​关于Volkswagen公司3缸柴油机性能分析

Volkswagen公司凭借新型3缸柴油机创造了该集团在小型汽车细分市场应用的通用基础。通过削减发动机系列及集成到模块化柴油机标准部件中，与以往的多发动机策略相比，可显著降低费用和成本。研发重点是降低CO2排放，并使配备新发动机的所有Polo车型都能满足欧6排放法规要求。

1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了设计。排量减小的3缸发动机扩展了这一体系。该体系的应用重点是Volkswagen公司小型汽车平台。针对小型车用新型3缸涡轮增压直喷式（TDI）柴油机，提出了以下技术和经济要求：⑴与公司所有横向平台的兼容性；⑵与先前的发动机相比，显著降低CO2排放和整机质量；⑶与先前的发动机相比，提高了升功率和扭矩，因而具有削减发动机系列的潜力；⑷通过共享模块化柴油机标准部件，以及在现有设备上灵活制造和装配来降低成本；⑸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

随着2012年，推出了采用模块化标准部件的4缸柴油机[1,2]，现在，新型3缸发动机向下扩展了柴油机种类。新型3缸发动机的排量均为1.4 L，具有55 ~77 kW 3种输出功率（表1）。首次配装于新Polo轿车时，该发动机能完全取代1.2 L 3缸TDI发动机和1.6 L 4缸TDI发动机[3，4]。

表1 新型3缸TDI发动机的主要技术规格

项目	参数
发动机类型	55kW，欧6	66 kW，欧6	75kW，欧6
排量/mL	1422	1422	1422
缸径/ mm	79.5	79.5	79.5
行程/mm	95.5	95.5	95.5
缸心距/mm	88	88	88
压缩比	16.1	16.1	16.1
额定功率/kW	55 （3 000~3 750 r/min）	66 （2 750~3 250 r/min）	77 （3 500~3 750 r/min）
最大扭矩/(N·m)	210 （1 500~2 000 r/min）	230 （1 500~2 500 r/min）	250 （1 750~2 500 r/min）
发动机质量（DIN 70020-GZ）/kg	132	132	132

鉴于扩展的功率型谱和模块化4缸发动机已知的标准组件，新型3缸发动机的研发可以广泛借鉴先前的经验。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则继续沿用现有组件或经优化后使用（图1）。

图1 共用模块与新模块

3气缸体曲轴箱

通过下述方法实现气缸体曲轴箱减轻质量和声学优化的研发目标：⑴通过材料与结构的匹配来设计铝合金曲轴箱;⑵设置专门的冷却液通道使零件快速加热；⑶集成热管理措施；⑷将气缸盖螺栓的螺纹设计在水套下方；⑸优化未净化和净化的机油回路，以减小流动损失；⑹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，为轻量化作出了重大贡献（图2）。气缸工作表面采用GJL 250制成的热牙薄壁缸套。仅改变气缸体曲轴箱材料就可减轻质量11 kg。

图2 气缸体曲轴箱

为了采用铝合金，加宽了曲轴轴承盖配合面，并提高了轴承盖螺栓的螺纹部分。为了进一步减小轴承座的应力，通过计算优化了载槽。因而新发动机相比同等的灰铸铁3缸机质量减轻11 kg，比1.6 L TDI发动机质量减轻27 kg。

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3）。联合模块由齿形经声学优化的直接传动的单级齿轮传动机构驱动。

图3 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，同时减小了曲轴质量。

机油泵和真空泵可采用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缸发动机特有的特性图控制）进行低压级和高压级转换。

两体组合式油底壳具有1个强度优化的压铸铝合金上部，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，其特定的轮廓和比铸件更高的延展性，提高了与路面或异物接触时的安全性。

5气缸盖

气缸盖（图4）借鉴采用模块化柴油机标准部件的4缸发动机系列。无须改变配气机构。此外，还集成了已引入的热管理的冷却概念，而两体式水套为此奠定了基础。

图4 气缸盖

气门组呈直线对称排列，使进气门和排气门分别位于一条线上。平行布置的气门和压力损失优化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，确保达到所期望的涡流水平。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。

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

6增压空气冷却器

新型3缸发动机同模块化柴油机中的其他发动机一样，采用水-空增压空气冷却器（图5）。不同于4缸机，在Volkswagen公司小型车辆平台中的用途，要求增压空气冷却器布置在气缸盖的变速器侧。其冷却芯由7个水平堆叠的扁平铝管组成。管子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5 增压空气组件

7耦合式低压EGR和高压EGR

与4缸欧6发动机相同，采用存储式NOx催化转化器、柴油颗粒捕集器（DPF）和双回路EGR的废气净化概念[5]。排气侧的冷却式低压EGR通过变速器侧的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之后，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多少，不同供应商的喷油系统具有基本的兼容性。新型3缸TDI发动机采用Delphi公司系统压力为200 MPa的DFS 1.20喷油系统，具有7孔喷嘴，测试压力10 MPa时，每60 s流量为500 mm3。通过减少电磁阀式喷油器DFI 1.20的泄漏量，可降低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，可进一步提高在全球市场应用的稳定性。首次采用名为“气缸背压补偿”的软件功能，它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。

综合所述，结合气缸盖中的气道几何形状和气门布置设计，采用上述措施的1.4 L发动机的原始废气排放比先前的1.2 L模型明显降低。

9摩擦

对于CO2排放极其严格的3缸柴油机用途领域，显著减小摩擦损失特别重要，并且还有助于达到燃油耗目标。

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

通过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，进一步降低附加驱动的功率。全新模块化整体式凸轮轴轴承框架改进的凸轮轴轴承，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，就无须单独驱动平衡轴。针对3缸机，在此模块中集成了可调式机油泵，有助于降低驱动功率。体积流量可变的水泵不仅使冷却系统的加热时间缩短，而且，还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表明，与排量更小的3缸机相比，采用上述措施后，发动机的拖动功率改善约20%（图6）。

图6 发动机转速1 600 r/min、机油温度90°C时，发动机拖动功率的比较（总体改善约20%）

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，因而需要深入研究声学舒适性，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。

为使气缸体曲轴箱的声辐射在改用铝材料的情况下尽可能减小，进行了大量试验性的结构分析，并开发和实施结构刚度改进措施。通过NVH计算，实现肋条在外部和内部区域的最佳分布。因此，将曲轴箱的声辐射表面分成许多较小且大小不等的表面。

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，还采取了一系列措施来降低空气和固体声辐射，并改进减振。尤其是对发动机支承和双质量飞轮进行了深入改进，确保在整个频率范围内，车身和传动装置与发动机能较好地解耦。为了减小发动机舱的声辐射，采用油底壳挡板、降噪的罩盖和声学深入优化的空气滤清器壳。所有措施都有效地降低了动力装置在整个转速范围内的空气噪声级（图7）。

图7 采用与不采用发动机声学措施的声功率

11功率与扭矩

新型1.4 L 3缸TDI发动机向上扩展了3缸机领域的功率范围（图8）。原有发动机的功率只有55 kW，而目前3种型号的发动机功率最高可达77 kW，最大扭矩可达250 N·m。对于所有型号的发动机，在宽广的转速范围内（自1 500 r/min起）均有理想的扭矩值（超过最大扭矩的90%）。其中，新型1.4 L55 kW变型机的性能优势尤为明显。新发动机的最大扭矩为210 N·m，比原有发动机提高30 N·m，且明显更早（1 500 r/min时）达到最大扭矩。功率最小的发动机，在常用的与起步相关的最低转速范围中，扭矩与排量超比例地提高30%以上。

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自动响应性能和强大的起步加速功率。新Polo车已完全柴油化，并且机动性值都得到改进，同时，燃油耗比原先相同功率发动机更低。其中，功率等级55 kW的发动机的性能优化尤为显著。

在功率等级66 kW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应用。该换挡方案可用于超低转速的行车方式。除了汽车的燃油耗措施（蓝驱技术），该方案是使CO2排放比原先4缸发动机减少19 g/km的重要因素。尽管排放法规要求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发动机的CO2排放也明显比所替换的发动机低（表2）。

表2： 新Polo车的燃油耗与行驶动力性

项目	参数
功率	55 kW	66 kW	77 kW
		蓝驱技术		采用双离合变速器
0~80 km/h加速性/s	8.6	8.6	7.4	7.4	6.9
0~100 km/h加速性/s	12.9	12.9	10.9	10.9	9.9
4档80~120 km/h 机动性/s	12.0	12.0	9.5	-	9.0
5档80~120 km/h 机动性/s	15.5	15.0	13.0	-	12.5
5档最高车速/(km·h-1)	173	178	184	184	194
CO2排放量/(g·km-1)	88*	82	88	92	90
①无起动-停车系统=94 g/km

13结语

在Volkswagen公司的发动机战略框架下，可普遍适用的新型3缸机扩展了模块化柴油机模块化标准部件。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改进的行驶动力性。

目前，新发动机的功率范围为55~77 kW，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、重力金属型铸造的铝合金气缸体曲轴箱。极其紧凑的设计使新发动机特别适用于Volkswagen公司对超低CO2排放有高要求的小型车辆平台。新型3缸发动机满足欧6排放标准，且模块化结构使其能满足未来的排放法规。

Volkswagen公司凭借新型3缸TDI柴油机，创造了该公司在小型汽车细分市场应用的通用基础。通过削减发动机系列及将其集成到模块化柴油机标准部件中，费用和成本明显比原有发动机降低。新型发动机的开发目标已完全实现。