?關(guān)于Volkswagen公司3缸柴油機(jī)性能分析

Volkswagen公司憑借新型3缸柴油機(jī)創(chuàng)造了該集團(tuán)在小型汽車(chē)細(xì)分市場(chǎng)應(yīng)用的通用基礎(chǔ)。通過(guò)削減發(fā)動(dòng)機(jī)系列及集成到模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件中，與以往的多發(fā)動(dòng)機(jī)策略相比，可顯著降低費(fèi)用和成本。研發(fā)重點(diǎn)是降低CO2排放，并使配備新發(fā)動(dòng)機(jī)的所有Polo車(chē)型都能滿(mǎn)足歐6排放法規(guī)要求。

1目標(biāo)

Volkswagen公司的模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件在概念階段就已針對(duì)缸數(shù)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。排量減小的3缸發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)展了這一體系。該體系的應(yīng)用重點(diǎn)是Volkswagen公司小型汽車(chē)平臺(tái)。針對(duì)小型車(chē)用新型3缸渦輪增壓直噴式（TDI）柴油機(jī)，提出了以下技術(shù)和經(jīng)濟(jì)要求：⑴與公司所有橫向平臺(tái)的兼容性；⑵與先前的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，顯著降低CO2排放和整機(jī)質(zhì)量；⑶與先前的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，提高了升功率和扭矩，因而具有削減發(fā)動(dòng)機(jī)系列的潛力；⑷通過(guò)共享模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件，以及在現(xiàn)有設(shè)備上靈活制造和裝配來(lái)降低成本；⑸滿(mǎn)足歐6排放法規(guī)要求。

2新型3缸發(fā)動(dòng)機(jī)的主要功能模塊

隨著2012年，推出了采用模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件的4缸柴油機(jī)[1,2]，現(xiàn)在，新型3缸發(fā)動(dòng)機(jī)向下擴(kuò)展了柴油機(jī)種類(lèi)。新型3缸發(fā)動(dòng)機(jī)的排量均為1.4 L，具有55 ~77 kW 3種輸出功率（表1）。首次配裝于新Polo轎車(chē)時(shí)，該發(fā)動(dòng)機(jī)能完全取代1.2 L 3缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)和1.6 L 4缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)[3，4]。

表1 新型3缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

鑒于擴(kuò)展的功率型譜和模塊化4缸發(fā)動(dòng)機(jī)已知的標(biāo)準(zhǔn)組件，新型3缸發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)可以廣泛借鑒先前的經(jīng)驗(yàn)。必須重新設(shè)計(jì)3缸機(jī)專(zhuān)用的曲軸箱、氣缸蓋、氣門(mén)機(jī)構(gòu)、增壓裝置和曲柄連桿機(jī)構(gòu)，而輔助傳動(dòng)和正時(shí)傳動(dòng)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)熱端和冷端則繼續(xù)沿用現(xiàn)有組件或經(jīng)優(yōu)化后使用（圖1）。

圖1 共用模塊與新模塊

3氣缸體曲軸箱

通過(guò)下述方法實(shí)現(xiàn)氣缸體曲軸箱減輕質(zhì)量和聲學(xué)優(yōu)化的研發(fā)目標(biāo)：⑴通過(guò)材料與結(jié)構(gòu)的匹配來(lái)設(shè)計(jì)鋁合金曲軸箱;⑵設(shè)置專(zhuān)門(mén)的冷卻液通道使零件快速加熱；⑶集成熱管理措施；⑷將氣缸蓋螺栓的螺紋設(shè)計(jì)在水套下方；⑸優(yōu)化未凈化和凈化的機(jī)油回路，以減小流動(dòng)損失；⑹延長(zhǎng)至油底殼分界面的回油通道和“漏氣”通道。首次在模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件中采用由鋁合金AlSi9Cu3重力金屬型鑄造的曲軸箱，為輕量化作出了重大貢獻(xiàn)（圖2）。氣缸工作表面采用GJL 250制成的熱牙薄壁缸套。僅改變氣缸體曲軸箱材料就可減輕質(zhì)量11 kg。

圖2 氣缸體曲軸箱

為了采用鋁合金，加寬了曲軸軸承蓋配合面，并提高了軸承蓋螺栓的螺紋部分。為了進(jìn)一步減小軸承座的應(yīng)力，通過(guò)計(jì)算優(yōu)化了載槽。因而新發(fā)動(dòng)機(jī)相比同等的灰鑄鐵3缸機(jī)質(zhì)量減輕11 kg，比1.6 L TDI發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量減輕27 kg。

4平衡軸、曲柄連桿機(jī)構(gòu)和油底殼

為平衡自由慣性矩，采用1根與曲軸旋轉(zhuǎn)方向相反且以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的平衡軸。為了減小摩擦，將平衡軸集成到帶機(jī)油泵和真空泵的聯(lián)合模塊中（圖3）。聯(lián)合模塊由齒形經(jīng)聲學(xué)優(yōu)化的直接傳動(dòng)的單級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。

圖3 聯(lián)合模塊

通過(guò)優(yōu)化減振器和飛輪的質(zhì)量平衡，使曲軸的旋轉(zhuǎn)慣性矩最小化，同時(shí)減小了曲軸質(zhì)量。

機(jī)油泵和真空泵可采用4缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)的組件。通過(guò)流量可調(diào)的葉片泵實(shí)現(xiàn)機(jī)油供給。此外，采用電磁閥（由3缸發(fā)動(dòng)機(jī)特有的特性圖控制）進(jìn)行低壓級(jí)和高壓級(jí)轉(zhuǎn)換。

兩體組合式油底殼具有1個(gè)強(qiáng)度優(yōu)化的壓鑄鋁合金上部，有助于加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的連接剛度。油底殼下部由金屬薄板制成，其特定的輪廓和比鑄件更高的延展性，提高了與路面或異物接觸時(shí)的安全性。

5氣缸蓋

氣缸蓋（圖4）借鑒采用模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)系列。無(wú)須改變配氣機(jī)構(gòu)。此外，還集成了已引入的熱管理的冷卻概念，而兩體式水套為此奠定了基礎(chǔ)。

圖4 氣缸蓋

氣門(mén)組呈直線(xiàn)對(duì)稱(chēng)排列，使進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)分別位于一條線(xiàn)上。平行布置的氣門(mén)和壓力損失優(yōu)化的進(jìn)氣通道使氣缸充氣效率更高。通過(guò)氣門(mén)座渦流斜角和與之相配的氣道幾何形狀，以及可調(diào)進(jìn)氣歧管，確保達(dá)到所期望的渦流水平。氣缸蓋中冷卻液的導(dǎo)流使進(jìn)排氣道能按需匹配，以滿(mǎn)足更高的功率和排放要求。

由于采用了4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的垂直進(jìn)氣法蘭概念及鉆孔和螺栓連接概念，可以用4缸機(jī)的生產(chǎn)線(xiàn)制造新氣缸蓋。

6增壓空氣冷卻器

新型3缸發(fā)動(dòng)機(jī)同模塊化柴油機(jī)中的其他發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，采用水-空增壓空氣冷卻器（圖5）。不同于4缸機(jī)，在Volkswagen公司小型車(chē)輛平臺(tái)中的用途，要求增壓空氣冷卻器布置在氣缸蓋的變速器側(cè)。其冷卻芯由7個(gè)水平堆疊的扁平鋁管組成。管子間及壓入管中的湍流板大幅改善了增壓空氣至冷卻液的傳熱。塑料空氣箱與冷卻器部件用卷邊固定在一起。

圖5 增壓空氣組件

7耦合式低壓EGR和高壓EGR

與4缸歐6發(fā)動(dòng)機(jī)相同，采用存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)化器、柴油顆粒捕集器（DPF）和雙回路EGR的廢氣凈化概念[5]。排氣側(cè)的冷卻式低壓EGR通過(guò)變速器側(cè)的帶閥門(mén)的非冷卻式高壓EGR補(bǔ)充。由于安裝原因，增壓空氣冷卻器被布置在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面，因而不同于4缸歐6發(fā)動(dòng)機(jī)，高壓EGR位于增壓空氣冷卻器之后，但在進(jìn)氣歧管前。

8噴油系統(tǒng)

整個(gè)模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是，無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)多少，不同供應(yīng)商的噴油系統(tǒng)具有基本的兼容性。新型3缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)采用Delphi公司系統(tǒng)壓力為200 MPa的DFS 1.20噴油系統(tǒng)，具有7孔噴嘴，測(cè)試壓力10 MPa時(shí)，每60 s流量為500 mm3。通過(guò)減少電磁閥式噴油器DFI 1.20的泄漏量，可降低CO2排放。采取若干調(diào)整措施，如采用更強(qiáng)的電磁線(xiàn)圈和優(yōu)化針閥座，可進(jìn)一步提高在全球市場(chǎng)應(yīng)用的穩(wěn)定性。首次采用名為“氣缸背壓補(bǔ)償”的軟件功能，它可在相對(duì)較低的氣缸背壓下，例如DPF再生時(shí)，進(jìn)一步改善噴油精度。

綜合所述，結(jié)合氣缸蓋中的氣道幾何形狀和氣門(mén)布置設(shè)計(jì)，采用上述措施的1.4 L發(fā)動(dòng)機(jī)的原始廢氣排放比先前的1.2 L模型明顯降低。

9摩擦

對(duì)于CO2排放極其嚴(yán)格的3缸柴油機(jī)用途領(lǐng)域，顯著減小摩擦損失特別重要，并且還有助于達(dá)到燃油耗目標(biāo)。

通過(guò)將行程從80.5 mm增大至2.0L 4缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)常用的95.5 mm，從而將1.2 L 3缸發(fā)動(dòng)機(jī)的排量提高到1.4 L。通過(guò)優(yōu)化活塞組的活塞間隙、活塞環(huán)張力和活塞環(huán)外形，大大抵消了不利的曲柄連桿比帶來(lái)的劣勢(shì)。

通過(guò)減少齒帶轉(zhuǎn)向和帶輪數(shù)量改進(jìn)正時(shí)傳動(dòng)裝置，再結(jié)合摩擦優(yōu)化的高壓燃油泵，進(jìn)一步降低附加驅(qū)動(dòng)的功率。全新模塊化整體式凸輪軸軸承框架改進(jìn)的凸輪軸軸承，從而降低氣門(mén)機(jī)構(gòu)的損失。

將平衡軸、機(jī)油泵和真空泵集成到緊湊的聯(lián)合模塊中，就無(wú)須單獨(dú)驅(qū)動(dòng)平衡軸。針對(duì)3缸機(jī)，在此模塊中集成了可調(diào)式機(jī)油泵，有助于降低驅(qū)動(dòng)功率。體積流量可變的水泵不僅使冷卻系統(tǒng)的加熱時(shí)間縮短，而且，還將切換狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)功率降到最低。

比較整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)功率表明，與排量更小的3缸機(jī)相比，采用上述措施后，發(fā)動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)功率改善約20%（圖6）。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 600 r/min、機(jī)油溫度90°C時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)功率的比較（總體改善約20%）

10噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）分析

Volkswagen公司為首次采用模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件的新型3缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)了最小型的鋁合金氣缸體曲軸箱。由于采用新的曲軸箱材料，因而需要深入研究聲學(xué)舒適性，以確保具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度，并防止失去聲學(xué)舒適性。降低噪聲的措施主要集中在平衡軸驅(qū)動(dòng)和正時(shí)傳動(dòng)裝置上。

為使氣缸體曲軸箱的聲輻射在改用鋁材料的情況下盡可能減小，進(jìn)行了大量試驗(yàn)性的結(jié)構(gòu)分析，并開(kāi)發(fā)和實(shí)施結(jié)構(gòu)剛度改進(jìn)措施。通過(guò)NVH計(jì)算，實(shí)現(xiàn)肋條在外部和內(nèi)部區(qū)域的最佳分布。因此，將曲軸箱的聲輻射表面分成許多較小且大小不等的表面。

平衡軸驅(qū)動(dòng)的研究結(jié)果優(yōu)化了輪齒形狀和數(shù)量，有效防止產(chǎn)生干擾性噪聲和脈動(dòng)噪聲。在正時(shí)傳動(dòng)裝置方面，新的張緊裝置設(shè)計(jì)和前文提及的帶輪布置變化也具有積極的聲學(xué)影響。

此外，還采取了一系列措施來(lái)降低空氣和固體聲輻射，并改進(jìn)減振。尤其是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)支承和雙質(zhì)量飛輪進(jìn)行了深入改進(jìn)，確保在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，車(chē)身和傳動(dòng)裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)能較好地解耦。為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)艙的聲輻射，采用油底殼擋板、降噪的罩蓋和聲學(xué)深入優(yōu)化的空氣濾清器殼。所有措施都有效地降低了動(dòng)力裝置在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的空氣噪聲級(jí)（圖7）。

圖7 采用與不采用發(fā)動(dòng)機(jī)聲學(xué)措施的聲功率

11功率與扭矩

新型1.4 L 3缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)向上擴(kuò)展了3缸機(jī)領(lǐng)域的功率范圍（圖8）。原有發(fā)動(dòng)機(jī)的功率只有55 kW，而目前3種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率最高可達(dá)77 kW，最大扭矩可達(dá)250 N·m。對(duì)于所有型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（自1 500 r/min起）均有理想的扭矩值（超過(guò)最大扭矩的90%）。其中，新型1.4 L55 kW變型機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)尤為明顯。新發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩為210 N·m，比原有發(fā)動(dòng)機(jī)提高30 N·m，且明顯更早（1 500 r/min時(shí)）達(dá)到最大扭矩。功率最小的發(fā)動(dòng)機(jī)，在常用的與起步相關(guān)的最低轉(zhuǎn)速范圍中，扭矩與排量超比例地提高30%以上。

12行駛動(dòng)力性與燃油耗

通過(guò)仔細(xì)優(yōu)化新型3缸機(jī)的流動(dòng)路徑、換氣和燃燒過(guò)程，各功率等級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了渦輪增壓器自動(dòng)響應(yīng)性能和強(qiáng)大的起步加速功率。新Polo車(chē)已完全柴油化，并且機(jī)動(dòng)性值都得到改進(jìn)，同時(shí)，燃油耗比原先相同功率發(fā)動(dòng)機(jī)更低。其中，功率等級(jí)55 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)化尤為顯著。

在功率等級(jí)66 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)上Volkswagen公司首次將3缸TDI發(fā)動(dòng)機(jī)與著名的7檔雙離合變速器結(jié)合應(yīng)用。該換擋方案可用于超低轉(zhuǎn)速的行車(chē)方式。除了汽車(chē)的燃油耗措施（藍(lán)驅(qū)技術(shù)），該方案是使CO2排放比原先4缸發(fā)動(dòng)機(jī)減少19 g/km的重要因素。盡管排放法規(guī)要求日益嚴(yán)格且對(duì)舒適性要求更高，所有采用手動(dòng)變速器的車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的CO2排放也明顯比所替換的發(fā)動(dòng)機(jī)低（表2）。

表2： 新Polo車(chē)的燃油耗與行駛動(dòng)力性

13結(jié)語(yǔ)

在Volkswagen公司的發(fā)動(dòng)機(jī)戰(zhàn)略框架下，可普遍適用的新型3缸機(jī)擴(kuò)展了模塊化柴油機(jī)模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件。開(kāi)發(fā)目標(biāo)是，與原有發(fā)動(dòng)機(jī)相比，質(zhì)量明顯更輕，并且具有更低的燃油耗和改進(jìn)的行駛動(dòng)力性。

目前，新發(fā)動(dòng)機(jī)的功率范圍為55~77 kW，可替代升功率較低的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)。首次采用剛度和質(zhì)量經(jīng)優(yōu)化、重力金屬型鑄造的鋁合金氣缸體曲軸箱。極其緊湊的設(shè)計(jì)使新發(fā)動(dòng)機(jī)特別適用于Volkswagen公司對(duì)超低CO2排放有高要求的小型車(chē)輛平臺(tái)。新型3缸發(fā)動(dòng)機(jī)滿(mǎn)足歐6排放標(biāo)準(zhǔn)，且模塊化結(jié)構(gòu)使其能滿(mǎn)足未來(lái)的排放法規(guī)。

Volkswagen公司憑借新型3缸TDI柴油機(jī)，創(chuàng)造了該公司在小型汽車(chē)細(xì)分市場(chǎng)應(yīng)用的通用基礎(chǔ)。通過(guò)削減發(fā)動(dòng)機(jī)系列及將其集成到模塊化柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件中，費(fèi)用和成本明顯比原有發(fā)動(dòng)機(jī)降低。新型發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)已完全實(shí)現(xiàn)。