Volkswagen公司商用車用歐6發(fā)動(dòng)機(jī)

【德】 F.Eichler J.Kahrstedt E.Pott C.Thomfohrde

?

產(chǎn)品介紹

Volkswagen公司商用車用歐6發(fā)動(dòng)機(jī)

【德】 F.Eichler J.Kahrstedt E.Pott C.Thomfohrde

Volkswagen公司基于模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件(MDB)開發(fā)的新型2.0 L TDI發(fā)動(dòng)機(jī)，搭載在Multivan車型和Transporter車系上，并首次投放市場。采用滿足商用車特殊要求的統(tǒng)一基礎(chǔ)動(dòng)力，逐步替換原4缸機(jī)型，使功率范圍更大、燃油耗更低。該高功率版動(dòng)力總成采用新開發(fā)的可調(diào)兩級渦輪增壓系統(tǒng)。

柴油機(jī) 模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件 燃油耗

1 更高的要求

未來，對于輕型商用車動(dòng)力裝置的要求將會(huì)越來越嚴(yán)苛。為獲得更好的經(jīng)濟(jì)性和效率，商用車發(fā)動(dòng)機(jī)必須降低燃油耗，同時(shí)提高功率和扭矩。為此，數(shù)十年來輕型商用車都以整體能力優(yōu)于其他動(dòng)力的現(xiàn)代柴油機(jī)為主要?jiǎng)恿υ础?/p>

Volkswagen公司的商用車發(fā)動(dòng)機(jī)如今已是該領(lǐng)域的最佳動(dòng)力系統(tǒng)[1]。為進(jìn)一步提高在商用車領(lǐng)域的競爭力，Volkswagen公司主要針對以下重點(diǎn)進(jìn)一步開發(fā)：(1)通過模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件降低復(fù)雜性；(2)堅(jiān)持降低CO2排放；(3)提高升功率和扭矩；(4)優(yōu)化響應(yīng)特性和扭矩曲線；(5)滿足歐6排放法規(guī)要求；(6)良好的可靠性和耐久性。

自2012年以來，Volkswagen公司已非常成功地將新模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件和共軌技術(shù)引入乘用車領(lǐng)域[2-3]。在此基礎(chǔ)上，商用車特定版MDB將首次應(yīng)用于Volkswagen的新Transporter T6車型。并且在要求歐6排放法規(guī)的市場上，將完全取代目前使用的發(fā)動(dòng)機(jī)。

在概念階段，新發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了商用車特有的嚴(yán)苛工況，以及有別于乘用車的特定安裝環(huán)境。同時(shí)，考慮到Transporter車系中乘用車車型(Multivan)占了很大比例，所以在行駛性能、聲學(xué)和振動(dòng)特性方面均必須滿足乘用車要求，因此，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有適當(dāng)?shù)墓β?、豐滿的扭矩曲線和優(yōu)良的起動(dòng)性能至關(guān)重要。但是，輕型商用車較高的行駛阻力進(jìn)一步加劇目標(biāo)沖突。為此，輸出功率高達(dá)110kW的發(fā)動(dòng)機(jī)采用可變幾何截面渦輪增壓器(VTG)(圖1)，而功率為150kW的高功率版動(dòng)力總成(圖2)則對原機(jī)型的兩級增壓進(jìn)行全面改進(jìn)，并同樣在高壓級增加可變幾何截面渦輪。從而進(jìn)一步顯著提高工作范圍的適應(yīng)性和扭矩特性。

2 新型商用車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件

為使商用車在預(yù)定的外部尺寸下的可用空間盡可能大，其發(fā)動(dòng)機(jī)安裝長度應(yīng)小于相對的乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)(Volkswagen標(biāo)準(zhǔn)為既定的橫置發(fā)動(dòng)機(jī)模塊化平臺(tái)MQB)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)傾斜度偏離MQB(由向后傾斜12°變?yōu)橄蚯皟A斜8°)，因此幾個(gè)模塊必須專門用于可用空間比MQB更大的車輛(圖3)。

所有功率等級都采用相同的2.0 L基本發(fā)動(dòng)機(jī)。通過調(diào)整渦輪增壓和噴油系統(tǒng)的部件來實(shí)現(xiàn)特定功率。表1為Transporter車系新型商用車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 Transporter車系新型4缸商用車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

3 氣缸體曲軸箱、平衡軸模塊、雙聯(lián)泵

氣缸體曲軸箱由灰鑄鐵GJL250制成并采用成熟的長裙設(shè)計(jì)。曲軸箱和平衡軸模塊均采用Volkswagen模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件。除了采用帶平衡軸的曲軸箱，扭矩減小的較低功率等級發(fā)動(dòng)機(jī)還可以采用可降低質(zhì)量和成本的無平衡軸方案。

機(jī)油泵和真空泵組成的雙聯(lián)泵放置于同1個(gè)壓鑄鋁殼體內(nèi)，壓鑄鋁殼體位于油底殼的氣缸體曲軸箱法蘭之下。通過調(diào)整吸入管，使其適用于更深更大的商用車油底殼，這樣就可采用模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件下的乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)雙聯(lián)泵。

4 氣缸蓋、整體式氣門機(jī)構(gòu)模塊

以176kW雙渦輪增壓乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，改進(jìn)商用車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋[4]。Volkswagen公司的柴油機(jī)首次采用氣門桿直徑為5mm的氣門。通過減輕氣門質(zhì)量，可顯著減小氣門彈簧力，從而明顯降低摩擦。

與原機(jī)型相同，氣門組呈直線對稱排列，所有進(jìn)氣門和排氣門分別位于一條線上。這種布置方式使冷卻通道幾何結(jié)構(gòu)更簡單并提高芯子的穩(wěn)定性。平行布置的氣門和優(yōu)化了壓力損失的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，確保了良好燃燒所需的渦流水平。

由于采用鉆孔和螺栓相互連接，所以可以利用模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件的生產(chǎn)線節(jié)約制造氣缸蓋的成本。

新型商用車柴油機(jī)和4缸TDI模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門機(jī)構(gòu)模塊具有相同的基本結(jié)構(gòu)，但氣門正時(shí)是專為商用車設(shè)計(jì)的，從而能獲得非常豐滿的扭矩曲線。

5 增壓空氣冷卻器和進(jìn)氣歧管

新型商用車柴油機(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。不同于乘用車4缸機(jī)，Transporter車系的發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間較小，因而要求將增壓空氣冷卻器布置在氣缸蓋的上方。

冷卻芯由22個(gè)成對焊接的冷卻板組成，空氣按逆流原理流經(jīng)冷卻芯。這樣既確保鋁板至冷卻液的傳熱良好，也保證壓力損失較低。湍流板改善了增壓空氣至冷卻液的傳熱。塑料空氣箱確保冷卻板內(nèi)的氣流流動(dòng)均勻。塑料空氣箱與冷卻器部件用卷邊固定在一起。為減少振動(dòng)負(fù)荷，借助彈性緊固機(jī)構(gòu)使增壓空氣冷卻器與發(fā)動(dòng)機(jī)激振解耦。

由于商用車的用戶任務(wù)剖面比乘用車更寬廣，因而要求所設(shè)計(jì)的燃燒過程非常穩(wěn)定。尤其在低速運(yùn)行情況下，要求根據(jù)特定工況點(diǎn)設(shè)置進(jìn)入燃燒室的氣流渦流，以減少顆粒物排放。由聚酰胺6.6制成的進(jìn)氣歧管配有氣動(dòng)操作的渦流瓣閥，能有效控制渦流。

6 廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)

由于歐6廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)提高了對發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放性能的要求，尤其是必須降低新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)冷起動(dòng)后的廢氣排放，因而需大幅改善高壓EGR系統(tǒng)的效率。

根據(jù)前幾代EGR模塊的經(jīng)驗(yàn)，T6開發(fā)在全工況下均有較高穩(wěn)定性的全新氣門和冷卻器。開發(fā)重點(diǎn)為穩(wěn)定轉(zhuǎn)換冷卻器旁通功能，避免燃燒殘留物冷凝。同時(shí)通過氣門桿的無側(cè)力運(yùn)行，降低了氣門導(dǎo)管區(qū)域的磨損。

通過唯一的執(zhí)行器無級控制冷卻器路徑和旁通，這種驅(qū)動(dòng)可以最大程度地利用發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面及變速器上方的現(xiàn)有空間，無需采用真空控制旁通閥。EGR閥有2個(gè)浮子置于氣門桿上的氣門頂，鉻鎳鐵合金制成的壓縮彈簧將氣門頂壓入各自的氣門座內(nèi)。

考慮到模塊在發(fā)動(dòng)機(jī)熱端至冷端的氣路中的位置，不能采用傳統(tǒng)的U型流動(dòng)冷卻器。而I型流動(dòng)冷卻器在相同空間內(nèi)效率太低，因此采用新的S型氣流管(圖4)。

EGR閥有3種不同的開關(guān)工作狀態(tài)：(1)在中間位置時(shí)，冷卻路徑和旁通路徑均關(guān)閉；(2)在旁通位置時(shí)，執(zhí)行器向下推動(dòng)處于中心位置的氣門桿，從而打開上方的氣門頂，使冷卻器旁通管的氣路通暢；(3)在冷卻位置時(shí)，執(zhí)行器向上拉動(dòng)氣門桿，從而打開下方的氣門頂，使S型冷卻管路通暢。

7 噴油系統(tǒng)

新型商用車柴油機(jī)采用Delphi公司系統(tǒng)壓力為200MPa的噴油系統(tǒng)。雖然對商用車發(fā)動(dòng)機(jī)的功率要求高于乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)，但屬于模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件的DFS 1.20噴油系統(tǒng)的所有零部件幾乎都可用于功率高達(dá)110kW的單渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)[5]。8孔噴嘴的霧化狀態(tài)與使壓縮比降低到15.5的新活塞凹腔形狀相匹配。

為確保雙渦輪增壓頂級動(dòng)力在低轉(zhuǎn)速、大扭矩工況時(shí)所需的噴油量，新機(jī)型采用供油量顯著提高的雙柱塞DFP 7.20高壓泵。

8 單渦輪增壓系統(tǒng)

功率分別為62kW、75kW和110kW的發(fā)動(dòng)機(jī)采用在2.0L TDI發(fā)動(dòng)機(jī)VTG渦輪增壓器基礎(chǔ)上進(jìn)一步升級的增壓系統(tǒng)。由于必須符合歐6排放法規(guī)，要求燃油耗和CO2排放較低，并具備使?fàn)恳?yōu)化的扭矩特性，因而該渦輪增壓系統(tǒng)適用于此車系。

為了實(shí)現(xiàn)特定功率優(yōu)化，分別針對功率高達(dá) 75kW 和110kW的發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)新型渦輪增壓器。此外，為了提高整個(gè)工作范圍的效率，重新設(shè)計(jì)了原機(jī)型的壓氣機(jī)葉輪和渦輪葉輪。

9 針對150kW機(jī)型的雙渦輪增壓系統(tǒng)

隨著首次成功將兩級渦輪增壓用于Trans-porter車系，Volkswagen公司自2009年起成為優(yōu)化牽引力的商用車發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的引領(lǐng)者。為確保和擴(kuò)大競爭優(yōu)勢，新2.0 L雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)型相比大幅提高了功率和扭矩。

這種高功率版動(dòng)力總成與功率較小的機(jī)型一樣，配裝于商用車時(shí)也需考慮到即使在最大載重5.5 t的情況下，也要有較高的載荷譜和起動(dòng)性能。

基于原機(jī)型的成功經(jīng)驗(yàn)，再次采用可調(diào)兩級渦輪增壓系統(tǒng)，包括旁通在內(nèi)的葉輪和壓氣機(jī)側(cè)為串聯(lián)模式。為進(jìn)一步提高起動(dòng)性能，高壓級采用VTG。低壓渦輪仍繼續(xù)由放氣閥控制。

除了壓氣機(jī)被動(dòng)旁通，還采用渦輪主動(dòng)旁通閥及常見的放氣閥作為執(zhí)行器。后2種閥門均配有真空調(diào)節(jié)的執(zhí)行器(圖5)，VTG也由真空調(diào)節(jié)。

10 功率與扭矩

與原機(jī)型相比，新Transporter車系的2.0L 4缸共軌發(fā)動(dòng)機(jī)將功率范圍向上擴(kuò)展為62～150kW，原機(jī)型為62～132kW。功率最大的單渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)功率可達(dá)110kW，原機(jī)型為103kW。盡管功率提高，但僅在轉(zhuǎn)速1500r/min時(shí)就可獲得額定扭矩，而原機(jī)型轉(zhuǎn)速則需達(dá)到1750r/min時(shí)才能獲得額定扭矩。此外，在轉(zhuǎn)速3000r/min時(shí)可獲得最大扭矩340N·m。在3200～3800r/min的寬廣轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，均可達(dá)到擴(kuò)展的最大功率110kW(圖6)。

Volkswagen公司的新型商用車高功率版動(dòng)力總成采用額定功率為150kW(轉(zhuǎn)速4000r/min)的2.0L 4缸雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)(圖7)。它以大于76kW/L的升功率成為商用車領(lǐng)域的引領(lǐng)者。最大扭矩450N·m遵循傳動(dòng)系的機(jī)械傳動(dòng)極限，在轉(zhuǎn)速1400r/min時(shí)就可達(dá)到最大扭矩。這與原先的高功率版動(dòng)力總成相比，整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的可用扭矩提高12%以上。

11 行駛動(dòng)力性、廢氣排放及燃油耗

新Transporter車系的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是大幅降低各功率等級的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油耗和CO2排放，同時(shí)改善行駛動(dòng)力性能。各功率等級的發(fā)動(dòng)機(jī)均符合法規(guī)要求，滿足歐6排放標(biāo)準(zhǔn)。

深入的細(xì)節(jié)工作及專為商用車設(shè)計(jì)的渦輪增壓系統(tǒng)，使所有發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩曲線更豐滿，因此，無論是0～100km/h的標(biāo)準(zhǔn)加速度，還是行駛運(yùn)行中較重要的機(jī)動(dòng)性，都優(yōu)于原來的車型。與原機(jī)型相比，頂級動(dòng)力的功率大幅提高，因而需重新設(shè)計(jì)傳動(dòng)比，使行駛動(dòng)力性明顯改善(表2)。

同時(shí)，廢氣排放限值降低，要求優(yōu)化進(jìn)氣、充氣運(yùn)動(dòng)和噴油系統(tǒng)，顯著減少發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放，同時(shí)，將選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)用于排氣后處理系統(tǒng)。

整個(gè)排氣后處理系統(tǒng)由改進(jìn)的氧化催化器和顆粒捕集器組成，顆粒捕集器帶有減少氮氧化物(NOx)的特殊涂層。在顆粒捕集器上游添加AdBlue尿素水溶液。集成在顆粒捕集器殼體內(nèi)的阻擋催化轉(zhuǎn)化器防止NH3泄漏。結(jié)合機(jī)內(nèi)措施，有助于顯著減少整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍內(nèi)的排放，尤其是NOx排放。

表2 新Transporter T6汽車(陰影部分)與原車型的行駛動(dòng)力性比較(手動(dòng)版，前驅(qū))

盡管已大幅降低有害物質(zhì)排放并改善行駛動(dòng)力性能，仍可顯著減少所有發(fā)動(dòng)機(jī)的CO2排放。進(jìn)一步優(yōu)化的手動(dòng)變速器和雙離合變速器(DSG)也對CO2減排做出重大貢獻(xiàn)。采用DSG的汽車，因其采用帶離心擺重的雙質(zhì)量飛輪，因而換擋速度明顯減小，從而降低燃油耗，并提升駕駛舒適性。結(jié)合車輛措施，能比原機(jī)型減少CO2排放30 g/km(圖8)。

12 結(jié)語

Volkswagen公司采用4氣門技術(shù)的新型2.0L 4缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)為其輕型商用車的廣泛應(yīng)用和未來發(fā)展打下了基礎(chǔ)。模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件是設(shè)計(jì)商用車專用發(fā)動(dòng)機(jī)的起點(diǎn)，采用模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件可使發(fā)動(dòng)機(jī)降低成本成為現(xiàn)實(shí)，通過現(xiàn)有的模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)約發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)成本。

目前，Transporter車系新型發(fā)動(dòng)機(jī)的功率范圍為62～150kW，扭矩范圍為220～450N·m。它以高于76kW和225N·m的升功率和升扭矩，成為其細(xì)分市場的引領(lǐng)者，新發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率和升扭矩比原機(jī)型提高約13%。起動(dòng)扭矩超比例提升，雙渦輪增壓系統(tǒng)的VTG高壓級完全發(fā)揮出優(yōu)勢。

降低燃油耗和CO2排放是研發(fā)重點(diǎn)之一。通過優(yōu)化燃燒過程、降低摩擦功和減小換氣損失，新車系的燃油耗比原車系平均降低約14%。Transporter車系的原機(jī)型滿足歐5排放法規(guī)要求，而所有新機(jī)型均滿足歐6排放法規(guī)要求。

在相關(guān)的所有特性上，如行駛動(dòng)力性、燃油耗及排放等，量產(chǎn)的所有發(fā)動(dòng)機(jī)均優(yōu)于原機(jī)型。由于功率和扭矩得以提升，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)非常緊湊，以及采用乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有的模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件，所以才能在短期內(nèi)根據(jù)需要，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)新型發(fā)動(dòng)機(jī)在商用車領(lǐng)域的深入應(yīng)用。

[1] Rudolph F， Thomfohrde C, Ziesenis J,u.a. Die neuen dieselm-otoren der Volkswagen Transporter-Baureihe[C]. Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik, 2009.

[2] Neu?er H-J,Kahrstedt J, Jelden H,u.a.Die neue modulare TDI-Generation von Volkswagen[C].33. Internationales Wiener Motorensym-posium, 2012.

[3] Neu?er H-J, Kahrstedt J, Jelden H,u.a. Die EU6-Motoren des modularen dieselbaukastens von Volkswagen-innovative motorn-ahe abgasreinigung für weitere NOx-und CO2-Minderung[C]. 34. Inter-nationales Wiener Motorensymposium, 2013.

[4] Eichler F, Kahrstedt J, K?hne M, u.a. Der neue 4-Zylinder biturbo TDI motor von Volkswagen[C]. Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik, 2014.

[5] Eichler F,Kahrstedt J, Pott E,u.a. Der neue 3-Zylinder TDI motor von Volkswagen[C]. 35. Wiener Motorensympo-sium, 2014.

李媛媛 譯自 MTZ，2015，76(07-08)

何丹妮 編輯

2015-08-11)