關于Volkswagen公司的新型3缸柴油機性能分析

Volkswagen公司憑借新型3缸柴油機創(chuàng)造了在小型汽車細分市場的通用基礎。通過削減發(fā)動機系列,以及集成模塊化的柴油機標準部件,與以往的多發(fā)動機策略相比,顯著降低了費用和成本。研發(fā)重點是降低CO2排放,并使配備新發(fā)動機的Polo車型滿足歐6排放法規(guī)的要求。

1開發(fā)目標

Volkswagen公司的模塊化柴油機標準部件在概念階段就已針對缸數(shù)不同的發(fā)動機進行設計，減小排量的3缸發(fā)動機擴展了這一體系。該體系的應用重點是Volkswagen公司的小型車平臺。針對小型車用新型3缸渦輪增壓直噴式(TDI)柴油機，提出了以下開發(fā)目標： (1)與公司所有橫向平臺的兼容性；(2)與原先的發(fā)動機相比，顯著降低CO2排放和整機質量；(3)與原先的發(fā)動機相比，提高升功率和扭矩，挖掘削減發(fā)動機系列的潛力；(4)共享模塊化柴油機標準部件，在現(xiàn)有設備上實現(xiàn)靈活制造和裝配，最終降低成本；(5)滿足歐6排放法規(guī)要求。

2新型3缸發(fā)動機的主要功能模塊

2012年已推出采用模塊化標準部件的4缸柴油機，現(xiàn)在，新型3缸發(fā)動機進一步擴展了柴油機種類。新型3缸發(fā)動機的排量均為1.4L，具有55～77kW的3種輸出功率(表1)。首次配裝于新Polo轎車，該發(fā)動機能完全取代1.2L 3缸TDI發(fā)動機和1.6L 4缸TDI發(fā)動機。

表1 新型3缸TDI發(fā)動機的主要技術規(guī)格

基于擴展的功率型譜和已有的模塊化4缸發(fā)動機標準組件，新型3缸發(fā)動機的研發(fā)廣泛借鑒了先前的經(jīng)驗。必須重新設計3缸機專用的曲軸箱、氣缸蓋、氣門機構、增壓裝置和曲柄連桿機構；而輔助傳動和正時傳動，以及發(fā)動機熱端和冷端部件則繼續(xù)沿用現(xiàn)有組件或經(jīng)優(yōu)化后使用。

3氣缸體曲軸箱

通過以下方法實現(xiàn)氣缸體曲軸箱減輕質量和聲學優(yōu)化的研發(fā)目標： (1)在設計鋁合金曲軸箱時優(yōu)化材料與結構的匹配;(2)設置專門的冷卻液通道，促使零件快速加熱；(3)集成熱管理措施；(4)將氣缸蓋螺栓的螺紋設計在水套下方；(5)優(yōu)化未凈化和凈化的機油回路，以減小流動損失；(6)延長至油底殼分界面的回油通道和漏氣通道。

首次在模塊化柴油機標準部件中采用由鋁合金AlSi9Cu3重力金屬型鑄造的曲軸箱，為輕量化作出重大貢獻(圖1)。氣缸工作表面采用GJL 250制成的熱壓薄壁缸套。只改變氣缸體曲軸箱材料，就可減輕質量11kg。

圖1 氣缸體曲軸箱

為采用鋁合金，加寬曲軸軸承蓋配合面，并提高軸承蓋螺栓的螺紋部分。為進一步減小軸承座的應力，通過計算優(yōu)化卸載槽。因而,相比同等的灰鑄鐵3缸機，新發(fā)動機質量減輕11kg，并且比1.6L TDI發(fā)動機的質量減輕27kg。

4平衡軸、曲柄連桿機構和油底殼

為平衡自由慣性矩，采用1根與曲軸旋轉方向相反且以發(fā)動機轉速旋轉的平衡軸。為了減小摩擦，將平衡軸集成到帶機油泵和真空泵的聯(lián)合模塊中(圖2)。聯(lián)合模塊由直接傳動的單級齒輪傳動機構驅動,該機構的齒輪齒形是經(jīng)聲學優(yōu)化的。

圖2 聯(lián)合模塊

通過優(yōu)化減振器和飛輪的質量平衡，使曲軸的旋轉慣性矩最小化，同時減輕曲軸質量。機油泵和真空泵沿用4缸TDI發(fā)動機的組件。通過流量可調的葉片泵實現(xiàn)機油供給。此外，采用電磁閥(由3缸發(fā)動機的特性曲線圖控制)進行低壓級和高壓級轉換。

組合式油底殼的上部采用強度優(yōu)化的壓鑄鋁合金制成，有助于加強發(fā)動機與變速器的連接剛度。油底殼下部由金屬薄板制成，其特定的輪廓和優(yōu)于鑄件的延展性提高了部件與路面或異物接觸時的安全性。

5氣缸蓋

氣缸蓋的設計借鑒采用模塊化柴油機標準部件的4缸發(fā)動機系列(圖3)，無須改變氣門機構部件。此外，還集成了熱管理的冷卻概念，雙體式水套為此奠定了基礎。

圖3 氣缸蓋

氣門組呈直線對稱排列，進氣門和排氣門分別位于一條線上。平行布置的氣門和優(yōu)化了壓力損失的進氣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，以及可調進氣歧管，確保了應有的渦流水平。氣缸蓋中冷卻液的導流使進排氣道能按需匹配，以滿足更高的功率和排放要求。

由于采用4缸發(fā)動機的垂直進氣法蘭概念及鉆孔和螺栓連接概念，所以可以直接利用4缸機的生產(chǎn)線制造新氣缸蓋。

6增壓空氣冷卻器

新型3缸發(fā)動機與模塊化柴油機系列的其他發(fā)動機一樣，也采用水-空增壓空氣冷卻器(圖4)。不同于4缸機，在Volkswagen公司小型車輛平臺中，要求將增壓空氣冷卻器布置在氣缸蓋的變速器一側。其冷卻芯由7個水平堆疊的扁平鋁管組成。鋁管之間及壓入管中的湍流板大幅改善了增壓空氣至冷卻液的傳熱。塑料空氣箱與冷卻器部件用卷邊固定在一起。

圖4 增壓空氣組件

7耦合式低壓廢氣再循環(huán)（EGR）和高壓EGR

與4缸歐6發(fā)動機相同，新型3缸發(fā)動機采用儲存式氮氧化物催化轉化器、柴油機顆粒捕集器(DPF)和雙回路EGR的廢氣凈化概念。排氣側的冷卻式低壓EGR通過變速器一側帶閥門的非冷卻式高壓EGR補充。由于安裝原因，增壓空氣冷卻器被布置在發(fā)動機側面，因而不同于4缸歐6發(fā)動機，高壓EGR位于增壓空氣冷卻器后，但在進氣歧管前。

8噴油系統(tǒng)

整個模塊化柴油機標準部件的開發(fā)目標是，無論發(fā)動機的氣缸數(shù)是多少，不同供應商的噴油系統(tǒng)均具有基本的兼容性。新型3缸TDI發(fā)動機采用Delphi公司系統(tǒng)壓力為200MPa的DFS 1.20噴油系統(tǒng)，具有7孔噴嘴，在測試壓力10MPa時，每60s流量為500mm3。通過減少電磁閥式噴油器DFI 1.20的泄漏量，降低CO2排放。采取若干調整措施，如采用更強的電磁線圈和優(yōu)化針閥座，進一步提高在全球市場應用的穩(wěn)定性。首次應用所謂“氣缸背壓補償”的軟件功能，可在相對較低的氣缸背壓下(例如DPF再生時)進一步改善噴油精度。

綜上所述，結合氣缸蓋中的氣道幾何形狀和氣門布置設計，采取上述措施的1.4L發(fā)動機原始排放比原先的1.2L機型明顯降低。

9摩擦

由于針對3缸柴油機的CO2限值極為嚴格，因此，在這一用途領域，必須大幅降低摩擦損失，這也有助于達到燃油耗目標。

將行程從80.5mm增大至2.0L 4缸TDI發(fā)動機常用的95.5mm，從而將1.2L 3缸發(fā)動機的排量提高到1.4L。通過優(yōu)化活塞組的活塞間隙、活塞環(huán)張力和活塞環(huán)形狀，抵消不利的曲柄連桿比所帶來的劣勢。

減少齒帶轉向和帶輪數(shù)量，改進正時傳動裝置，再結合摩擦優(yōu)化的高壓燃油泵，進一步降低附件驅動的功率。在全新模塊化整體式凸輪軸軸承框架下，改進凸輪軸軸承，從而降低氣門機構的損失。

將平衡軸、機油泵和真空泵集成到緊湊的聯(lián)合模塊中，無須單獨驅動平衡軸。針對3缸機，在這一模塊中集成可調式機油泵，有助于降低驅動功率。體積流量可變的水泵不僅可縮短冷卻系統(tǒng)的加熱時間，而且還能將切換狀態(tài)下的驅動功率降到最低。

比較整個發(fā)動機的拖動功率后可知，與排量更小的3缸機相比，采取上述措施后，發(fā)動機的拖動功率改善約20%(圖5)。

圖5 發(fā)動機的拖動功率改善約20%(發(fā)動機轉速1600r/min、機油溫度90℃)

10噪聲-振動-平順性（NVH）分析

Volkswagen公司為首次采用模塊化柴油機標準部件的新型3缸TDI發(fā)動機研發(fā)了最小型的鋁合金氣缸體曲軸箱。由于采用新的曲軸箱材料，因而必須深入研究，以確保具有足夠的結構剛度，并防止失去聲學舒適性。降低噪聲的措施主要集中在平衡軸驅動和正時傳動裝置上。

在改用鋁材料的情況下，為盡可能減小氣缸體曲軸箱的聲輻射，進行大量試驗性的結構分析，開發(fā)并實施結構剛度改進措施。通過NVH計算，實現(xiàn)肋條在外部區(qū)域和內部區(qū)域的最佳分布。因此，將曲軸箱的聲輻射表面分為多個大小不等的區(qū)域。

平衡軸驅動的研究結果優(yōu)化了輪齒形狀和數(shù)量，有效防止產(chǎn)生干擾性噪聲和脈動噪聲。在正時傳動裝置方面，新的張緊裝置設計和前文提及的帶輪布置變化也具有積極的聲學影響。

此外，還采取一系列措施降低空氣和固體聲輻射，并改善振動性能。尤其是對發(fā)動機支承和雙質量飛輪進行深入改進，確保在整個頻率范圍內，車身和傳動裝置能與發(fā)動機良好解耦。為了減小發(fā)動機機艙的聲輻射，采用油底殼擋板、降噪的罩蓋和聲學優(yōu)化的空氣濾清器殼。所有措施都有效降低了動力裝置在整個轉速范圍內的空氣噪聲級(圖6)。

圖6 采用與不采用發(fā)動機聲學措施的

聲功率比較

11功率和扭矩

新型1.4L 3缸TDI發(fā)動機向上擴展了3缸機領域的功率范圍(圖7)。原有發(fā)動機的功率只有55kW，而目前3種機型功率最高可達77kW，最大扭矩可達250N·m。所有發(fā)動機在寬廣轉速范圍內(自1500r/min起)均具有理想的扭矩值(超過最大扭矩的90%)。其中，1.4L 55kW變型機的性能優(yōu)勢尤為明顯。新發(fā)動機的最大扭矩為210N·m，比原有發(fā)動機提高30N·m，且明顯更早(1500r/min)達到最大扭矩。功率最小的機型在通常與起步相關的最低轉速范圍內，扭矩與排量超比例提高30%以上。

圖7 3種新型1.4L 3缸發(fā)動機(EA288)與原有1.2L發(fā)動機(EA189)的

功率和扭矩曲線比較

12行駛動力性與燃油耗

通過仔細優(yōu)化新型3缸機的流動路徑、換氣和燃燒過程，各功率等級的發(fā)動機實現(xiàn)了渦輪增壓器良好的自動響應性和強大的起步加速功率。新Polo車已完全柴油化，且機動性得到改進，同時，燃油耗比原先相同功率發(fā)動機的更低。其中，功率55kW的發(fā)動機性能優(yōu)化尤為顯著。

在功率66kW的發(fā)動機上，Volkswagen公司首次將3缸TDI發(fā)動機與著名的7檔雙離合變速器結合，該換檔方案可用于超低轉速的行駛模式。除汽車的燃油耗措施(藍驅技術)外，該方案是相比原先4缸發(fā)動機減少CO2排放19g/km的重要因素。盡管排放法規(guī)日益嚴格，且對舒適性要求更高，所有采用手動變速器的車輛CO2排放也明顯比原車型的低(表2)。

表2 新Polo車的燃油耗與行駛動力性

13結語

在Volkswagen公司的發(fā)動機戰(zhàn)略框架下，新型3缸機擴展了模塊化柴油機標準部件的應用范圍。

其開發(fā)目標是，與原有發(fā)動機相比，質量明顯更輕，并且具有更低的燃油耗和更強勁的行駛動力性。

目前，新發(fā)動機的功率范圍為55～77kW，可替代升功率較低的4缸發(fā)動機。首次采用剛度和質量經(jīng)優(yōu)化的重力金屬型鑄造鋁合金氣缸體曲軸箱。極其緊湊的結構設計使新發(fā)動機能適用于Volkswagen公司對超低CO2排放有高要求的小型車平臺。新型3缸發(fā)動機能滿足歐6排放法規(guī)要求，且模塊化結構使其具有滿足未來排放法規(guī)要求的潛力。

Volkswagen公司憑借新型3缸TDI柴油機，創(chuàng)造了在小型汽車細分市場的通用基礎。通過削減發(fā)動機系列及應用集成的模塊化柴油機標準部件，費用和成本明顯低于原有發(fā)動機。新型發(fā)動機完全實現(xiàn)了預期的開發(fā)目標。