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增壓直噴式柴油機,采用可調(diào)式增壓系統(tǒng),并在V形夾角中組合了1個電動壓氣機。開發(fā)的目標是得到1款運動型V-TDI機型,在燃油耗、功率和扭矩方面要明顯有別于Audi V8-TDI柴油機,是1種能廣泛用于高檔車型中的動態(tài)特性優(yōu)異的動力裝置。所應(yīng)用的重要部件是帶有電動壓氣機的可調(diào)式增壓系統(tǒng)和近發(fā)動機單流道廢氣后處理系統(tǒng)。

1燃燒過程和標定

Audi V8-TDI增壓直噴式柴油機的燃燒過程和發(fā)動機標定的核心部分是采用排氣門控制機構(gòu)(AVS)進行轉(zhuǎn)換的可調(diào)式增壓系統(tǒng)。這些結(jié)構(gòu)部件在第一部分中已詳細介紹(圖1)。

圖1 Audi新型V8-TDI增壓直噴式柴油機

在發(fā)動機轉(zhuǎn)速約2 200 r/min的單渦輪運行中，氣缸換氣是通過2個進氣門和1個排氣門進行的，此時通過AVS氣門控制機構(gòu)使進氣側(cè)處于對低發(fā)動機轉(zhuǎn)速最佳的短的配氣定時，進氣門開啟持續(xù)時間為163°CA，而排氣側(cè)的1個排氣門不工作，其中換氣與增壓的相互配合是起決定性作用。采用Honeywell渦輪技術(shù)公司的GT2056型廢氣渦輪增壓器，使發(fā)動機在3個氣門運行時氣缸換氣所受到的限制與用1個廢氣渦輪增壓器可達到的增壓度相互協(xié)調(diào)，以致于從單渦輪運行轉(zhuǎn)換到雙渦輪運行時能使發(fā)動機扭矩不會受到干擾。

其中，由AVS氣門控制機構(gòu)通過接通排氣門將廢氣流分配到2個廢氣渦輪中去。第1步僅在2個氣缸中將第二個排氣門接通，從而在轉(zhuǎn)換期間繼續(xù)向主動廢氣渦輪增壓器提供足夠的驅(qū)動功率，而被動廢氣渦輪增壓器已被加速。在第2步中，AVS氣門控制機構(gòu)再使其余6個氣缸轉(zhuǎn)換到4氣門運行，同時被動廢氣渦輪增壓器在起步加速中的轉(zhuǎn)速通過模型的再循環(huán)閥控制予以引導(dǎo)，該再循環(huán)閥將由被動廢氣渦輪增壓器壓縮的空氣再引入主動廢氣渦輪增壓器的進氣管，直到被動廢氣渦輪增壓器達到能將空氣壓縮到相同的壓力水平為止，這樣就確保了被動廢氣渦輪增壓器能在低于喘振極限的情況下在最佳效率范圍內(nèi)進行起步加速，結(jié)果使接通的被動廢氣渦輪增壓器的起步加速時間很短，從而快速地轉(zhuǎn)換到雙渦輪運行模式(圖2)。隨著轉(zhuǎn)換到185°CA長的進氣門開啟持續(xù)時間，發(fā)動機就處于最佳運行狀況，并一直持續(xù)到達轉(zhuǎn)速5 200 r/min的極限為止。

圖2 AVS氣門控制機構(gòu)和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換(發(fā)動機試驗臺上的轉(zhuǎn)速加速試驗曲線)

由于采用了可調(diào)式增壓原理，因而發(fā)動機無論是處于低轉(zhuǎn)速還是高轉(zhuǎn)速運行條件下都能夠達到最佳的協(xié)調(diào)，以致于在所有的運行狀況下都能轉(zhuǎn)化成動態(tài)扭矩，因此根據(jù)變速器和汽車的應(yīng)用情況，其全負荷特性曲線能在1 000～3 250 r/min寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)呈現(xiàn)出高達900 N·m的扭矩平臺，并且從3 750 r/min發(fā)動機轉(zhuǎn)速起就能發(fā)揮出320 kW的最高功率。

采用電動壓氣機(EAV)來輔助獲得最佳的增壓壓力，從而加快起步加速時的扭矩建立，因而能使SQ7-SUV車全負荷加速時在最初2.5 s中多走2.5 m的距離(圖3)。其起步加速性能成為了SUV車型運動特性的衡量標準。

圖3 用電動壓氣機(EVA)起步加速

采用AVS氣門控制機構(gòu)實施可調(diào)式轉(zhuǎn)換的另一個重要因素是采用關(guān)閉嚴密的排氣門以實現(xiàn)無泄漏轉(zhuǎn)換，在與發(fā)動機部分負荷下轉(zhuǎn)換到高增壓度，就能顯著降低2 500 r/min以下轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的比燃油耗。

無論在單渦輪還是雙渦輪運行時，發(fā)動機都呈現(xiàn)出局部的最佳狀態(tài)(最低的比燃油耗范圍)，就相當于原機型的最佳運行工況點，因此在汽車行駛中可明顯拓寬的最佳燃油耗范圍(圖4)。

圖4 Audi V8-TDI增壓直噴式柴油機按

320 kW功率和歐6廢氣排放標定的

全負荷特性曲線和油耗

高的增壓度允許實現(xiàn)良好的熱力學(xué)協(xié)調(diào)，從而達到高的燃燒效率，并在NOx排放與顆粒排放平衡方面獲得巨大的潛力，這將大大有助于達到低的發(fā)動機原始排放水平。

通過繼承當前V6-TDI機型的寬而平坦凹坑的活塞的熱力學(xué)優(yōu)點，并與降低渦流水平(渦流比從1.83降低到1.65)的氣缸蓋相結(jié)合，使得發(fā)動機原始排放水平比原機型顯著降低，同時也提高了發(fā)動機最大功率。為了改善NOx排放與顆粒物排放之間的目標沖突，幾何壓縮比也從16.5減小到16.0，同時進氣AVS氣門機構(gòu)在發(fā)動機起動時通過轉(zhuǎn)換到短的凸輪廓線并有效提高壓縮比。

對該機型標定的1個很大的挑戰(zhàn)是結(jié)構(gòu)部件之間相互配合的復(fù)雜性。廢氣后處理系統(tǒng)的運行狀況與可調(diào)式增壓轉(zhuǎn)換階段相結(jié)合，會導(dǎo)致發(fā)動機運行模式的變更次數(shù)大大增加。

空氣系統(tǒng)與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換的所有運行狀態(tài)的協(xié)調(diào)只能通過應(yīng)用發(fā)動機電控單元基于模型的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。增壓系統(tǒng)與廢氣再循環(huán)系統(tǒng)部件的相互影響，只有通過在模型中模擬整個系統(tǒng)中的物理關(guān)系才能予以控制，然后由模型結(jié)構(gòu)為當時的發(fā)動機運行工況點計算出參與增壓系統(tǒng)和廢氣再循環(huán)系統(tǒng)部件的最佳控制。

這種基于模型的空氣系統(tǒng)協(xié)調(diào)可以通過根據(jù)各自裝配狀況的模型調(diào)整，將其標定狀況轉(zhuǎn)移到其他衍生車型上，而無需對空氣系統(tǒng)進行重新標定，因而能從歐6標準標定的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出衍生車型。

2廢氣后處理系統(tǒng)

由1個NOx氧化催化轉(zhuǎn)化器(NOC)和1個選擇性催化還原(SCR)催化轉(zhuǎn)化器組成的廢氣裝置，將這兩種系統(tǒng)在不同溫度下的NOx最佳轉(zhuǎn)化效率結(jié)合起來，因此從發(fā)動機起動時汽車行駛中呈現(xiàn)出最佳的NOx降低：

(1)NOC盡可能達到最好的低溫活性；

(2)在中等和高負荷下用SCR系統(tǒng)達到高的NOx轉(zhuǎn)化效率。

圖5 廢氣后處理裝置

為新型V8-TDI增壓直噴式柴油機設(shè)計的廢氣系統(tǒng)與2014年V6-TDI機型所使用的廢氣裝置非常相似，但是通過使用NOC對搭載V6-TDI機型的Audi公司A4轎車進行了進一步的開發(fā)，而對于V8-TDI機型僅對催化轉(zhuǎn)化器和顆粒捕集器的幾何形狀和容積進行了匹配調(diào)整(圖5)。

開發(fā)目標的重點是設(shè)計1種單流道廢氣裝置，以限制所需的廢氣傳感器數(shù)量，這樣就能夠通過減小構(gòu)件的表面積和質(zhì)量，降低通往催化活性構(gòu)件路程上的廢氣溫度損失。同時，通過對單流道廢氣裝置中所有廢氣后處理部件壓力損失的不斷優(yōu)化，達到了320 kW發(fā)動機目標功率所允許的廢氣背壓。勝任全負荷的廢氣質(zhì)量流量約為1 600 kg/h，相當于2014年V6-TDI機型流量的70%，因此采用了廢氣裝置的原有設(shè)計方案。

為了滿足未來實際行駛排放(RDE)標準的要求，各個廢氣后處理部件與低的發(fā)動機原始排放相結(jié)合，其中首先要在暖機階段和低負荷運行范圍內(nèi)激活高效的NOC，并與NOx排放貯存，之后等到再生時就被完全轉(zhuǎn)化。在轉(zhuǎn)化率低的運行狀態(tài)，特別是在發(fā)動機高負荷時SCR催化轉(zhuǎn)化器達到其最佳運行范圍，承擔NOx排放的還原任務(wù)(圖6)。在汽車實際行駛中得到了城市行駛、長途行駛和高速公路行駛時的RDE排放值，這些數(shù)值乘以當前的換算系數(shù)2.1后仍低于歐6限值。

3功率、燃油耗和廢氣排放

V8-TDI柴油機最初是以歐6廢氣排放標準著手設(shè)計的，為了能在使用含硫量高達500×10-6燃油標準的國家中使用，開發(fā)了1個歐5標準方案，并為北美市場推出了Audi車用的V8-TDI機型，從而產(chǎn)生了1款適用于所有市場的通用機型，而各自的廢氣等級的差異則由汽車方面的廢氣裝置和標定來實現(xiàn)。

其中歐5標準機型的功率為310 kW，而按歐6標準標定的北美機型則高達320 kW，與Q7-SUV車上的250 kW的原機型相比，提高了70 kW，達到了320 kW。V8-TDI機型在Audi SQ7-SUV車上的功率為320 kW，并配備8檔自動變速器和全輪驅(qū)動投放市場(表1)。該發(fā)動機與8檔變矩器自動變速器相組合使得能夠采用偏重低行駛轉(zhuǎn)速的節(jié)油行駛模式。由于發(fā)動機在相同的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能提供高扭矩，這樣就能在不損失動力學(xué)性能的情況下轉(zhuǎn)換到設(shè)計負荷。

4展望

新型V8-TDI增壓直噴式柴油機成功地在產(chǎn)品的行駛性能、燃油耗和舒適性方面實現(xiàn)了SUV車型的特點，并能滿足當今和未來的廢氣排放標準，因而能顯著降低CO2排放，而且發(fā)動機功率或行駛功率也得到明顯的改善，兩者都達到了SUV車型中的頂級水平，從而同樣確保了高的效率和極好的舒適性。