Audi公司新一代V6渦輪增壓直噴式轎車柴油機——熱力學、應用和排氣后處理

【德】 S.Knirsch U.Weiss S.M?hn G.Pamio

1 模塊化發動機結構

新一代V6渦輪增壓直噴式（TDI）柴油機的主要開發目標是柴油機系列的模塊化結構（圖1），以及用于不同功率和廢氣排放變型機的通用件。以200kW歐6發動機為基本機型，圖2示出了相應的全負荷特性曲線。在老機型基礎上，對燃燒過程、增壓和廢氣再循環（EGR）等進行改進。為了達到CO2排放目標，對創新的熱管理和發動機摩擦功率進行優化。在機油循環回路中集成的全可變機油泵對此作出了很大貢獻，因此，機油泵的功率消耗或流動損失能與不同的發動機負荷達到最佳的匹配狀態，機油循環回路能對發動機暖機過程進行按需調節。

圖1 Audi公司3.0L-V6-TDI轎車柴油機

圖2 200kW歐6變型機的全負荷特性曲線

提高缸內充量的渦流水平，并匹配合適的配氣正時，使160kW功率變型機獲得最高效率。V6-TDI柴油機較小的冷卻需求可使冷卻液泵和機油泵更為小型化，從而進一步降低流動損失和熱損失，而使用低黏度機油又能進一步提升降低摩擦功率的潛力。

在北美市場，為滿足超低排放車（ULEV125）排放法規要求，在柴油機上應用最佳的低流量壓電式噴油器，以改善氮氧化物（NOx）與碳煙排放之間的平衡。在主冷卻器之外又附加預冷卻器，提高EGR系統的冷卻能力。為了在使用北美市場現有柴油燃料（較低的十六烷值）的情況下確保燃燒穩定性，借助于氣缸壓力傳感器實施燃燒重心位置調節。

歐5變型機可使用含硫量高達500×10-6的柴油，相應的氧化催化轉化器（DOC）和柴油機顆粒捕集器（DPF）采用耐高含硫量柴油的催化劑涂層。為保持良好的起動性能，將壓縮比提高到16.8，這種配置能適應目前全球市場的要求。

2 燃燒過程和噴油系統

為了將歐6基本機型的功率提高到200kW，并降低燃油耗，必須優化Audi公司目前的4氣門燃燒過程。開發重點是重新設計缸內充量的渦流水平，并優化進排氣道流動，在減少換氣損失的同時，顯著改善充氣效果。同時，在壓縮比降至16.0的情況下，優化活塞頂燃燒室凹坑的幾何形狀和尺寸，與相匹配的燃油噴束相結合，改善整個發動機特性曲線場內NOx與碳煙排放之間的平衡，并降低燃油耗（圖3）。借助于合適的進氣門升程曲線和新設計的廢氣渦輪增壓器，在低轉速階段就能夠獲得最佳的加速響應性能。

圖3 新型V6-TDI柴油機的燃油耗特性曲線場及相比老機型的節油效果

同樣，還要進一步開發并改進老機型所用的20MPa噴油系統。為提高噴油器的液力壓力，將噴油器節流孔板上的節流孔加大20%，這樣就能在不改變噴油嘴流量的情況下提高發動機功率。對于滿足ULEV125排放法規的機型，則應用降低液壓流量的噴油嘴，以降低原始排放水平。為了進一步提高功率，加大了高壓燃油泵的柱塞行程。

3 空氣系統：廢氣渦輪增壓器、進氣系統和EGR

新型V6-TDI柴油機系列應用全新開發的廢氣渦輪增壓器（圖4），縮小了可變渦輪截面（VTG）的公差，降低了流動損失，從而成功將功率從160kW擴展到200kW。并且，無須改變廢氣渦輪增壓器，在所有應用場合都能改善發動機的加速響應性能，明顯優化了行駛動力性能。

位于發動機V形夾角內的進氣管被設計成連續的雙通道結構型式，能借助中央渦流調節閥，根據發動機轉速和負荷調節進氣渦流。為了改善再循環廢氣的均勻分布狀況，減少換氣功，通過多次模擬計算，優化EGR引入管的位置和進氣位置的幾何形狀。

圖4 廢氣渦輪增壓器及流動優化的渦輪噴嘴環盤

為適用不同場合，對EGR系統進行模塊化設計（圖5）。歐6基本型EGR系統由冷卻能力很強的主冷卻器及冷卻器旁通道組成。如要滿足ULEV125排放法規要求，還須附加1個預冷卻器和1個旁通道，預冷卻器的開關由氣動旁通閥操縱。EGR閥和主冷卻器均采用電動旁通閥，并且都是通用件，因此，可提供4種不同的冷卻功率。采用這種模塊化方案，能夠根據使用情況，在冷卻功率與壓力損失之間尋找一種最佳的解決方案。

圖5 EGR系統的模塊化結構

4 排氣后處理系統

在全球廢氣排放法規日益嚴格的背景下，排氣系統的設計要與新發動機系列的開發緊密結合，而滿足當前排放法規的重點在于降低NOx排放的選擇性催化還原（SCR）技術。2008年，Audi公司首次在配裝3.0L-V6-TDI柴油機的A4和Q7車型上使用排氣后處理裝置［2］，并對這種置于汽車地板下遠離發動機的SCR系統不斷進行開發［3］。近年來，不斷降低的發動機燃油耗導致廢氣能量明顯降低，以致于汽車地板下的排氣后處理系統因溫度過低而出現轉化性能方面的缺陷。圖6示出了配裝于Audi A6轎車的V6-TDI柴油機排氣溫度與CO2排放的關系。汽車地板下的布置方式已逐步被近發動機布置的SCR系統所替代［4］，或者采用電加熱輔助措施［5］。圖7示出了發動機和排氣后處理技術的發展情況。

圖6 配裝于Audi A6轎車的3.0LV6-TDI柴油機的排氣溫度

圖7 發動機和排氣后處理技術的發展

為新一代V6-TDI柴油機開發排氣后處理系統的具體難點在于（圖8）：（1）縮小與廢氣渦輪增壓器出口的距離，以減少溫度損失；（2）將DOC加大到1.6L；（3）用 NOC（儲存 NOx，氧化 CO 和碳氫化合物）替代DOC；（4）進一步開發集成在多孔性DPF上的SCR涂層，目標是為未來車型開發通用的模塊化排氣裝置；（5）加長AdBlue混合器區段，并使用全流式混合器，以便在NH3逃逸量最少的情況下準備計量的NOx還原劑，以獲得高NOx轉化性能。

圖8 帶SCR-DPF的模塊化近發動機布置排氣后處理系統

通常，出于發動機總體布置的原因，靠近發動機布置AdBlue計量模塊是很大的挑戰。為此，NOx還原劑采用6個噴束，以25°的噴霧錐角形成噴霧，并與橢圓形的全流式混合器相配合，以獲得良好的NH3分布，從而確保在SCR轉化器橫斷面范圍內的NOx能被均勻轉化。圖9示出了200℃排氣溫度下SCR轉化器出口的NOx轉化率變化。

將160kW柴油機用于前輪驅動時，因驅動效率提高，導致排氣溫度損失加大。此時，采用1個相同體積的NOC替代DOC，以支持NOx的還原［6］。采用這種組合方式能在顯著降低CO2排放的同時，獲得較低的有害物排放。此外，借助于智能化的運行策略，還能獲得以下優勢：（1）NOC具有良好的低溫活性；（2）避免加熱措施，在純粹的SCR系統中必須低于某個CO2閾值；（3）在發動機中等負荷和高負荷時，采用SCR系統獲得高NOx轉化率。

為此，開發了1個 NOC／SCR協調器，優化NOC與SCR之間的協調關系，以便在盡可能減少CO2排放的情況下獲得低排放性能。

5 發動機控制系統和應用

發動機應用的主要目標是要充分挖掘各部件和模塊所能達到的在改善燃油耗、行駛功率和舒適性等方面的潛力。

為了減少CO2排放，必須降低空氣系統中的壓力損失，以減少換氣功。同時，優化燃燒過程并不斷實施低轉速化策略也有助于實現這一目標。將用于Audi A6和A7轎車的7檔S-tronic變速器的總速比設計得較大，并配備離心配重，使行駛時的發動機轉速低于1 000r／min，并且不損害舒適性。

另一個挑戰是調節模塊化排氣后處理系統，特別是NOC＋SCR-DPF的排氣后處理系統需要一種新的功能方式。為了控制眾多的運行狀態和轉換過程，為新型V6-TDI柴油機系列開發了一種基于模型的空氣調節方式，借助于傳感器采集的輸入信息（壓力、溫度等），計算EGR率和氣缸充氣等對發動機運行具有重要意義的參數，進而在發動機電控單元中形成各種執行器（如廢氣渦輪增壓器調節器或EGR閥）不同位置調節狀況的特性曲線場，從而確定基于模型的調節機構基本位置。其優點在于，除了可改善調節品質外，還可取消依賴于環境狀況和發動機運行狀況的高成本調節參數，以相對較低的費用從已匹配好的車型轉換到其他車型。

6 行駛功率和燃油耗

新型V6-TDI柴油機率先配裝于Audi A6和A7轎車系列，并且首次使用帶S-tronic變速器和Quattro全輪驅動的200kW功率機型。之后，又擴展到160kW功率機型，并與新型S-tronic前輪驅動變速器相結合［7］。

為了在降低燃油耗的同時改善行駛動力性能，必須完美匹配發動機與變速器。性能優化的發動機-變速器接口是將低轉速行駛、良好的發動機加速性能和快速換檔過程相互結合的前提條件，最終所達到的行駛功率和CO2排放值為同類車型樹立了新標桿（圖10）。表1列出了新型Audi A6轎車與老車型的特性值比較。

圖10 CO2排放和加速性能比較

7 結語

Audi公司成功開發了V6-TDI轎車柴油機系列，在降低CO2排放的同時，能滿足ULEV125或歐6排放法規等嚴格的限值要求，并且提高了功率。基本發動機和排氣系統的模塊化結構使其能在不同車型上匹配各種變速器，因此，V6-TDI柴油機是轎車舒適性、駕駛樂趣和高效率的保障。

表1 新型Audi A6轎車與老車型的特性值比較

［1］Knirsch S， Wei? U，Fr?hlich A，u.a. Die neue V6-TDI-motorengeneration von Audi，teil 1：konstruktion und mechanik［J］.MTZ，2014，75（9）.

［2］Gruber M，Hatz W，Bauder R，u.a.Der neue Audi 3.0lV6-TDI mit ultra low emission system ［C］.17. Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik，2008.

［3］Reuss T，Bauder R，wei?U，et al.The new，second-generation Audi 3.0V6TDI EU6—powerful and economical［C］.21.Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik，2012.

［4］Wei?U，L?rch H，Pamic G，et al.The new EU6R4and V6 TDI engines from Volkswagen and Audi integration of SCR functionality in a close coupled particulate trar［C］.22.Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik，2013.

［5］L?rch H，M?hn S，Wei?U，et al.Combination of electrically heated catalytic converter and SCR＠DPF for challenging V-TDI projects［C］.14.Internationales Stutgarter Symposium，2014.

［6］Knirsch S，Wei?U，Frohlich A，et al.The new generation of the Audi V6-TDI engine 25years of technology—dynamics—innovation［C］.35.Wiener Motorensymposium，2014.

［7］Knirsch S，Sch?ffmann M，Fleischmann H，u.a.Die neue S tronic-getriebegeneration von Audi［C］.35. Wiener Motorensymposium，2014.