸頸和連桿軸頸都經(jīng)感應(yīng)淬火硬化。取消中間平衡塊，并在所有連桿軸頸上設(shè)置減重孔，使曲軸質(zhì)量進一步減輕。為了減少裝配時間，將老機型上彈性扭振減震器的8螺栓連接改為只用1個中心螺栓緊固的圓錐齒圈連接。

200kW變型機的鋁活塞具有鹽芯冷卻油道，以降低摩擦和提高強度，活塞為筒形結(jié)構(gòu)型式，并采用涂覆類金剛石碳(DLC)涂層的活塞銷。新開發(fā)的活塞環(huán)組明顯降低了曲柄連桿機構(gòu)的摩擦。圖3示出了降低活塞環(huán)預(yù)張力的效果，結(jié)合明顯減小的活塞環(huán)高度，曲柄連桿機構(gòu)(曲軸及其密封圈、連桿和活塞組)的摩擦比第1代機型降低17%，比老機型降低約10%(發(fā)動機轉(zhuǎn)速1500r/min，機油溫度35℃)?；钊h(huán)使用組合涂層(物理汽相沉積(PVD)和DLC)，能在磨損、機油耗和曲軸箱漏氣方面獲得最佳效果。

圖3 活塞環(huán)預(yù)張力和曲柄連桿機構(gòu)摩擦的比較(1500r/min,機油溫度35℃)

4 鏈傳動機構(gòu)

新型V6-TDI轎車柴油機系列的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求是集成近發(fā)動機布置的排氣后處理裝置，以便通過快速預(yù)熱改善其起燃性能。氧化催化轉(zhuǎn)化器的體積增大60%，并用法蘭同軸連接在廢氣渦輪增壓器渦輪出口處，因此必須在發(fā)動機V形夾角后部范圍內(nèi)準備相應(yīng)的結(jié)構(gòu)空間。將鏈傳動機構(gòu)設(shè)計得十分緊湊，支撐氣缸蓋中的中間齒輪和串聯(lián)的兩級齒輪傳動(圖4)。為降低噪聲，預(yù)先設(shè)定齒輪間隙補償裝置。為了降低摩擦，中間齒輪采用滾針軸承支承。

圖4 鏈傳動機構(gòu)及高壓 燃油泵和機油泵驅(qū)動裝置

在老機型上，機油泵和高壓燃油泵傳動被布置在同一個鏈傳動機構(gòu)中。由于噴油壓力提高，對新機型提出了更高的要求，因而將機油泵和高壓燃油泵的傳動分開布置。動態(tài)負荷較高的高壓燃油泵鏈傳動被設(shè)計成扭轉(zhuǎn)剛度較大的兩軸傳動結(jié)構(gòu)型式，能在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可靠避免共振和高鏈條力。

用法蘭連接在油底殼中的機油/真空串聯(lián)泵通過單獨的鏈條直接由曲軸前端驅(qū)動。鑒于機油品質(zhì)和低機油黏度(0W30)，Audi公司的V形柴油機只使用更為堅固的具有滲鉻銷的套筒鏈。

5 氣缸蓋和氣門機構(gòu)

通過重新設(shè)計氣缸蓋，滿足了在功率和缸內(nèi)最高壓力方面的更高要求。其主要特點是平行于氣缸中心線的對稱氣門星形布置及雙層冷卻水套。在V6-TDI雙渦輪增壓發(fā)動機上經(jīng)驗證的雙層冷卻水套設(shè)計方案經(jīng)過不斷開發(fā)改進，現(xiàn)已應(yīng)用于所有發(fā)動機機型(圖5)[4]。

圖5 雙層冷卻水套氣缸蓋和氣門機構(gòu)

下層冷卻水套因具有高流動速度，能確?；鹆γ婧蜔嶝摵蓸O高的氣門鼻梁區(qū)的強烈冷卻，與采用單層冷卻水套的老機型相比，即使提高了功率，仍能使氣門鼻梁區(qū)的溫度降低25K。由于溫度均勻分布，可取消專門針對進氣門鼻梁區(qū)的冷卻。

為了消除高負荷區(qū)域的微溝槽效應(yīng)，與進氣道一樣，對冷卻水道的幾何形狀分模型面曲線進行優(yōu)化，將分模型面設(shè)置在低負荷區(qū)域，并自動清除砂芯飛邊，作為提高強度的輔助措施。

新氣缸蓋的另一個特點是具有非常緊湊的結(jié)構(gòu)型式，放棄了目前一體式的進氣道法蘭，在新型V6-TDI柴油機上，采用單獨的用PA6-GF35合成材料制成的構(gòu)件替代進氣道法蘭，與其他優(yōu)化結(jié)構(gòu)相結(jié)合后，2個氣缸蓋的質(zhì)量相比老機型減輕2.5kg。

凸輪軸采用輕型裝配式中空結(jié)構(gòu)方案，由2道分開的中間軸承支撐。為減輕質(zhì)量，將軸承直徑縮小27%。采用全新設(shè)計的高剛性滾輪搖臂操縱氣門，其滾輪直徑比老機型的大，與其一起轉(zhuǎn)動的滾輪銷具有必要的強度，這也是采用低黏度機油(0W30)的前提條件。

6 進氣系統(tǒng)

電動節(jié)氣門是汽車與發(fā)動機側(cè)空氣管路的接口，與用PA6.6-GF35合成材料制成的增壓空氣管路相連接(圖6)，并通過1根隔熱的不銹鋼管將再循環(huán)廢氣引入進氣管，再循環(huán)廢氣引入管的幾何設(shè)計可確保廢氣與新鮮空氣均勻混合，并能在任何運行工況點防止廢氣直接沖擊塑料進氣管壁面。

圖6 進氣系統(tǒng)

用于2排氣缸的中央渦流調(diào)節(jié)閥將進氣管分成1個常開的渦流進氣道，以及1個可連續(xù)關(guān)閉的充氣進氣道，而位于V形夾角內(nèi)的進氣管被相應(yīng)設(shè)計成分別至2排氣缸的雙氣道結(jié)構(gòu)型式。為獲得復(fù)雜的幾何形狀，用PA6-GF35合成材料制成的進氣管結(jié)構(gòu)是由3個分開的殼體經(jīng)摩擦熱壓焊接而成的。借助于計算流體力學(CFD)模擬，EGR引入口橫截面的幾何形狀和尺寸都針對換氣功和再循環(huán)廢氣的均勻分布進行優(yōu)化。

7 排氣歧管和廢氣渦輪增壓器

排氣歧管被設(shè)計成中空隔熱式薄鋼板歧管結(jié)構(gòu)型式,內(nèi)管采用內(nèi)高壓成型法制成。將1個質(zhì)量優(yōu)化的法蘭連接到氣缸蓋上，其螺栓緊固點從8個減至7個，與廢氣渦輪增壓器的連接則采用V形箍，從而使質(zhì)量比老機型減輕20%(圖7)。

圖7 排氣歧管、廢氣渦輪增壓器和EGR系統(tǒng)

新型V6-TDI轎車柴油機采用新一代廢氣渦輪增壓器，其主要特點是降低了VTG噴嘴環(huán)的流通高度，以及用鉚接結(jié)構(gòu)的噴嘴環(huán)盤替代原先的鑄件結(jié)構(gòu)。后一項改進可優(yōu)化渦輪入口橫截面的流動狀況，并與摩擦優(yōu)化的軸承相結(jié)合，在低轉(zhuǎn)速時獲得高效率，并且加快動態(tài)響應(yīng)，改善廢氣渦輪增壓器的瞬態(tài)性能。

8 EGR

高壓EGR的主要部件是EGR模塊，由功能件EGR閥、EGR冷卻器和旁通閥組成，其中，調(diào)節(jié)EGR率的電動行程閥布置在EGR模塊的熱端。由于伴隨流動速度的增大，廢氣溫度提高,會導(dǎo)致閥座處產(chǎn)生壓力損失，因此，優(yōu)化EGR閥中的流動狀況具有重要意義，必須借助CFD模擬來設(shè)計EGR閥座前殼體的幾何形狀，并采用不銹鋼精密鑄件結(jié)構(gòu)。

冷卻能力優(yōu)化的U形不銹鋼管式冷卻器用法蘭連接在2個水冷式鋁壓鑄閥體(EGR閥和旁通閥)上。為了旁通EGR冷卻器，沿用老機型的氣動式行程閥。通過將鋁壓鑄件與不銹鋼薄板結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提高EGR模塊的冷卻能力，并且質(zhì)量比老模塊減輕16%。

在ULEV125的應(yīng)用場合，采用前置冷卻器和氣動式旁通閥替代廢氣渦輪增壓器與EGR模塊之間的管道。帶一級或兩級廢氣冷卻器的2種模塊方案能很好地解決各種應(yīng)用場合下冷卻能力與EGR系統(tǒng)壓力損失之間的目標沖突。若要提高最大冷卻能力，就需要有4種EGR旁通開關(guān)狀態(tài)，具有不同的冷卻能力和廢氣側(cè)壓力損失，以勝任不同場合的需求。

9 機油循環(huán)回路

首次在Audi公司的TDI V型柴油機上使用全可變機油泵。通過偏心環(huán)連續(xù)調(diào)節(jié)滑片泵，就能根據(jù)發(fā)動機負荷和轉(zhuǎn)速獲得機油供油壓力及體積流量的匹配。圖8示出了在機油溫度90℃時發(fā)動機運行特性曲線場中的機油壓力。特性曲線場中的大部分區(qū)域能按需進行全可變調(diào)節(jié)，此時，活塞冷卻噴嘴的工作能力受機油壓力特性曲線場的影響。與老機型使用的兩級機油泵相比，這種全可變機油泵在新歐洲行駛循環(huán)下可獲得2g/km的CO2排放優(yōu)勢。

圖8 全可變機油泵的特性曲線場

集成在氣缸體曲軸箱主油道中的機油節(jié)溫器由帶滑套的石蠟收縮元件組成，能根據(jù)機油溫度調(diào)節(jié)機油冷卻器的旁通，確保發(fā)動機冷起動后迅速加熱機油(圖9)。

圖9 根據(jù)機油溫度調(diào)節(jié)機油冷卻器的旁通

10 冷卻水循環(huán)回路及其熱管理

保留老機型中氣缸蓋與氣缸體分開冷卻的可靠方案,并針對減少壓力損失和冷起動后氣缸體的快速預(yù)熱進行優(yōu)化(圖10)。采用氣缸體和氣缸蓋平行流動的冷卻液循環(huán)回路，使氣缸蓋冷卻液循環(huán)回路的冷卻液供應(yīng)充足，確保車廂內(nèi)采暖設(shè)備和變速器所用，而不會在冷起動時受氣缸體中冷卻液不流動的影響。通過創(chuàng)新的熱管理，為整個發(fā)動機運行范圍開拓出更好的節(jié)油效果。位于V形夾角內(nèi)的冷卻液泵具有1個加蓋的轉(zhuǎn)子及三維彎曲的葉片，能連續(xù)不斷地為冷卻系統(tǒng)的2個子回路供應(yīng)冷卻液。

11 氣缸蓋冷卻液循環(huán)回路

氣缸蓋冷卻液循環(huán)回路中的冷卻液始終是流通的，回路由2個氣缸蓋中的水套、機油冷卻器、EGR冷卻器，以及汽車上的采暖設(shè)備熱交換器、變速器油/水熱交換器和主散熱器等部件組成，并在水冷式廢氣渦輪增壓器和用于選擇性催化還原(SCR)裝置的AdBlue還原劑計量模塊下游附加1個電動冷卻液循環(huán)泵，它能在發(fā)動機停機后需要后續(xù)冷卻時工作。氣缸蓋冷卻液循環(huán)回路的溫度水平由新開發(fā)的帶球閥的節(jié)溫器按特性曲線場進行調(diào)節(jié)(圖10)，這種球閥在全開狀態(tài)下的流通橫截面接近完全通暢，因而其壓力損失要比傳統(tǒng)的圓盤式節(jié)溫器降低約70%。

圖10 冷卻循環(huán)回路

12 氣缸體冷卻液循環(huán)回路

發(fā)動機冷起動后，氣缸體冷卻液循環(huán)回路中先采用不流動的冷卻液，位于V形夾角內(nèi)真空控制的旋轉(zhuǎn)滑閥處于關(guān)閉狀態(tài)，阻止氣缸體水套中的冷卻液流動，防止不必要的熱量散發(fā)。在達到運行溫度后，為了降低部分負荷運行范圍內(nèi)的摩擦，旋轉(zhuǎn)滑閥將氣缸體循環(huán)回路中的冷卻液溫度調(diào)節(jié)到約105℃。

13 結(jié)語

新一代V6-TDI轎車柴油機是針對效率、功率潛力、廢氣排放和輕量化結(jié)構(gòu)進一步開發(fā)的成果。為了提高效率，對內(nèi)部摩擦、熱管理和增壓等方面進行優(yōu)化，而排氣后處理是發(fā)動機方案的重要組成部分。對基礎(chǔ)發(fā)動機進行全面改進，特別是復(fù)雜的配氣傳動機構(gòu)，使其能集成高效的近發(fā)動機布置的排氣后處理系統(tǒng)，與模塊化裝配的高壓EGR系統(tǒng)相結(jié)合后，能滿足全球最嚴格的廢氣排放限值要求。新一代廢氣渦輪增壓器實現(xiàn)了極為突出的動態(tài)增壓壓力，能確保強勁的加速響應(yīng)性能。

[1] P?lzl H-W, Bauder R, Die geschichte des TDI-motors bei Audi. ATZ/MTZ-Sonderausgabe， 10 Jahre TDI-Motor von Audi， 1999.

[2] Siebenpfeiffer W. Editorial. ATZ/MTZ-Sonderausgabe， 10 Jahre TDI-Motor von Audi， 1999.

[3] Baude R, Bach M, Fr?hlich A, u.a. Die neue generation des Audi 3.0-l-V6-TDI. MTZ, 2010, 71(10).

[4] Bauder R, Helbig J, Marckwardt H, u. a. Der neue 3.0-l-TDI-biturbomotor von Audi. MTZ, 2012, 73(1).

2014-12-24)