摘要：Audi公司以全新的整機結構方案開發出了新一代V8-TDI壓直噴式柴油機，Ｖ形夾角中的2個廢氣渦輪增壓器實現了可調式增壓方案，并且在全球范圍內首次應用了電動壓氣機，它能在最短的時間內準備好迅速發力所必需的增壓壓力，以輔助傳統的廢氣渦輪增壓器，獲得了高動態加速性能。分兩部分介紹這種新一代直噴式柴油機的開發，第一部分介紹整機結構和帶有電動壓氣機的增壓方案，第二部分介紹其應用轉化和廢氣后處理系統。

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，這款柴油機擁有4根頂置凸輪軸、32個氣門和2個可變渦輪幾何截面廢氣增壓器，這使得3.3 L柴油機以165 kW最大功率和480 N·m扭矩的出眾動力性能成為V8機型中的高水平TDI機型。該機型的升級版排量為4.0 L和4.2 L，從那時起這種V-TDI增壓直噴式柴油機就成為Audi公司V形發動機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力和足夠的功率。

4.0 L V8-TDI機型采用電動壓氣機(EAV)后能夠獲得迄今為止柴油機機型從未達到過的動態加速性能。這種帶有可調節式雙渦輪增壓和首次在TDI機型上應用的Audi氣門升程系統(AVS)的發動機方案，使得高效率與最強勁的動力性能集于一身。由于排氣門的開啟順序，第2個廢氣渦輪增壓器通過雙通道排氣歧管系統實現廢氣流動,而進氣側的可變氣門定時使得發動機即使處于低速工況時也能發揮出高的發動機扭矩，從而獲得了動態加速性能。這種新一代柴油機最大扭矩高達900 N·m，可提供高達320 kW的功率。為了滿足未來的廢氣排放法規，該機型還可裝備2級組合式氮氧化物(NOx)廢氣后處理裝置。

2發動機概述

新一代V8-TDI增壓直噴式柴油機(圖1)的主要尺寸和特性數據列于表1。高溫部件布置在V形夾角內的發動機方案是達到目標燃油耗和廢氣排放的基礎，排氣管路和廢氣渦輪增壓器的緊湊布置構成了嚴密的多層結構，并能夠獲得短的廢氣流程和近發動機布置的廢氣后處理系統(圖2)，而在V型夾角的最低層還附加布置了廢氣再循環(EGR)系統。

圖1 Audi新型V8-TDI增壓直噴式柴油機

圖2 V形夾角內的結構布置

在GJV450蠕墨鑄鐵氣缸體曲軸箱設計過程中，曾不斷地減小壁厚和質量。直至機油-水熱交換器的復雜介質管路取消了灰鑄鐵結構，而被集成在輕型鋁輸送托盤中。

表1 Audi公司新型V8-TDI直噴式柴油機技術參數

機油循環回路由全可變機油泵供油，并由1個偏心環連續調節的葉片泵為特性曲線場中的每個運行工況點提供最佳匹配的機油壓力和體積流量。為了減少摩擦，可根據壓力特性曲線場來調節活塞冷卻噴嘴的機油流量或切斷機油供應。

從V6-TDI柴油機系列中的分開式氣缸蓋冷卻方案，能夠在冷起動時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熱，此時與氣缸體曲軸箱中的冷卻液是否流動無關，車廂內和變速器油的加熱、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回路中連續流動的冷卻液承擔。機油-冷卻液熱交換器可開關的冷卻液體積流量附加于熱管理方案中，可在冷起動后使機油更快地熱起來。

3增壓方案

新型V8-TDI增壓直噴式柴油機裝備了1種與傳統可調式增壓系統相仿的雙廢氣渦輪增壓器裝置，并添加了電動壓氣機。這種雙渦輪增壓器裝置的調節轉換直接通過排氣門實現，每個氣缸的第1個排氣門始終向主動廢氣渦輪增壓器的渦輪供應廢氣，而被動廢氣渦輪增壓器的渦輪則在轉速2 700 r/min以上范圍內通過第2個排氣門的轉換調節供應廢氣(圖3)。這種增壓方案需要將2個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，而2列氣缸排之間則由絕熱式組合廢氣管來連接，這些廢氣管被設計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 ℃再加上廢氣輸送構件的絕熱組合，對所選擇的材料提出了非常高的要求，同時需要具有良好的抗氧化性，以免廢氣管路產生氧化，盡而防止損壞渦輪。采用形狀穩定性非常好的材料可確保排氣歧管運行時的膨脹很小，并且在經歷了冷-熱-冷循環后變形很小(圖4)，從而有針對性地減小廢氣軟管的變形和負荷。

圖4 排氣歧管的材料選擇

除此之外，在選擇材料時考慮到了材料和鑄造工藝費用、加工費用，以及單件成本等因素。在發動機試驗研究中，在虛擬開發框架范圍內借助熱機械有限元分析定量評估了選擇材料的功能和耐熱性能。而在形狀穩定性方面，特別是有關經歷冷-熱-冷循環后的殘余變形，模擬計算表明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濟性之間達到了最好的折中。

4傳統增壓裝置

圖5示出了增壓系統。在低和中等轉速范圍內單渦輪運行模式時，主動廢氣渦輪增壓器始終有高溫廢氣流過，有了增壓壓力，此時被動廢氣流的排氣門相應關閉，被動廢氣渦輪增壓器不起作用。

從轉速2 200 r/min開始，有針對性地開啟被動廢氣流排氣門，開始轉換到雙渦輪運行模式(圖6)，于是被動廢氣渦輪增壓器的轉子被加速，使得用于主動廢氣渦輪增壓器的驅動功率不至于突然降低。壓縮空氣由循環空氣管道引導到主動廢氣渦輪增壓器的壓氣機前，在所有的排氣門都打開后，電動循環空氣閥關閉，由被動廢氣渦輪增壓器產生的增壓壓力打開彈簧力控制的壓氣機接通閥。在其轉速約2 700 r/min時向雙渦輪運行模式的轉換結束，2個廢氣渦輪增壓器開始建立增壓壓力。在轉速3 750 r/min時發動機達到其額定功率320 kW，發動機的最高轉速達到5 000 r/min。

圖6 渦輪運行方案

基于增壓方案和發動機結構，發動機的空氣系統完全重新開發。2個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向左右2個增壓空氣冷卻器。EAV是在增壓空氣冷卻器后汽車左側靠近發動機的增壓空氣管路上集成到空氣系統中去的，并且是根據運行工況點由氣動旁通閥接入的。

節氣門后，砂型鑄鋁增壓空氣管中的2股增壓空氣流在發動機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，而增壓空氣管的設計又確保了增壓空氣被均勻地分配到位于氣缸蓋外側的2個進氣總管中。這2個進氣總管分別由2個30%玻璃纖維加強尼龍(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節閥板由1個電動調節器通過聯動杠桿機構進行控制。所有的空氣管路幾何形狀都在開發進程中經過好幾個計算回合，針對換氣功和均勻分配進行了仔細的優化。

5電動壓氣機

采用2個廢氣渦輪增壓器的傳統增壓系統并添加了1個電動壓氣機(圖5)。該EAV的功率為7 kW，最長起動加速時間為250 ms，主要用于獲得最佳的起步加速性能，其緊湊的結構由1個用于壓氣機和電動機的外殼，以及1個適合于安裝電子器件的外殼組成。而轉子的支承因為要承受其70 000 r/min最高轉速，并且升高率高達約260 000 r/(min·s-1)。帶有壓氣機葉輪和電動機轉子的軸承用免維護的由潤滑脂潤滑的球軸承浮動支撐在殼體上，軸承間隙取決于軸承和殼體的運行溫度。

電功率對EAV提出的非常高的動態特性要求，在峰值時高達7 kW，所需的能量則由汽車上1個單獨的作為功率平臺輸出的48 V子電網供應，該電網通過1個直流變壓器與傳統的12 V電網耦合。1個緊湊的10 Ah鋰離子蓄電池用作貯能器，而12 V電網則由200 A發電機供電。

如果額定增壓壓力達不到的話，那么要使用EAV。從實時的增壓壓力與計算出的動態額定增壓壓力之差就能得出由EAV產生的增壓壓力，若超過某個規定的閾值，EAV就投入工作，緊接著用于發動機的增壓壓力模型與EAV中的額定值特性圖之間進行相互比較，然后使用EAV附加提高主動廢氣渦輪增壓器轉子的加速能力。一旦達到發動機相應運行狀態的穩態額定增壓壓力，EAV就停止工作。

6增壓機組與電動壓氣機的相互配合

EAV在開始起動加速時是主動的，并通過迅速建立增壓壓力來輔助單渦輪運行的加速，由此提高空氣質量流量，能明顯增大全負荷噴油量，從而一方面提升發動機扭矩，另一方面用更多的廢氣熱焓，大大地加速主動廢氣渦輪增壓器，可早1 s達到最大增壓壓力，約0.34 MPa，而且從怠速起瞬態發動機扭矩就得到升高。一旦主動廢氣渦輪增壓器能發揮出其全部工作能力，EAV就停止工作，發動機繼續在單渦輪運行模式運轉。在動態全負荷加速時從轉速約1 500 r/min起就接近發動機最大扭矩，而在穩態情況下在轉速1 000 r/min時就已達到發動機最大扭矩。

7結語

傳統可調式增壓裝置與電動壓氣機的組合，以及集成近發動機廢氣后處理系統決定了這種新型柴油機機型在高溫部件布置在V形柴油機領域中的突出地位。突發性的加速響應性能與寬廣轉速范圍的扭矩供應和運動型扭矩特性相配合能夠擴大Audi柴油機和S級轎車車型的供應。在SQ5型SUV車之后，又推出了TDI柴油機驅動的第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車上的應用轉化和廢氣后處理系統將在第2部分中予以介紹。