淺析奧迪TDI柴油機(jī)電控技術(shù)

1、淺析奧迪TDI柴油機(jī)電控技術(shù)摘要：通過(guò)介紹奧迪TDI柴油機(jī)，闡述了該發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和電控燃油技術(shù)。 關(guān)鍵詞：奧迪 TDI柴油機(jī) 結(jié)構(gòu) 電控技術(shù)   TDI(Turbo-charged Direct Injection)，顧名思義就是采直接噴射的渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，TDI是專(zhuān)門(mén)用在轎車(chē)上的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，有別于商用車(chē)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的嘈雜粗糙，它的運(yùn)轉(zhuǎn)平順噪音低，已相當(dāng)接近汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的水準(zhǔn)，且仍保有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低油耗與大扭力的特色。傳統(tǒng)的噴射系統(tǒng)，噴油嘴將燃油噴入進(jìn)氣歧管與空氣混合后，再吸入燃燒室內(nèi)壓縮點(diǎn)燃。直接噴射則是將燃油直接噴入已壓縮的氣缸內(nèi)，其優(yōu)點(diǎn)是在點(diǎn)燃引爆前才噴入燃

2、油可以得到接近完美的理論值混合比，油耗因而可以大幅降低（許多汽油發(fā)動(dòng)機(jī)也開(kāi)始使用這項(xiàng)技術(shù)，不過(guò)汽油的燃點(diǎn)較柴油低，要克服諸如爆震，排氣含過(guò)多氮氧化合物等技術(shù)問(wèn)題）。TDI發(fā)動(dòng)機(jī)的馬力輸出雖然不起眼，扭力平均來(lái)說(shuō)卻比相同排氣量的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)高出約50%，這表示在走走停停的行車(chē)環(huán)境中車(chē)子的油門(mén)反應(yīng)快比較好開(kāi)。 采用共軌噴射系統(tǒng)的3.0I-V6-TDI發(fā)動(dòng)機(jī)是Audi公司新一代V型發(fā)動(dòng)機(jī)中的第四種發(fā)動(dòng)機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，總重約220kg，堪稱(chēng)目前最輕巧的V6柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。本文將以圖文并茂的形式介紹該款發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和電控燃油技術(shù)。一、 機(jī)械構(gòu)造1、曲軸箱    

3、 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體由GGV-40（蠕蟲(chóng)狀石墨鑄鐵）制成（如圖1所示），汽缸間距為90mm（以前是88 mm)。汽缸孔壁采用紫外線光子（UV-Photonen）珩磨工藝制造，這種工藝有助于增強(qiáng)耐磨性并減少初始階段的機(jī)油消耗。紫外線光子（UV-Photonen）珩磨工藝是在珩磨后再用激光束對(duì)汽缸鏡面進(jìn)行的精加工。高能量激光束會(huì)以毫微（10-9）量級(jí)來(lái)熔化仍然突出的金屬尖點(diǎn)，這樣加工后，就可以立即形成光滑的汽缸鏡面（以前需通過(guò)活塞的工作才能形成）。    2、曲柄連桿機(jī)構(gòu)    曲軸用調(diào)質(zhì)鋼鍛造而成，通過(guò)4個(gè)軸承支承在一個(gè)主軸承框架內(nèi)（

4、如圖2所示）。分體式梯形連桿用一個(gè)飛濺軸承（上部）和一個(gè)三元軸承（下部）固定在曲3、活塞     這種箱式活塞（如圖3所示）沒(méi)有用于氣門(mén)的凹槽，但活塞的中央有一個(gè)凹坑，活塞通過(guò)環(huán)形溝槽經(jīng)機(jī)油噴嘴得到冷卻（與3.3I-V8-CR一樣）。   4、機(jī)油泵 新一代V6發(fā)動(dòng)機(jī)上裝有可靠的雙中心式機(jī)油泵，該機(jī)油泵由鏈條經(jīng)一根六角軸驅(qū)動(dòng)（如圖4所示）。   5、凸輪軸    兩根凸輪軸（如圖5所示）是用精密鋼管制成的，凸輪環(huán)和兩個(gè)鋼堵是用IHU（內(nèi)高壓成型）法制成的。排氣凸輪軸

5、由進(jìn)氣凸輪軸經(jīng)圓柱齒輪來(lái)驅(qū)動(dòng)，該圓柱齒輪是直齒齒輪（以前的圓柱齒輪都是斜齒齒輪）。使用這種輥式凸輪推桿對(duì)改善噪音來(lái)說(shuō)是很有好處的，該推桿與凸輪軸驅(qū)動(dòng)齒輪（已張緊且無(wú)間隙）一起可以起到降低配氣機(jī)構(gòu)噪音的作用。    另外，該配氣機(jī)構(gòu)具有齒面間隙補(bǔ)償功能（如圖6所示）。排氣凸輪軸上的圓柱齒輪（從動(dòng)圓柱齒輪）是雙體式的，寬的圓柱齒輪是熱壓到凸輪軸上的，其前面有三個(gè)斜面；窄的圓柱齒輪上有與此相應(yīng)的凹槽，并且可以在徑向和軸向移動(dòng)。碟形彈簧可以產(chǎn)生一個(gè)軸向力，與此同時(shí)通過(guò)斜面將軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這會(huì)引起這兩個(gè)從動(dòng)圓柱齒輪相互錯(cuò)開(kāi)一點(diǎn)，于是就可以形成間隙補(bǔ)償。&

6、#160;  6、鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)V6發(fā)動(dòng)機(jī)的新一代傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如圖7所示）是通過(guò)鏈條來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因而也就取消了齒形皮帶，這樣就可以在更多的車(chē)型上使用短結(jié)構(gòu)形式的發(fā)動(dòng)機(jī)。這種鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是單排套筒鏈，布置在變速器一側(cè)，鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有：中央鏈條（傳動(dòng)機(jī)構(gòu) A），從曲軸到中間齒輪；右側(cè)和左側(cè)汽缸蓋上的進(jìn)氣凸輪軸各有一根鏈條（傳動(dòng)機(jī)構(gòu) B+C）。還有一根鏈條是從曲軸到機(jī)油泵和平衡軸（驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) D）。每根鏈條都有自己的液壓彈性鏈條張緊器及鏈條導(dǎo)軌，具有免維護(hù)且在發(fā)動(dòng)機(jī)壽命內(nèi)不必更換的優(yōu)點(diǎn)。   7、進(jìn)氣管進(jìn)氣管（如圖8所示）上集成有節(jié)流閥，該閥可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，這樣就可以使得進(jìn)氣狀

7、況按照當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷與排放、油耗和扭矩/功率相適應(yīng)。節(jié)流閥調(diào)節(jié)器上有電位計(jì)，它向發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元報(bào)告節(jié)流閥的位置。節(jié)氣門(mén)和節(jié)流閥在超速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)會(huì)被打開(kāi)，以便檢查空氣流量計(jì)并調(diào)整傳感器。帶有電動(dòng)節(jié)流閥調(diào)節(jié)器的進(jìn)氣歧管，為了使扭矩輸出和燃燒狀況達(dá)到最佳狀態(tài)，在負(fù)荷較低時(shí)關(guān)閉渦旋通道可以增強(qiáng)渦旋運(yùn)動(dòng); 在負(fù)荷較高時(shí)打開(kāi)渦旋通道有助于汽缸更好地充氣。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，節(jié)流閥被打開(kāi)，且在怠速時(shí)才關(guān)閉（在占空比約為80%時(shí)）。從怠速轉(zhuǎn)速直到約2750r/min（在占空比約為20%時(shí)），節(jié)流閥一直處于完全打開(kāi)狀態(tài)。另外，在無(wú)電流以及超速狀態(tài)時(shí)，節(jié)流閥也是處于打開(kāi)狀態(tài)的。需要特別說(shuō)明的是：如果更換了節(jié)流

8、閥調(diào)節(jié)器，那么必須進(jìn)行節(jié)流閥調(diào)節(jié)器與節(jié)流閥的適配；如果是兩輛車(chē)之間的互換，那么節(jié)流閥也必須更換。8、VTG渦輪增壓器    為了能保證渦輪增壓器在較低轉(zhuǎn)速時(shí)做出快速響應(yīng)，其導(dǎo)向葉片是通過(guò)一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的，這就能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向葉片的準(zhǔn)確定位，從而達(dá)到最佳的增壓壓力。另外在渦輪殼體內(nèi)的渦輪前部還集成了一個(gè)溫度傳感器，用來(lái)測(cè)量增壓空氣的溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)利用這個(gè)信息可以防止渦輪增壓器過(guò)熱。當(dāng)溫度超過(guò)450時(shí)，還可以啟動(dòng)顆粒過(guò)濾器的還原功能。渦輪增壓器在小負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速的情況時(shí)，處于可控調(diào)節(jié)狀態(tài)，以便快速產(chǎn)生增壓壓力；大負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速的情況下會(huì)被調(diào)節(jié)，以便將增壓壓力保持

9、在最佳范圍內(nèi)。9、廢氣再循環(huán)為了能提高廢氣再循環(huán)流量，安裝了一個(gè)廢氣再循環(huán)閥，該閥控制進(jìn)氣管內(nèi)的廢氣再循環(huán)流量。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的接口在叉形管內(nèi)，這個(gè)叉形管將兩側(cè)的汽缸匯集到排氣一側(cè)。這是一個(gè)高壓的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，也就是說(shuō)：廢氣再循環(huán)壓力總是高于進(jìn)氣管壓力的。進(jìn)入進(jìn)氣管內(nèi)的廢氣氣流與吸入的空氣氣流的方向是相反的，這就可以使得新鮮空氣與廢氣均勻而充分地混合。為了能有效減少?gòu)U氣中的顆粒和氮氧化物（NOX）,在發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)，廢氣由一個(gè)冷卻器來(lái)冷卻，該冷卻器內(nèi)部充滿流動(dòng)的水且可由開(kāi)關(guān)控制。發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)狀態(tài)時(shí)，旁通閥打開(kāi)（如圖10所示），廢氣再循環(huán)直接進(jìn)行，以便能以最快速度加熱催化凈化器；發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)狀態(tài)時(shí)，

10、旁通閥關(guān)閉（如圖11所示），廢氣被強(qiáng)制通過(guò)用水來(lái)冷卻的廢氣再循環(huán)冷卻器。   10、調(diào)節(jié)    這是第一次在Audi柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上使用了傳感器（如圖12所示）。這種傳感器就是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上使用過(guò)的寬頻帶傳感器，其特點(diǎn)是在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均可接收信號(hào)。通過(guò)傳感器可以調(diào)節(jié)廢氣再循環(huán)流量并校正煙霧排放。測(cè)量值（約1.3或更?。┛蓪U氣再循環(huán)率調(diào)節(jié)到煙霧排放極限值，從而提高廢氣再循環(huán)率。調(diào)節(jié)也用于驗(yàn)證空氣流量計(jì)信號(hào)的可信性（HFM），空氣流量是采用一個(gè)計(jì)算模式根據(jù)值計(jì)算出來(lái)并與空氣流量計(jì)值相比較的。這樣就可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)（廢氣再循環(huán)、噴射、供油始點(diǎn)）進(jìn)行

11、校正。 如果信號(hào)發(fā)生故障，自診斷系統(tǒng)就會(huì)記錄一個(gè)故障代碼，同時(shí)指示燈（MIL，即多功能指示燈）亮起。 11、預(yù)熱裝置    這種預(yù)熱裝置（如圖13所示）稱(chēng)為柴油機(jī)快速啟動(dòng)系統(tǒng)，它采用新型的陶瓷預(yù)熱桿，該預(yù)熱桿可在2s內(nèi)達(dá)到1000，這就保證了該款發(fā)動(dòng)機(jī)可以像汽油機(jī)那樣快速啟動(dòng)，而不會(huì)再出現(xiàn)一般柴油機(jī)的那種“1min的延遲”。為了減輕車(chē)上電源的供電負(fù)荷，這種預(yù)熱桿采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）和相位偏移的方式來(lái)啟動(dòng)。    二、電控燃油供給技術(shù)    新款?yuàn)W迪A6L 3.0I-V6-TDI型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油供給

12、系統(tǒng)采用了Bosch（博世）公司的第3代共軌技術(shù)，如圖14所示。該系統(tǒng)配有一個(gè)由齒形皮帶驅(qū)動(dòng)的高壓泵，左、右氣缸座各有一條分配管。噴油壓力提高到了1600bar（1bar =100kPa），比以前的第二代共軌系統(tǒng)提高了250bar。   1壓電噴油閥    新一代共軌系統(tǒng)上最重要的改進(jìn)就是燃油噴射系統(tǒng)采用了如圖15所示的壓電噴油閥（Piezo-噴油閥）。這種噴油閥是利用壓電效應(yīng)來(lái)控制的。壓電效應(yīng)是指當(dāng)離子構(gòu)成的晶體（電氣石、石英、酒石酸鉀鈉）發(fā)生變形時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)。壓電效應(yīng)也可以反過(guò)來(lái)用，即加上電壓后晶體會(huì)被拉長(zhǎng)。  &

13、#160; 采用壓電噴油閥的好處在于：每個(gè)工作行程可產(chǎn)生多個(gè)觸發(fā)周期；大大縮短多個(gè)噴油閥之間的切換時(shí)間；可以產(chǎn)生很大的力以對(duì)抗共軌壓力；燃油卸壓時(shí)可精確地控制行程；觸發(fā)電壓為110148V，這取決于軌道的壓力。    需要注意的是：維修時(shí)，如果更換了噴油閥，則必須對(duì)噴油閥進(jìn)行與噴射系統(tǒng)匹配的操作，同時(shí)，還要進(jìn)行噴油量對(duì)比（IMA）試驗(yàn)。    噴油閥中的液力轉(zhuǎn)換器（連接模塊）將執(zhí)行元件模塊長(zhǎng)度的增長(zhǎng)轉(zhuǎn)化為液體壓力和位移，然后作用到切換閥上。連接模塊（如圖16所示）的作用就像液壓缸，它的上面通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥總是作用有10bar的燃油壓力，

14、該壓力使這個(gè)液壓缸反向運(yùn)動(dòng)。如果沒(méi)有這個(gè)反向壓力，則噴油閥就會(huì)失效。燃油在連接模塊中的連接活塞 A和閥活塞 B之間起壓力緩沖墊的作用。當(dāng)噴油閥有動(dòng)作但不噴油時(shí)（系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)入了空氣），噴油閥就會(huì)以啟動(dòng)轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行排氣。    噴油閥中的切換閥（如圖17所示）由閥門(mén)板、閥門(mén)芯、閥門(mén)彈簧和節(jié)流片組成。燃油經(jīng)節(jié)流片上的入口節(jié)流閥（Z）流到噴嘴針閥處并進(jìn)入該針閥上部的腔內(nèi)，于是噴嘴針閥的上部和下部壓力就平衡了，噴嘴針閥就被噴嘴彈簧的作用力保持在關(guān)閉的位置上。當(dāng)壓下閥門(mén)芯時(shí)，回流通路就打開(kāi)了，軌內(nèi)的壓力油首先流過(guò)噴嘴針閥上部的一個(gè)較大的出口節(jié)流閥（A），于是噴嘴針閥就被該壓力抬離

15、針閥座，然后就開(kāi)始噴油。    由于壓電元件的切換脈沖非?？欤虼嗽诿總€(gè)工作行程中可以完成多次連續(xù)的噴油過(guò)程。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)且以怠速運(yùn)行時(shí)，噴油閥要進(jìn)行兩次預(yù)噴油和補(bǔ)充噴油。是否進(jìn)行預(yù)噴油取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速以及變速箱的擋位。隨著負(fù)荷的增加，預(yù)噴油逐漸減少，直至全負(fù)荷時(shí)只有主噴油在工作了。兩次補(bǔ)充噴油都是用來(lái)還原顆粒過(guò)濾器的。   2齒輪泵和高壓泵    齒輪泵（如圖18所示）由齒形皮帶通過(guò)高壓泵的貫穿偏心軸來(lái)驅(qū)動(dòng)，將油箱中的燃油（用油箱內(nèi)的泵）輸送到高壓泵中。    為了能更好地調(diào)

16、節(jié)燃油壓力，高壓泵（如圖19所示）使用了兩個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)且以怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，燃油壓力由燃油壓力調(diào)節(jié)器N276來(lái)調(diào)節(jié)，用以限制扭矩的輸出。在全負(fù)荷且發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)時(shí)，燃油壓力由燃油壓力調(diào)節(jié)器（計(jì)量單元 ZME）N290來(lái)調(diào)節(jié)，以避免在不必要時(shí)加熱燃油。當(dāng)供油軌上的壓力超過(guò)200bar時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元就會(huì)啟動(dòng)噴油過(guò)程。當(dāng)供油軌上的壓力降至130bar時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元就會(huì)終止噴油過(guò)程。   3顆粒過(guò)濾器    3.0I-V6-TDI型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使用了無(wú)催化凈化添加劑的顆粒過(guò)濾器（如圖20所示）。這個(gè)所謂的“催化炭煙過(guò)濾器”（CSF）有一個(gè)含有貴

17、金屬的過(guò)濾層。為了能還原過(guò)濾器和監(jiān)控排放系統(tǒng)，需要安裝多個(gè)傳感器：3個(gè)溫度傳感器和1個(gè)壓差傳感器。溫度傳感器分別安裝在渦輪增壓器前方、催化凈化器后方和顆粒過(guò)濾器前方。壓差傳感器用于監(jiān)控顆粒過(guò)濾器前、后的壓力差，還可識(shí)別出過(guò)濾器是否被炭煙堵塞。    在被動(dòng)還原中（即不由發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)控制），顆粒過(guò)濾器中所含的炭煙被緩慢而仔細(xì)地轉(zhuǎn)化成CO2，這個(gè)過(guò)程出現(xiàn)在350500之間，主要是車(chē)輛行駛在高速公路上時(shí)，由于短程行駛或城市循環(huán)而使排氣溫度過(guò)低而造成的。對(duì)于常見(jiàn)的城市循環(huán)工況，每行駛10002000km應(yīng)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行一次主動(dòng)的還原過(guò)程。  

18、;  濾芯的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的催化凈化器相似，二者的區(qū)別在于該催化凈化器的通道在進(jìn)氣和排氣方向上是交替鎖閉的，這樣含有炭煙的廢氣就必須得穿過(guò)透氣的氧化硅層，使得廢氣就流到排氣系統(tǒng)出口，而炭煙則滯留在陶瓷壁上了。這個(gè)陶瓷壁涂有一層銠和氧化陶瓷的混合物。    通過(guò)濾芯的銠涂層可產(chǎn)生二氧化氮（NO2），這種物質(zhì)在350以上時(shí)會(huì)引起炭煙氧化(被動(dòng)還原)。涂層中的氧化陶瓷成分在580時(shí)可以用氧氣（O2）來(lái)加速熱還原反應(yīng)（主動(dòng)還原）。    發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元中有一個(gè)預(yù)先編制好的模擬模式程序，該程序根據(jù)使用者的駕駛風(fēng)格和壓差傳感器獲得的信號(hào)來(lái)判斷過(guò)濾器的吸附飽和