關(guān)于4缸兩級渦輪增壓直噴式柴油機(jī)性能介紹

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

Passat轎車配裝兩級渦輪增壓的直列4缸2.0L直噴式柴油機(jī),具有頂級的機(jī)動性。在轉(zhuǎn)速4 000r/min時功率為176kW;在1 750~2 500r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),最大扭矩為500N·m,被升功率高達(dá)88kW,這量產(chǎn)4缸柴油機(jī)中是最高的。新型柴油機(jī)以2012年Volkswagen公司推出的模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件為基礎(chǔ),匹配具有2個廢氣渦輪增壓器的緊湊型增壓機(jī)組,增壓壓力(絕對壓力)高達(dá)0.38MPa。

1發(fā)動機(jī)的技術(shù)規(guī)格

配裝2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機(jī)的新型Passat轎車的技術(shù)特點如下：(1)功率為176kW，具有4缸柴油機(jī)至今未達(dá)到的88kW升功率；(2)扭矩為500N·m,相當(dāng)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(xué)特性；(4)達(dá)到歐6排放限值；(5)燃油耗低；(6)利用模塊化標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的主要技術(shù)規(guī)格列于表1。

圖12.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機(jī)

2基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)

2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機(jī)以單渦輪增壓機(jī)型為基礎(chǔ)，氣缸體曲軸箱采用GJL-250片墨鑄鐵鑄造。為了在低機(jī)油耗和曲軸箱通風(fēng)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(jìn)行珩磨。

與基礎(chǔ)技術(shù)狀態(tài)不同，兩級渦輪增壓直噴式柴油機(jī)的氣缸體曲軸箱已經(jīng)過改進(jìn)，所有部位都能承受更高的負(fù)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(nèi)的應(yīng)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(jìn)機(jī)油通道的布置，改善了2個廢氣渦輪增壓器的機(jī)油供應(yīng)狀況。借助于其他結(jié)構(gòu)措施，優(yōu)化了增壓機(jī)組支撐緊固點的強(qiáng)度及噪聲輻射。

表12.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機(jī)的

主要技術(shù)規(guī)格

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(jī)型壓縮比為16.2)，并采用全新的燃燒過程。新型柴油機(jī)采用新開發(fā)的活塞，其頂部的燃燒室凹坑唇口負(fù)荷最高的區(qū)域經(jīng)再熔煉處理，進(jìn)一步提高了強(qiáng)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(shè)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(yīng)力和表面壓力。與所有柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)組合部件一樣，涂覆類金剛石碳涂層的活塞銷已成為標(biāo)準(zhǔn)化零件，部分加強(qiáng)了連桿桿身，曲軸由42CrMoS4高強(qiáng)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(jī)采用的法蘭相同。

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

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

3氣缸蓋

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

圖2 2.0L兩級渦輪增壓直噴式

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

為了達(dá)到目標(biāo)功率，在設(shè)計進(jìn)排氣道時，力爭達(dá)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(jī)型的增大約30%，可用于實現(xiàn)目標(biāo)功率。在降低了渦流強(qiáng)度的高功率氣缸蓋上，進(jìn)排氣道的曲線形狀和橫截面明顯消除了節(jié)流(圖3)。

圖3氣缸蓋中的流量優(yōu)化

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

兩級渦輪增壓柴油機(jī)的進(jìn)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(jìn)氣門升程，還是排氣門升程，都增加0.5mm，為9.5mm。

皮帶傳動機(jī)構(gòu)和齒形皮帶的幾何形狀和尺寸均保持不變，通過提高設(shè)計剛度，采用緊密纏繞的玻璃纖維拉力帶和能承受更大負(fù)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(dāng)改進(jìn)。

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(jī)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(xiàn)微循環(huán)回路的冷卻液循環(huán)，其功率比單渦輪增壓機(jī)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(jī)的創(chuàng)新之處在于噴油壓力高達(dá)250MPa的Bosch噴油系統(tǒng)(圖4)。采用這種噴油系統(tǒng)成功實現(xiàn)了目標(biāo)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。

圖4共軌噴油系統(tǒng)的噴油器和高壓燃油泵

采用Bosch-CP4系列雙柱塞高壓燃油泵產(chǎn)生共軌壓力，燃油泵由發(fā)動機(jī)齒形皮帶傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動，其中，2個泵油柱塞相互呈90°布置，凸輪軸每轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的范圍內(nèi)，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(qiáng)度，共軌及高壓油管都采用高強(qiáng)度鋼材制成，在制造共軌時，還應(yīng)用自動摩擦腐蝕工藝再次提高其強(qiáng)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(chǎn)生的力傳遞到開關(guān)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(zhǔn)備，以及均質(zhì)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(yù)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(jī)的2個廢氣渦輪增壓器位于發(fā)動機(jī)機(jī)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(dá)0.15MPa，最高轉(zhuǎn)速達(dá)240000r/min。只需300ms，其電動執(zhí)行器就能將導(dǎo)向葉片完全打開。

圖5廢氣渦輪增壓器機(jī)組

低壓廢氣渦輪增壓器能產(chǎn)生高達(dá)0.38MPa的增壓壓力(絕對壓力)，其轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速高達(dá)165000r/min。為了避免超轉(zhuǎn)速和過高的增壓壓力，配備了1個氣動操縱的廢氣放氣調(diào)節(jié)閥。壓氣機(jī)殼體中設(shè)有冷卻水套，能對增壓空氣進(jìn)行預(yù)冷卻。2個增壓器的渦輪葉輪均經(jīng)銑削加工成形，壓氣機(jī)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(fù)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(cè)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(zhuǎn)速兩級運行時關(guān)閉旁通閥，導(dǎo)致廢氣首先沖擊高壓廢氣渦輪增壓器。新鮮空氣先進(jìn)入低壓廢氣渦輪增壓器的壓氣機(jī)被略微壓縮后，再進(jìn)入高壓廢氣渦輪增壓器被真正壓縮。

圖6增壓器機(jī)組兩級和單級運行時的流動狀況(主流動)

在2500～3500r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(圖7)，渦輪旁通閥根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)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(cè)被動承受彈簧負(fù)荷的壓氣機(jī)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(dá)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。

圖7特性曲線場中的增壓器運行策略

6增壓空氣冷卻器

集成在進(jìn)氣管中的增壓空氣冷卻器屬于Volkswagen公司模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件之一，為了用于2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機(jī)，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(jī)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(jī)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(fù)荷時，約210℃的增壓空氣進(jìn)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(dá)到約50℃的溫度水平。

增壓空氣冷卻器被接入汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中的低溫冷卻回路。低溫冷卻回路的主要任務(wù)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(diào)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(jī)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(jī)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(jī)布置的廢氣凈化裝置

2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機(jī)基本沿用與單渦輪增壓機(jī)型相同的排氣后處理部件，但針對高廢氣流量進(jìn)行重新設(shè)計，經(jīng)由消除節(jié)流的喇叭口，氧化催化轉(zhuǎn)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)。

圖8SCR系統(tǒng)部件

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

DOC因靠近發(fā)動機(jī)布置,在發(fā)動機(jī)冷起動后不久就能進(jìn)行碳?xì)浠衔?HC)和CO的凈化轉(zhuǎn)化,此外還能為串聯(lián)的SCR系統(tǒng)調(diào)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(jī)的Passat轎車上使用，DOC的體積已加大40%，載體基質(zhì)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(jī)，在發(fā)動機(jī)冷起動后能迅速達(dá)到其工作溫度，并且在低負(fù)荷運行時始終保持這種溫度。用于兩級渦輪增壓柴油機(jī)的SCR涂層DPF的體積比2.0L單渦輪增壓機(jī)型的加大10%，并且，催化轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化器。為了確保具有高流通能力，與DOC一樣，應(yīng)用壓力損失經(jīng)優(yōu)化的金屬載體基質(zhì)。

Adblue計量模塊被設(shè)置在柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的安裝位置須具備冷卻水套，并納入發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的低壓循環(huán)回路中。

與單渦輪增壓機(jī)型相同,柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)冷起動后的廢氣排放，而且在負(fù)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(nèi)降低有害物排放，并對發(fā)動機(jī)噪聲產(chǎn)生有利影響。

8發(fā)動機(jī)管理

在柴油機(jī)模塊化標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)的氣體系統(tǒng)模型，使其能用于不同排放和功率等級的機(jī)型。Volkswagen公司首次在2.0L兩級渦輪增壓直噴式柴油機(jī)上應(yīng)用Bosch-CP74型電控單元。

應(yīng)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(jī)控制參數(shù)都能通過這些扭矩路徑計算得出。此外，軟件還被用于調(diào)節(jié)兩級渦輪增壓的模型擴(kuò)展，而運行方式協(xié)調(diào)器也將7檔直接換檔變速器的換檔，以及進(jìn)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(jī)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(jī)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(dá)到240km/h。最強(qiáng)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。

圖9 2.0L兩級渦輪增壓直噴式
柴油機(jī)的功率和扭矩特性曲線

10結(jié)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(jī)滿足了所有技術(shù)要求： (1)在所有比較機(jī)型中，具有最高的升功率和升扭矩；(2)在強(qiáng)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(jī)模塊化標(biāo)準(zhǔn)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(jī)直至高端柴油機(jī)的功率、燃油耗和廢氣排放等競爭領(lǐng)域，并隨著這些方面的發(fā)展，展示出巨大的技術(shù)潛力。