大众奥迪轿车V8增压燃油分层直喷式汽油机（一）

◆文/江苏 范明强

大众奥迪轿车V8增压燃油分层直喷式汽油机（一）

◆文/江苏 范明强

奥迪公司开发了新一代4.0L-V8-TFSI增压直喷式汽油机替代A6和A8系列轿车的5.2L-V10-FSI自然吸气式汽油机。新款4.0L-V8-TFSI增压直喷式汽油机的主要特点是排气歧管和废气涡轮增压器等高温部件都布置在V形夹角中，并且采用了用于汽缸按需工作的汽缸切断系统，显著降低了燃油消耗和废气排放，它可提供309kW和382kW两种功率等级变型，分别搭载于S和RS系列车型。本文将详细介绍此款发动机的机械结构设计和燃烧过程的开发及其应用。

范明强

（本刊编委会委员）

教授级高级工程师，参加过陕西汽车制造总厂的筹建工作，主管柴油机的产品开发；1984年调往机械工业部无锡油泵油嘴研究所，曾任一汽无锡柴油机厂、第一汽车集团公司无锡研究所高级技术顾问、湖南奔腾动力科技有限公司总工程师。

为了能满足当前和未来燃油消耗和废气排放法规的要求，发动机小型化起着越来越重要的作用，因此奥迪公司开发了新一代4.0L-V8-TFSI增压燃油分层直喷式汽油机替代A6和A8系列轿车的5.2L-V10-FSI自然吸气燃油分层直喷式汽油机。这种采用两个废气涡轮增压器的V8增压直喷式汽油机用于S6、S7、S8、 A8、RS6 和RS7车型，其最重要的开发目标，除了具有运动型动力性能（良好的加速性和功率发挥、运转平稳性以及发动机噪声）之外，还必须在大大改善行驶功率的同时明显降低燃油消耗，为此采用了发动机启停系统和用于汽缸按需工作的汽缸切断系统（COD=Cylinder on demand），同时应用了新型的变扭器——自动变速器或新型双作用离合器变速器，达到了新的外形设计与强劲的运动型行驶功率和低油耗的完美结合，为运动型轿车的行驶动力性能特别是加速响应特性树立了新标杆。

一、结构特点

新款4.0L-V8-TFSI增压直喷式汽油机（图1）的结构设计与4.2L-V8-FSI自然吸气直喷式汽油机类似，但其排量缩小到4.0L（表1所示奥迪4.0L-V8-TFSI增压直喷式汽油机的主要尺寸和特性参数），其主要特点是排气歧管和废气涡轮增压器等高温部件都布置在V形夹角中，与普通的V形发动机进气歧管布置在V形夹角中而排气歧管则布置在两列汽缸外侧相比，其汽缸盖的进排气侧互换了位置。新鲜空气从涡轮增压器压气机出发，穿过节气门，经过同样布置在V形夹角中的间接增压空气冷却器、两个安置在端面的空气分配管和安装在发动机外侧的进气管进入汽缸盖进气道供应汽缸，如图1中蓝色箭头所示。为了尽可能缩短车辆的突出部分，发动机被设计得极短，长度仅497mm，另一方面同样布置在V形夹角中的曲轴箱通风模块也有助于提高整机的紧凑性。借助于被称之为奥迪-AVS的可变气门升程机构实现COD汽缸切断功能。这种新机型继承了老机型可靠的配气机构，同时仅仅采用最少数量的不通用件，不仅实现了309～382kW这么大的功率跨度，而且可以搭载于大众集团的各种不同车型。

二、汽缸体曲轴箱

与4.2L-V8-FSI自然吸气直喷式汽油机一样， 4.0L-V8-TFSI增压直喷式汽油机两排汽缸之间的夹角也为90°，同时还继承了老机型的90mm缸心距、84.5mm汽缸直径以及18.5mm的两排汽缸错位。汽缸体曲轴箱由AlSi17Cu4Mg过共晶铝硅合金采用低压金属模均质铸造而成。由于升功率的提高以及由此而引起的较高的热力和机械负荷，在382kW功率等级机型上还采用了T6热处理工艺。

表1　奥迪4.0L-V8-TFSI增压直喷式汽油机的主要尺寸和特性参数

汽缸工作表面在使用螺栓拧紧的支架情况下进行螺旋形珩磨。为减少在燃烧压力下汽缸的变形，借助于布置在汽缸体曲轴箱周围结构上的加强筋来强化其刚度（图2）。为了加强主轴承座，在主轴承座铝框架底座中镶铸了5个球墨铸铁镶铸件，并附加用横向螺栓拉紧。这些措施提高了主轴承座的强度和轴承孔的圆度，并改善了发动机的声学性能。

三、机油循环回路

4.0L-V8-TFSI的机油循环回路基本上以4.2L-V8-FSI自然吸气直喷式汽油机为基础设计的。叶片式机油泵是两级可调式机油泵，在0.2MPa机油压力的低压范围内机油泵在4 000r/min以下运行，此后就转换到高压范围运转。除了增压器中的机油供应管路之外，所有的压力机油和回油通道都集成在汽缸盖、汽缸体曲轴箱和油底壳上件的铸件中（图3上）。与老机型相比，机油循环回路中的压力损失能再次明显降低，再加上应用了两级可调式机油泵，摩擦损失明显减少，因而显著降低了燃油消耗。

由于应用了按特性曲线场控制的活塞冷却机油喷嘴，能够将掺入曲轴箱通风气体中的机油损耗减少到最低程度。在发动机转速低于4 000r/min情况下，在负荷高于400Nm时活塞冷却机油喷嘴才打开（图3下），在该运行范围内的机油流量最多可减少25%，因此在发动机暖机阶段活塞可达到较高的温度，并在部分负荷时可获得废气排放方面的好处。通过所有这些措施所获得的总的效果是在120℃机油温度下机油流量＜60L/min，这对于V8发动机而言是非常好的了。在功率较大的机型上附加应用了布置在车辆前端的空冷机油冷却器。

四、曲柄连杆机构

在所有的功率等级机型中，涨裂连杆配备了17mm宽的三层材料轴瓦，30°梯形连杆小头镶有铜合金衬套，活塞销直径为22mm。5道轴承支承的曲轴继承了4.2L-V8-FSI自然吸气直喷式汽油机的基本结构设计，而行程减小到89mm。为了提高曲轴强度，其所有的轴颈圆角均经感应淬硬。4.0L-V8-TFSI增压直喷式汽油机的曲轴材料，在主轴承直径为65mm的机型上采用C38中碳钢，而在主轴承直径为67mm的功率强化机型上则采用42CrMoS4合金钢。

由于两种功率等级机型的压缩比不同，具有活塞环槽镶圈的铸铝活塞顶的形状分别与各自的功率变型相匹配。为了减小摩擦，第一道活塞环和活塞销涂有DLC（类金刚石石墨）涂层。

五、冷却液循环回路

冷却系统的外围设备取决于车型和功率等级而不同，而发动机中的冷却循环回路是相同的（图4）。为了获得均匀的温度分布，冷却液横向流过发动机，同时整机配备了创新的热管理系统（ITM）。安装在冷却液泵进口侧可加热的圆形滑阀式节温器，在其调节范围内具有比常规阀盘式节温器更低的压力损失。为了进一步降低摩擦损失，在部分负荷时热机运行的冷却液温度被调节到105℃。

借助于连接在冷却液泵后面的一个球形阀，实现在暖机运行阶段整个发动机中的冷却液停止流动，在冷却液温度低于80℃情况下每次发动机起动时都是如此，然后在发动机达到正常运行温度时冷却液流入汽缸体曲轴箱V形夹角中，并从这里开始经过集流管供应两列汽缸盖。ITM的另一个特点是具有自给自足的采暖功能。这种附加的采暖循环回路直接连接到汽缸盖，并由一个电动泵进行循环，这样即使汽缸体曲轴箱中的冷却液停止流动，乘客车厢也能取暖，因而在对用户具有重要意义的运行工况，特别是在发动机暖机阶段开通采暖设备时，可以获得明显的节油效果。

六、摩擦功率

通过采用许多特殊措施，能够不断降低4.0L-V8-TFSI增压直喷式汽油机的摩擦功率，具体如下：

① 加大汽缸体曲轴箱中的通风截面和机油集滤器；

② 提高汽缸体曲轴箱中的真空度；

③ 消除机油和冷却液循环回路中的节流；

④ 将低压级的机油压力降低到0.2MPa；

⑤ 活塞冷却机油喷嘴按特性曲线场进行控制；

⑥ 缩短活塞行程提高曲柄连杆机构的刚度；

⑦ 为两种功率等级机型分别选择摩擦优化的主轴承直径；

⑧ 减小进气门弹簧力；

⑨ 减小三油腔凸轮轴相位调节器的机油流量；

⑩ 可变气门升程凸轮片采用无摩擦的轴向定位；

⑪减小第三道活塞环的预张力，而第一道活塞环和活塞销采用DLC涂层；

⑫汽缸工作表面采用螺栓拧紧支架进行螺旋珩磨，并提高汽缸套上纵向加强筋的刚度，减小汽缸变形。

通过上述这些措施的综合效果，特别是在对用户使用具有重要意义的低转速范围内，与4.2L-V8-FSI自然吸气直喷式汽油机相比，能够显著降低摩擦损失（图5）。

（未完待续）