关于Audi公司V6涡轮增压直喷式轿车柴油机2性能分析

摘要: Audi 公司开发的新一代V6 涡轮增压直喷式( TDI) 柴油机系列使柴油动力装置获得进一步发展，其开发目标是在满足欧6 排放法规要求的同时降低燃油耗，并进一步提高功率和扭矩。其中，集成模块化近发动机布置的排气后处理装置对达到上述目标起到关键作用，全新设计的链传动机构能为此提供自由的安装空间，因而能在低CO2 排放水平下获得最佳的排气后处理效果。详细介绍新型V6-TDI 柴油机的热力学、应用和排气后处理系统。

1 模块化发动机结构

新一代V6涡轮增压直喷式(TDI)柴油机的主要开发目标是柴油机系列的模块化结构(图1)，以及用于不同功率和废气排放变型机的通用件。以200kW欧6发动机为基本机型，图2示出了相应的全负荷特性曲线。在老机型基础上，对燃烧过程、增压和废气再循环(EGR)等进行改进。为了达到CO2排放目标，对创新的热管理和发动机摩擦功率进行优化。在机油循环回路中集成的全可变机油泵对此作出了很大贡献，因此，机油泵的功率消耗或流动损失能与不同的发动机负荷达到最佳的匹配状态，机油循环回路能对发动机暖机过程进行按需调节。

图1 Audi公司3.0L-V6-TDI轿车柴油机

图2 200kW欧6变型机的全负荷特性曲线

提高缸内充量的涡流水平，并匹配合适的配气正时，使160kW功率变型机获得最高效率。V6-TDI柴油机较小的冷却需求可使冷却液泵和机油泵更为小型化，从而进一步降低流动损失和热损失，而使用低黏度机油又能进一步提升降低摩擦功率的潜力。

在北美市场，为满足超低排放车(ULEV125)排放法规要求，在柴油机上应用最佳的低流量压电式喷油器，以改善氮氧化物(NOx)与碳烟排放之间的平衡。在主冷却器之外又附加预冷却器，提高EGR系统的冷却能力。为了在使用北美市场现有柴油燃料(较低的十六烷值)的情况下确保燃烧稳定性，借助于气缸压力传感器实施燃烧重心位置调节。

欧5变型机可使用含硫量高达500×10-6的柴油，相应的氧化催化转化器(DOC)和柴油机颗粒捕集器(DPF)采用耐高含硫量柴油的催化剂涂层。为保持良好的起动性能，将压缩比提高到16.8，这种配置能适应目前全球市场的要求。

2 燃烧过程和喷油系统

为了将欧6基本机型的功率提高到200kW，并降低燃油耗，必须优化Audi公司目前的4气门燃烧过程。开发重点是重新设计缸内充量的涡流水平，并优化进排气道流动，在减少换气损失的同时，显著改善充气效果。同时，在压缩比降至16.0的情况下，优化活塞顶燃烧室凹坑的几何形状和尺寸，与相匹配的燃油喷束相结合，改善整个发动机特性曲线场内NOx与碳烟排放之间的平衡，并降低燃油耗(图3)。借助于合适的进气门升程曲线和新设计的废气涡轮增压器，在低转速阶段就能够获得最佳的加速响应性能。

图3    新型V6-TDI柴油机的燃油耗特性曲线场及相比老机型的节油效果

同样，还要进一步开发并改进老机型所用的20MPa喷油系统。为提高喷油器的液力压力，将喷油器节流孔板上的节流孔加大20%，这样就能在不改变喷油嘴流量的情况下提高发动机功率。对于满足ULEV125排放法规的机型，则应用降低液压流量的喷油嘴，以降低原始排放水平。为了进一步提高功率，加大了高压燃油泵的柱塞行程。

3 空气系统：废气涡轮增压器、进气系统和EGR

新型V6-TDI柴油机系列应用全新开发的废气涡轮增压器(图4)，缩小了可变涡轮截面(VTG)的公差，降低了流动损失，从而成功将功率从160kW扩展到200kW。并且，无须改变废气涡轮增压器，在所有应用场合都能改善发动机的加速响应性能，明显优化了行驶动力性能。

图4  废气涡轮增压器及流动优化的涡轮喷嘴环盘

位于发动机V形夹角内的进气管被设计成连续的双通道结构型式，能借助中央涡流调节阀，根据发动机转速和负荷调节进气涡流。为了改善再循环废气的均匀分布状况，减少换气功，通过多次模拟计算，优化EGR引入管的位置和进气位置的几何形状。

为适用不同场合，对EGR系统进行模块化设计(图5)。欧6基本型EGR系统由冷却能力很强的主冷却器及冷却器旁通道组成。如要满足ULEV125排放法规要求，还须附加1个预冷却器和1个旁通道，预冷却器的开关由气动旁通阀操纵。EGR阀和主冷却器均采用电动旁通阀，并且都是通用件，因此，可提供4种不同的冷却功率。采用这种模块化方案，能够根据使用情况，在冷却功率与压力损失之间寻找一种最佳的解决方案。

图5 EGR系统的模块化结构

4 排气后处理系统

在全球废气排放法规日益严格的背景下,排气系统的设计要与新发动机系列的开发紧密结合，而满足当前排放法规的重点在于降低NOx排放的选择性催化还原(SCR)技术。2008年，Audi公司首次在配装3.0L-V6-TDI柴油机的A4和Q7车型上使用排气后处理装置，并对这种置于汽车地板下远离发动机的SCR系统不断进行开发。近年来，不断降低的发动机燃油耗导致废气能量明显降低，以致于汽车地板下的排气后处理系统因温度过低而出现转化性能方面的缺陷。图6示出了配装于Audi A6轿车的V6-TDI柴油机排气温度与CO2排放的关系。汽车地板下的布置方式已逐步被近发动机布置的SCR系统所替代，或者采用电加热辅助措施。图7示出了发动机和排气后处理技术的发展情况。

图6    配装于Audi A6轿车的3.0L-V6-TDI柴油机的排气温度

图7 发动机和排气后处理技术的发展

为新一代V6-TDI柴油机开发排气后处理系统的具体难点在于(图8)： (1)缩小与废气涡轮增压器出口的距离，以减少温度损失；(2)将DOC加大到1.6L；(3)用NOC(储存NOx，氧化CO和碳氢化合物)替代DOC；(4)进一步开发集成在多孔性DPF上的SCR涂层，目标是为未来车型开发通用的模块化排气装置；(5)加长AdBlue混合器区段，并使用全流式混合器，以便在NH3逃逸量最少的情况下准备计量的NOx还原剂，以获得高NOx转化性能。

图8    带SCR-DPF的模块化近发动机布置排气后处理系统

通常，出于发动机总体布置的原因，靠近发动机布置AdBlue计量模块是很大的挑战。为此，NOx还原剂采用6个喷束，以25°的喷雾锥角形成喷雾，并与椭圆形的全流式混合器相配合，以获得良好的NH3分布，从而确保在SCR转化器横断面范围内的NOx能被均匀转化。图9示出了200℃排气温度下SCR转化器出口的NOx转化率变化。

将160kW柴油机用于前轮驱动时，因驱动效率提高，导致排气温度损失加大。此时，采用1个相同体积的NOC替代DOC，以支持NOx的还原。采用这种组合方式能在显著降低CO2排放的同时，获得较低的有害物排放。此外，借助于智能化的运行策略，还能获得以下优势： (1)NOC具有良好的低温活性；(2)避免加热措施，在纯粹的SCR系统中必须低于某个CO2阈值；(3)在发动机中等负荷和高负荷时，采用SCR系统获得高NOx转化率。

为此，开发了1个NOC/SCR协调器，优化NOC与SCR之间的协调关系，以便在尽可能减少CO2排放的情况下获得低排放性能。

5 发动机控制系统和应用

发动机应用的主要目标是要充分挖掘各部件和模块所能达到的在改善燃油耗、行驶功率和舒适性等方面的潜力。

为了减少CO2排放，必须降低空气系统中的压力损失，以减少换气功。同时，优化燃烧过程并不断实施低转速化策略也有助于实现这一目标。将用于Audi A6和A7轿车的7档S -tronic变速器的总速比设计得较大，并配备离心配重，使行驶时的发动机转速低于1000r/min，并且不损害舒适性。

另一个挑战是调节模块化排气后处理系统，特别是NOC+SCR-DPF的排气后处理系统需要一种新的功能方式。为了控制众多的运行状态和转换过程，为新型V6-TDI柴油机系列开发了一种基于模型的空气调节方式，借助于传感器采集的输入信息(压力、温度等)，计算EGR率和气缸充气等对发动机运行具有重要意义的参数，进而在发动机电控单元中形成各种执行器(如废气涡轮增压器调节器或EGR阀)不同位置调节状况的特性曲线场，从而确定基于模型的调节机构基本位置。其优点在于，除了可改善调节品质外，还可取消依赖于环境状况和发动机运行状况的高成本调节参数，以相对较低的费用从已匹配好的车型转换到其他车型。

6 行驶功率和燃油耗

新型V6-TDI柴油机率先配装于Audi A6和A7轿车系列，并且首次使用带S-tronic变速器和Quattro全轮驱动的200kW功率机型。之后，又扩展到160kW功率机型，并与新型S-tronic前轮驱动变速器相结合。

为了在降低燃油耗的同时改善行驶动力性能,必须完美匹配发动机与变速器。性能优化的发动机-变速器接口是将低转速行驶、良好的发动机加速性能和快速换档过程相互结合的前提条件，最终所达到的行驶功率和CO2排放值为同类车型树立了新标杆(图10)。表1列出了新型Audi A6轿车与老车型的特性值比较。

图10 CO2排放和加速性能比较

7 结语

Audi公司成功开发了V6-TDI轿车柴油机系列，在降低CO2排放的同时，能满足ULEV125或欧6排放法规等严格的限值要求，并且提高了功率。

基本发动机和排气系统的模块化结构使其能在不同车型上匹配各种变速器，因此，V6-TDI柴油机是轿车舒适性、驾驶乐趣和高效率的保障。