◆文/江蘇 范明強(qiáng)

大眾奧迪轎車V8增壓燃油分層直噴式汽油機(jī)（一）

◆文/江蘇 范明強(qiáng)

奧迪公司開發(fā)了新一代4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機(jī)替代A6和A8系列轎車的5.2L-V10-FSI自然吸氣式汽油機(jī)。新款4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機(jī)的主要特點(diǎn)是排氣歧管和廢氣渦輪增壓器等高溫部件都布置在V形夾角中，并且采用了用于汽缸按需工作的汽缸切斷系統(tǒng)，顯著降低了燃油消耗和廢氣排放，它可提供309kW和382kW兩種功率等級(jí)變型，分別搭載于S和RS系列車型。本文將詳細(xì)介紹此款發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和燃燒過程的開發(fā)及其應(yīng)用。

范明強(qiáng)

（本刊編委會(huì)委員）

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

為了能滿足當(dāng)前和未來燃油消耗和廢氣排放法規(guī)的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)小型化起著越來越重要的作用，因此奧迪公司開發(fā)了新一代4.0L-V8-TFSI增壓燃油分層直噴式汽油機(jī)替代A6和A8系列轎車的5.2L-V10-FSI自然吸氣燃油分層直噴式汽油機(jī)。這種采用兩個(gè)廢氣渦輪增壓器的V8增壓直噴式汽油機(jī)用于S6、S7、S8、 A8、RS6 和RS7車型，其最重要的開發(fā)目標(biāo)，除了具有運(yùn)動(dòng)型動(dòng)力性能（良好的加速性和功率發(fā)揮、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性以及發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲）之外，還必須在大大改善行駛功率的同時(shí)明顯降低燃油消耗，為此采用了發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)和用于汽缸按需工作的汽缸切斷系統(tǒng)（COD=Cylinder on demand），同時(shí)應(yīng)用了新型的變扭器——自動(dòng)變速器或新型雙作用離合器變速器，達(dá)到了新的外形設(shè)計(jì)與強(qiáng)勁的運(yùn)動(dòng)型行駛功率和低油耗的完美結(jié)合，為運(yùn)動(dòng)型轎車的行駛動(dòng)力性能特別是加速響應(yīng)特性樹立了新標(biāo)桿。

一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

新款4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機(jī)（圖1）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與4.2L-V8-FSI自然吸氣直噴式汽油機(jī)類似，但其排量縮小到4.0L（表1所示奧迪4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機(jī)的主要尺寸和特性參數(shù)），其主要特點(diǎn)是排氣歧管和廢氣渦輪增壓器等高溫部件都布置在V形夾角中，與普通的V形發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管布置在V形夾角中而排氣歧管則布置在兩列汽缸外側(cè)相比，其汽缸蓋的進(jìn)排氣側(cè)互換了位置。新鮮空氣從渦輪增壓器壓氣機(jī)出發(fā)，穿過節(jié)氣門，經(jīng)過同樣布置在V形夾角中的間接增壓空氣冷卻器、兩個(gè)安置在端面的空氣分配管和安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)外側(cè)的進(jìn)氣管進(jìn)入汽缸蓋進(jìn)氣道供應(yīng)汽缸，如圖1中藍(lán)色箭頭所示。為了盡可能縮短車輛的突出部分，發(fā)動(dòng)機(jī)被設(shè)計(jì)得極短，長(zhǎng)度僅497mm，另一方面同樣布置在V形夾角中的曲軸箱通風(fēng)模塊也有助于提高整機(jī)的緊湊性。借助于被稱之為奧迪-AVS的可變氣門升程機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)COD汽缸切斷功能。這種新機(jī)型繼承了老機(jī)型可靠的配氣機(jī)構(gòu)，同時(shí)僅僅采用最少數(shù)量的不通用件，不僅實(shí)現(xiàn)了309～382kW這么大的功率跨度，而且可以搭載于大眾集團(tuán)的各種不同車型。

二、汽缸體曲軸箱

與4.2L-V8-FSI自然吸氣直噴式汽油機(jī)一樣， 4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機(jī)兩排汽缸之間的夾角也為90°，同時(shí)還繼承了老機(jī)型的90mm缸心距、84.5mm汽缸直徑以及18.5mm的兩排汽缸錯(cuò)位。汽缸體曲軸箱由AlSi17Cu4Mg過共晶鋁硅合金采用低壓金屬模均質(zhì)鑄造而成。由于升功率的提高以及由此而引起的較高的熱力和機(jī)械負(fù)荷，在382kW功率等級(jí)機(jī)型上還采用了T6熱處理工藝。

表1　奧迪4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機(jī)的主要尺寸和特性參數(shù)

汽缸工作表面在使用螺栓擰緊的支架情況下進(jìn)行螺旋形珩磨。為減少在燃燒壓力下汽缸的變形，借助于布置在汽缸體曲軸箱周圍結(jié)構(gòu)上的加強(qiáng)筋來強(qiáng)化其剛度（圖2）。為了加強(qiáng)主軸承座，在主軸承座鋁框架底座中鑲鑄了5個(gè)球墨鑄鐵鑲鑄件，并附加用橫向螺栓拉緊。這些措施提高了主軸承座的強(qiáng)度和軸承孔的圓度，并改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的聲學(xué)性能。

三、機(jī)油循環(huán)回路

4.0L-V8-TFSI的機(jī)油循環(huán)回路基本上以4.2L-V8-FSI自然吸氣直噴式汽油機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。葉片式機(jī)油泵是兩級(jí)可調(diào)式機(jī)油泵，在0.2MPa機(jī)油壓力的低壓范圍內(nèi)機(jī)油泵在4 000r/min以下運(yùn)行，此后就轉(zhuǎn)換到高壓范圍運(yùn)轉(zhuǎn)。除了增壓器中的機(jī)油供應(yīng)管路之外，所有的壓力機(jī)油和回油通道都集成在汽缸蓋、汽缸體曲軸箱和油底殼上件的鑄件中（圖3上）。與老機(jī)型相比，機(jī)油循環(huán)回路中的壓力損失能再次明顯降低，再加上應(yīng)用了兩級(jí)可調(diào)式機(jī)油泵，摩擦損失明顯減少，因而顯著降低了燃油消耗。

由于應(yīng)用了按特性曲線場(chǎng)控制的活塞冷卻機(jī)油噴嘴，能夠?qū)饺肭S箱通風(fēng)氣體中的機(jī)油損耗減少到最低程度。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于4 000r/min情況下，在負(fù)荷高于400Nm時(shí)活塞冷卻機(jī)油噴嘴才打開（圖3下），在該運(yùn)行范圍內(nèi)的機(jī)油流量最多可減少25%，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)階段活塞可達(dá)到較高的溫度，并在部分負(fù)荷時(shí)可獲得廢氣排放方面的好處。通過所有這些措施所獲得的總的效果是在120℃機(jī)油溫度下機(jī)油流量＜60L/min，這對(duì)于V8發(fā)動(dòng)機(jī)而言是非常好的了。在功率較大的機(jī)型上附加應(yīng)用了布置在車輛前端的空冷機(jī)油冷卻器。

四、曲柄連桿機(jī)構(gòu)

在所有的功率等級(jí)機(jī)型中，漲裂連桿配備了17mm寬的三層材料軸瓦，30°梯形連桿小頭鑲有銅合金襯套，活塞銷直徑為22mm。5道軸承支承的曲軸繼承了4.2L-V8-FSI自然吸氣直噴式汽油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而行程減小到89mm。為了提高曲軸強(qiáng)度，其所有的軸頸圓角均經(jīng)感應(yīng)淬硬。4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機(jī)的曲軸材料，在主軸承直徑為65mm的機(jī)型上采用C38中碳鋼，而在主軸承直徑為67mm的功率強(qiáng)化機(jī)型上則采用42CrMoS4合金鋼。

由于兩種功率等級(jí)機(jī)型的壓縮比不同，具有活塞環(huán)槽鑲?cè)Φ蔫T鋁活塞頂?shù)男螤罘謩e與各自的功率變型相匹配。為了減小摩擦，第一道活塞環(huán)和活塞銷涂有DLC（類金剛石石墨）涂層。

五、冷卻液循環(huán)回路

冷卻系統(tǒng)的外圍設(shè)備取決于車型和功率等級(jí)而不同，而發(fā)動(dòng)機(jī)中的冷卻循環(huán)回路是相同的（圖4）。為了獲得均勻的溫度分布，冷卻液橫向流過發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)整機(jī)配備了創(chuàng)新的熱管理系統(tǒng)（ITM）。安裝在冷卻液泵進(jìn)口側(cè)可加熱的圓形滑閥式節(jié)溫器，在其調(diào)節(jié)范圍內(nèi)具有比常規(guī)閥盤式節(jié)溫器更低的壓力損失。為了進(jìn)一步降低摩擦損失，在部分負(fù)荷時(shí)熱機(jī)運(yùn)行的冷卻液溫度被調(diào)節(jié)到105℃。

借助于連接在冷卻液泵后面的一個(gè)球形閥，實(shí)現(xiàn)在暖機(jī)運(yùn)行階段整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)中的冷卻液停止流動(dòng)，在冷卻液溫度低于80℃情況下每次發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)都是如此，然后在發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到正常運(yùn)行溫度時(shí)冷卻液流入汽缸體曲軸箱V形夾角中，并從這里開始經(jīng)過集流管供應(yīng)兩列汽缸蓋。ITM的另一個(gè)特點(diǎn)是具有自給自足的采暖功能。這種附加的采暖循環(huán)回路直接連接到汽缸蓋，并由一個(gè)電動(dòng)泵進(jìn)行循環(huán)，這樣即使汽缸體曲軸箱中的冷卻液停止流動(dòng)，乘客車廂也能取暖，因而在對(duì)用戶具有重要意義的運(yùn)行工況，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)階段開通采暖設(shè)備時(shí)，可以獲得明顯的節(jié)油效果。

六、摩擦功率

通過采用許多特殊措施，能夠不斷降低4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機(jī)的摩擦功率，具體如下：

① 加大汽缸體曲軸箱中的通風(fēng)截面和機(jī)油集濾器；

② 提高汽缸體曲軸箱中的真空度；

③ 消除機(jī)油和冷卻液循環(huán)回路中的節(jié)流；

④ 將低壓級(jí)的機(jī)油壓力降低到0.2MPa；

⑤ 活塞冷卻機(jī)油噴嘴按特性曲線場(chǎng)進(jìn)行控制；

⑥ 縮短活塞行程提高曲柄連桿機(jī)構(gòu)的剛度；

⑦ 為兩種功率等級(jí)機(jī)型分別選擇摩擦優(yōu)化的主軸承直徑；

⑧ 減小進(jìn)氣門彈簧力；

⑨ 減小三油腔凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的機(jī)油流量；

⑩ 可變氣門升程凸輪片采用無摩擦的軸向定位；

?減小第三道活塞環(huán)的預(yù)張力，而第一道活塞環(huán)和活塞銷采用DLC涂層；

?汽缸工作表面采用螺栓擰緊支架進(jìn)行螺旋珩磨，并提高汽缸套上縱向加強(qiáng)筋的剛度，減小汽缸變形。

通過上述這些措施的綜合效果，特別是在對(duì)用戶使用具有重要意義的低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，與4.2L-V8-FSI自然吸氣直噴式汽油機(jī)相比，能夠顯著降低摩擦損失（圖5）。

（未完待續(xù)）