对于Volkswagen公司商用车用欧6发动机性能分析

Volkswagen公司基于模块化柴油机标准部件（MDB）开发的新型2.0 L TDI发动机，搭载在Multivan车型和Transporter车系上，并首次投放市场。采用满足商用车特殊要求的统一基础动力，逐步替换原4缸机型，使功率范围更大、燃油耗更低。该高功率版动力总成采用新开发的可调两级涡轮增压系统。

1 更高的要求

未来，对于轻型商用车动力装置的要求将会越来越严苛。为获得更好的经济性和效率，商用车发动机必须降低燃油耗，同时提高功率和扭矩。为此，数十年来轻型商用车都以整体能力优于其他动力的现代柴油机为主要动力源。

Volkswagen公司的商用车发动机如今已是该领域的最佳动力系统。为进一步提高在商用车领域的竞争力，Volkswagen公司主要针对以下重点进一步开发：（1）通过模块化柴油机标准部件降低复杂性；（2）坚持降低CO2排放；（3）提高升功率和扭矩；（4）优化响应特性和扭矩曲线；（5）满足欧6排放法规要求；（6）良好的可靠性和耐久性。

自2012年以来，Volkswagen公司已非常成功地将新模块化柴油机标准部件和共轨技术引入乘用车领域。在此基础上，商用车特定版MDB将首次应用于Volkswagen的新Transporter T6车型。并且在要求欧6排放法规的市场上，将完全取代目前使用的发动机。

在概念阶段，新发动机设计时就考虑到了商用车特有的严苛工况，以及有别于乘用车的特定安装环境。同时，考虑到Transporter车系中乘用车车型（Multivan）占了很大比例，所以在行驶性能、声学和振动特性方面均必须满足乘用车要求，因此，在整个转速范围内具有适当的功率、丰满的扭矩曲线和优良的起动性能至关重要。但是，轻型商用车较高的行驶阻力进一步加剧目标冲突。为此，输出功率高达110 kW的发动机采用可变几何截面涡轮增压器（VTG）（图1），而功率为150 kW的高功率版动力总成（图2）则对原机型的两级增压进行全面改进，并同样在高压级增加可变几何截面涡轮。从而进一步显著提高工作范围的适应性和扭矩特性。

图1 单涡轮增压发动机

图2 双涡轮增压发动机

2 新型商用车发动机的主要部件

为使商用车在预定的外部尺寸下的可用空间尽可能大，其发动机安装长度应小于相对的乘用车发动机（Volkswagen标准为既定的横置发动机模块化平台MQB）。由于发动机倾斜度偏离MQB（由向后倾斜12°变为向前倾斜8°），因此几个模块必须专门用于可用空间比MQB更大的车辆（图3）。

图3 新型4缸商用车发动机模块化结构

所有功率等级都采用相同的2.0 L基本发动机。通过调整涡轮增压和喷油系统的部件来实现特定功率。表1为Transporter车系新型商用车发动机的主要技术参数。

表1 Transporter车系新型4缸商用车发动机的主要技术参数

3 气缸体曲轴箱、平衡轴模块、双联泵

气缸体曲轴箱由灰铸铁GJL250制成并采用成熟的长裙设计。曲轴箱和平衡轴模块均采用Volkswagen模块化柴油机标准部件。除了采用带平衡轴的曲轴箱，扭矩减小的较低功率等级发动机还可以采用可降低质量和成本的无平衡轴方案。

机油泵和真空泵组成的双联泵放置于同1个压铸铝壳体内，压铸铝壳体位于油底壳的气缸体曲轴箱法兰之下。通过调整吸入管，使其适用于更深更大的商用车油底壳，这样就可采用模块化柴油机标准部件下的乘用车发动机双联泵。

4 气缸盖、整体式气门机构模块

以176 kW双涡轮增压乘用车发动机为基础，改进商用车发动机的气缸盖。Volkswagen公司的柴油机首次采用气门杆直径为5 mm的气门。通过减轻气门质量，可显著减小气门弹簧力，从而明显降低摩擦。

与原机型相同，气门组呈直线对称排列，所有进气门和排气门分别位于一条线上。这种布置方式使冷却通道几何结构更简单并提高芯子的稳定性。平行布置的气门和优化了压力损失的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，确保了良好燃烧所需的涡流水平。

由于采用钻孔和螺栓相互连接，所以可以利用模块化柴油机标准部件的生产线节约制造气缸盖的成本。

新型商用车柴油机和4缸TDI模块化柴油机标准部件发动机的气门机构模块具有相同的基本结构，但气门正时是专为商用车设计的，从而能获得非常丰满的扭矩曲线。

5 增压空气冷却器和进气歧管

新型商用车柴油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。不同于乘用车4缸机，Transporter车系的发动机舱空间较小，因而要求将增压空气冷却器布置在气缸盖的上方。

冷却芯由22个成对焊接的冷却板组成，空气按逆流原理流经冷却芯。这样既确保铝板至冷却液的传热良好，也保证压力损失较低。湍流板改善了增压空气至冷却液的传热。塑料空气箱确保冷却板内的气流流动均匀。塑料空气箱与冷却器部件用卷边固定在一起。为减少振动负荷，借助弹性紧固机构使增压空气冷却器与发动机激振解耦。

由于商用车的用户任务剖面比乘用车更宽广，因而要求所设计的燃烧过程非常稳定。尤其在低速运行情况下，要求根据特定工况点设置进入燃烧室的气流涡流，以减少颗粒物排放。由聚酰胺6.6制成的进气歧管配有气动操作的涡流瓣阀，能有效控制涡流。

6 废气再循环（EGR）系统

由于欧6废气排放标准提高了对发动机废气排放性能的要求，尤其是必须降低新欧洲行驶循环（NEDC）冷起动后的废气排放，因而需大幅改善高压EGR系统的效率。

根据前几代EGR模块的经验，T6开发在全工况下均有较高稳定性的全新气门和冷却器。开发重点为稳定转换冷却器旁通功能，避免燃烧残留物冷凝。同时通过气门杆的无侧力运行，降低了气门导管区域的磨损。

通过唯一的执行器无级控制冷却器路径和旁通，这种驱动可以最大程度地利用发动机侧面及变速器上方的现有空间，无需采用真空控制旁通阀。EGR阀有2个浮子置于气门杆上的气门顶，铬镍铁合金制成的压缩弹簧将气门顶压入各自的气门座内。

考虑到模块在发动机热端至冷端的气路中的位置，不能采用传统的U型流动冷却器。而I型流动冷却器在相同空间内效率太低，因此采用新的S型气流管（图4）。

图4 高压EGR模块

EGR阀有3种不同的开关工作状态：（1）在中间位置时，冷却路径和旁通路径均关闭；（2）在旁通位置时，执行器向下推动处于中心位置的气门杆，从而打开上方的气门顶，使冷却器旁通管的气路通畅；（3）在冷却位置时，执行器向上拉动气门杆，从而打开下方的气门顶，使S型冷却管路通畅。

7 喷油系统

新型商用车柴油机采用Delphi公司系统压力为200 MPa的喷油系统。虽然对商用车发动机的功率要求高于乘用车发动机，但属于模块化柴油机标准部件的DFS 1.20喷油系统的所有零部件几乎都可用于功率高达110 kW的单涡轮增压发动机。8孔喷嘴的雾化状态与使压缩比降低到15.5的新活塞凹腔形状相匹配。

为确保双涡轮增压顶级动力在低转速、大扭矩工况时所需的喷油量，新机型采用供油量显著提高的双柱塞DFP 7.20高压泵。

8 单涡轮增压系统

功率分别为62 kW、75 kW和110 kW的发动机采用在2.0 L TDI发动机VTG涡轮增压器基础上进一步升级的增压系统。由于必须符合欧6排放法规，要求燃油耗和CO2排放较低，并具备使牵引力优化的扭矩特性，因而该涡轮增压系统适用于此车系。

为了实现特定功率优化，分别针对功率高达75 kW和110 kW的发动机开发新型涡轮增压器。此外，为了提高整个工作范围的效率，重新设计了原机型的压气机叶轮和涡轮叶轮。

9 针对150 kW机型的双涡轮增压系统

随着首次成功将两级涡轮增压用于Transporter车系，Volkswagen公司自2009年起成为优化牵引力的商用车发动机开发的引领者。为确保和扩大竞争优势，新2.0 L双涡轮增压发动机与原机型相比大幅提高了功率和扭矩。

这种高功率版动力总成与功率较小的机型一样，配装于商用车时也需考虑到即使在最大载重5.5 t的情况下，也要有较高的载荷谱和起动性能。

基于原机型的成功经验，再次采用可调两级涡轮增压系统，包括旁通在内的叶轮和压气机侧为串联模式。为进一步提高起动性能，高压级采用VTG。低压涡轮仍继续由放气阀控制。除了压气机被动旁通，还采用涡轮主动旁通阀及常见的放气阀作为执行器。后2种阀门均配有真空调节的执行器（图5），VTG也由真空调节。

图5 增压装置零部件名称

10 功率与扭矩

与原机型相比，新Transporter车系的2.0 L 4缸共轨发动机将功率范围向上扩展为62~150 kW，原机型为62~132 kW。功率最大的单涡轮增压发动机功率可达110 kW，原机型为103 kW。尽管功率提高，但仅在转速1 500 r/min时就可获得额定扭矩，而原机型转速则需达到1 750 r/min时才能获得额定扭矩。此外，在转速3 000 r/min时可获得最大扭矩340 N·m。在3 200~3 800 r/min的宽广转速范围内，均可达到扩展的最大功率110 kW（图6）。

图6 新机型与原机型的功率和扭矩曲线比较（110 kW单涡轮增压发动机与103 kW发动机对比）

Volkswagen公司的新型商用车高功率版动力总成采用额定功率为150 kW（转速4 000 r/min）的2.0 L 4缸双涡轮增压发动机（图7）。它以大于76 kW/L的升功率成为商用车领域的引领者。最大扭矩450 N·m遵循传动系的机械传动极限，在转速1 400 r/min时就可达到最大扭矩。这与原先的高功率版动力总成相比，整个转速范围内的可用扭矩提高12%以上。

图7 新机型与原机型的功率和扭矩曲线比较（150 kW双涡轮增压发动机与132 kW发动机对比）

11 行驶动力性、废气排放及燃油耗

新Transporter车系的发动机设计重点是大幅降低各功率等级的发动机的燃油耗和CO2排放，同时改善行驶动力性能。各功率等级的发动机均符合法规要求，满足欧6排放标准。

深入的细节工作及专为商用车设计的涡轮增压系统，使所有发动机的扭矩曲线更丰满，因此，无论是0~100 km/h的标准加速度，还是行驶运行中较重要的机动性，都优于原来的车型。与原机型相比，顶级动力的功率大幅提高，因而需重新设计传动比，使行驶动力性明显改善（表2）。

同时，废气排放限值降低，要求优化进气、充气运动和喷油系统，显著减少发动机原始排放，同时，将选择性催化还原（SCR）系统用于排气后处理系统。

整个排气后处理系统由改进的氧化催化器和颗粒捕集器组成，颗粒捕集器带有减少氮氧化物（NOx）的特殊涂层。在颗粒捕集器上游添加AdBlue尿素水溶液。集成在颗粒捕集器壳体内的阻挡催化转化器防止NH3泄漏。结合机内措施，有助于显著减少整个发动机工作范围内的排放，尤其是NOx排放。

尽管已大幅降低有害物质排放并改善行驶动力性能，仍可显著减少所有发动机的CO2排放。进一步优化的手动变速器和双离合变速器（DSG）也对CO2减排做出重大贡献。采用DSG的汽车，因其采用带离心摆重的双质量飞轮，因而换挡速度明显减小，从而降低燃油耗，并提升驾驶舒适性。结合车辆措施，能比原机型减少CO2排放30 g/km（图8）。

表2 新Transporter T6汽车（阴影部分）与原车型的行驶动力性比较（手动版，前驱）

图8 新Transporter T6汽车与原车型的CO2排放比较（初值，仅针对前驱车型）

12 结语

Volkswagen公司采用4气门技术的新型2.0 L 4缸TDI发动机为其轻型商用车的广泛应用和未来发展打下了基础。模块化柴油机标准部件是设计商用车专用发动机的起点，采用模块化柴油机标准部件可使发动机降低成本成为现实，通过现有的模块化柴油机标准部件生产系统节约发动机生产成本。

目前，Transporter车系新型发动机的功率范围为62~150 kW，扭矩范围为220~450 N·m。它以高于76 kW和225 N·m的升功率和升扭矩，成为其细分市场的引领者，新发动机的升功率和升扭矩比原机型提高约13%。起动扭矩超比例提升，双涡轮增压系统的VTG高压级完全发挥出优势。

降低燃油耗和CO2排放是研发重点之一。通过优化燃烧过程、降低摩擦功和减小换气损失，新车系的燃油耗比原车系平均降低约14%。Transporter车系的原机型满足欧5排放法规要求，而所有新机型均满足欧6排放法规要求。

在相关的所有特性上，如行驶动力性、燃油耗及排放等，量产的所有发动机均优于原机型。由于功率和扭矩得以提升，发动机结构非常紧凑，以及采用乘用车发动机现有的模块化柴油机标准部件，所以才能在短期内根据需要，设计并实现新型发动机在商用车领域的深入应用。