關(guān)于大眾公司4缸雙渦輪增壓柴油機(jī)性能分析

當(dāng)今，Passat轎車(chē)系列的頂級(jí)機(jī)動(dòng)性是配裝采用兩級(jí)渦輪增壓的直列4缸2.0 L雙渦輪增壓直噴式柴油機(jī)，在轉(zhuǎn)速4 000 r/min時(shí)，功率為176 kW，在1 750～2 500 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，最大扭矩為500 N·m，升功率高達(dá)88 kW/L，在量產(chǎn)4缸柴油機(jī)中具有最高的升功率。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]，開(kāi)發(fā)了具有2個(gè)廢氣渦輪增壓器的緊湊型增壓機(jī)組，增壓壓力高達(dá)0.38 MPa（絕對(duì)壓力）。

1技術(shù)規(guī)格特點(diǎn)

配裝2.0 L雙渦輪增壓直噴式柴油機(jī)的新型Passat轎車(chē)的技術(shù)特點(diǎn)是（圖1）：⑴功率為176 kW，相當(dāng)于4缸柴油機(jī)至今尚未達(dá)到的升功率88 kW/L；⑵扭矩為500 N·m,相當(dāng)于升扭矩達(dá)到250 N·m/L；⑶達(dá)到高級(jí)轎車(chē)水平的運(yùn)動(dòng)性行駛性能和最佳的聲學(xué)特性；⑷達(dá)到歐6排放限值；⑸燃油耗低；⑹利用模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件有效降低成本；⑺適合于橫置式安裝。2.0 L雙渦輪增壓直噴式柴油機(jī)的主要規(guī)格示于表1。

圖1--功率為176kWd的新型2.0L-TDI雙渦輪增壓柴油機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)

2基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)

2.0 L雙渦輪增壓直噴式柴油機(jī)以單渦輪增壓機(jī)型為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，氣缸體曲軸箱采用GJL-250片墨鑄鐵鑄造。為了在機(jī)油耗低和曲軸箱通風(fēng)量少的情況下獲得最佳的摩擦性能，氣缸工作表面采用螺栓固定的珩磨中心架進(jìn)行珩磨。

與原始的技術(shù)基礎(chǔ)狀態(tài)不同，對(duì)雙渦輪增壓直噴式柴油機(jī)的氣缸體曲軸箱進(jìn)行了改進(jìn)，使所有部位都能承受更高的負(fù)荷。與主軸承座連結(jié)的橫隔板通過(guò)加大壁厚已優(yōu)化了其上部用于減小曲軸箱氣體橫向脈沖流動(dòng)損失的開(kāi)口范圍內(nèi)的應(yīng)力，而加長(zhǎng)的曲軸主軸承蓋螺栓能承受已提高的拉伸力。通過(guò)改進(jìn)機(jī)油通道的布置，改善了2個(gè)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(diǎn)的強(qiáng)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（110 kW的單渦輪增壓機(jī)型壓縮比為16.2），并采用新的燃燒過(guò)程。新型柴油機(jī)采用全新開(kāi)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)過(guò)再熔煉處理，進(jìn)一步提高了強(qiáng)度。為新活塞形狀優(yōu)化了其頭部鹽芯鑄造成形的冷卻通道。將第2道活塞環(huán)設(shè)計(jì)成鼻形斜面環(huán)，而第3道活塞環(huán)采用高度從3.0 mm減少到2.0 mm的雙斜切式軟管彈簧油環(huán)，能夠減小切向力。

將活塞銷(xiāo)直徑從26 mm加大到29 mm，減小了活塞銷(xiāo)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，涂覆類金剛石石墨涂層的活塞銷(xiāo)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，而8孔法蘭仍沿用功率為140 kW的2.0 L渦輪增壓直噴式（TDI）柴油機(jī)的。

2.0 L雙渦輪增壓直噴式柴油機(jī)的負(fù)荷比單渦輪增壓機(jī)型高，因而有必要對(duì)機(jī)油量預(yù)算進(jìn)行匹配調(diào)整，并通過(guò)加大活塞冷卻噴嘴提高冷卻機(jī)油的流量來(lái)滿足活塞增大的冷卻需求，與此同時(shí)，鑒于機(jī)油體積流量增大，應(yīng)降低機(jī)油的壓力水平，以減小機(jī)油循環(huán)回路中的壓力波動(dòng)。

機(jī)油泵是一種體積流量可調(diào)、具有7個(gè)油室的兩級(jí)式葉片泵，其中低壓級(jí)的機(jī)油壓力為0.18 MPa，而高壓級(jí)為0.33 MPa，其轉(zhuǎn)速比單渦輪增壓機(jī)型提高10%，以優(yōu)化低轉(zhuǎn)速時(shí)的機(jī)油供應(yīng)。已相應(yīng)調(diào)整了機(jī)油壓力開(kāi)關(guān)，而機(jī)油濾清器和機(jī)油冷卻器是基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)的驗(yàn)收件。

3氣缸蓋

鑒于燃燒過(guò)程的進(jìn)氣充量渦流設(shè)計(jì)及兩級(jí)增壓，可不再應(yīng)用可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)。雙渦輪增壓柴油機(jī)上的氣門(mén)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(mén)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，同樣氣缸蓋采用相同的耐高溫材料。

圖2--高功率氣缸蓋

調(diào)整高功率氣缸蓋的設(shè)計(jì)方案，首先涉及通過(guò)進(jìn)氣門(mén)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?chē)蜌飧咨w螺栓凸臺(tái)等部位予以加強(qiáng)。氣缸蓋螺栓采用12.9強(qiáng)度等級(jí)（單渦輪增壓機(jī)型為10.9級(jí)）。加大了氣缸蓋罩上的機(jī)油分離室，并因曲軸箱通風(fēng)份額增大，修改了機(jī)油分離的方法。

為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功率，在設(shè)計(jì)進(jìn)排氣道時(shí)，力爭(zhēng)達(dá)到最小的壓力損失和最大的流量，因此，氣道的流量比單渦輪增壓機(jī)型增大約30%，用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功率。在渦流強(qiáng)度降低的高功率氣缸蓋上，進(jìn)排氣道的曲線形狀和橫截面大大消除了節(jié)流（圖3）。

圖3--氣缸蓋中的流量?jī)?yōu)化

由新開(kāi)發(fā)的最大噴油壓力高達(dá)250 MPa的Bosch噴油系統(tǒng)承擔(dān)混合氣準(zhǔn)備，與此相配合的充量運(yùn)動(dòng)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)型減小50%以上。

雙渦輪增壓柴油機(jī)的進(jìn)氣門(mén)用X85氣門(mén)鋼制成，而排氣門(mén)采用雙金屬氣門(mén)，其中閥桿為X45氣門(mén)鋼，閥盤(pán)為3015D特種合金鋼。無(wú)論是進(jìn)氣門(mén)升程，還是排氣門(mén)升程，都增加了0.5 mm，即9.5 mm。

皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和齒形皮帶的幾何形狀和尺寸均保持不變，通過(guò)提高剛度設(shè)計(jì)，皮帶能傳遞更大的扭矩，這是通過(guò)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達(dá)到的。皮帶彈簧漲緊器也作了適當(dāng)改進(jìn)。

主冷卻水泵切斷時(shí)用于冷卻氣缸蓋的冷卻液微循環(huán)回路是單渦輪增壓機(jī)型的驗(yàn)收件，除了用于EGR冷卻器和采暖熱交換器之外，還用于冷卻低壓廢氣渦輪增壓器的軸承殼體，而冷卻液微循環(huán)回路的冷卻液循環(huán)采用電動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)，其功率比單渦輪增壓機(jī)型的電動(dòng)泵大。

4共軌噴油系統(tǒng)

2.0 L雙渦輪增壓直噴式柴油機(jī)的創(chuàng)新之處在于最大噴油壓力高達(dá)250 MPa的Bosch噴油系統(tǒng)（圖4）。采用這種噴油系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)功率，同時(shí)，Volkswagen公司首次將這種噴油系統(tǒng)用于新型Passat轎車(chē)，并投放市場(chǎng)

圖4--共軌噴油系統(tǒng)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，它由發(fā)動(dòng)機(jī)齒形皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，其中2個(gè)泵油柱塞相互成90°布置，凸輪軸每轉(zhuǎn)有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(yùn)轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)，噴油壓力能降低到約23 MPa，對(duì)減少燃油泄漏產(chǎn)生有利影響。整個(gè)噴油系統(tǒng)都被優(yōu)化到高強(qiáng)度，共軌及其高壓油管都用高強(qiáng)度鋼材制成，在制作共軌時(shí)，還應(yīng)用自動(dòng)摩擦腐蝕工藝方法再次提高其強(qiáng)度。

共軌噴油器中的壓電執(zhí)行器具有最大的流量精度和良好的執(zhí)行力。液力接桿也被用于補(bǔ)償誤差，它將壓電執(zhí)行器產(chǎn)生的力傳遞到開(kāi)關(guān)閥（分配閥）。

無(wú)壓力室噴油嘴具有10個(gè)錐形噴孔，從而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：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.mm3。

5增壓機(jī)組

2.0 L雙渦輪增壓直噴式柴油機(jī)的2個(gè)廢氣渦輪增壓器（圖5）位于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體與前圍板之間。高壓廢氣渦輪增壓器采用可變渦輪截面（VTG）增壓器，增壓壓力高達(dá)0.15 MPa（相對(duì)壓力），最高轉(zhuǎn)速高達(dá)240 000 r/min，其電動(dòng)執(zhí)行器將導(dǎo)向葉片完全打開(kāi)最多需要300 ms。

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)0.38 MPa（絕對(duì)壓力）的增壓壓力，其轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速高達(dá)165 000 r/min。為了避免超轉(zhuǎn)速和過(guò)高的增壓壓力，配備了1個(gè)氣動(dòng)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(duì)增壓空氣進(jìn)行預(yù)冷卻。2個(gè)增壓器的渦輪葉輪均經(jīng)銑削加工成形，而壓氣機(jī)葉輪則涂覆厚度約25μm的鎳-磷涂層，該涂層能防御因低壓EGR所引起的過(guò)高熱負(fù)荷。氣流消聲器中集成了4間小室，它們通過(guò)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(cè)量高壓廢氣渦輪增壓器前廢氣溫度的T3傳感器已換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(guò)氣動(dòng)操縱的直徑為35 mm、并帶有位置反饋的旁通閥連通的（圖6）。在低轉(zhuǎn)速兩級(jí)運(yùn)行時(shí)關(guān)閉旁通閥，導(dǎo)致廢氣首先沖擊高壓廢氣渦輪增壓器。新鮮空氣進(jìn)入低壓廢氣渦輪增壓器的壓氣機(jī)，在那里被略微壓縮，然后進(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(jí)和單級(jí)運(yùn)行狀況

在大約2 500～3 500 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（圖7），渦輪旁通閥根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷持續(xù)開(kāi)啟，高壓廢氣渦輪增壓器中的廢氣流量逐漸減小，同時(shí)新鮮空氣側(cè)被動(dòng)承受彈簧負(fù)荷的壓氣機(jī)旁通閥開(kāi)啟，從4 000 r/min起在渦輪旁通閥完全打開(kāi)的情況下，開(kāi)始單級(jí)運(yùn)行，此時(shí)，大部分的廢氣直接抵達(dá)低壓廢氣渦輪增壓器，而剩余廢氣流量繼續(xù)流入高壓廢氣渦輪增壓器，但此時(shí)高壓廢氣渦輪增壓器不再壓氣。

圖7--特性曲線場(chǎng)中增壓器的運(yùn)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2.0 L雙渦輪增壓直噴式柴油機(jī)，將增壓空氣冷卻器加大，以適應(yīng)提高的要求。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則具有13塊冷卻隔板，其流動(dòng)寬度已從200 mm加大到250 mm，流動(dòng)長(zhǎng)度仍采用120 mm。

在雙渦輪增壓柴油機(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(shí)，約210℃的增壓空氣進(jìn)入冷卻器，冷卻功率為40 kW的冷卻器使增壓空氣溫度降低160 K，達(dá)到約50℃的溫度水平。

增壓空氣冷卻器被接入汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)中的低溫冷卻回路中。低溫冷卻回路的主要任務(wù)是滿足增壓空氣冷卻的需求，它利用位于主散熱器與車(chē)前空調(diào)冷凝器間的冷卻器，在其部分體積流量中除了增壓空氣冷卻器外，還包括AdBlue計(jì)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2.0 L雙渦輪增壓直噴式柴油機(jī)的Passat轎車(chē)上，冷卻水循環(huán)回路中的其他創(chuàng)新點(diǎn)是附加在左車(chē)輪罩中的水冷卻器和加大的平衡水箱。

7近發(fā)動(dòng)機(jī)布置的廢氣凈化裝置

2.0 L雙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[2,3]，但針對(duì)高廢氣流量進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，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）通過(guò)消除節(jié)流的喇叭口連接成1個(gè)緊湊的單元（圖8）。

圖8--SCR系統(tǒng)部件

近發(fā)動(dòng)機(jī)布置的凈化部件能確保在冷起動(dòng)后迅速以高轉(zhuǎn)化率發(fā)揮凈化作用，因此無(wú)須采取加熱催化轉(zhuǎn)化器的措施。2.0 L雙渦輪增壓直噴式柴油機(jī)能滿足歐6排放限值，此外，采用的SCR技術(shù)是針對(duì)未來(lái)即將實(shí)施的實(shí)際車(chē)輛行駛排放法規(guī)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

DOC因靠近發(fā)動(dòng)機(jī)布置,在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)后不久就能進(jìn)行碳?xì)浠衔铮℉C）/CO的凈化轉(zhuǎn)化,此外，還能為串聯(lián)的SCR系統(tǒng)調(diào)節(jié)到最佳的NO/NO2比例。為了在配裝2.0 L雙渦輪增壓直噴式柴油機(jī)的Passat轎車(chē)上使用，其體積已加大了40%，載體基質(zhì)也從陶瓷基質(zhì)換成了金屬基質(zhì)，以便將系統(tǒng)中的損失減小到最低程度。

在DPF上涂覆了SCR涂層，因靠近發(fā)動(dòng)機(jī)連結(jié)，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)后能迅速達(dá)到其工作溫度，并且在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能始終保持這種溫度。用于雙渦輪增壓柴油機(jī)涂覆SCR涂層的DPF的體積比2.0 L-TDI機(jī)型加大了10%，并且，催化轉(zhuǎn)化器采用具有高熱穩(wěn)定性的Cu-沸石涂層。

在汽車(chē)地板下涂覆SCR涂層的DPF后串聯(lián)了1個(gè)單獨(dú)的氨逸漏催化轉(zhuǎn)化器。為了確保具有高的流通能力，與DOC一樣，應(yīng)用壓力損失優(yōu)化的金屬載體基質(zhì)。

Adblue計(jì)量模塊被模塊化設(shè)計(jì)在柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)組合部件中，并被布置在DOC與涂覆SCR涂層的DPF之間的過(guò)渡喇叭口上。這種靠近發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置需要具備冷卻水套，并納入發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)低壓循環(huán)回路中。

與單渦輪增壓機(jī)型相同,在柴油機(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)和不冷卻的高壓EGR組成。高壓EGR有助于降低發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)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，而低壓EGR被用于在剩余的行駛運(yùn)行范圍內(nèi)降低有害物排放，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲產(chǎn)生有利影響。

8發(fā)動(dòng)機(jī)管理

在柴油機(jī)模塊化標(biāo)準(zhǔn)組合部件中，所有發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元都不斷被模塊化和劃分等級(jí)地安裝軟件，并以其為基礎(chǔ)的氣體系統(tǒng)模型，致使能用于不同排放等級(jí)和功率等級(jí)的機(jī)型上。Volkswagen公司首次在2.0 L雙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(duì)扭矩的需求，所有發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)都能通過(guò)這些扭矩路徑計(jì)算得出，此外，軟件還被用于調(diào)節(jié)雙渦輪增壓的模型擴(kuò)展，而運(yùn)行方式協(xié)調(diào)器也將7擋直接變速器的換擋，以及進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的起動(dòng)-停車(chē)系統(tǒng)一并納入其中。與直接變速器相配合，在汽車(chē)停車(chē)前緩慢滑行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)就已脫開(kāi)。

9行駛功率和燃油耗

2.0 L雙渦輪增壓直噴式柴油機(jī)在新型Passat轎車(chē)上充分的動(dòng)力輸出和的燃油耗證實(shí)了其潛力（圖9）。大型轎車(chē)0～100 km/h加速性僅6.1 s,并且最高車(chē)速達(dá)到240 km/h。最強(qiáng)勁的Passat柴油轎車(chē)按新歐洲行駛循環(huán)運(yùn)行，百公里燃油耗僅5.3 L，CO2排放量為139 g/km。

圖9--2.0L-TDI雙渦輪增壓柴油機(jī)的功率和扭矩特性曲線

10結(jié)語(yǔ)

2.0 L雙渦輪增壓直噴式柴油機(jī)作為新型Passat轎車(chē)的頂級(jí)動(dòng)力，滿足了所有技術(shù)規(guī)格要求，它具有：⑴在所有比較機(jī)型中，具有最高的升功率和升扭矩；⑵在強(qiáng)勁的行駛功率下，具有出眾的燃油耗值；⑶滿足歐6排放法規(guī)限值要求。

柴油機(jī)模塊化標(biāo)準(zhǔn)組合部件包括從配裝于Volkswagen公司Polo轎車(chē)的3缸1.4 L-TDI柴油機(jī)直至高端柴油機(jī)機(jī)型在內(nèi)的功率、燃油耗和廢氣排放等方面競(jìng)爭(zhēng)激烈的領(lǐng)域，隨著這些方面的發(fā)展，展示出其巨大的技術(shù)潛力。

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