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上海大众全新帕萨特轿车的部分车型搭载了3.0LVR6 FSI发动机(图1),这使得车辆在动力性能和行驶平顺性上都有了很大的提高。VR6发动机是从直列6缸和V6发动机的基础上变形而来的,它解决了中小型车辆发动机的布置问题,为发动机横置创造了有利条件。但为了实现这种结构,却要在诸多方面突破技术难点。
VR6发动机在德国大众公司已有近20年的发展历史。1992年该公司率先推出了2.8 L VR6型发动机。但那时的发动机每缸只有2气门,每根凸轮轴要分别负责2侧气缸的气门,进、排气凸轮轴必须靠得很近。这对发动机的动力性能构成了制约,在普遍采用每缸4气门的时代显得不够完美。
为了解决技术难题,大众公司经过了近10年的漫长等待。直到2000年,这一难题才得到了有效的解决。他们采用了一种突破性的思维方式,这就是用一根凸轮轴负责全部的进气门,而用另一根凸轮轴负责全部的排气门(图2)。这一设计不仅解决了凸轮轴和气门排列的问题,而且还能允许使用可变进气正时系统。这样一来,这款发动机的动力性能就大大提高了。
接下来的问题就是连杆了。由于发动机的曲轴长度缩短了,所以连杆的厚度必须相应地减小。VR6发动机连杆的厚度仅为20 mm,如果不解决上述问题,发动机的实际输出扭矩将受到限制。解决方案是使2侧缸筒中心线不与曲轴轴线相交,而是分别偏置12.5 mm(图3)。这样,在不增加活塞行程的前提下,使曲柄长度增加了,从而使得在同样的输出扭矩下,连杆实际承受的载荷得以降低。当然,连杆的长度也要相应地增加。
该款发动机在经过设计改进后,最大功率达到184 kw,最大扭矩为310 N·m。当然,这些也离不开燃油直喷、谐振腔进气和连续可变进排气凸轮轴控制技术的配合。下面就对发动机的主要部分进行简要介绍。
一、缸盖
与普通V6发动机不同的是,VR6发动机所有的喷油器都安装在缸盖的同一侧(图4)。从外观上看,VR6发动机的缸盖与直列4缸或6缸发动机的缸盖很相似,但其内部构造却完全不同,实际上它是将2个V6发动机的缸盖合二为一。
二、凸轮轴
为了改善发动机的配气效果,针对VR6发动机的工作特点,对进、排气凸轮轴的凸轮轮廓线进行了优化。这样的优化设计使得发动机在低转速区扭矩的提升速度更快,在高转速区输出功率更大。
三、配气系统
1 凸轮轴相位调整
发动机控制单元通过液压系统对进、排气凸轮轴的相位进行调整(图5),进气凸轮轴的调整范围是52°,排气凸轮轴的调整范围是32°。由于进气系统的气流流速较低,所以进气凸轮轴有着更大的调整范围,从而使进气效率达到最高,同时最大限度地降低污染物的排放。
2 内部废气循环
NOx是由于发动机燃烧室内的氮气遏高温氧化而形成的,它是有害气体排放的主要来源。为消除其产生的条件,燃烧室的温度不能超过一定的阈值。发动机废气中含有高浓度的CO2,将其适度地引入燃烧室可起到“灭火剂”的作用,达到限制混合气燃烧后期温度过分升高的目的。为实现上述过程,该款发动机利用配气相位的重合区(图6),在排气行程的后期令进气门开启(图7)。在这一时期气缸内气体的温度和压力都已充分降低,对进气系统的影响较小,这比起以往的气动废气循环阀有着明显的优势。
3 凸轮轴相位调整的执行机构
凸轮轴相位的调整是以发动机机油压力为动力的(图8)。当进行滞后调整时,相位调整电磁阀接通,将阀芯向下顶(图9),通道B与主油道接通,动力油压推动凸轮轴油缸中的叶片带动凸轮轴向相位滞后的方向转动。当进行提前调整时,相位调整电磁阀断开,阀芯在复位弹簧的推动下向上移动(图10),通道A与主油道接通,动力油压推动凸轮轴油缸中的叶片带动凸轮轴向相位提前的方向转动。
四、进气系统
活塞的运动规律使进气系统中的气流压力呈现出脉动状态,气流压力脉动的频率与发动机转速有关。在流体力学中存在着一种现象——驻波,它是指当气流的压力变化频率与气流通过管道的谐振频率相等时,气流的压力变化幅度会急剧升高,而流动性却迅速降低。这种现象对发动机的进气效率会产生不利的影响。为避免这种情况的发生,进气歧管的腔体被做成结构可变的形式(图11)。它通过1块阀板来改变腔体结构(图12),从而使进气歧管形成2种不同的腔体谐振频率,并交给发动机控制单元来选择。这样用高谐振频率配低发动机转速,用低谐振频率5配高发动机转速,就有效地解决了驻波问题。
五、曲轴箱通风
曲轴箱通风的作用是减小曲轴箱内气体的压力,同时防止曲轴箱中的窜入大气中。该装置由缸体和缸盖内的通风道、旋流式机油分离器和加热装置组成(图13)。旋流式机油分离器(图14)是通过含有油雾的气流旋流,将机油分离。加热装置是为了防止气体膨胀时,在气体出口处结冰。
六、缸体和活塞
①缸体
缸体由石墨灰口铸铁铸造(图15),结构稳定性较好。缸体内的冷却水道与水泵的匹配比起直列6缸发动机来更为理想,所有的气缸都能得到均等的散热。机油泵集成在缸体内,因此能够更好地控制机油的温度。
②活塞
由于所有的喷油器都置于发动机的同一侧,为使喷油器所喷射的燃油得到同样的雾化效果(图16),2列活塞的顶部做成了不同的形状(图17)。
VR6发动机在德国大众公司已有近20年的发展历史。1992年该公司率先推出了2.8 L VR6型发动机。但那时的发动机每缸只有2气门,每根凸轮轴要分别负责2侧气缸的气门,进、排气凸轮轴必须靠得很近。这对发动机的动力性能构成了制约,在普遍采用每缸4气门的时代显得不够完美。
为了解决技术难题,大众公司经过了近10年的漫长等待。直到2000年,这一难题才得到了有效的解决。他们采用了一种突破性的思维方式,这就是用一根凸轮轴负责全部的进气门,而用另一根凸轮轴负责全部的排气门(图2)。这一设计不仅解决了凸轮轴和气门排列的问题,而且还能允许使用可变进气正时系统。这样一来,这款发动机的动力性能就大大提高了。
接下来的问题就是连杆了。由于发动机的曲轴长度缩短了,所以连杆的厚度必须相应地减小。VR6发动机连杆的厚度仅为20 mm,如果不解决上述问题,发动机的实际输出扭矩将受到限制。解决方案是使2侧缸筒中心线不与曲轴轴线相交,而是分别偏置12.5 mm(图3)。这样,在不增加活塞行程的前提下,使曲柄长度增加了,从而使得在同样的输出扭矩下,连杆实际承受的载荷得以降低。当然,连杆的长度也要相应地增加。
该款发动机在经过设计改进后,最大功率达到184 kw,最大扭矩为310 N·m。当然,这些也离不开燃油直喷、谐振腔进气和连续可变进排气凸轮轴控制技术的配合。下面就对发动机的主要部分进行简要介绍。
一、缸盖
与普通V6发动机不同的是,VR6发动机所有的喷油器都安装在缸盖的同一侧(图4)。从外观上看,VR6发动机的缸盖与直列4缸或6缸发动机的缸盖很相似,但其内部构造却完全不同,实际上它是将2个V6发动机的缸盖合二为一。
二、凸轮轴
为了改善发动机的配气效果,针对VR6发动机的工作特点,对进、排气凸轮轴的凸轮轮廓线进行了优化。这样的优化设计使得发动机在低转速区扭矩的提升速度更快,在高转速区输出功率更大。
三、配气系统
1 凸轮轴相位调整
发动机控制单元通过液压系统对进、排气凸轮轴的相位进行调整(图5),进气凸轮轴的调整范围是52°,排气凸轮轴的调整范围是32°。由于进气系统的气流流速较低,所以进气凸轮轴有着更大的调整范围,从而使进气效率达到最高,同时最大限度地降低污染物的排放。
2 内部废气循环
NOx是由于发动机燃烧室内的氮气遏高温氧化而形成的,它是有害气体排放的主要来源。为消除其产生的条件,燃烧室的温度不能超过一定的阈值。发动机废气中含有高浓度的CO2,将其适度地引入燃烧室可起到“灭火剂”的作用,达到限制混合气燃烧后期温度过分升高的目的。为实现上述过程,该款发动机利用配气相位的重合区(图6),在排气行程的后期令进气门开启(图7)。在这一时期气缸内气体的温度和压力都已充分降低,对进气系统的影响较小,这比起以往的气动废气循环阀有着明显的优势。
3 凸轮轴相位调整的执行机构
凸轮轴相位的调整是以发动机机油压力为动力的(图8)。当进行滞后调整时,相位调整电磁阀接通,将阀芯向下顶(图9),通道B与主油道接通,动力油压推动凸轮轴油缸中的叶片带动凸轮轴向相位滞后的方向转动。当进行提前调整时,相位调整电磁阀断开,阀芯在复位弹簧的推动下向上移动(图10),通道A与主油道接通,动力油压推动凸轮轴油缸中的叶片带动凸轮轴向相位提前的方向转动。
四、进气系统
活塞的运动规律使进气系统中的气流压力呈现出脉动状态,气流压力脉动的频率与发动机转速有关。在流体力学中存在着一种现象——驻波,它是指当气流的压力变化频率与气流通过管道的谐振频率相等时,气流的压力变化幅度会急剧升高,而流动性却迅速降低。这种现象对发动机的进气效率会产生不利的影响。为避免这种情况的发生,进气歧管的腔体被做成结构可变的形式(图11)。它通过1块阀板来改变腔体结构(图12),从而使进气歧管形成2种不同的腔体谐振频率,并交给发动机控制单元来选择。这样用高谐振频率配低发动机转速,用低谐振频率5配高发动机转速,就有效地解决了驻波问题。
五、曲轴箱通风
曲轴箱通风的作用是减小曲轴箱内气体的压力,同时防止曲轴箱中的窜入大气中。该装置由缸体和缸盖内的通风道、旋流式机油分离器和加热装置组成(图13)。旋流式机油分离器(图14)是通过含有油雾的气流旋流,将机油分离。加热装置是为了防止气体膨胀时,在气体出口处结冰。
六、缸体和活塞
①缸体
缸体由石墨灰口铸铁铸造(图15),结构稳定性较好。缸体内的冷却水道与水泵的匹配比起直列6缸发动机来更为理想,所有的气缸都能得到均等的散热。机油泵集成在缸体内,因此能够更好地控制机油的温度。
②活塞
由于所有的喷油器都置于发动机的同一侧,为使喷油器所喷射的燃油得到同样的雾化效果(图16),2列活塞的顶部做成了不同的形状(图17)。