关于Volkswagen公司的新型3缸柴油机性能分析

Volkswagen公司凭借新型3缸柴油机创造了在小型汽车细分市场的通用基础。通过削减发动机系列,以及集成模块化的柴油机标准部件,与以往的多发动机策略相比,显著降低了费用和成本。研发重点是降低CO2排放,并使配备新发动机的Polo车型满足欧6排放法规的要求。

1开发目标

Volkswagen公司的模块化柴油机标准部件在概念阶段就已针对缸数不同的发动机进行设计，减小排量的3缸发动机扩展了这一体系。该体系的应用重点是Volkswagen公司的小型车平台。针对小型车用新型3缸涡轮增压直喷式(TDI)柴油机，提出了以下开发目标： (1)与公司所有横向平台的兼容性；(2)与原先的发动机相比，显著降低CO2排放和整机质量；(3)与原先的发动机相比，提高升功率和扭矩，挖掘削减发动机系列的潜力；(4)共享模块化柴油机标准部件，在现有设备上实现灵活制造和装配，最终降低成本；(5)满足欧6排放法规要求。

2新型3缸发动机的主要功能模块

2012年已推出采用模块化标准部件的4缸柴油机，现在，新型3缸发动机进一步扩展了柴油机种类。新型3缸发动机的排量均为1.4L，具有55～77kW的3种输出功率(表1)。首次配装于新Polo轿车，该发动机能完全取代1.2L 3缸TDI发动机和1.6L 4缸TDI发动机。

表1 新型3缸TDI发动机的主要技术规格

基于扩展的功率型谱和已有的模块化4缸发动机标准组件，新型3缸发动机的研发广泛借鉴了先前的经验。必须重新设计3缸机专用的曲轴箱、气缸盖、气门机构、增压装置和曲柄连杆机构；而辅助传动和正时传动，以及发动机热端和冷端部件则继续沿用现有组件或经优化后使用。

3气缸体曲轴箱

通过以下方法实现气缸体曲轴箱减轻质量和声学优化的研发目标： (1)在设计铝合金曲轴箱时优化材料与结构的匹配;(2)设置专门的冷却液通道，促使零件快速加热；(3)集成热管理措施；(4)将气缸盖螺栓的螺纹设计在水套下方；(5)优化未净化和净化的机油回路，以减小流动损失；(6)延长至油底壳分界面的回油通道和漏气通道。

首次在模块化柴油机标准部件中采用由铝合金AlSi9Cu3重力金属型铸造的曲轴箱，为轻量化作出重大贡献(图1)。气缸工作表面采用GJL 250制成的热压薄壁缸套。只改变气缸体曲轴箱材料，就可减轻质量11kg。

图1 气缸体曲轴箱

为采用铝合金，加宽曲轴轴承盖配合面，并提高轴承盖螺栓的螺纹部分。为进一步减小轴承座的应力，通过计算优化卸载槽。因而,相比同等的灰铸铁3缸机，新发动机质量减轻11kg，并且比1.6L TDI发动机的质量减轻27kg。

4平衡轴、曲柄连杆机构和油底壳

为平衡自由惯性矩，采用1根与曲轴旋转方向相反且以发动机转速旋转的平衡轴。为了减小摩擦，将平衡轴集成到带机油泵和真空泵的联合模块中(图2)。联合模块由直接传动的单级齿轮传动机构驱动,该机构的齿轮齿形是经声学优化的。

图2 联合模块

通过优化减振器和飞轮的质量平衡，使曲轴的旋转惯性矩最小化，同时减轻曲轴质量。机油泵和真空泵沿用4缸TDI发动机的组件。通过流量可调的叶片泵实现机油供给。此外，采用电磁阀(由3缸发动机的特性曲线图控制)进行低压级和高压级转换。

组合式油底壳的上部采用强度优化的压铸铝合金制成，有助于加强发动机与变速器的连接刚度。油底壳下部由金属薄板制成，其特定的轮廓和优于铸件的延展性提高了部件与路面或异物接触时的安全性。

5气缸盖

气缸盖的设计借鉴采用模块化柴油机标准部件的4缸发动机系列(图3)，无须改变气门机构部件。此外，还集成了热管理的冷却概念，双体式水套为此奠定了基础。

图3 气缸盖

气门组呈直线对称排列，进气门和排气门分别位于一条线上。平行布置的气门和优化了压力损失的进气通道使气缸充气效率更高。通过气门座涡流斜角和与之相配的气道几何形状，以及可调进气歧管，确保了应有的涡流水平。气缸盖中冷却液的导流使进排气道能按需匹配，以满足更高的功率和排放要求。

由于采用4缸发动机的垂直进气法兰概念及钻孔和螺栓连接概念，所以可以直接利用4缸机的生产线制造新气缸盖。

6增压空气冷却器

新型3缸发动机与模块化柴油机系列的其他发动机一样，也采用水-空增压空气冷却器(图4)。不同于4缸机，在Volkswagen公司小型车辆平台中，要求将增压空气冷却器布置在气缸盖的变速器一侧。其冷却芯由7个水平堆叠的扁平铝管组成。铝管之间及压入管中的湍流板大幅改善了增压空气至冷却液的传热。塑料空气箱与冷却器部件用卷边固定在一起。

图4 增压空气组件

7耦合式低压废气再循环（EGR）和高压EGR

与4缸欧6发动机相同，新型3缸发动机采用储存式氮氧化物催化转化器、柴油机颗粒捕集器(DPF)和双回路EGR的废气净化概念。排气侧的冷却式低压EGR通过变速器一侧带阀门的非冷却式高压EGR补充。由于安装原因，增压空气冷却器被布置在发动机侧面，因而不同于4缸欧6发动机，高压EGR位于增压空气冷却器后，但在进气歧管前。

8喷油系统

整个模块化柴油机标准部件的开发目标是，无论发动机的气缸数是多少，不同供应商的喷油系统均具有基本的兼容性。新型3缸TDI发动机采用Delphi公司系统压力为200MPa的DFS 1.20喷油系统，具有7孔喷嘴，在测试压力10MPa时，每60s流量为500mm3。通过减少电磁阀式喷油器DFI 1.20的泄漏量，降低CO2排放。采取若干调整措施，如采用更强的电磁线圈和优化针阀座，进一步提高在全球市场应用的稳定性。首次应用所谓“气缸背压补偿”的软件功能，可在相对较低的气缸背压下(例如DPF再生时)进一步改善喷油精度。

综上所述，结合气缸盖中的气道几何形状和气门布置设计，采取上述措施的1.4L发动机原始排放比原先的1.2L机型明显降低。

9摩擦

由于针对3缸柴油机的CO2限值极为严格，因此，在这一用途领域，必须大幅降低摩擦损失，这也有助于达到燃油耗目标。

将行程从80.5mm增大至2.0L 4缸TDI发动机常用的95.5mm，从而将1.2L 3缸发动机的排量提高到1.4L。通过优化活塞组的活塞间隙、活塞环张力和活塞环形状，抵消不利的曲柄连杆比所带来的劣势。

减少齿带转向和带轮数量，改进正时传动装置，再结合摩擦优化的高压燃油泵，进一步降低附件驱动的功率。在全新模块化整体式凸轮轴轴承框架下，改进凸轮轴轴承，从而降低气门机构的损失。

将平衡轴、机油泵和真空泵集成到紧凑的联合模块中，无须单独驱动平衡轴。针对3缸机，在这一模块中集成可调式机油泵，有助于降低驱动功率。体积流量可变的水泵不仅可缩短冷却系统的加热时间，而且还能将切换状态下的驱动功率降到最低。

比较整个发动机的拖动功率后可知，与排量更小的3缸机相比，采取上述措施后，发动机的拖动功率改善约20%(图5)。

图5 发动机的拖动功率改善约20%(发动机转速1600r/min、机油温度90℃)

10噪声-振动-平顺性（NVH）分析

Volkswagen公司为首次采用模块化柴油机标准部件的新型3缸TDI发动机研发了最小型的铝合金气缸体曲轴箱。由于采用新的曲轴箱材料，因而必须深入研究，以确保具有足够的结构刚度，并防止失去声学舒适性。降低噪声的措施主要集中在平衡轴驱动和正时传动装置上。

在改用铝材料的情况下，为尽可能减小气缸体曲轴箱的声辐射，进行大量试验性的结构分析，开发并实施结构刚度改进措施。通过NVH计算，实现肋条在外部区域和内部区域的最佳分布。因此，将曲轴箱的声辐射表面分为多个大小不等的区域。

平衡轴驱动的研究结果优化了轮齿形状和数量，有效防止产生干扰性噪声和脉动噪声。在正时传动装置方面，新的张紧装置设计和前文提及的带轮布置变化也具有积极的声学影响。

此外，还采取一系列措施降低空气和固体声辐射，并改善振动性能。尤其是对发动机支承和双质量飞轮进行深入改进，确保在整个频率范围内，车身和传动装置能与发动机良好解耦。为了减小发动机机舱的声辐射，采用油底壳挡板、降噪的罩盖和声学优化的空气滤清器壳。所有措施都有效降低了动力装置在整个转速范围内的空气噪声级(图6)。

图6 采用与不采用发动机声学措施的

声功率比较

11功率和扭矩

新型1.4L 3缸TDI发动机向上扩展了3缸机领域的功率范围(图7)。原有发动机的功率只有55kW，而目前3种机型功率最高可达77kW，最大扭矩可达250N·m。所有发动机在宽广转速范围内(自1500r/min起)均具有理想的扭矩值(超过最大扭矩的90%)。其中，1.4L 55kW变型机的性能优势尤为明显。新发动机的最大扭矩为210N·m，比原有发动机提高30N·m，且明显更早(1500r/min)达到最大扭矩。功率最小的机型在通常与起步相关的最低转速范围内，扭矩与排量超比例提高30%以上。

图7 3种新型1.4L 3缸发动机(EA288)与原有1.2L发动机(EA189)的

功率和扭矩曲线比较

12行驶动力性与燃油耗

通过仔细优化新型3缸机的流动路径、换气和燃烧过程，各功率等级的发动机实现了涡轮增压器良好的自动响应性和强大的起步加速功率。新Polo车已完全柴油化，且机动性得到改进，同时，燃油耗比原先相同功率发动机的更低。其中，功率55kW的发动机性能优化尤为显著。

在功率66kW的发动机上，Volkswagen公司首次将3缸TDI发动机与著名的7档双离合变速器结合，该换档方案可用于超低转速的行驶模式。除汽车的燃油耗措施(蓝驱技术)外，该方案是相比原先4缸发动机减少CO2排放19g/km的重要因素。尽管排放法规日益严格，且对舒适性要求更高，所有采用手动变速器的车辆CO2排放也明显比原车型的低(表2)。

表2 新Polo车的燃油耗与行驶动力性

13结语

在Volkswagen公司的发动机战略框架下，新型3缸机扩展了模块化柴油机标准部件的应用范围。

其开发目标是，与原有发动机相比，质量明显更轻，并且具有更低的燃油耗和更强劲的行驶动力性。

目前，新发动机的功率范围为55～77kW，可替代升功率较低的4缸发动机。首次采用刚度和质量经优化的重力金属型铸造铝合金气缸体曲轴箱。极其紧凑的结构设计使新发动机能适用于Volkswagen公司对超低CO2排放有高要求的小型车平台。新型3缸发动机能满足欧6排放法规要求，且模块化结构使其具有满足未来排放法规要求的潜力。

Volkswagen公司凭借新型3缸TDI柴油机，创造了在小型汽车细分市场的通用基础。通过削减发动机系列及应用集成的模块化柴油机标准部件，费用和成本明显低于原有发动机。新型发动机完全实现了预期的开发目标。