關(guān)于奧迪公司Q7 SUV車用V8-TDI增壓直噴式柴油機(jī)性能分析

摘要：Audi公司以全新的整機(jī)結(jié)構(gòu)方案開發(fā)出了新一代V8-TDI壓直噴式柴油機(jī)，Ｖ形夾角中的2個(gè)廢氣渦輪增壓器實(shí)現(xiàn)了可調(diào)式增壓方案，并且在全球范圍內(nèi)首次應(yīng)用了電動(dòng)壓氣機(jī)，它能在最短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)備好迅速發(fā)力所必需的增壓壓力，以輔助傳統(tǒng)的廢氣渦輪增壓器，獲得了高動(dòng)態(tài)加速性能。分兩部分介紹這種新一代直噴式柴油機(jī)的開發(fā)，第一部分介紹整機(jī)結(jié)構(gòu)和帶有電動(dòng)壓氣機(jī)的增壓方案，第二部分介紹其應(yīng)用轉(zhuǎn)化和廢氣后處理系統(tǒng)。

1基本方案

1999年，Audi公司公開展示了全球首款V8-TDI轎車增壓直噴式柴油機(jī)，這款柴油機(jī)擁有4根頂置凸輪軸、32個(gè)氣門和2個(gè)可變渦輪幾何截面廢氣增壓器，這使得3.3 L柴油機(jī)以165 kW最大功率和480 N·m扭矩的出眾動(dòng)力性能成為V8機(jī)型中的高水平TDI機(jī)型。該機(jī)型的升級版排量為4.0 L和4.2 L，從那時(shí)起這種V-TDI增壓直噴式柴油機(jī)就成為Audi公司V形發(fā)動(dòng)機(jī)系列中固定的組成部分，在任何行駛狀況下都能提供最大的動(dòng)力和足夠的功率。

4.0 L V8-TDI機(jī)型采用電動(dòng)壓氣機(jī)(EAV)后能夠獲得迄今為止柴油機(jī)機(jī)型從未達(dá)到過的動(dòng)態(tài)加速性能。這種帶有可調(diào)節(jié)式雙渦輪增壓和首次在TDI機(jī)型上應(yīng)用的Audi氣門升程系統(tǒng)(AVS)的發(fā)動(dòng)機(jī)方案，使得高效率與最強(qiáng)勁的動(dòng)力性能集于一身。由于排氣門的開啟順序，第2個(gè)廢氣渦輪增壓器通過雙通道排氣歧管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)廢氣流動(dòng),而進(jìn)氣側(cè)的可變氣門定時(shí)使得發(fā)動(dòng)機(jī)即使處于低速工況時(shí)也能發(fā)揮出高的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，從而獲得了動(dòng)態(tài)加速性能。這種新一代柴油機(jī)最大扭矩高達(dá)900 N·m，可提供高達(dá)320 kW的功率。為了滿足未來的廢氣排放法規(guī)，該機(jī)型還可裝備2級組合式氮氧化物(NOx)廢氣后處理裝置。

2發(fā)動(dòng)機(jī)概述

新一代V8-TDI增壓直噴式柴油機(jī)(圖1)的主要尺寸和特性數(shù)據(jù)列于表1。高溫部件布置在V形夾角內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)方案是達(dá)到目標(biāo)燃油耗和廢氣排放的基礎(chǔ)，排氣管路和廢氣渦輪增壓器的緊湊布置構(gòu)成了嚴(yán)密的多層結(jié)構(gòu)，并能夠獲得短的廢氣流程和近發(fā)動(dòng)機(jī)布置的廢氣后處理系統(tǒng)(圖2)，而在V型夾角的最低層還附加布置了廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)。

圖1 Audi新型V8-TDI增壓直噴式柴油機(jī)

圖2 V形夾角內(nèi)的結(jié)構(gòu)布置

在GJV450蠕墨鑄鐵氣缸體曲軸箱設(shè)計(jì)過程中，曾不斷地減小壁厚和質(zhì)量。直至機(jī)油-水熱交換器的復(fù)雜介質(zhì)管路取消了灰鑄鐵結(jié)構(gòu)，而被集成在輕型鋁輸送托盤中。

表1 Audi公司新型V8-TDI直噴式柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

機(jī)油循環(huán)回路由全可變機(jī)油泵供油，并由1個(gè)偏心環(huán)連續(xù)調(diào)節(jié)的葉片泵為特性曲線場中的每個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)提供最佳匹配的機(jī)油壓力和體積流量。為了減少摩擦，可根據(jù)壓力特性曲線場來調(diào)節(jié)活塞冷卻噴嘴的機(jī)油流量或切斷機(jī)油供應(yīng)。

從V6-TDI柴油機(jī)系列中的分開式氣缸蓋冷卻方案，能夠在冷起動(dòng)時(shí)切斷氣缸體曲軸箱中的冷卻液體積流量，從而使氣缸套更快地預(yù)熱，此時(shí)與氣缸體曲軸箱中的冷卻液是否流動(dòng)無關(guān)，車廂內(nèi)和變速器油的加熱、EGR冷卻器，以及廢氣渦輪增壓器的冷卻都通過氣缸蓋冷卻循環(huán)回路中連續(xù)流動(dòng)的冷卻液承擔(dān)。機(jī)油-冷卻液熱交換器可開關(guān)的冷卻液體積流量附加于熱管理方案中，可在冷起動(dòng)后使機(jī)油更快地?zé)崞饋怼?/p>

3增壓方案

新型V8-TDI增壓直噴式柴油機(jī)裝備了1種與傳統(tǒng)可調(diào)式增壓系統(tǒng)相仿的雙廢氣渦輪增壓器裝置，并添加了電動(dòng)壓氣機(jī)。這種雙渦輪增壓器裝置的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換直接通過排氣門實(shí)現(xiàn)，每個(gè)氣缸的第1個(gè)排氣門始終向主動(dòng)廢氣渦輪增壓器的渦輪供應(yīng)廢氣，而被動(dòng)廢氣渦輪增壓器的渦輪則在轉(zhuǎn)速2 700 r/min以上范圍內(nèi)通過第2個(gè)排氣門的轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)供應(yīng)廢氣(圖3)。這種增壓方案需要將2個(gè)渦輪的廢氣管路始終分成2股廢氣流，并由每列氣缸排2根整體絕熱式鑄鋼排氣歧管來承擔(dān)，而2列氣缸排之間則由絕熱式組合廢氣管來連接，這些廢氣管被設(shè)計(jì)成鎳鉻耐熱合金軟管，以及鑄鋼廢氣管和法蘭組成的連接件，以便更好的補(bǔ)償熱膨脹。

圖3 廢氣流示意圖

最高廢氣溫度860 ℃再加上廢氣輸送構(gòu)件的絕熱組合，對所選擇的材料提出了非常高的要求，同時(shí)需要具有良好的抗氧化性，以免廢氣管路產(chǎn)生氧化，盡而防止損壞渦輪。采用形狀穩(wěn)定性非常好的材料可確保排氣歧管運(yùn)行時(shí)的膨脹很小，并且在經(jīng)歷了冷-熱-冷循環(huán)后變形很小(圖4)，從而有針對性地減小廢氣軟管的變形和負(fù)荷。

圖4 排氣歧管的材料選擇

除此之外，在選擇材料時(shí)考慮到了材料和鑄造工藝費(fèi)用、加工費(fèi)用，以及單件成本等因素。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究中，在虛擬開發(fā)框架范圍內(nèi)借助熱機(jī)械有限元分析定量評估了選擇材料的功能和耐熱性能。而在形狀穩(wěn)定性方面，特別是有關(guān)經(jīng)歷冷-熱-冷循環(huán)后的殘余變形，模擬計(jì)算表明5.3505奧氏體鑄鐵(D5S)材料比1.4848鑄鋼材料的變形大6～9倍。所以，選擇了1.4848鑄鋼材料在性能和經(jīng)濟(jì)性之間達(dá)到了最好的折中。

4傳統(tǒng)增壓裝置

圖5示出了增壓系統(tǒng)。在低和中等轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)單渦輪運(yùn)行模式時(shí)，主動(dòng)廢氣渦輪增壓器始終有高溫廢氣流過，有了增壓壓力，此時(shí)被動(dòng)廢氣流的排氣門相應(yīng)關(guān)閉，被動(dòng)廢氣渦輪增壓器不起作用。

從轉(zhuǎn)速2 200 r/min開始，有針對性地開啟被動(dòng)廢氣流排氣門，開始轉(zhuǎn)換到雙渦輪運(yùn)行模式(圖6)，于是被動(dòng)廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子被加速，使得用于主動(dòng)廢氣渦輪增壓器的驅(qū)動(dòng)功率不至于突然降低。壓縮空氣由循環(huán)空氣管道引導(dǎo)到主動(dòng)廢氣渦輪增壓器的壓氣機(jī)前，在所有的排氣門都打開后，電動(dòng)循環(huán)空氣閥關(guān)閉，由被動(dòng)廢氣渦輪增壓器產(chǎn)生的增壓壓力打開彈簧力控制的壓氣機(jī)接通閥。在其轉(zhuǎn)速約2 700 r/min時(shí)向雙渦輪運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換結(jié)束，2個(gè)廢氣渦輪增壓器開始建立增壓壓力。在轉(zhuǎn)速3 750 r/min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到其額定功率320 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速達(dá)到5 000 r/min。

圖6 渦輪運(yùn)行方案

基于增壓方案和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)完全重新開發(fā)。2個(gè)廢氣渦輪增壓器的增壓空氣流在X形分配接管中匯聚，并被分配成相同的兩部分體積流量，再通過IHU公司制造的鋁壓力管導(dǎo)向左右2個(gè)增壓空氣冷卻器。EAV是在增壓空氣冷卻器后汽車左側(cè)靠近發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓空氣管路上集成到空氣系統(tǒng)中去的，并且是根據(jù)運(yùn)行工況點(diǎn)由氣動(dòng)旁通閥接入的。

節(jié)氣門后，砂型鑄鋁增壓空氣管中的2股增壓空氣流在發(fā)動(dòng)機(jī)前又重新匯聚在一起。在那里插入到增壓空氣流中心的EGR管確保EGR廢氣與新鮮空氣的良好混合，而增壓空氣管的設(shè)計(jì)又確保了增壓空氣被均勻地分配到位于氣缸蓋外側(cè)的2個(gè)進(jìn)氣總管中。這2個(gè)進(jìn)氣總管分別由2個(gè)30%玻璃纖維加強(qiáng)尼龍(PA6-GF30)制成的半殼體，并用摩擦焊接方法組合起來，其中集成的每缸的渦流調(diào)節(jié)閥板由1個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)器通過聯(lián)動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。所有的空氣管路幾何形狀都在開發(fā)進(jìn)程中經(jīng)過好幾個(gè)計(jì)算回合，針對換氣功和均勻分配進(jìn)行了仔細(xì)的優(yōu)化。

5電動(dòng)壓氣機(jī)

采用2個(gè)廢氣渦輪增壓器的傳統(tǒng)增壓系統(tǒng)并添加了1個(gè)電動(dòng)壓氣機(jī)(圖5)。該EAV的功率為7 kW，最長起動(dòng)加速時(shí)間為250 ms，主要用于獲得最佳的起步加速性能，其緊湊的結(jié)構(gòu)由1個(gè)用于壓氣機(jī)和電動(dòng)機(jī)的外殼，以及1個(gè)適合于安裝電子器件的外殼組成。而轉(zhuǎn)子的支承因?yàn)橐惺芷?0 000 r/min最高轉(zhuǎn)速，并且升高率高達(dá)約260 000 r/(min·s-1)。帶有壓氣機(jī)葉輪和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的軸承用免維護(hù)的由潤滑脂潤滑的球軸承浮動(dòng)支撐在殼體上，軸承間隙取決于軸承和殼體的運(yùn)行溫度。

電功率對EAV提出的非常高的動(dòng)態(tài)特性要求，在峰值時(shí)高達(dá)7 kW，所需的能量則由汽車上1個(gè)單獨(dú)的作為功率平臺輸出的48 V子電網(wǎng)供應(yīng)，該電網(wǎng)通過1個(gè)直流變壓器與傳統(tǒng)的12 V電網(wǎng)耦合。1個(gè)緊湊的10 Ah鋰離子蓄電池用作貯能器，而12 V電網(wǎng)則由200 A發(fā)電機(jī)供電。

如果額定增壓壓力達(dá)不到的話，那么要使用EAV。從實(shí)時(shí)的增壓壓力與計(jì)算出的動(dòng)態(tài)額定增壓壓力之差就能得出由EAV產(chǎn)生的增壓壓力，若超過某個(gè)規(guī)定的閾值，EAV就投入工作，緊接著用于發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓壓力模型與EAV中的額定值特性圖之間進(jìn)行相互比較，然后使用EAV附加提高主動(dòng)廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的加速能力。一旦達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)額定增壓壓力，EAV就停止工作。

6增壓機(jī)組與電動(dòng)壓氣機(jī)的相互配合

EAV在開始起動(dòng)加速時(shí)是主動(dòng)的，并通過迅速建立增壓壓力來輔助單渦輪運(yùn)行的加速，由此提高空氣質(zhì)量流量，能明顯增大全負(fù)荷噴油量，從而一方面提升發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，另一方面用更多的廢氣熱焓，大大地加速主動(dòng)廢氣渦輪增壓器，可早1 s達(dá)到最大增壓壓力，約0.34 MPa，而且從怠速起瞬態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩就得到升高。一旦主動(dòng)廢氣渦輪增壓器能發(fā)揮出其全部工作能力，EAV就停止工作，發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)在單渦輪運(yùn)行模式運(yùn)轉(zhuǎn)。在動(dòng)態(tài)全負(fù)荷加速時(shí)從轉(zhuǎn)速約1 500 r/min起就接近發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩，而在穩(wěn)態(tài)情況下在轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)就已達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩。

7結(jié)語

傳統(tǒng)可調(diào)式增壓裝置與電動(dòng)壓氣機(jī)的組合，以及集成近發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣后處理系統(tǒng)決定了這種新型柴油機(jī)機(jī)型在高溫部件布置在V形柴油機(jī)領(lǐng)域中的突出地位。突發(fā)性的加速響應(yīng)性能與寬廣轉(zhuǎn)速范圍的扭矩供應(yīng)和運(yùn)動(dòng)型扭矩特性相配合能夠擴(kuò)大Audi柴油機(jī)和S級轎車車型的供應(yīng)。在SQ5型SUV車之后，又推出了TDI柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的第2款SQ7型SUV車。這些新型裝置在Audi SQ7型SUV車上的相互配合，包括在奧迪SQ7型SUV車上的應(yīng)用轉(zhuǎn)化和廢氣后處理系統(tǒng)將在第2部分中予以介紹。