Audi公司新型V8-TDI增压直喷式柴油机第2部分：标定转化和废气后处理系统

【德】 T.Heiduk U.Weiß A.Fröhlich A.Pfäffle

Audi公司新型V8-TDI增压直喷式柴油机第2部分：标定转化和废气后处理系统

【德】 T.Heiduk U.Weiß A.Fröhlich A.Pfäffle

Audi公司以全新的整机结构方案开发出了新一代V8-TDI增压直喷式柴油机，采用可调式增压系统,并在V形夹角中组合了1个电动压气机。开发的目标是得到1款运动型V-TDI机型，在燃油耗、功率和扭矩方面要明显有别于Audi V8-TDI柴油机，是1种能广泛用于高档车型中的动态特性优异的动力装置。所应用的重要部件是带有电动压气机的可调式增压系统和近发动机单流道废气后处理系统。

电动压气机 热力学 后处理 排放

1 燃烧过程和标定

Audi V8-TDI增压直喷式柴油机的燃烧过程和发动机标定的核心部分是采用排气门控制机构(AVS)进行转换的可调式增压系统。这些结构部件在第一部分中已详细介绍[1](图1)。

图1 Audi新型V8-TDI增压直喷式柴油机

在发动机转速约2 200 r/min的单涡轮运行中，气缸换气是通过2个进气门和1个排气门进行的，此时通过AVS气门控制机构使进气侧处于对低发动机转速最佳的短的配气定时，进气门开启持续时间为163°CA，而排气侧的1个排气门不工作，其中换气与增压的相互配合是起决定性作用。采用Honeywell涡轮技术公司的GT2056型废气涡轮增压器，使发动机在3个气门运行时气缸换气所受到的限制与用1个废气涡轮增压器可达到的增压度相互协调，以致于从单涡轮运行转换到双涡轮运行时能使发动机扭矩不会受到干扰。

其中，由AVS气门控制机构通过接通排气门将废气流分配到2个废气涡轮中去。第1步仅在2个气缸中将第二个排气门接通，从而在转换期间继续向主动废气涡轮增压器提供足够的驱动功率，而被动废气涡轮增压器已被加速。在第2步中，AVS气门控制机构再使其余6个气缸转换到4气门运行，同时被动废气涡轮增压器在起步加速中的转速通过模型的再循环阀控制予以引导，该再循环阀将由被动废气涡轮增压器压缩的空气再引入主动废气涡轮增压器的进气管，直到被动废气涡轮增压器达到能将空气压缩到相同的压力水平为止，这样就确保了被动废气涡轮增压器能在低于喘振极限的情况下在最佳效率范围内进行起步加速，结果使接通的被动废气涡轮增压器的起步加速时间很短，从而快速地转换到双涡轮运行模式(图2)。随着转换到185°CA长的进气门开启持续时间，发动机就处于最佳运行状况，并一直持续到达转速5 200 r/min的极限为止。

图2 AVS气门控制机构和调节转换(发动机试验台上的转速加速试验曲线)

由于采用了可调式增压原理，因而发动机无论是处于低转速还是高转速运行条件下都能够达到最佳的协调，以致于在所有的运行状况下都能转化成动态扭矩，因此根据变速器和汽车的应用情况，其全负荷特性曲线能在1 000～3 250 r/min宽广的转速范围内呈现出高达900 N·m的扭矩平台，并且从3 750 r/min发动机转速起就能发挥出320 kW的最高功率。

采用电动压气机(EAV)来辅助获得最佳的增压压力，从而加快起步加速时的扭矩建立，因而能使SQ7-SUV车全负荷加速时在最初2.5 s中多走2.5 m的距离(图3)。其起步加速性能成为了SUV车型运动特性的衡量标准。

图3 用电动压气机(EVA)起步加速

采用AVS气门控制机构实施可调式转换的另一个重要因素是采用关闭严密的排气门以实现无泄漏转换，在与发动机部分负荷下转换到高增压度，就能显著降低2 500 r/min以下转速范围内的比燃油耗。

无论在单涡轮还是双涡轮运行时，发动机都呈现出局部的最佳状态(最低的比燃油耗范围)，就相当于原机型的最佳运行工况点，因此在汽车行驶中可明显拓宽的最佳燃油耗范围(图4)。

图4 Audi V8-TDI增压直喷式柴油机按320 kW功率和欧6废气排放标定的全负荷特性曲线和油耗

高的增压度允许实现良好的热力学协调，从而达到高的燃烧效率，并在NOx排放与颗粒排放平衡方面获得巨大的潜力，这将大大有助于达到低的发动机原始排放水平。

通过继承当前V6-TDI机型的宽而平坦凹坑的活塞的热力学优点，并与降低涡流水平(涡流比从1.83降低到1.65)的气缸盖相结合，使得发动机原始排放水平比原机型显著降低，同时也提高了发动机最大功率。为了改善NOx排放与颗粒物排放之间的目标冲突，几何压缩比也从16.5减小到16.0，同时进气AVS气门机构在发动机起动时通过转换到短的凸轮廓线并有效提高压缩比。

对该机型标定的1个很大的挑战是结构部件之间相互配合的复杂性。废气后处理系统的运行状况与可调式增压转换阶段相结合，会导致发动机运行模式的变更次数大大增加。

空气系统与调节转换的所有运行状态的协调只能通过应用发动机电控单元基于模型的结构来实现。增压系统与废气再循环系统部件的相互影响，只有通过在模型中模拟整个系统中的物理关系才能予以控制，然后由模型结构为当时的发动机运行工况点计算出参与增压系统和废气再循环系统部件的最佳控制。

这种基于模型的空气系统协调可以通过根据各自装配状况的模型调整，将其标定状况转移到其他衍生车型上，而无需对空气系统进行重新标定，因而能从欧6标准标定的基础上推导出衍生车型。

2 废气后处理系统

由1个NOx氧化催化转化器(NOC)和1个选择性催化还原(SCR)催化转化器组成的废气装置，将这两种系统在不同温度下的NOx最佳转化效率结合起来，因此从发动机起动时汽车行驶中呈现出最佳的NOx降低：(1)NOC尽可能达到最好的低温活性；(2)在中等和高负荷下用SCR系统达到高的NOx转化效率。

图5 废气后处理装置

为新型V8-TDI增压直喷式柴油机设计的废气系统与2014年V6-TDI机型所使用的废气装置非常相似[2-3]，但是通过使用NOC对搭载V6-TDI机型的Audi公司A4轿车进行了进一步的开发，而对于V8-TDI机型仅对催化转化器和颗粒捕集器的几何形状和容积进行了匹配调整(图5)。

开发目标的重点是设计1种单流道废气装置，以限制所需的废气传感器数量，这样就能够通过减小构件的表面积和质量，降低通往催化活性构件路程上的废气温度损失。同时，通过对单流道废气装置中所有废气后处理部件压力损失的不断优化，达到了320 kW发动机目标功率所允许的废气背压。胜任全负荷的废气质量流量约为1 600 kg/h，相当于2014年V6-TDI机型流量的70%，因此采用了废气装置的原有设计方案。

为了满足未来实际行驶排放(RDE)标准的要求，各个废气后处理部件与低的发动机原始排放相结合，其中首先要在暖机阶段和低负荷运行范围内激活高效的NOC，并与NOx排放贮存，之后等到再生时就被完全转化。在转化率低的运行状态，特别是在发动机高负荷时SCR催化转化器达到其最佳运行范围，承担NOx排放的还原任务(图6)。在汽车实际行驶中得到了城市行驶、长途行驶和高速公路行驶时的RDE排放值，这些数值乘以当前的换算系数2.1后仍低于欧6限值。

图6 在RDE行驶期间，NOC和DPF上的 SCR涂层对废气净化的贡献

3 功率、燃油耗和废气排放

V8-TDI柴油机最初是以欧6废气排放标准着手设计的，为了能在使用含硫量高达500×10-6燃油标准的国家中使用，开发了1个欧5标准方案，并为北美市场推出了Audi车用的V8-TDI机型，从而产生了1款适用于所有市场的通用机型，而各自的废气等级的差异则由汽车方面的废气装置和标定来实现。

其中欧5标准机型的功率为310 kW，而按欧6标准标定的北美机型则高达320 kW，与Q7-SUV车上的250 kW的原机型相比，提高了70 kW，达到了320 kW。V8-TDI机型在Audi SQ7-SUV车上的功率为320 kW，并配备8档自动变速器和全轮驱动投放市场(表1)。该发动机与8档变矩器自动变速器相组合使得能够采用偏重低行驶转速的节油行驶模式。由于发动机在相同的转速范围内能提供高扭矩，这样就能在不损失动力学性能的情况下转换到设计负荷。

表1 Audi SQ7-SUV车的行驶功率和燃油耗

4 展望

新型V8-TDI增压直喷式柴油机成功地在产品的行驶性能、燃油耗和舒适性方面实现了SUV车型的特点，并能满足当今和未来的废气排放标准，因而能显著降低CO2排放，而且发动机功率或行驶功率也得到明显的改善，两者都达到了SUV车型中的顶级水平，从而同样确保了高的效率和极好的舒适性。

[1] Heiduk T, Weiß U, Fröhlich A, u.a. Der neue V8-TDI-Motor von Audi-Teil 1: aggregatearchitektur und aufladekonzept mit elektrischem verdichter[J]. MTZ, 2016, 77(6).

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

[3] Knirsch S, Weiß U, Möhn S, u.a. Die neue V6-TDI-motorengeneration von Audi-Teil 2: thermodynamik, applikation und abgasnachbehandlung[J]. MTZ, 2014, 75(10).

范明强 译自 MTZ， 2016， 77(7-8)

何丹妮 编辑

2016-07-13)