奥迪TDI柴油机技术.docx

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奥迪TDI柴油机技术

奥迪TDI柴油机技术

   采用共轨喷射系统的3.0I-V6-TDI发动机是Audi公司新一代V型发动机中的第四种发动机。

这种发动机结构紧凑，总重约220kg，堪称目前最轻巧的V6柴油发动机。

本文将以图文并茂的形式介绍该款发动机的结构。

   一、机械构造

   1、曲轴箱

    发动机缸体由GGV-40（蠕虫状石墨铸铁）制成（如图1所示），汽缸间距为90mm（以前是88mm）。

汽缸孔壁采用紫外线光子（UV-Photonen）珩磨工艺制造，这种工艺有助于增强耐磨性并减少初始阶段的机油消耗。

    紫外线光子（UV-Photonen）珩磨工艺是在珩磨后再用激光束对汽缸镜面进行的精加工。

高能量激光束会以毫微（10-9）量级来熔化仍然突出的金属尖点，这样加工后，就可以立即形成光滑的汽缸镜面（以前需通过活塞的工作才能形成）。

   2、曲柄连杆机构

   曲轴用调质钢锻造而成，通过4个轴承支承在一个主轴承框架内（如图2所示）。

分体式梯形连杆用一个飞溅轴承（上部）和一个三元轴承（下部）固定在曲轴上。

  3、活塞

   这种箱式活塞（如图3所示）没有用于气门的凹槽，但活塞的中央有一个凹坑，活塞通过环形沟槽经机油喷嘴得到冷却（与3.3I-V8-CR一样）。

  4、机油泵

 新一代V6发动机上装有可靠的双中心式机油泵，该机油泵由链条经一根六角轴驱动（如图4所示）。

  5、凸轮轴

   两根凸轮轴（如图5所示）是用精密钢管制成的，凸轮环和两个钢堵是用IHU（内高压成型）法制成的。

排气凸轮轴由进气凸轮轴经圆柱齿轮来驱动，该圆柱齿轮是直齿齿轮（以前的圆柱齿轮都是斜齿齿轮）。

使用这种辊式凸轮推杆对改善噪音来说是很有好处的，该推杆与凸轮轴驱动齿轮（已张紧且无间隙）一起可以起到降低配气机构噪音的作用。

    另外，该配气机构具有齿面间隙补偿功能（如图6所示）。

排气凸轮轴上的圆柱齿轮（从动圆柱齿轮）是双体式的，宽的圆柱齿轮是热压到凸轮轴上的，其前面有三个斜面；窄的圆柱齿轮上有与此相应的凹槽，并且可以在径向和轴向移动。

碟形弹簧可以产生一个轴向力，与此同时通过斜面将轴向运动转化成旋转运动。

这会引起这两个从动圆柱齿轮相互错开一点，于是就可以形成间隙补偿。

  6、链条传动机构

   V6发动机的新一代传动机构（如图7所示）是通过链条来实现的，因而也就取消了齿形皮带，这样就可以在更多的车型上使用短结构形式的发动机。

这种链条传动机构是单排套筒链，布置在变速器一侧，链条传动机构有：

中央链条（传动机构A），从曲轴到中间齿轮；右侧和左侧汽缸盖上的进气凸轮轴各有一根链条（传动机构B+C）。

还有一根链条是从曲轴到机油泵和平衡轴（驱动机构D）。

每根链条都有自己的液压弹性链条张紧器及链条导轨，具有免维护且在发动机寿命内不必更换的优点。

  7、进气管

   进气管（如图8所示）上集成有节流阀，该阀可进行无级调节，这样就可以使得进气状况按照当前的发动机转速和负荷与排放、油耗和扭矩/功率相适应。

节流阀调节器上有电位计，它向发动机控制单元报告节流阀的位置。

  节气门和节流阀在超速运行状态时会被打开，以便检查空气流量计并调整λ传感器。

带有电动节流阀调节器的进气歧管，为了使扭矩输出和燃烧状况达到最佳状态，在负荷较低时关闭涡旋通道可以增强涡旋运动;在负荷较高时打开涡旋通道有助于汽缸更好地充气。

在发动机启动时，节流阀被打开，且在怠速时才关闭（在占空比约为80%时）。

从怠速转速直到约2750r/min（在占空比约为20%时），节流阀一直处于完全打开状态。

另外，在无电流以及超速状态时，节流阀也是处于打开状态的。

   需要特别说明的是：

如果更换了节流阀调节器，那么必须进行节流阀调节器与节流阀的适配；如果是两辆车之间的互换，那么节流阀也必须更换。

  8、VTG涡轮增压器

   为了能保证涡轮增压器在较低转速时做出快速响应，其导向叶片是通过一个电动调节器来实现调节的，这就能实现导向叶片的准确定位，从而达到最佳的增压压力。

   另外在涡轮壳体内的涡轮前部还集成了一个温度传感器，用来测量增压空气的温度，发动机管理系统利用这个信息可以防止涡轮增压器过热。

当温度超过450℃时，还可以启动颗粒过滤器的还原功能。

   涡轮增压器在小负荷、低转速的情况时，处于可控调节状态，以便快速产生增压压力；大负荷、高转速的情况下会被调节，以便将增压压力保持在最佳范围内。

   9、废气再循环

   为了能提高废气再循环流量，安装了一个废气再循环阀，该阀控制进气管内的废气再循环流量。

废气再循环系统的接口在叉形管内，这个叉形管将两侧的汽缸汇集到排气一侧。

这是一个高压的废气再循环系统，也就是说：

废气再循环压力总是高于进气管压力的。

进入进气管内的废气气流与吸入的空气气流的方向是相反的，这就可以使得新鲜空气与废气均匀而充分地混合。

为了能有效减少废气中的颗粒和氮氧化物（NOX）,在发动机暖机时，废气由一个冷却器来冷却，该冷却器内部充满流动的水且可由开关控制。

   发动机冷机状态时，旁通阀打开（如图10所示），废气再循环直接进行，以便能以最快速度加热催化净化器；发动机暖机状态时，旁通阀关闭（如图11所示），废气被强制通过用水来冷却的废气再循环冷却器。

  10、λ调节

   这是第一次在Audi柴油发动机上使用了λ传感器（如图12所示）。

这种λ传感器就是汽油发动机上使用过的宽频带λ传感器，其特点是在整个发动机转速范围内均可接收λ信号。

通过λ传感器可以调节废气再循环流量并校正烟雾排放。

λ测量值（约1.3或更稀）可将废气再循环率调节到烟雾排放极限值，从而提高废气再循环率。

   λ调节也用于验证空气流量计信号的可信性（HFM），空气流量是采用一个计算模式根据λ值计算出来并与空气流量计值相比较的。

这样就可以对整个系统（废气再循环、喷射、供油始点）进行校正。

   如果λ信号发生故障，自诊断系统就会记录一个故障代码，同时指示灯（MIL，即多功能指示灯）亮起。

  11、预热装置

   这种预热装置（如图13所示）称为柴油机快速启动系统，它采用新型的陶瓷预热杆，该预热杆可在2s内达到1000℃，这就保证了该款发动机可以像汽油机那样快速启动，而不会再出现一般柴油机的那种“1min的延迟”。

为了减轻车上电源的供电负荷，这种预热杆采用脉冲宽度调制（PWM）和相位偏移的方式来启动。

  二、燃油供给系统

   新款奥迪A6L3.0I-V6-TDI型柴油发动机的燃油供给系统采用了Bosch（博世）公司的第3代共轨技术，如图14所示。

该系统配有一个由齿形皮带驱动的高压泵，左、右气缸座各有一条分配管。

喷油压力提高到了1600bar（1bar=100kPa），比以前的第二代共轨系统提高了250bar。

  1．压电喷油阀

   新一代共轨系统上最重要的改进就是燃油喷射系统采用了如图15所示的压电喷油阀（Piezo-喷油阀）。

这种喷油阀是利用压电效应来控制的。

压电效应是指当离子构成的晶体（电气石、石英、酒石酸钾钠）发生变形时，会产生一个电势。

压电效应也可以反过来用，即加上电压后晶体会被拉长。

   采用压电喷油阀的好处在于：

每个工作行程可产生多个触发周期；大大缩短多个喷油阀之间的切换时间；可以产生很大的力以对抗共轨压力；燃油卸压时可精确地控制行程；触发电压为110～148V，这取决于轨道的压力。

   需要注意的是：

维修时，如果更换了喷油阀，则必须对喷油阀进行与喷射系统匹配的操作，同时，还要进行喷油量对比（IMA）试验。

   喷油阀中的液力转换器（连接模块）将执行元件模块长度的增长转化为液体压力和位移，然后作用到切换阀上。

连接模块（如图16所示）的作用就像液压缸，它的上面通过压力调节阀总是作用有10bar的燃油压力，该压力使这个液压缸反向运动。

如果没有这个反向压力，则喷油阀就会失效。

燃油在连接模块中的连接活塞A和阀活塞B之间起压力缓冲垫的作用。

当喷油阀有动作但不喷油时（系统内进入了空气），喷油阀就会以启动转速来进行排气。

   喷油阀中的切换阀（如图17所示）由阀门板、阀门芯、阀门弹簧和节流片组成。

燃油经节流片上的入口节流阀（Z）流到喷嘴针阀处并进入该针阀上部的腔内，于是喷嘴针阀的上部和下部压力就平衡了，喷嘴针阀就被喷嘴弹簧的作用力保持在关闭的位置上。

当压下阀门芯时，回流通路就打开了，轨内的压力油首先流过喷嘴针阀上部的一个较大的出口节流阀（A），于是喷嘴针阀就被该压力抬离针阀座，然后就开始喷油。

   由于压电元件的切换脉冲非常快，因此在每个工作行程中可以完成多次连续的喷油过程。

当发动机冷机且以怠速运行时，喷油阀要进行两次预喷油和补充喷油。

是否进行预喷油取决于发动机的负荷、转速以及变速箱的挡位。

随着负荷的增加，预喷油逐渐减少，直至全负荷时只有主喷油在工作了。

两次补充喷油都是用来还原颗粒过滤器的。

  2．齿轮泵和高压泵

   齿轮泵（如图18所示）由齿形皮带通过高压泵的贯穿偏心轴来驱动，将油箱中的燃油（用油箱内的泵）输送到高压泵中。

   为了能更好地调节燃油压力，高压泵（如图19所示）使用了两个调节系统。

当发动机冷机且以怠速运转时，燃油压力由燃油压力调节器N276来调节，用以限制扭矩的输出。

在全负荷且发动机热机时，燃油压力由燃油压力调节器（计量单元ZME）N290来调节，以避免在不必要时加热燃油。

当供油轨上的压力超过200bar时，发动机控制单元就会启动喷油过程。

当供油轨上的压力降至130bar时，发动机控制单元就会终止喷油过程。

  3．颗粒过滤器

   3.0I-V6-TDI型柴油发动机使用了无催化净化添加剂的颗粒过滤器（如图20所示）。

这个所谓的“催化炭烟过滤器”（CSF）有一个含有贵金属的过滤层。

为了能还原过滤器和监控排放系统，需要安装多个传感器：

3个温度传感器和1个压差传感器。

温度传感器分别安装在涡轮增压器前方、催化净化器后方和颗粒过滤器前方。

压差传感器用于监控颗粒过滤器前、后的压力差，还可识别出过滤器是否被炭烟堵塞。

   在被动还原中（即不由发动机管理系统控制），颗粒过滤器中所含的炭烟被缓慢而仔细地转化成CO2，这个过程出现在350～500℃之间，主要是车辆行驶在高速公路上时，由于短程行驶或城市循环而使排气温度过低而造成的。

对于常见的城市循环工况，每行驶1000～2000km应通过发动机管理系统来进行一次主动的还原过程。

   滤芯的结构与传统的催化净化器相似，二者的区别在于该催化净化器的通道在进气和排气方向上是交替锁闭的，这样含有炭烟的废气就必须得穿过透气的氧化硅层，使得废气就流到排气系统出口，而炭烟则滞留在陶瓷壁上了。

这个陶瓷壁涂有一层铑和氧化陶瓷的混合物。

   通过滤芯的铑涂层可产生二氧化氮（NO2），这种物质在350℃以上时会引起炭烟氧化（被动还原）。

涂层中的氧化陶瓷成分在580℃时可以用氧气（O2）来加速热还原反应（主动还原）。

   发动机控制单元中有一个预先编制好的模拟模式程序，该程序根据使用者的驾驶风格和压差传感器获得的信号来判断过滤器的吸附饱和程度，在必要时执行主动还原程序。

这就要通过补充喷油（与主喷油接近）、加大喷油量、延迟喷油时刻、关闭废气再循环、阻塞节气门等多种方法来将涡轮增压器的温度提高到约450℃。

当催化净化器的温度超过350℃时，就会进行第二次补充喷油（与主喷油很远）。

这个补充喷油来得很迟，以至于燃油只来得及汽化，而尚未燃烧。

这些燃油蒸汽将在催化净化器处发生反应，从而将气体温度提高到750℃，于是炭烟颗粒就开始燃烧。

过滤器上有一个温度传感器，它可以调节第二次补充喷油的喷油量，使车底过滤器前的温度达到620℃，于是炭烟颗粒很快就会被烧掉。

机油燃烧后的剩余物（机油灰）无法烧掉,因此就堆积在过滤器内,从而导致过滤器失效，当行驶里程达到150000～200000km时，过滤器就会失效，必须更换过滤器。