Audi公司以全新的整機結構方案開發出了新一代V8-TDI增壓直噴式柴油機,采用可調式增壓系統,并在V形夾角中組合了1個電動壓氣機。開發的目標是得到1款運動型V-TDI機型,在燃油耗、功率和扭矩方面要明顯有別于Audi V8-TDI柴油機,是1種能廣泛用于高檔車型中的動態特性優異的動力裝置。所應用的重要部件是帶有電動壓氣機的可調式增壓系統和近發動機單流道廢氣后處理系統。

1燃燒過程和標定

Audi V8-TDI增壓直噴式柴油機的燃燒過程和發動機標定的核心部分是采用排氣門控制機構(AVS)進行轉換的可調式增壓系統。這些結構部件在第一部分中已詳細介紹(圖1)。

圖1 Audi新型V8-TDI增壓直噴式柴油機

在發動機轉速約2 200 r/min的單渦輪運行中，氣缸換氣是通過2個進氣門和1個排氣門進行的，此時通過AVS氣門控制機構使進氣側處于對低發動機轉速最佳的短的配氣定時，進氣門開啟持續時間為163°CA，而排氣側的1個排氣門不工作，其中換氣與增壓的相互配合是起決定性作用。采用Honeywell渦輪技術公司的GT2056型廢氣渦輪增壓器，使發動機在3個氣門運行時氣缸換氣所受到的限制與用1個廢氣渦輪增壓器可達到的增壓度相互協調，以致于從單渦輪運行轉換到雙渦輪運行時能使發動機扭矩不會受到干擾。

其中，由AVS氣門控制機構通過接通排氣門將廢氣流分配到2個廢氣渦輪中去。第1步僅在2個氣缸中將第二個排氣門接通，從而在轉換期間繼續向主動廢氣渦輪增壓器提供足夠的驅動功率，而被動廢氣渦輪增壓器已被加速。在第2步中，AVS氣門控制機構再使其余6個氣缸轉換到4氣門運行，同時被動廢氣渦輪增壓器在起步加速中的轉速通過模型的再循環閥控制予以引導，該再循環閥將由被動廢氣渦輪增壓器壓縮的空氣再引入主動廢氣渦輪增壓器的進氣管，直到被動廢氣渦輪增壓器達到能將空氣壓縮到相同的壓力水平為止，這樣就確保了被動廢氣渦輪增壓器能在低于喘振極限的情況下在最佳效率范圍內進行起步加速，結果使接通的被動廢氣渦輪增壓器的起步加速時間很短，從而快速地轉換到雙渦輪運行模式(圖2)。隨著轉換到185°CA長的進氣門開啟持續時間，發動機就處于最佳運行狀況，并一直持續到達轉速5 200 r/min的極限為止。

圖2 AVS氣門控制機構和調節轉換(發動機試驗臺上的轉速加速試驗曲線)

由于采用了可調式增壓原理，因而發動機無論是處于低轉速還是高轉速運行條件下都能夠達到最佳的協調，以致于在所有的運行狀況下都能轉化成動態扭矩，因此根據變速器和汽車的應用情況，其全負荷特性曲線能在1 000～3 250 r/min寬廣的轉速范圍內呈現出高達900 N·m的扭矩平臺，并且從3 750 r/min發動機轉速起就能發揮出320 kW的最高功率。

采用電動壓氣機(EAV)來輔助獲得最佳的增壓壓力，從而加快起步加速時的扭矩建立，因而能使SQ7-SUV車全負荷加速時在最初2.5 s中多走2.5 m的距離(圖3)。其起步加速性能成為了SUV車型運動特性的衡量標準。

圖3 用電動壓氣機(EVA)起步加速

采用AVS氣門控制機構實施可調式轉換的另一個重要因素是采用關閉嚴密的排氣門以實現無泄漏轉換，在與發動機部分負荷下轉換到高增壓度，就能顯著降低2 500 r/min以下轉速范圍內的比燃油耗。

無論在單渦輪還是雙渦輪運行時，發動機都呈現出局部的最佳狀態(最低的比燃油耗范圍)，就相當于原機型的最佳運行工況點，因此在汽車行駛中可明顯拓寬的最佳燃油耗范圍(圖4)。

圖4 Audi V8-TDI增壓直噴式柴油機按

320 kW功率和歐6廢氣排放標定的

全負荷特性曲線和油耗

高的增壓度允許實現良好的熱力學協調，從而達到高的燃燒效率，并在NOx排放與顆粒排放平衡方面獲得巨大的潛力，這將大大有助于達到低的發動機原始排放水平。

通過繼承當前V6-TDI機型的寬而平坦凹坑的活塞的熱力學優點，并與降低渦流水平(渦流比從1.83降低到1.65)的氣缸蓋相結合，使得發動機原始排放水平比原機型顯著降低，同時也提高了發動機最大功率。為了改善NOx排放與顆粒物排放之間的目標沖突，幾何壓縮比也從16.5減小到16.0，同時進氣AVS氣門機構在發動機起動時通過轉換到短的凸輪廓線并有效提高壓縮比。

對該機型標定的1個很大的挑戰是結構部件之間相互配合的復雜性。廢氣后處理系統的運行狀況與可調式增壓轉換階段相結合，會導致發動機運行模式的變更次數大大增加。

空氣系統與調節轉換的所有運行狀態的協調只能通過應用發動機電控單元基于模型的結構來實現。增壓系統與廢氣再循環系統部件的相互影響，只有通過在模型中模擬整個系統中的物理關系才能予以控制，然后由模型結構為當時的發動機運行工況點計算出參與增壓系統和廢氣再循環系統部件的最佳控制。

這種基于模型的空氣系統協調可以通過根據各自裝配狀況的模型調整，將其標定狀況轉移到其他衍生車型上，而無需對空氣系統進行重新標定，因而能從歐6標準標定的基礎上推導出衍生車型。

2廢氣后處理系統

由1個NOx氧化催化轉化器(NOC)和1個選擇性催化還原(SCR)催化轉化器組成的廢氣裝置，將這兩種系統在不同溫度下的NOx最佳轉化效率結合起來，因此從發動機起動時汽車行駛中呈現出最佳的NOx降低：

(1)NOC盡可能達到最好的低溫活性；

(2)在中等和高負荷下用SCR系統達到高的NOx轉化效率。

圖5 廢氣后處理裝置

為新型V8-TDI增壓直噴式柴油機設計的廢氣系統與2014年V6-TDI機型所使用的廢氣裝置非常相似，但是通過使用NOC對搭載V6-TDI機型的Audi公司A4轎車進行了進一步的開發，而對于V8-TDI機型僅對催化轉化器和顆粒捕集器的幾何形狀和容積進行了匹配調整(圖5)。

開發目標的重點是設計1種單流道廢氣裝置，以限制所需的廢氣傳感器數量，這樣就能夠通過減小構件的表面積和質量，降低通往催化活性構件路程上的廢氣溫度損失。同時，通過對單流道廢氣裝置中所有廢氣后處理部件壓力損失的不斷優化，達到了320 kW發動機目標功率所允許的廢氣背壓。勝任全負荷的廢氣質量流量約為1 600 kg/h，相當于2014年V6-TDI機型流量的70%，因此采用了廢氣裝置的原有設計方案。

為了滿足未來實際行駛排放(RDE)標準的要求，各個廢氣后處理部件與低的發動機原始排放相結合，其中首先要在暖機階段和低負荷運行范圍內激活高效的NOC，并與NOx排放貯存，之后等到再生時就被完全轉化。在轉化率低的運行狀態，特別是在發動機高負荷時SCR催化轉化器達到其最佳運行范圍，承擔NOx排放的還原任務(圖6)。在汽車實際行駛中得到了城市行駛、長途行駛和高速公路行駛時的RDE排放值，這些數值乘以當前的換算系數2.1后仍低于歐6限值。

3功率、燃油耗和廢氣排放

V8-TDI柴油機最初是以歐6廢氣排放標準著手設計的，為了能在使用含硫量高達500×10-6燃油標準的國家中使用，開發了1個歐5標準方案，并為北美市場推出了Audi車用的V8-TDI機型，從而產生了1款適用于所有市場的通用機型，而各自的廢氣等級的差異則由汽車方面的廢氣裝置和標定來實現。

其中歐5標準機型的功率為310 kW，而按歐6標準標定的北美機型則高達320 kW，與Q7-SUV車上的250 kW的原機型相比，提高了70 kW，達到了320 kW。V8-TDI機型在Audi SQ7-SUV車上的功率為320 kW，并配備8檔自動變速器和全輪驅動投放市場(表1)。該發動機與8檔變矩器自動變速器相組合使得能夠采用偏重低行駛轉速的節油行駛模式。由于發動機在相同的轉速范圍內能提供高扭矩，這樣就能在不損失動力學性能的情況下轉換到設計負荷。

4展望

新型V8-TDI增壓直噴式柴油機成功地在產品的行駛性能、燃油耗和舒適性方面實現了SUV車型的特點，并能滿足當今和未來的廢氣排放標準，因而能顯著降低CO2排放，而且發動機功率或行駛功率也得到明顯的改善，兩者都達到了SUV車型中的頂級水平，從而同樣確保了高的效率和極好的舒適性。