Volkswagen公司新型4缸兩級渦輪增壓直噴式柴油機

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Volkswagen公司新型4缸兩級渦輪增壓直噴式柴油機

【德】FEichlerJ.KahrstedtM.K?hneM.Graaff

摘要：Passat轎車配裝兩級渦輪增壓的直列4缸2.0L直噴式柴油機，具有頂級的機動性。在轉速4000r/min時功率為176kW；在1750～2500r/min轉速范圍內，最大扭矩為500N·m，被升功率高達88kW，這量產4缸柴油機中是最高的。新型柴油機以2012年Volkswagen公司推出的模塊化標準部件為基礎[1]，匹配具有2個廢氣渦輪增壓器的緊湊型增壓機組，增壓壓力(絕對壓力)高達0.38MPa。

關鍵詞：兩級渦輪增壓共軌噴油系統(tǒng)增壓空氣冷卻器

1發(fā)動機的技術規(guī)格

配裝2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機的新型Passat轎車的技術特點如下：(1)功率為176kW，具有4缸柴油機至今未達到的88kW升功率；(2)扭矩為500N·m,相當于升扭矩250N·m；(3)具有高級轎車的運動性行駛性能和最佳的聲學特性；(4)達到歐6排放限值；(5)燃油耗低；(6)利用模塊化標準部件有效降低成本；(7)適合于橫置式安裝(圖1)。2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機的主要技術規(guī)格列于表1。

2基礎發(fā)動機

2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機以單渦輪增壓機型為基礎，氣缸體曲軸箱采用GJL-250片墨鑄鐵鑄造。為了在低機油耗和曲軸箱通風量少的情況下獲得最佳的摩擦性能，采用螺栓固定的珩磨中心架，對氣缸工作表面進行珩磨。

與基礎技術狀態(tài)不同，兩級渦輪增壓直噴式柴油機的氣缸體曲軸箱已經過改進，所有部位都能承

表1　2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機的主要技術規(guī)格

受更高的負荷。加大與主軸承座連接的橫隔板壁厚，優(yōu)化其上部用于減小曲軸箱氣體橫向脈沖流動損失的開口范圍內的應力，加長的曲軸主軸承蓋螺栓能承受提高的拉伸力。通過改進機油通道的布置，改善了2個廢氣渦輪增壓器的機油供應狀況。借助于其他結構措施，優(yōu)化了增壓機組支撐緊固點的強度及噪聲輻射。

由于最高燃燒壓力較高，因而將壓縮比減小到15.5 (110kW的單渦輪增壓機型壓縮比為16.2)，并采用全新的燃燒過程。新型柴油機采用新開發(fā)的活塞，其頂部的燃燒室凹坑唇口負荷最高的區(qū)域經再熔煉處理，進一步提高了強度。為新活塞優(yōu)化了活塞頭部鹽芯鑄造成形的冷卻通道。將第2道活塞環(huán)設計成鼻形斜面環(huán)，第3道活塞環(huán)采用高度從3.0mm縮小到2.0mm的雙斜切式軟管彈簧油環(huán)，能夠減小切向力。

將活塞銷直徑從26mm增加到29mm，減小活塞銷軸線上的應力和表面壓力。與所有柴油機標準組合部件一樣，涂覆類金剛石碳涂層的活塞銷已成為標準化零件，部分加強了連桿桿身，曲軸由42CrMoS4高強度合金鋼鍛造而成，8孔法蘭與功率140kW的2.0L渦輪增壓直噴式柴油機采用的法蘭相同。

2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機的負荷比單渦輪增壓機型的高，因而必須對機油量預算進行匹配調整，并通過加大活塞冷卻噴嘴提高冷卻機油的流量，以滿足活塞增大的冷卻需求。與此同時，鑒于機油體積流量增大，應降低機油的壓力水平，以減少機油循環(huán)回路中的壓力波動。

機油泵是一種體積流量可調的兩級式葉片泵，具有7個油室。其中低壓級機油壓力為0.18MPa，高壓級機油壓力為0.33MPa。機油泵轉速比單渦輪增壓機型的提高10%，以優(yōu)化發(fā)動機低轉速時的機油供應。相應調整機油壓力開關，機油濾清器和機油冷卻器沿用基礎發(fā)動機的驗收件。

3氣缸蓋

鑒于燃燒過程的進氣充量渦流設計及兩級渦輪增壓，可不再采用可變氣門機構。兩級渦輪增壓柴油機的氣門星形布置采用與氣缸中心線平行的結構型式(圖2)。這種整體式氣門機構模塊是模塊化柴油機的重要部件，基本保持不變，氣缸蓋采用相同的耐高溫材料。

高功率氣缸蓋設計方案的調整首先涉及通過進氣門之間附加的冷卻水流引導獲得更好的冷卻，以及在氣缸蓋底板、機油室范圍、噴油器周圍和氣缸蓋螺栓凸臺等部位采取加強措施。氣缸蓋螺栓的強度等級為12.9(單渦輪增壓機型為10.9級)。另外，加大了氣缸蓋罩上的機油分離室，并因曲軸箱通風份額增加，修改了機油分離的方法。

為了達到目標功率，在設計進排氣道時，力爭達到最小的壓力損失和最大的流量，因此，氣道流量比單渦輪增壓機型的增大約30%，可用于實現目標功率。在降低了渦流強度的高功率氣缸蓋上，進排氣道的曲線形狀和橫截面明顯消除了節(jié)流(圖3)。

由新開發(fā)的噴油壓力高達250MPa的Bosch公司噴油系統(tǒng)承擔混合氣準備，與此相配合的充量運動由進氣閥座上的渦流倒棱產生，渦流數比單渦輪增壓機型的減少50%以上。

兩級渦輪增壓柴油機的進氣門用X85氣門鋼制成，排氣門采用雙金屬氣門，其中，閥桿采用X45氣門鋼制成，閥盤采用3015D特種合金鋼制成。無論是進氣門升程，還是排氣門升程，都增加0.5mm，為9.5mm。

皮帶傳動機構和齒形皮帶的幾何形狀和尺寸均保持不變，通過提高設計剛度，采用緊密纏繞的玻璃纖維拉力帶和能承受更大負荷的合成橡膠混合物帶齒，使皮帶能傳遞更大的扭矩。皮帶彈簧張緊器也作了適當改進。

切斷主冷卻水泵時用于冷卻氣缸蓋的冷卻液微循環(huán)回路沿用單渦輪增壓機型的驗收件，除了用于廢氣再循環(huán)(EGR)冷卻器和采暖熱交換器外，還用于冷卻低壓廢氣渦輪增壓器的軸承殼體。采用電動泵實現微循環(huán)回路的冷卻液循環(huán)，其功率比單渦輪增壓機型的電動泵大。

4共軌噴油系統(tǒng)

2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機的創(chuàng)新之處在于噴油壓力高達250MPa的Bosch噴油系統(tǒng)(圖4)。采用這種噴油系統(tǒng)成功實現了目標功率，同時，這也是Volkswagen公司首次將這種噴油系統(tǒng)用于新型Passat轎車并投放市場。

采用Bosch-CP4系列雙柱塞高壓燃油泵產生共軌壓力，燃油泵由發(fā)動機齒形皮帶傳動機構驅動，其中，2個泵油柱塞相互呈90°布置，凸輪軸每轉共2次升程，因此供油與噴油同步。為降低CO2排放，在接近怠速運轉的范圍內，噴油壓力能降低到約23MPa，這對減少燃油泄漏是有利的。優(yōu)化了整個噴油系統(tǒng)的強度，共軌及高壓油管都采用高強度鋼材制成，在制造共軌時，還應用自動摩擦腐蝕工藝再次提高其強度。

共軌噴油器的壓電執(zhí)行器具有最大的流量精度和良好的執(zhí)行力。液力接桿被用于補償誤差，它能將壓電執(zhí)行器產生的力傳遞到開關閥(分配閥)。

無壓力室噴油嘴具有10個錐形噴孔，能獲得有利的混合氣準備，以及均質的燃油霧化和混合。每工作循環(huán)最多可噴油8次，包括2次預噴射、1次主噴射和5次后噴射，最小噴油量約為0.5mm3。

5兩級渦輪增壓

2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機的2個廢氣渦輪增壓器位于發(fā)動機機體與前圍板之間(圖5)。高壓廢氣渦輪增壓器采用可變渦輪截面(VTG)增壓器，增壓壓力(相對壓力)達0.15MPa，最高轉速達240000r/min。只需300ms，其電動執(zhí)行器就能將導向葉片完全打開。

低壓廢氣渦輪增壓器能產生高達0.38MPa的增壓壓力(絕對壓力)，其轉子最高轉速高達165000r/min。為了避免超轉速和過高的增壓壓力，配備了1個氣動操縱的廢氣放氣調節(jié)閥。壓氣機殼體中設有冷卻水套，能對增壓空氣進行預冷卻。2個增壓器的渦輪葉輪均經銑削加工成形，壓氣機葉輪涂覆約25μm厚的鎳-磷涂層，能防御低壓EGR引起的過高熱負荷。氣流消聲器中集成4間小室，通過縫隙與空氣隙相通。

采用D5S高耐熱鋼作為排氣歧管的材料。測量高壓廢氣渦輪增壓器前廢氣溫度的T3傳感器改用可靠的單邊分段傳輸協(xié)議。

高壓和低壓廢氣渦輪增壓器在渦輪側通過氣動操縱的帶位置反饋的旁通閥連通，其直徑為35mm(圖6)。在低轉速兩級運行時關閉旁通閥，導致廢氣首先沖擊高壓廢氣渦輪增壓器。新鮮空氣先進入低壓廢氣渦輪增壓器的壓氣機被略微壓縮后，再進入高壓廢氣渦輪增壓器被真正壓縮。

在2500～3500r/min轉速范圍內(圖7)，渦輪旁通閥根據發(fā)動機負荷持續(xù)開啟，高壓廢氣渦輪增壓器中的廢氣流量逐漸減小，同時新鮮空氣側被動承受彈簧負荷的壓氣機旁通閥開啟，從4000r/min起，在渦輪旁通閥完全打開的情況下開始單級運行。此時，大部分廢氣直接抵達低壓廢氣渦輪增壓器，剩余廢氣流量繼續(xù)流入高壓廢氣渦輪增壓器，但此時高壓廢氣渦輪增壓器不再壓氣。

6增壓空氣冷卻器

集成在進氣管中的增壓空氣冷卻器屬于Volkswagen公司模塊化標準部件之一，為了用于2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機，加大增壓空氣冷卻器，以滿足要求。與具有10塊冷卻隔板的單渦輪增壓機型相比，新型增壓空氣冷卻器具有13塊冷卻隔板，其流動寬度從200mm增大到250mm，流動長度仍為120mm。

在兩級渦輪增壓柴油機的高功率方案中，高效率的增壓空氣冷卻器起著決定性的作用。在全負荷時，約210℃的增壓空氣進入冷卻器，冷卻功率為40kW的冷卻器使增壓空氣溫度降低160K，達到約50℃的溫度水平。

增壓空氣冷卻器被接入汽車冷卻系統(tǒng)中的低溫冷卻回路。低溫冷卻回路的主要任務是滿足增壓空氣冷卻的需求，利用位于主散熱器與車前空調冷凝器間的冷卻器，除了增壓空氣冷卻器外，在體積流量中還包括AdBlue計量模塊和低壓廢氣渦輪增壓器壓氣機殼體中的冷卻液流量。在配裝2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機的Passat轎車上，冷卻液循環(huán)回路中的其他創(chuàng)新點還有附加在左車輪罩中的水冷卻器，以及加大的平衡水箱。

7近發(fā)動機布置的廢氣凈化裝置

2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機基本沿用與單渦輪增壓機型相同的排氣后處理部件[2,3]，但針對高廢氣流量進行重新設計，經由消除節(jié)流的喇叭口，氧化催化轉化器(DOC)與涂覆選擇性催化還原(SCR)涂層的柴油顆粒捕集器(DPF)連接成1個緊湊的單元(圖8)。

近發(fā)動機布置的廢氣凈化部件能確保在冷起動后迅速以高轉化率發(fā)揮凈化作用，因此無須采取加熱催化轉化器的措施。2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機能滿足歐6排放限值的要求，此外，采用的SCR技術是針對未來即將實施的實際車輛行駛排放法規(guī)進行設計的。

DOC因靠近發(fā)動機布置,在發(fā)動機冷起動后不久就能進行碳氫化合物(HC)和CO的凈化轉化,此外還能為串聯(lián)的SCR系統(tǒng)調節(jié)最佳的NO/NO2比例。為了在配裝2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機的Passat轎車上使用，DOC的體積已加大40%，載體基質也從陶瓷換成金屬，以便將系統(tǒng)中的損失減小到最低程度。

在DPF上涂覆SCR涂層，因位置靠近發(fā)動機，在發(fā)動機冷起動后能迅速達到其工作溫度，并且在低負荷運行時始終保持這種溫度。用于兩級渦輪增壓柴油機的SCR涂層DPF的體積比2.0L單渦輪增壓機型的加大10%，并且，催化轉化器采用具有高熱穩(wěn)定性的銅-沸石涂層。

在汽車地板下SCR涂層DPF后串聯(lián)1個單獨的逸氨催化轉化器。為了確保具有高流通能力，與DOC一樣，應用壓力損失經優(yōu)化的金屬載體基質。

Adblue計量模塊被設置在柴油機標準組合部件中，位于DOC與SCR涂層DPF之間的過渡喇叭口上。這種靠近發(fā)動機的安裝位置須具備冷卻水套，并納入發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的低壓循環(huán)回路中。

與單渦輪增壓機型相同,柴油機標準組合部件中的雙回路EGR系統(tǒng)由冷卻的低壓EGR系統(tǒng)和非冷卻的高壓EGR組成。高壓EGR有助于降低發(fā)動機冷起動后的廢氣排放，而且在負荷極低的情況下，能減少排氣后處理部件的冷卻；低壓EGR被用于在剩余的行駛運行范圍內降低有害物排放，并對發(fā)動機噪聲產生有利影響。

8發(fā)動機管理

在柴油機模塊化標準組合部件中，電控單元被不斷模塊化，并分等級地安裝軟件和以其為基礎的氣體系統(tǒng)模型，使其能用于不同排放和功率等級的機型。Volkswagen公司首次在2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機上應用Bosch-CP74型電控單元。

應用軟件考慮了駕駛者、輔助系統(tǒng)、直接變速器和電子穩(wěn)定性程序等方面對扭矩的需求，所有發(fā)動機控制參數都能通過這些扭矩路徑計算得出。此外，軟件還被用于調節(jié)兩級渦輪增壓的模型擴展，而運行方式協(xié)調器也將7檔直接換檔變速器的換檔，以及進一步開發(fā)的起停系統(tǒng)一并納入其中。與直接換檔變速器相配合，在停車前緩慢滑行時發(fā)動機就已脫開。

9行駛功率和燃油耗

2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機在新型Passat轎車上的動力輸出和的燃油耗性能證實了其潛力(圖9)。大型轎車0～100km/h加速時間僅6.1s,并且最高車速達到240km/h。最強勁的Passat柴油轎車按新歐洲行駛循環(huán)運行的百公里燃油耗僅5.3L，CO2排放量為139g/km。

10結語

作為新型Passat轎車的頂級動力，2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機滿足了所有技術要求： (1)在所有比較機型中，具有最高的升功率和升扭矩；(2)在強勁的行駛功率下燃油耗值出眾；(3)滿足歐6排放法規(guī)限值要求。

柴油機模塊化標準組合部件涵蓋了從配裝于Volkswagen公司Polo轎車的3缸1.4L渦輪增壓直噴式柴油機直至高端柴油機的功率、燃油耗和廢氣排放等競爭領域，并隨著這些方面的發(fā)展，展示出巨大的技術潛力。

參考文獻

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[3] Neu?er H-J, Kahrstedt J, Dorenkamp R u. a. Die Euro-6-motoren des modularen dieselbaukastens von Volkswagen[J]. MTZ, 2013, 74(6).

范明強譯自MTZ， 2014， 75(12)

張慰編輯

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設計開發(fā)

收稿日期：( 2015-03-08)