摘要：Audi公司以全新的整機結(jié)構(gòu)方案開發(fā)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(xiàn)了可調(diào)式增壓方案，并且在全球范圍內(nèi)首次應(yīng)用了電動壓氣機，它能在最短的時間內(nèi)準備好迅速發(fā)力所必需的增壓壓力，以輔助傳統(tǒng)的廢氣渦輪增壓器，獲得了高動態(tài)加速性能。分兩部分介紹這種新一代直噴式柴油機的開發(fā)，第一部分介紹整機結(jié)構(gòu)和帶有電動壓氣機的增壓方案，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，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(fā)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(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機型上應(yīng)用的Audi氣門升程系統(tǒng)(AVS)的發(fā)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(tǒng)實現(xiàn)廢氣流動,而進氣側(cè)的可變氣門定時使得發(fā)動機即使處于低速工況時也能發(fā)揮出高的發(fā)動機扭矩，從而獲得了動態(tài)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(guī)，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(fā)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(shù)據(jù)列于表1。高溫部件布置在V形夾角內(nèi)的發(fā)動機方案是達到目標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)成了嚴密的多層結(jié)構(gòu)，并能夠獲得短的廢氣流程和近發(fā)動機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

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)計過程中，曾不斷地減小壁厚和質(zhì)量。直至機油-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直噴式柴油機技術(shù)參數(shù)

機油循環(huán)回路由全可變機油泵供油，并由1個偏心環(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(jù)壓力特性曲線場來調(diào)節(jié)活塞冷卻噴嘴的機油流量或切斷機油供應(yīng)。

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(yù)熱，此時與氣缸體曲軸箱中的冷卻液是否流動無關(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)流動的冷卻液承擔。機油-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(tǒng)可調(diào)式增壓系統(tǒng)相仿的雙廢氣渦輪增壓器裝置，并添加了電動壓氣機。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現(xiàn)，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(yīng)廢氣，而被動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(shè)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(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行時的膨脹很小，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(fā)動機試驗研究中，在虛擬開發(fā)框架范圍內(nèi)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(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)濟性之間達到了最好的折中。

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(yīng)關(guān)閉，被動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廢氣流排氣門，開始轉(zhuǎn)換到雙渦輪運行模式(圖6)，于是被動廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子被加速，使得用于主動廢氣渦輪增壓器的驅(qū)動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(huán)空氣閥關(guān)閉，由被動廢氣渦輪增壓器產(chǎn)生的增壓壓力打開彈簧力控制的壓氣機接通閥。在其轉(zhuǎn)速約2 700 r/min時向雙渦輪運行模式的轉(zhuǎn)換結(jié)束，2個廢氣渦輪增壓器開始建立增壓壓力。在轉(zhuǎn)速3 750 r/min時發(fā)動機達到其額定功率320 kW，發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速達到5 000 r/min。

圖6 渦輪運行方案

基于增壓方案和發(fā)動機結(jié)構(gòu)，發(fā)動機的空氣系統(tǒng)完全重新開發(fā)。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(dǎo)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(cè)靠近發(fā)動機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)運行工況點由氣動旁通閥接入的。

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(shè)計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(diào)節(jié)閥板由1個電動調(diào)節(jié)器通過聯(lián)動杠桿機構(gòu)進行控制。所有的空氣管路幾何形狀都在開發(fā)進程中經(jīng)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(yōu)化。

5電動壓氣機

采用2個廢氣渦輪增壓器的傳統(tǒng)增壓系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子的支承因為要承受其70 000 r/min最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tài)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(wǎng)供應(yīng)，該電網(wǎng)通過1個直流變壓器與傳統(tǒng)的12 V電網(wǎng)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(wǎng)則由200 A發(fā)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(tài)額定增壓壓力之差就能得出由EAV產(chǎn)生的增壓壓力，若超過某個規(guī)定的閾值，EAV就投入工作，緊接著用于發(fā)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(zhuǎn)子的加速能力。一旦達到發(fā)動機相應(yīng)運行狀態(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(zhì)量流量，能明顯增大全負荷噴油量，從而一方面提升發(fā)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(tài)發(fā)動機扭矩就得到升高。一旦主動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)動機繼續(xù)在單渦輪運行模式運轉(zhuǎn)。在動態(tài)全負荷加速時從轉(zhuǎn)速約1 500 r/min起就接近發(fā)動機最大扭矩，而在穩(wěn)態(tài)情況下在轉(zhuǎn)速1 000 r/min時就已達到發(fā)動機最大扭矩。

7結(jié)語

傳統(tǒng)可調(diào)式增壓裝置與電動壓氣機的組合，以及集成近發(fā)動機廢氣后處理系統(tǒng)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(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(yīng)。在SQ5型SUV車之后，又推出了TDI柴油機驅(qū)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(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。