大众达到最严格排放标准的新型2.0 1 TDI发动机

大众满足最严格排放标准的新型2.0升TDI发动机随着大众途观和奥迪A4在欧洲投放市场，共轨发动机再开发来适应世界最严格的排气烟度限制，即美国Bin 5 Tier 2排放法规，在2008年中期，共轨发动机将会安装在大众捷达上。

同时发动机特征，例如优化的喷射系统、低压废气再循环系统和新气缸压力控制方法，NOx尾气后处理系统的实施是一大技术亮点。

这些新发动机组件要求开发新的控制算法和加强整个新燃烧过程中参数的协调。

1 引言由于加利福尼亚法律规定了低排放限制值。

相对于欧洲汽车市场，美国柴油机汽车市场仍然滞留在很低水平。

北美柴油机乘用车较欧洲明显要少，特别是在美国，这主要归因于柴油发动机以前留下的不好印象。

目前，由于环保意识的快速提高和汽油价格的暴增，柴油发动机逐渐的成为美国消费者明智的选择。

它们更低油耗和更高行驶里程，使柴油机吸引美国消费者。

然而，自从柴油没有了税收让利，汽油和柴油的价格差异很少。

忽略美国消费者对柴油发动机兴趣的激增，某些挑战仍然需要在技术方面突破，使获得可支撑的突破。

2 开发目标共轨TDI发动机的挑战是把尾气排放限制在Bin5最低极限值，考虑到燃油品质的差异的同时确保平稳燃烧。

引入稳定的NOx储存催化转化器，带给发动机控制和应用额外的要求，例如需要周期性的再生阶段正确运转。

由于加利福尼亚法规中的严格标准，2009年引入的低排放汽车模型带给OBD系统新的要求。

法规主要影响排放相关的临界值的诊断。

同之前的Bin10的限制相比（如图1），技术挑战主要体现在，对颗粒物和NOx排放的降低方面。

以4气门2.0升TDI共轨发动机为基础再开发，来满足Tier 2 Bin 5标准，产生的技术数据见表一。

图1满足美国第2阶段第5级排放法规的排放目标表一2.0 l TDI Tier 2 Bin5发动机参数Numbers of cylinders / valves per cylinder 4 / 4Displacement1968 cm3Bore81 mmStroke95,5 mmCylinder spacing88 mmCompression ratio16,5Weight (DIN 70020-7) / manual gearbox165 kgPower / at engine speed103 kW / 4000 rpmTorque / at engine speed320 Nm / 1750 ... 2500 rpmEmission level Tier 2 Bin53 发动机相应变化满足颗粒物和NOx低限制值，需要发动机燃烧的综合提高来达到初始排放的重大降低。

为了改善初始排放，发动机部件变化和额外的发动机附件主要集中在喷油器设计方面：高压喷射泵的优化、基于气缸压力的发动机控制系统支持的喷射顺序的管理，和高低压废气再循环系统（双循环EGR）的引入[1]。

3.1 喷油器的废气优化设计欧五标准发动机的喷油器，拥有1800 bar 压电技术和有八个流动优化的锥形喷雾口的最小盲孔喷嘴，用在2.0升共轨Tier 2 Bin 5发动机上[2]。

喷雾锥角是162°，适用于排放优化的碗型活塞顶部。

同时欧五型发动机喷油器孔径为0.123mm、喷嘴流量为785cm3/min。

Bin5发动机通过更小喷雾孔径和更高轨压实现废气的降低。

覆盖整个发动机map图，更高轨压已经在不增加燃烧噪声的情况下获得。

这能在几乎不变的燃油消耗和NOx排放的前提下，降低颗粒物和初始排放。

喷嘴流量705cm3/min、喷雾口直径0.117mm的喷油器是为103kw输出的Bin5发动机配备的最优规格。

图2 Bin5和UE5喷油器参数对比优化后的喷嘴的另一个重要特征是一种圆滑喷射器喷孔的新生产方法—先进的“EDM”（电火花加工）。

它大大增加了喷嘴的效率，并且能实现更小的喷射器孔和更高特定性能。

新EDM方法在降低喷油器孔径长度0.85mm的同时也能降低表面敏感性。

采用了博世新开发的针阀座，相反的阀座角度不同和切口，极大的改善了燃油量漂移行为。

与欧五对比，倾斜角和喷油器孔径的公差降低一半，大大的变窄了排放物的范围。

图2是喷嘴特征值的对比。

3.2新喷射策略的潜能由于压电共轨系统的高喷油精度，它为颗粒物和NOx折衷的改善提供了高的潜能，特别是在低喷油量时。

这能在非常小的间隔内为稳定燃烧提供很少的预喷射和后喷射燃油量。

发动机的应用中很著名的就是后喷射的使用，或者说是在很宽的负荷和转速范围内，为颗粒物的后氧化处理分离主喷射。

如图3.图3 主喷油分离——喷油系列发动机map图决定了后喷射量的优化值和主喷射的补偿值，与没有优化和补偿的对比，NOx值不变的情况下，能降低颗粒滤清器的负荷超过20%。

由于两段后喷射引起转矩根据喷油位置和油量变化。

由于发动机管理系统没有闭环控制，尤其是中等转矩后喷射的变动，将会很难获得。

相比之下，基于气缸压力的发动机控制引入到标准产品，甚至能使带后喷射的发动机在非静态运转工况中，对工作性能和声学性能没有任何影响。

3.3高压喷射泵Bin5发动机是2.0 L 4V TDI发动机使用了来自博世公司的CP4.1高压泵的变体。

这个泵的设计对应于EU5变化。

单活塞泵的特征是即使在低泵速下也拥有非常高的压力储备、良好的液压效率和同步喷射燃油运输。

这肯定影响排放质量、燃油消耗和发动机平滑性。

在美国，对高压油泵的深入开发导致对燃油质量的更高要求。

为了中和更高的水量、污染物和润滑能力下降导致的更大的磨损，Bin5高压泵装备有一个防磨损包。

它包括在高压活塞顶部及外壳表面的类金刚石涂层（类金刚石）和在铝铸件外壳优化热处理。

如图4。

3.4气缸压力调节为了达到最低排放极限，需要把系统公差降到最低。

大众公司开发的燃烧压力调节的发动机管理系统，安装在这款发动机上对达到这个目标贡献巨大。

新系统是一个基于压力的燃烧管理系统，能对指示转矩和燃烧中心快速、针对气缸的调节。

图4博世CP4.1喷油泵3.4.1气缸压力传感器的结构和功能气缸压力传感器是燃烧调节器的重要组成部分，它是和Beru[3]公司共同开发的产品。

气缸压力传感器测量每个气缸的压力，把信号反馈给发动机控制单元，它从测量信号中计算出需要的气缸压力特性。

气缸压力信号由测量得到的压力值接决定，它通过与燃烧室的连接件确定所需传感器精度。

由于对压力传感器加热塞的紧凑设计，如图5，能够维持加热塞（ISS 快速启动塞）在加热塞轴向和燃烧室内的尺寸。

因此使用EU5发动机气缸顶部螺纹尺寸（M10）。

图5 气缸压力传感器结构它的功能是以加在热棒上燃烧室压力的影响为基础。

加热棒和加热活塞正好相反，位置是可以移动的，通过扩展将压力传递给钢制薄膜，从而使其变形。

在薄膜上安装阻力计，阻力变化来自于薄膜变形。

基于阻力的变化，带有倒装芯片ASIC 的集成电子设备计算出一个和气缸压力成一定比例的拉力。

阻力计的温度依存性，由随后的偏移修正。

气缸压力传感器特性在多缸发动机和整车试验中，进行相关长期稳定性、振动和电磁干扰耦合测试。

相比于水冷石英传感器（参考传感器），试验说明测量结果之间有很好的相关性。

3.4.2控制燃烧控制的基本原理是对管理变量的精确、实时计算。

还包括在各缸压力信号的基础上，对各缸燃烧中心AQ 50和指示转矩Mi 的两个燃烧特性进行计算。

每个气缸的这两个变量都被记录和管理。

靠这些把每个气缸当做一个控制系统。

通过对两个气缸压力特征AQ 50和Mi 的计算能画出气缸压力曲线。

数字化并储存从上止点开始的-180°到180°每1°曲轴转角的压力。

高压阶段的平均指示压力PH mi P _能通过在-180°到180°曲轴转角内对气缸容积间接积分确定如图6.图6 平均指示压力的得出为了确定燃烧中心，需要确定对应曲轴转角的微分热曲线ΔQHR（从[4]中获得）。

积分热曲线是根据平滑微分热曲线ΔQHR,f|曲轴转角位置的数值积分平均值确定的。

通过积分热曲线最大值和最小值确定热曲线积分AQ50。

燃烧调节器结构的简单描述，包括对指示转矩和燃烧中心这两个针对气缸的变量的控制和气缸压力特性的前期描述计算。

喷油控制（低压路径）的结构和传统的发动机控制相当，它在新管理系统中的功能是对燃烧控制的试点控制。

此外，控制结构受到气缸压力的影响：第一，燃烧中心位置控制产生参数来修正启动阶段的主喷射。

第二，发动机目标转矩，通过主喷射燃油量附加修正值的平均数来获得。

出现排放差别主要是由于发动机及发动机主要部件的零件公差和传统柴油机没有考虑外部干扰的原因。

在这个环境中，准确的测量气缸中燃油量、新鲜空气量和废气再循环量成为主要因素。

通过一系列严格的试验证明，通过控制燃烧来控制每个气缸的指示转矩，大大降低了在观测区域内整个喷射燃油量的分布，并且与传统柴油机控制单元相比，使用基于气缸压力的燃烧控制大大降低排放幅度。

就颗粒物和NOx排放而言，大众公司开发的基于气缸压力的燃烧控制开启了全新的空间。

这些控制能修正由燃油喷射系统老化、组件公差、燃油质量和多变的工况引起的不精确。

它们导致每个气缸的指示功率和各自燃烧中心的偏差。

通过这种发法，不同发动机模式和喷油策略的转变能够在不通知驾驶员的情况下实现。

这需要在发动机map的某些区域应用局部均匀燃烧。

3.5高低压EGR系统达到降低原机NOx排放最有效的方法是在维持尽可能高的EGR率的同时拥有高气缸充气率。

理想中，在进气歧管尽可能低的燃气混合温度下，在整个发动机map做到这点。

为了达到这点，需要冷却技术提高，高压EGR系统目前被广泛应用。

一个明晰的技术解决方案通过低压EGR系统（LP-EGR）提出，介绍如下，在2.0l 4V TDI Bin5发动机中和高压EGR相连的低压EGR首次在世界范围内引入到乘用车标准产品中。

如图7。

图7 低压EGR系统描述在LP-EGR系统中，废气在靠近发动机的柴油机颗粒捕集器之后首次被提取。

催化干净且没有颗粒物的废气首先在一个冷却性能超过8kw的强力不锈钢EGR冷却器中循环。

当电控EGR阀工作时，废气通过安装在在废气涡轮增压的压缩机上游的最新设计的混合单元中的很短的连接管引导到进气气流。

当使用电控EGR阀时压力梯度会被提高。

在完整的控制环中，安装在NOx存储催化转化器（NSC）之后废气流中的电控阀门和LP-EGR阀一起工作。

2.0l 4V TDI EU5基础发动机的涡轮增压器，为了使用LP-EGR而进行优化。

它的特点是在涡轮机中有一个气动引导叶片调节器，各自的瞬时位置通过位置传感器探测。

增压机外壳和增压机轮的涂层来防卫酸性废气成分。

安装在增压器外壳的振动阻尼器使用不锈钢制造。

压缩之后，废气和空气气流在高性能的空气中冷器中再次被冷却，并被引导到发动机进气歧管。