关于大众公司4缸双涡轮增压柴油机性能分析,双涡轮增压

当今,Passat轿车系列的顶级机动性是配装采用两级涡轮增压的直列4缸2.0 L双涡轮增压直喷式柴油机,在转速4 000 r/min时,功率为176 kW,在1 750~2 500 r/min转速范围内,最大扭矩为500 N·m,升功率高达88 kW/L,在量产4缸柴油机中具有最高的升功率。新型柴油机以2012年Volkswagen公司推出的模块化标准部件为基础[1],开发了具有2个废气涡轮增压器的紧凑型增压机组,增压压力高达0.38 MPa(绝对压力)。

1技术规格特点

配装2.0 L双涡轮增压直喷式柴油机的新型Passat轿车的技术特点是(图1):⑴功率为176 kW,相当于4缸柴油机至今尚未达到的升功率88 kW/L;⑵扭矩为500 N·m,相当于升扭矩达到250 N·m/L;⑶达到高级轿车水平的运动性行驶性能和最佳的声学特性;⑷达到欧6排放限值;⑸燃油耗低;⑹利用模块化标准部件有效降低成本;⑺适合于横置式安装。2.0 L双涡轮增压直喷式柴油机的主要规格示于表1。

图1--功率为176kWd的新型2.0L-TDI双涡轮增压柴油机的技术数据

2基础发动机

2.0 L双涡轮增压直喷式柴油机以单涡轮增压机型为设计基础,气缸体曲轴箱采用GJL-250片墨铸铁铸造。为了在机油耗低和曲轴箱通风量少的情况下获得最佳的摩擦性能,气缸工作表面采用螺栓固定的珩磨中心架进行珩磨。

与原始的技术基础状态不同,对双涡轮增压直喷式柴油机的气缸体曲轴箱进行了改进,使所有部位都能承受更高的负荷。与主轴承座连结的横隔板通过加大壁厚已优化了其上部用于减小曲轴箱气体横向脉冲流动损失的开口范围内的应力,而加长的曲轴主轴承盖螺栓能承受已提高的拉伸力。通过改进机油通道的布置,改善了2个废气涡轮增压器的机油供应状况。借助于其他结构措施优化了增压机组支撑紧固点的强度及噪声辐射。

由于最高燃烧压力较高,因而将压缩比减小到15.5(110 kW的单涡轮增压机型压缩比为16.2),并采用新的燃烧过程。新型柴油机采用全新开发的活塞,其顶部的燃烧室凹坑唇口负荷最高的区域经过再熔炼处理,进一步提高了强度。为新活塞形状优化了其头部盐芯铸造成形的冷却通道。将第2道活塞环设计成鼻形斜面环,而第3道活塞环采用高度从3.0 mm减少到2.0 mm的双斜切式软管弹簧油环,能够减小切向力。

将活塞销直径从26 mm加大到29 mm,减小了活塞销轴线上的应力和表面压力。与所有柴油机标准组合部件一样,涂覆类金刚石石墨涂层的活塞销已成为标准化零件。部分加强了连杆杆身。曲轴由42CrMoS4高强度合金钢锻造而成,而8孔法兰仍沿用功率为140 kW的2.0 L涡轮增压直喷式(TDI)柴油机的。

2.0 L双涡轮增压直喷式柴油机的负荷比单涡轮增压机型高,因而有必要对机油量预算进行匹配调整,并通过加大活塞冷却喷嘴提高冷却机油的流量来满足活塞增大的冷却需求,与此同时,鉴于机油体积流量增大,应降低机油的压力水平,以减小机油循环回路中的压力波动。

机油泵是一种体积流量可调、具有7个油室的两级式叶片泵,其中低压级的机油压力为0.18 MPa,而高压级为0.33 MPa,其转速比单涡轮增压机型提高10%,以优化低转速时的机油供应。已相应调整了机油压力开关,而机油滤清器和机油冷却器是基础发动机的验收件。

3气缸盖

鉴于燃烧过程的进气充量涡流设计及两级增压,可不再应用可变气门机构。双涡轮增压柴油机上的气门星形布置采用与气缸中心线平行的结构型式(图2)。这种整体式气门机构模块是模块化柴油机的重要部件,基本保持不变,同样气缸盖采用相同的耐高温材料。

图2--高功率气缸盖

调整高功率气缸盖的设计方案,首先涉及通过进气门之间附加的冷却水流引导获得更好的冷却,以及在气缸盖底板、机油室范围、喷油器周围和气缸盖螺栓凸台等部位予以加强。气缸盖螺栓采用12.9强度等级(单涡轮增压机型为10.9级)。加大了气缸盖罩上的机油分离室,并因曲轴箱通风份额增大,修改了机油分离的方法。

为了实现目标功率,在设计进排气道时,力争达到最小的压力损失和最大的流量,因此,气道的流量比单涡轮增压机型增大约30%,用于实现目标功率。在涡流强度降低的高功率气缸盖上,进排气道的曲线形状和横截面大大消除了节流(图3)。


图3--气缸盖中的流量优化

由新开发的最大喷油压力高达250 MPa的Bosch喷油系统承担混合气准备,与此相配合的充量运动由进气阀座上的涡流倒棱产生,涡流数比单涡轮增压机型减小50%以上。

双涡轮增压柴油机的进气门用X85气门钢制成,而排气门采用双金属气门,其中阀杆为X45气门钢,阀盘为3015D特种合金钢。无论是进气门升程,还是排气门升程,都增加了0.5 mm,即9.5 mm。

皮带传动机构和齿形皮带的几何形状和尺寸均保持不变,通过提高刚度设计,皮带能传递更大的扭矩,这是通过采用紧密缠绕的玻璃纤维拉力带和能承受更大负荷的合成橡胶混合物带齿达到的。皮带弹簧涨紧器也作了适当改进。

主冷却水泵切断时用于冷却气缸盖的冷却液微循环回路是单涡轮增压机型的验收件,除了用于EGR冷却器和采暖热交换器之外,还用于冷却低压废气涡轮增压器的轴承壳体,而冷却液微循环回路的冷却液循环采用电动泵实现,其功率比单涡轮增压机型的电动泵大。

4共轨喷油系统

2.0 L双涡轮增压直喷式柴油机的创新之处在于最大喷油压力高达250 MPa的Bosch喷油系统(图4)。采用这种喷油系统成功实现了目标功率,同时,Volkswagen公司首次将这种喷油系统用于新型Passat轿车,并投放市场

图4--共轨喷油系统喷油器和高压燃油泵

采用Bosch-CP4系列双柱塞高压燃油泵产生共轨压力,它由发动机齿形皮带传动机构驱动,其中2个泵油柱塞相互成90°布置,凸轮轴每转有2次升程,因此供油与喷油同步。为降低CO2排放,在接近怠速运转的范围内,喷油压力能降低到约23 MPa,对减少燃油泄漏产生有利影响。整个喷油系统都被优化到高强度,共轨及其高压油管都用高强度钢材制成,在制作共轨时,还应用自动摩擦腐蚀工艺方法再次提高其强度。

共轨喷油器中的压电执行器具有最大的流量精度和良好的执行力。液力接杆也被用于补偿误差,它将压电执行器产生的力传递到开关阀(分配阀)。

无压力室喷油嘴具有10个锥形喷孔,从而能获得有利的混合气准备,以及均质的燃油雾化和混合。每工作循环最多可喷油8次:2次预喷射、1次主喷射和5次后喷射。最小喷油量约为0.mm3。

5增压机组

2.0 L双涡轮增压直喷式柴油机的2个废气涡轮增压器(图5)位于发动机机体与前围板之间。高压废气涡轮增压器采用可变涡轮截面(VTG)增压器,增压压力高达0.15 MPa(相对压力),最高转速高达240 000 r/min,其电动执行器将导向叶片完全打开最多需要300 ms。

图5--废气涡轮增压器机组

低压废气涡轮增压器能产生高达0.38 MPa(绝对压力)的增压压力,其转子最高转速高达165 000 r/min。为了避免超转速和过高的增压压力,配备了1个气动操纵的废气放气调节阀。压气机壳体中设有冷却水套,能对增压空气进行预冷却。2个增压器的涡轮叶轮均经铣削加工成形,而压气机叶轮则涂覆厚度约25μm的镍-磷涂层,该涂层能防御因低压EGR所引起的过高热负荷。气流消声器中集成了4间小室,它们通过缝隙与空气隙相通。

采用D5S高耐热钢作为排气歧管的材料。测量高压废气涡轮增压器前废气温度的T3传感器已换用可靠的单边分段传输协议。

高压和低压废气涡轮增压器在涡轮侧通过气动操纵的直径为35 mm、并带有位置反馈的旁通阀连通的(图6)。在低转速两级运行时关闭旁通阀,导致废气首先冲击高压废气涡轮增压器。新鲜空气进入低压废气涡轮增压器的压气机,在那里被略微压缩,然后进入高压废气涡轮增压器被真正压缩。

图6 增压器机组两级和单级运行状况

在大约2 500~3 500 r/min转速范围内(图7),涡轮旁通阀根据发动机负荷持续开启,高压废气涡轮增压器中的废气流量逐渐减小,同时新鲜空气侧被动承受弹簧负荷的压气机旁通阀开启,从4 000 r/min起在涡轮旁通阀完全打开的情况下,开始单级运行,此时,大部分的废气直接抵达低压废气涡轮增压器,而剩余废气流量继续流入高压废气涡轮增压器,但此时高压废气涡轮增压器不再压气。

图7--特性曲线场中增压器的运行策略

6增压空气冷却器

集成在进气管中的增压空气冷却器属于Volkswagen公司模块化标准部件之一,为了用于2.0 L双涡轮增压直喷式柴油机,将增压空气冷却器加大,以适应提高的要求。与具有10块冷却隔板的单涡轮增压机型相比,新型增压空气冷却器则具有13块冷却隔板,其流动宽度已从200 mm加大到250 mm,流动长度仍采用120 mm。

在双涡轮增压柴油机的高功率方案中,高效率的增压空气冷却器起着决定性的作用。在全负荷时,约210℃的增压空气进入冷却器,冷却功率为40 kW的冷却器使增压空气温度降低160 K,达到约50℃的温度水平。

增压空气冷却器被接入汽车冷却系统中的低温冷却回路中。低温冷却回路的主要任务是满足增压空气冷却的需求,它利用位于主散热器与车前空调冷凝器间的冷却器,在其部分体积流量中除了增压空气冷却器外,还包括AdBlue计量模块和低压废气涡轮增压器压气机壳体中的冷却液流量。在配装2.0 L双涡轮增压直喷式柴油机的Passat轿车上,冷却水循环回路中的其他创新点是附加在左车轮罩中的水冷却器和加大的平衡水箱。

7近发动机布置的废气净化装置

2.0 L双涡轮增压直喷式柴油机基本沿用与单涡轮增压机型相同的排气后处理部件[2,3],但针对高废气流量进行了重新设计,氧化催化转化器(DOC)与涂覆选择性催化还原(SCR)涂层的柴油颗粒捕集器(DPF)通过消除节流的喇叭口连接成1个紧凑的单元(图8)。

图8--SCR系统部件

近发动机布置的净化部件能确保在冷起动后迅速以高转化率发挥净化作用,因此无须采取加热催化转化器的措施。2.0 L双涡轮增压直喷式柴油机能满足欧6排放限值,此外,采用的SCR技术是针对未来即将实施的实际车辆行驶排放法规要求进行设计的。

DOC因靠近发动机布置,在发动机冷起动后不久就能进行碳氢化合物(HC)/CO的净化转化,此外,还能为串联的SCR系统调节到最佳的NO/NO2比例。为了在配装2.0 L双涡轮增压直喷式柴油机的Passat轿车上使用,其体积已加大了40%,载体基质也从陶瓷基质换成了金属基质,以便将系统中的损失减小到最低程度。

在DPF上涂覆了SCR涂层,因靠近发动机连结,在发动机冷起动后能迅速达到其工作温度,并且在低负荷运行时能始终保持这种温度。用于双涡轮增压柴油机涂覆SCR涂层的DPF的体积比2.0 L-TDI机型加大了10%,并且,催化转化器采用具有高热稳定性的Cu-沸石涂层。

在汽车地板下涂覆SCR涂层的DPF后串联了1个单独的氨逸漏催化转化器。为了确保具有高的流通能力,与DOC一样,应用压力损失优化的金属载体基质。

Adblue计量模块被模块化设计在柴油机标准组合部件中,并被布置在DOC与涂覆SCR涂层的DPF之间的过渡喇叭口上。这种靠近发动机的安装位置需要具备冷却水套,并纳入发动机冷却系统低压循环回路中。

与单涡轮增压机型相同,在柴油机标准组合部件中的双回路EGR系统由冷却的低压EGR系统和不冷却的高压EGR组成。高压EGR有助于降低发动机冷起动后的废气排放,而且在负荷极低的情况下,能减少排气后处理部件的冷却,而低压EGR被用于在剩余的行驶运行范围内降低有害物排放,并对发动机噪声产生有利影响。

8发动机管理

在柴油机模块化标准组合部件中,所有发动机电控单元都不断被模块化和划分等级地安装软件,并以其为基础的气体系统模型,致使能用于不同排放等级和功率等级的机型上。Volkswagen公司首次在2.0 L双涡轮增压直喷式柴油机上应用Bosch-CP74型电控单元。

应用软件考虑了驾驶者、辅助系统、直接变速器和电子稳定性程序等方面对扭矩的需求,所有发动机控制参数都能通过这些扭矩路径计算得出,此外,软件还被用于调节双涡轮增压的模型扩展,而运行方式协调器也将7挡直接变速器的换挡,以及进一步开发的起动-停车系统一并纳入其中。与直接变速器相配合,在汽车停车前缓慢滑行时发动机就已脱开。

9行驶功率和燃油耗

2.0 L双涡轮增压直喷式柴油机在新型Passat轿车上充分的动力输出和的燃油耗证实了其潜力(图9)。大型轿车0~100 km/h加速性仅6.1 s,并且最高车速达到240 km/h。最强劲的Passat柴油轿车按新欧洲行驶循环运行,百公里燃油耗仅5.3 L,CO2排放量为139 g/km。

图9--2.0L-TDI双涡轮增压柴油机的功率和扭矩特性曲线

10结语

2.0 L双涡轮增压直喷式柴油机作为新型Passat轿车的顶级动力,满足了所有技术规格要求,它具有:⑴在所有比较机型中,具有最高的升功率和升扭矩;⑵在强劲的行驶功率下,具有出众的燃油耗值;⑶满足欧6排放法规限值要求。

柴油机模块化标准组合部件包括从配装于Volkswagen公司Polo轿车的3缸1.4 L-TDI柴油机直至高端柴油机机型在内的功率、燃油耗和废气排放等方面竞争激烈的领域,随着这些方面的发展,展示出其巨大的技术潜力。

如果您对发动机技术感兴趣,可发送您的“真实姓名+单位+邮寄地址+邮编+手机号”至微信平台,您将有机会免费获得《国外内燃机》2015年全年纸质版本!

相关推荐

相关文章