大眾奧迪轎車V8增壓燃油分層直噴式汽油機（二）

◆文/江蘇　范明強

大眾奧迪轎車V8增壓燃油分層直噴式汽油機（二）

◆文/江蘇范明強

范明強

(本刊編委會委員)

教授級高級工程師，參加過陜西汽車制造總廠的籌建工作，主管柴油機的產(chǎn)品開發(fā)；1984年調(diào)往機械工業(yè)部無錫油泵油嘴研究所，曾任一汽無錫柴油機廠?、第一汽車集團公司無錫研究所高級技術顧問、湖南奔騰動力科技有限公司總工程師。

(接2016年第3期)

七、汽缸蓋和可變氣門升程機構(gòu)

高升功率及其所導致的汽缸蓋熱負荷需要最均勻的溫度分布，以及燃燒室頂面排氣門區(qū)域的良好冷卻。為了能確保滿足此要求，汽缸蓋按照冷卻液橫向流動的原理設計。通過冷卻水套的計算流體力學(CFD)模擬，能夠以較小的節(jié)流損失實現(xiàn)上述對汽缸蓋冷卻液流動的要求，并選擇AlSi7高耐熱鋁合金作為汽缸蓋的材料。

AVS可變氣門升程機構(gòu)使用了大眾集團的標準構(gòu)件，其中特別針對裝配和聲學性能方面進行了一些優(yōu)化工作。裝配式凸輪軸由一根帶有軸承環(huán)和外嚙合齒的心軸、兩個固定凸輪片和兩個用于切斷汽缸的可移動的AVS凸輪片以及一個燃油泵凸輪和一個相位傳感輪組成。為此，必須開發(fā)專門的裝配方案，其中軸承環(huán)和相位傳感輪被安置在嚙合齒前端，而氣門和燃油泵凸輪片被安置在嚙合齒側(cè)面。為了能獲得非常良好的聲學性能，AVS凸輪片首次僅使用批產(chǎn)止動鋼珠保持在其位置上以防止與導向套接觸，為此開發(fā)了專用止動槽。

4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機具有大眾集團所有裝備可變氣門機構(gòu)發(fā)動機中承載能力最高的AVS可變氣門機構(gòu)，因此同樣采用大眾集團標準構(gòu)件的滾輪搖臂必須與較高的負荷相匹配，而排氣門必須鑲座面并用其中空腔內(nèi)的鈉冷卻。通過將凸輪軸相位調(diào)節(jié)器從4個機油腔室進一步開發(fā)成3個機油腔室，在具有較高相位調(diào)節(jié)速度的同時能明顯減少機油流量，而AVS機構(gòu)的滾輪搖臂潤滑噴嘴噴孔直徑從0.4mm縮小到0.3mm，使其機油流量減少了30%，因而汽缸蓋的機油需求量在120℃機油溫度下為2.5L/min，這對于V8發(fā)動機而言是處于非常低的水平。除了機油流量之外，進氣門彈簧的彈簧力被降低到最小程度，以進一步降低汽缸蓋的摩擦功率。

由于凸輪軸軸承集成在氣門罩蓋上，因此就可省掉附加的汽缸蓋罩，而且該罩蓋還可用于固定高壓燃油泵、AVS執(zhí)行器以及其它各種發(fā)動機零部件(圖6)。根據(jù)V8發(fā)動機特定的點火次序，AVS執(zhí)行器被安置在氣門罩蓋上2/3汽缸(右排汽缸列)和5/8汽缸(左排汽缸列)部位。

出于成本和通用化的原因，在開發(fā)4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機時特別重視提高零部件的通用化率，因此汽缸蓋具有下列直列4缸和5缸機以及V6、V8和V10汽油機通用的零部件：① 進排氣門、進排氣門彈簧、進排氣門導管和進排氣門桿密封圈；② 氣門彈簧座；③ 排氣門座圈；④ AVS執(zhí)行器；⑤ 液力平衡元件；⑥ 固定凸輪片滾輪搖臂；⑦ 比例電磁閥；⑧ 凸輪軸相位調(diào)節(jié)器。

圖6　AVS可變氣門升程機構(gòu)

八、曲軸箱通風系統(tǒng)

曲軸箱通風系統(tǒng)的開發(fā)目標是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的高度集成和緊湊結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的核心部件是用法蘭連接在空氣集氣箱外殼上的塑料曲軸箱通風模塊，它具有下列功能：

① 曲軸箱通風氣體中粗大機油滴的分離；

② 曲軸箱通風氣體中細小機油滴的分離；

③ 由壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓力；

④ 曲軸箱強制通風(PCV)，包括計量新鮮空氣的節(jié)流孔；

⑤ 全負荷和部分負荷運行工況按需調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)換閥；

⑥ 將分離出來的機油返回到油底殼。

汽缸體曲軸箱中泄漏的含機油燃氣通過集成在曲軸箱橫隔板、曲軸箱、汽缸蓋、連續(xù)可變滾流裝置(CVTS)法蘭和空氣集氣箱殼體上的通道排出，然后經(jīng)過一根鋼管和一段短軟管被引入到曲軸箱通風模塊中(圖7左)。由于采用了這些緊湊且壓力損失優(yōu)化的曲軸箱通風引出通道，能夠?qū)⑵渫獠抗艿罍p少到僅有一根。

由于凸輪軸軸承集成在氣門罩蓋上，因此取消了迄今為止在通常汽缸蓋罩中下部用于粗大機油滴分離器的較大容積。為了還能滿足對機油分離的較高要求，因而在曲軸箱通風系統(tǒng)中還有許多方面必須進行仔細的開發(fā)設計。通過汽缸體曲軸箱中泄漏的含機油燃氣引出部位的位置、形狀、途徑和橫截面積以及引至曲軸箱通風模塊的通道走向的優(yōu)化，能將來自汽缸體曲軸箱的機油排出量減少95%以上。

緊接著，又通過多次流動轉(zhuǎn)向借助于離心力分離，再加上新型分離模塊中第一個腔室內(nèi)的重力分離，實現(xiàn)粗大機油滴的分離。然后，經(jīng)過預凈化的曲軸箱氣體被導入分離模塊中第二個腔室(圖7右)，在這里由具有光滑表面的撞擊分離器實現(xiàn)細小機油滴的分離。被粗大油滴分離器和細小油滴分離器分離出來的機油通過鑄在汽缸體曲軸箱中的兩條分開的通道引至油底殼機油油面以下被返回。為了確保機油分離系統(tǒng)即使在發(fā)動機必須滿足的高運行動力性能要求情況下仍具備完整的功能，已附加為每個回油通道開發(fā)了彈簧止回閥，它們具有非常高的密封性，同時開啟壓力又很小。

圖7　曲軸箱通風系統(tǒng)

曲軸箱通風模塊屬于空氣集氣箱殼體的供貨范圍，并且在裝配時無需附加工作步驟就能安置到V形夾角中去，然后用螺栓擰緊在汽缸體曲軸箱和連續(xù)可變滾流裝置(CVTS)殼體上。曲軸箱通風模塊在V形夾角中的位置以及集成的所有輸送介質(zhì)的管道都處于發(fā)動機保溫范圍內(nèi)，直至低于-40℃溫度下無需附加的加熱措施仍能確保其防凍安全性。與搭載于RS5轎車上的4.2L-V8-FSI自然吸氣高轉(zhuǎn)速直噴式汽油機一樣，4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機已通過改換調(diào)節(jié)閥彈簧將曲軸箱真空度提高到了150mbar，因而進一步降低了摩擦功率和燃油消耗，并能改善曲軸箱通風中機油的分離。

此外，曲軸箱強制通風系統(tǒng)(PCV)已與增壓直噴式汽油機的高要求相匹配。通過有針對性地將曲軸箱通風氣體與新鮮空氣混合的途徑設計得較長，能夠充分利用曲軸箱強制通風系統(tǒng)將水分和燃油從曲軸箱和發(fā)動機機油中排除的潛力。

九、空氣供應和增壓

由于廢氣渦輪增壓器被布置在發(fā)動機V形夾角中，因此空氣的供應還要適應新的結(jié)構(gòu)空間條件。新鮮空氣從汽車前端吸入，經(jīng)過空氣濾清器凈化后被導入兩個增壓器的壓氣機中。根據(jù)功率等級變型和車型的不同，新鮮空氣通過布置在右側(cè)(S6、S7、A8轎車)或者左右兩側(cè)(S8轎車)的空氣濾清器殼體進氣。被增壓的進氣空氣經(jīng)過節(jié)氣門模塊進入空氣集氣箱，其中有增壓空氣間接冷卻器(圖8右)。緊接著，增壓空氣經(jīng)過兩個布置在發(fā)動機前端的臂狀空氣分配管被分別導入兩排汽缸蓋外側(cè)的進氣管。

滾流閥板布置在進氣道前的連續(xù)可變滾流裝置(CVTS)法蘭中，它與氣道的幾何形狀、氣道隔板和活塞頂形狀組合形成呈汽缸充量的滾流運動，從而改善燃燒室中的混合氣形成，明顯降低低轉(zhuǎn)速和部分負荷時的燃油消耗和廢氣排放。同時，由于增壓空氣管路具有極其緊湊的結(jié)構(gòu)型式，增壓空氣管路中的空氣容積很小，因此發(fā)動機具有令人矚目的極好的瞬時加速響應性能。兩個電動倒拖循環(huán)空氣閥可防止節(jié)氣門關閉時渦輪增壓器出現(xiàn)過于猛烈的制動，這樣就能夠改善車輛重新加速時發(fā)動機的加速響應性能(圖8左)。

圖8　進氣管路的布置狀況

間接的空氣-水增壓空氣冷卻器被設計成雙排結(jié)構(gòu)型式，并按反向流動原理工作，具有良好的冷卻效率。回收的增壓空氣熱量通過低溫冷卻循環(huán)回路被導入位于汽車前端的散熱器而散發(fā)到周圍環(huán)境中去。增壓空氣管路中的電動冷卻水泵由發(fā)動機電控單元根據(jù)負荷、轉(zhuǎn)速和外界環(huán)境溫度進行控制。

十、排氣歧管和廢氣渦輪增壓器

4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機是大眾集團中首款增壓器渦輪采用雙渦道技術的動力總成。由于增壓器渦輪進口之前的廢氣流分開流動，同一汽缸列中直接連續(xù)點火的兩個汽缸之間排氣流的干擾就大大減小，使得特別是在低轉(zhuǎn)速時的扭矩提升明顯改善。

由于排氣歧管和廢氣渦輪增壓器等高溫部件都布置在V形夾角內(nèi)，因此對熱屏蔽提出的非常高的要求，使其周圍的零部件不至于過熱。為了使排氣歧管外表面保持盡可能低的溫度，并盡可能長地保持廢氣能量，廢氣渦輪增壓器渦輪殼直接與雙層中空絕熱排氣歧管焊接成一個整體式模塊。排氣歧管本身由輸送廢氣的內(nèi)管、承載外殼及其外部隔熱層所組成(圖9)。由于取消了渦輪殼與排氣歧管之間的連接法蘭，可避免法蘭上危險的熱輻射，而且流往渦輪的廢氣管道形狀可按最佳流動狀況設計。渦輪殼外表面包裹由硅酸鹽纖維編織而成的整體式隔熱層并用不銹鋼蒙皮保護，使其與外界絕熱。采取這些措施并有針對性地組織發(fā)動機艙內(nèi)的氣流后，在很大程度上就能取消V形夾角范圍內(nèi)周圍零部件另外采取的昂貴的隔熱措施。

圖9　廢氣渦輪增壓器-排氣歧管總成

由于高達980℃的廢氣溫度所引起的高的熱負荷以及高達1 400kg/h的廢氣質(zhì)量流量，因此排氣歧管和雙渦道渦輪殼的耐久性是開發(fā)的重點。借助于熱力—力學計算，在早期的開發(fā)研究階段就已經(jīng)優(yōu)化了排氣歧管和渦輪增壓器的幾何形狀，因此有些地方的塑性膨脹最多減少了70%。渦輪殼由1.4849型高耐熱鋼鑄成，而排氣歧管的內(nèi)管和承載外殼則由鎳鉻耐熱合金鋼板制成。

廢氣放氣閥的真空操縱機構(gòu)位于汽缸蓋上，這在安裝和熱負荷方面具有明顯的優(yōu)勢，因此真空膜盒及其固定支架能夠用塑料制成。同時，采用真空操縱在冷起動時就能進行控制，使得催化轉(zhuǎn)化器能夠較快地加熱升溫，因而廢氣有害物排放也就較少。309kW和382kW兩種功率等級的廢氣渦輪增壓器模塊的差異只要加大高功率機型壓氣機葉輪的直徑，并相應將壓氣機殼體進行適當?shù)臋C加工即可。

十一、燃燒過程的開發(fā)

為了滿足高燃燒室壓力和大噴油量時點火時刻的渦流需求，已采用高渦流進氣道替代V8自然吸氣機型純粹按充氣要求設計的基本進氣道。為此，必須致力于包括調(diào)整噴油策略在內(nèi)的混合氣形成的試驗研究。首先，在透明發(fā)動機上采用激光感應熒光(LIF=laserinduzierte Fluoreszenz)試驗方法在對排放具有重要意義的催化轉(zhuǎn)化器加熱運行工況進行此類試驗研究。此時將兩側(cè)激光斷面引入這種透明發(fā)動機，并用攝像機拍攝此時燃油所產(chǎn)生的熒光(圖10)。

在采用優(yōu)化顆粒排放的噴油策略情況下，應避免燃油直接撞擊零件壁面。圖11為從透明發(fā)動機上拍攝到的有關噴油和混合氣形成的完整狀況，對催化轉(zhuǎn)化器加熱運行工況時的兩次噴射與三次噴射進行比較，但僅示出了壓縮行程的噴油狀況。在采用兩次噴油時，第二次噴油被設置在較晚的時刻，由于噴油量較大而導致了活塞頂表面濕潤 (點火上止點前70°曲軸轉(zhuǎn)角)。若相同的第二次噴油量被分成兩次噴射，那么就幾乎不再發(fā)生活塞頂面潤濕的現(xiàn)象，因此在三次噴射的情況下就避免了空燃混合氣的水平分層(圖11中點火上止點前35°曲軸轉(zhuǎn)角時的紅色區(qū)域)。采用這種試驗方法就能分析是否形成碳煙顆粒，據(jù)此就能降低顆粒排放。除此之外，燃燒過程方面這些特性的綜合效果，使得發(fā)動機運行時即使點火角較晚也不會引起發(fā)動機振動，而且較晚的點火角能夠使廢氣具有較高的熱焓。

圖10　透明發(fā)動機上激光感應熒光照片

圖11　點火上止點前77°～35°曲軸轉(zhuǎn)角期間壓縮行程噴油的混合氣形成

十二、催化轉(zhuǎn)化器的加熱策略

4.0L-8V-TFSI增壓直噴式汽油機所有機型的廢氣排放都低于LEVⅡ～ULEV和歐5排放限值，廢氣后處理系統(tǒng)進一步開發(fā)的重點是在催化轉(zhuǎn)化器加熱期間能平穩(wěn)安靜地運行，以及在燃油品質(zhì)不良情況下仍能獲得可靠的性能。應用渦輪增壓器會使催化轉(zhuǎn)化器的加熱性能變差，使得催化轉(zhuǎn)化器前的廢氣溫度提升趨緩。值得重視的是，催化轉(zhuǎn)化器的起燃溫度稍微降低一些就能縮短其所必需的加熱時間，從而就能降低燃油消耗以及催化轉(zhuǎn)化器加熱運行期間所產(chǎn)生的HC排放。

為了滿足這些要求，應遵循以下四個主要方面：

① 燃燒過程的穩(wěn)定性及其較低的原始排放水平；

② 選擇發(fā)動機運行平穩(wěn)且加熱效率較高的催化轉(zhuǎn)化器加熱方法；

③ 優(yōu)化設計排氣歧管、廢氣放氣閥幾何尺寸和催化轉(zhuǎn)化器中的流動，使得需求的加熱熱量最少；

④ 催化轉(zhuǎn)化器采用薄壁陶瓷載體，使其能盡早起燃發(fā)揮凈化作用。

采用前面已提到的三次噴射與引入二次空氣相結(jié)合作為催化轉(zhuǎn)化器的加熱方法，引入二次空氣使得燃燒室中混合氣的空燃比可低于化學計量比。這樣一方面能夠提高運行可靠性，另一方面能夠進一步提高排氣歧管沿路的加熱功率，而且在催化轉(zhuǎn)化器加熱期間打開廢氣渦輪增壓器廢氣放氣閥，可使催化轉(zhuǎn)化器的加熱時間縮短5s以上。此外，在負荷較小和發(fā)動機暖機運轉(zhuǎn)時，切斷機油循環(huán)回路中的活塞機油冷卻噴嘴，從而因提高了活塞溫度而達到節(jié)油效果，并降低發(fā)動機暖機運轉(zhuǎn)階段的HC和顆粒排放。

催化轉(zhuǎn)化器采用整體式薄壁陶瓷載體(900目，0.0025吋壁厚)，并在60%催化轉(zhuǎn)化器體積后配置了一個診斷傳感器。有意放棄了通常的雙載體結(jié)構(gòu)，有利于降低排氣背壓。

十三、增壓及其壓力管路

新開發(fā)的4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機的一個重要結(jié)構(gòu)設計特點是雙渦道渦輪增壓器和間接增壓空氣冷卻器都布置在V形夾角內(nèi)，這種布置型式能確保扭矩的盡快提升和突出加速響應性能。兩個廢氣渦輪增壓器分別與各自的中空絕熱排氣歧管焊接成整體式模塊，其排氣歧管端的廢氣是按照點火次序分開引導至渦輪殼的雙渦道中的(參見圖9)，這樣就大大減少了同一汽缸列中直接連續(xù)點火汽缸間廢氣的相互干擾，因而首先明顯改善了低轉(zhuǎn)速時的扭矩提升。電動倒拖循環(huán)空氣閥被集成在節(jié)氣門模塊而不是壓氣機蝸殼中，這樣就使壓氣機能獲得最佳的流動導向而具有效率方面的優(yōu)勢。

圖12　5.2L-V10-FSI和4.0L-V8-TFSI plus直噴式汽油機功率和扭矩的比較

十四、功率、扭矩和燃油消耗

4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機開發(fā)的一個重要重點是顯著提高行駛功率。搭載于奧迪 S8轎車的4.0L-V8-TFSI plus增壓直噴式汽油機在1 700r/min轉(zhuǎn)速時就已達到其最大扭矩650Nm，并且直至5 500r/min轉(zhuǎn)速最大扭矩一直保持不變,而在5800r/min轉(zhuǎn)速時達到額定功率382kW。與搭載于老款奧迪 S8轎車的5.2L-V10-FSI 直噴式汽油機相比，功率和扭矩增加了15%以上(圖12)。這種新型奧迪 S8轎車從0-100km/h的加速時間為4.2s，比老款車型差不多快了1s。奧迪 S6/S7車型搭載309kW的機型，而功率最強勁的機(412kW,700Nm)則搭載于奧迪 RS6和RS7車型上。相應的老款車型相比，汽車和發(fā)動機方面所采取的所有措施使其具有明顯的燃油消耗優(yōu)勢：新型奧迪 S6/S7和S8轎車的百公里燃油消耗節(jié)省了2.9～3.6L/100km，而奧迪 RS6轎車的燃油消耗甚至降低了4.2 L/100km。

(未完待續(xù))