大眾奧迪轎車V8增壓燃油分層直噴式汽油機（一）

◆文/江蘇 范明強

大眾奧迪轎車V8增壓燃油分層直噴式汽油機（一）

◆文/江蘇 范明強

奧迪公司開發(fā)了新一代4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機替代A6和A8系列轎車的5.2L-V10-FSI自然吸氣式汽油機。新款4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機的主要特點是排氣歧管和廢氣渦輪增壓器等高溫部件都布置在V形夾角中，并且采用了用于汽缸按需工作的汽缸切斷系統(tǒng)，顯著降低了燃油消耗和廢氣排放，它可提供309kW和382kW兩種功率等級變型，分別搭載于S和RS系列車型。本文將詳細介紹此款發(fā)動機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和燃燒過程的開發(fā)及其應(yīng)用。

范明強

（本刊編委會委員）

教授級高級工程師，參加過陜西汽車制造總廠的籌建工作，主管柴油機的產(chǎn)品開發(fā)；1984年調(diào)往機械工業(yè)部無錫油泵油嘴研究所，曾任一汽無錫柴油機廠、第一汽車集團公司無錫研究所高級技術(shù)顧問、湖南奔騰動力科技有限公司總工程師。

為了能滿足當前和未來燃油消耗和廢氣排放法規(guī)的要求，發(fā)動機小型化起著越來越重要的作用，因此奧迪公司開發(fā)了新一代4.0L-V8-TFSI增壓燃油分層直噴式汽油機替代A6和A8系列轎車的5.2L-V10-FSI自然吸氣燃油分層直噴式汽油機。這種采用兩個廢氣渦輪增壓器的V8增壓直噴式汽油機用于S6、S7、S8、 A8、RS6 和RS7車型，其最重要的開發(fā)目標，除了具有運動型動力性能（良好的加速性和功率發(fā)揮、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性以及發(fā)動機噪聲）之外，還必須在大大改善行駛功率的同時明顯降低燃油消耗，為此采用了發(fā)動機啟停系統(tǒng)和用于汽缸按需工作的汽缸切斷系統(tǒng)（COD=Cylinder on demand），同時應(yīng)用了新型的變扭器——自動變速器或新型雙作用離合器變速器，達到了新的外形設(shè)計與強勁的運動型行駛功率和低油耗的完美結(jié)合，為運動型轎車的行駛動力性能特別是加速響應(yīng)特性樹立了新標桿。

一、結(jié)構(gòu)特點

新款4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機（圖1）的結(jié)構(gòu)設(shè)計與4.2L-V8-FSI自然吸氣直噴式汽油機類似，但其排量縮小到4.0L（表1所示奧迪4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機的主要尺寸和特性參數(shù)），其主要特點是排氣歧管和廢氣渦輪增壓器等高溫部件都布置在V形夾角中，與普通的V形發(fā)動機進氣歧管布置在V形夾角中而排氣歧管則布置在兩列汽缸外側(cè)相比，其汽缸蓋的進排氣側(cè)互換了位置。新鮮空氣從渦輪增壓器壓氣機出發(fā)，穿過節(jié)氣門，經(jīng)過同樣布置在V形夾角中的間接增壓空氣冷卻器、兩個安置在端面的空氣分配管和安裝在發(fā)動機外側(cè)的進氣管進入汽缸蓋進氣道供應(yīng)汽缸，如圖1中藍色箭頭所示。為了盡可能縮短車輛的突出部分，發(fā)動機被設(shè)計得極短，長度僅497mm，另一方面同樣布置在V形夾角中的曲軸箱通風模塊也有助于提高整機的緊湊性。借助于被稱之為奧迪-AVS的可變氣門升程機構(gòu)實現(xiàn)COD汽缸切斷功能。這種新機型繼承了老機型可靠的配氣機構(gòu)，同時僅僅采用最少數(shù)量的不通用件，不僅實現(xiàn)了309～382kW這么大的功率跨度，而且可以搭載于大眾集團的各種不同車型。

二、汽缸體曲軸箱

與4.2L-V8-FSI自然吸氣直噴式汽油機一樣， 4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機兩排汽缸之間的夾角也為90°，同時還繼承了老機型的90mm缸心距、84.5mm汽缸直徑以及18.5mm的兩排汽缸錯位。汽缸體曲軸箱由AlSi17Cu4Mg過共晶鋁硅合金采用低壓金屬模均質(zhì)鑄造而成。由于升功率的提高以及由此而引起的較高的熱力和機械負荷，在382kW功率等級機型上還采用了T6熱處理工藝。

表1　奧迪4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機的主要尺寸和特性參數(shù)

汽缸工作表面在使用螺栓擰緊的支架情況下進行螺旋形珩磨。為減少在燃燒壓力下汽缸的變形，借助于布置在汽缸體曲軸箱周圍結(jié)構(gòu)上的加強筋來強化其剛度（圖2）。為了加強主軸承座，在主軸承座鋁框架底座中鑲鑄了5個球墨鑄鐵鑲鑄件，并附加用橫向螺栓拉緊。這些措施提高了主軸承座的強度和軸承孔的圓度，并改善了發(fā)動機的聲學性能。

三、機油循環(huán)回路

4.0L-V8-TFSI的機油循環(huán)回路基本上以4.2L-V8-FSI自然吸氣直噴式汽油機為基礎(chǔ)設(shè)計的。葉片式機油泵是兩級可調(diào)式機油泵，在0.2MPa機油壓力的低壓范圍內(nèi)機油泵在4 000r/min以下運行，此后就轉(zhuǎn)換到高壓范圍運轉(zhuǎn)。除了增壓器中的機油供應(yīng)管路之外，所有的壓力機油和回油通道都集成在汽缸蓋、汽缸體曲軸箱和油底殼上件的鑄件中（圖3上）。與老機型相比，機油循環(huán)回路中的壓力損失能再次明顯降低，再加上應(yīng)用了兩級可調(diào)式機油泵，摩擦損失明顯減少，因而顯著降低了燃油消耗。

由于應(yīng)用了按特性曲線場控制的活塞冷卻機油噴嘴，能夠?qū)饺肭S箱通風氣體中的機油損耗減少到最低程度。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于4 000r/min情況下，在負荷高于400Nm時活塞冷卻機油噴嘴才打開（圖3下），在該運行范圍內(nèi)的機油流量最多可減少25%，因此在發(fā)動機暖機階段活塞可達到較高的溫度，并在部分負荷時可獲得廢氣排放方面的好處。通過所有這些措施所獲得的總的效果是在120℃機油溫度下機油流量＜60L/min，這對于V8發(fā)動機而言是非常好的了。在功率較大的機型上附加應(yīng)用了布置在車輛前端的空冷機油冷卻器。

四、曲柄連桿機構(gòu)

在所有的功率等級機型中，漲裂連桿配備了17mm寬的三層材料軸瓦，30°梯形連桿小頭鑲有銅合金襯套，活塞銷直徑為22mm。5道軸承支承的曲軸繼承了4.2L-V8-FSI自然吸氣直噴式汽油機的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計，而行程減小到89mm。為了提高曲軸強度，其所有的軸頸圓角均經(jīng)感應(yīng)淬硬。4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機的曲軸材料，在主軸承直徑為65mm的機型上采用C38中碳鋼，而在主軸承直徑為67mm的功率強化機型上則采用42CrMoS4合金鋼。

由于兩種功率等級機型的壓縮比不同，具有活塞環(huán)槽鑲?cè)Φ蔫T鋁活塞頂?shù)男螤罘謩e與各自的功率變型相匹配。為了減小摩擦，第一道活塞環(huán)和活塞銷涂有DLC（類金剛石石墨）涂層。

五、冷卻液循環(huán)回路

冷卻系統(tǒng)的外圍設(shè)備取決于車型和功率等級而不同，而發(fā)動機中的冷卻循環(huán)回路是相同的（圖4）。為了獲得均勻的溫度分布，冷卻液橫向流過發(fā)動機，同時整機配備了創(chuàng)新的熱管理系統(tǒng)（ITM）。安裝在冷卻液泵進口側(cè)可加熱的圓形滑閥式節(jié)溫器，在其調(diào)節(jié)范圍內(nèi)具有比常規(guī)閥盤式節(jié)溫器更低的壓力損失。為了進一步降低摩擦損失，在部分負荷時熱機運行的冷卻液溫度被調(diào)節(jié)到105℃。

借助于連接在冷卻液泵后面的一個球形閥，實現(xiàn)在暖機運行階段整個發(fā)動機中的冷卻液停止流動，在冷卻液溫度低于80℃情況下每次發(fā)動機起動時都是如此，然后在發(fā)動機達到正常運行溫度時冷卻液流入汽缸體曲軸箱V形夾角中，并從這里開始經(jīng)過集流管供應(yīng)兩列汽缸蓋。ITM的另一個特點是具有自給自足的采暖功能。這種附加的采暖循環(huán)回路直接連接到汽缸蓋，并由一個電動泵進行循環(huán)，這樣即使汽缸體曲軸箱中的冷卻液停止流動，乘客車廂也能取暖，因而在對用戶具有重要意義的運行工況，特別是在發(fā)動機暖機階段開通采暖設(shè)備時，可以獲得明顯的節(jié)油效果。

六、摩擦功率

通過采用許多特殊措施，能夠不斷降低4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機的摩擦功率，具體如下：

① 加大汽缸體曲軸箱中的通風截面和機油集濾器；

② 提高汽缸體曲軸箱中的真空度；

③ 消除機油和冷卻液循環(huán)回路中的節(jié)流；

④ 將低壓級的機油壓力降低到0.2MPa；

⑤ 活塞冷卻機油噴嘴按特性曲線場進行控制；

⑥ 縮短活塞行程提高曲柄連桿機構(gòu)的剛度；

⑦ 為兩種功率等級機型分別選擇摩擦優(yōu)化的主軸承直徑；

⑧ 減小進氣門彈簧力；

⑨ 減小三油腔凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的機油流量；

⑩ 可變氣門升程凸輪片采用無摩擦的軸向定位；

?減小第三道活塞環(huán)的預(yù)張力，而第一道活塞環(huán)和活塞銷采用DLC涂層；

?汽缸工作表面采用螺栓擰緊支架進行螺旋珩磨，并提高汽缸套上縱向加強筋的剛度，減小汽缸變形。

通過上述這些措施的綜合效果，特別是在對用戶使用具有重要意義的低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，與4.2L-V8-FSI自然吸氣直噴式汽油機相比，能夠顯著降低摩擦損失（圖5）。

（未完待續(xù)）