奥迪TDI发动机技术解析

liuxianglong

不能用的好东西 奥迪TDI发动机技术解析不能用的好东西 奥迪TDI发动机技术解析
　　提起柴油发动机，大家的第一反应往往是公路上笨重的卡车和田野间的手扶拖拉机，粗野的扭矩、巨大的噪音和滚滚的黑烟成了国人对柴油机的一贯印象。殊不知时光荏苒，工程师们对柴油机的研究如同汽油机一样，从未停歇。目前，世界上领先的乘用车柴油机技术，已经完全颠覆我们对其固有的观念了。在此方面，国内推出的乘用车柴油机有欧意德、华泰等品牌，国外做得比较好的有奥迪TDI、路虎的TD系列等。

　　为什么“粗放”的柴油机能用到豪华车型上面？为什么我们国内却很少见到高端柴油机车型？本文的目的，是借奥迪TDI系列柴油发动机，向大家详细介绍目前领先的柴油机技术，并简单分析先进柴油机的推广在国内遇到了何种阻碍。

四冲程柴油机工作原理四冲程柴油机工作原理
　　在技术分析之前，编辑有必要先向大家简单介绍一下柴油机的工作原理。目前，绝大多数轿车上面使用的均为四冲程柴油机，而二冲程柴油机则更多使用在大型货车、拖拉机上面。如果大家了解自家车的汽油机工作过程的话，那么四冲程柴油机就不难理解了。

　　四冲程柴油机的工作原理与汽油机类似，每个工作循环由吸气、压缩、做功、排气四个行程组成。不同之处是，由于柴油的燃点较低(220℃)，因此不需要点火装置，采用压燃的方式即可点燃缸内的燃油混合气，所以柴油机的压缩比普遍较高，在16-22之间。高压缩比带来的，就是更大的噪音，最直观的感受莫过于拖拉机(二冲程)“突突突”的那种霸气，连喇叭都省了。另一方面，高压缩比加上柴油本身的特性，也使得柴油机在低转速状态下的扭矩明显高于汽油机，我们通常所说的“柴油机有劲”根源就在于此。但转速升高后(一般为3000rpm)，柴油机扭矩明显下降，功率也达到峰值，无法再提高。

　　柴油中碳原子含量较高，且成分复杂，加上压燃的过程，导致传统柴油机燃油利用率不高。由于燃烧不完全，排放物中氮氧化物、含硫化合物、含碳颗粒物的含量也非常高，“冒黑烟、味儿大”正是这个原因。

　　总结起来，传统柴油机有如下特点：

　　1、压燃方式→压缩比高→低转高扭，噪音、震动大

　　2、柴油含碳量高→能量密度大→油耗低

　　3、成分复杂+压燃方式→燃油利用率低、排放问题


　　这样看来，貌似柴油机只适合简单粗暴的大货车嘛。可为什么奥迪25年来一直在坚持柴油机，并且将排量拓展到1.4L-6.0L上呢？因为工程师们坚信，柴油机可以在保证低油耗高扭矩的优势下，变得更精致、更清洁，而且他们做到了。那我们就来看看，先进的柴油机使用了哪些技术，从“傻大黑粗”变成“小家碧玉”。需要说明的是，下面介绍的技术很多并非奥迪开发，而是经过调整和改进后配备到了自己的TDI系列发动机上。

liuxianglong

　　◆燃油喷射方面

　　1、高压共轨

高压共轨工作原理高压共轨工作原理
　　这项技术出现到今天，已经有14年历史了，但其作用之大不得不提。所谓高压共轨，简单来讲就是让燃油喷入各气缸之前，先在一条筒状的高压蓄力器中“逗留”一下，压力得到提高达到接近2000个大气压，并保证分布均匀，然后再流向喷油器。共轨和喷油器都连接着汽车的大脑——ECU，由其决定最佳的喷油时间、喷油量。

　　共轨技术另一个贡献在于，它将压力的生成与燃料的喷射分离开来，工程师能够对所有喷射自由配置，为开发设计带来很大的自由度。奥迪TDI将每个工作循环的8种喷射进行了分类，2次预喷射使得燃烧更加安静，1次主喷射提供主要动力，5次后喷射能够减少污染物排放。

　　2、压电式喷油器

压电式喷油器结构压电式喷油器结构
　　高压共轨系统使得燃油压力非常高，因此需要极其精确的喷油装置才能Hold住，压电式喷油器就是最好的搭配。该喷油器的核心结构是压电执行器里的上百层压电晶体。

压电晶体在通电后会产生形变压电晶体在通电后会产生形变
    在对晶体施加电压时，单片晶体略微膨胀，在千分之一秒内迅速改变结构。上百个压电晶圆在喷油器中堆叠起来，产生明显的量变，顶开下方的喷油器针阀，这种传导中间没有机械连接，最为直接。这种压电喷油器的响应速度是传统喷油器的4倍，可以更加精准地配合共轨，控制喷油。同时，喷油孔的直径只有0.1mm，以此保证喷入气缸中的燃油雾化良好。

　　也就是说，共轨技术组合在很大程度上改善了柴油机“傻”的问题。

　　◆涡轮增压

　　1、双涡轮增压+电子涡轮辅助

　　奥迪3.0TDI使用了串联的双涡轮增压器，来弥补柴油机在高转速情况下动力的不足。转速低于2500rpm时，具有可变截面技术的小涡轮增压器完成大部分的增压工作。从大约2500rpm起，转换阀开始打开，小涡轮增压器逐渐将主要增压工作转交给大涡轮增压器。在转速为3500-4000rpm时，阀门完全打开，这时只有大涡轮增压器在增压。

电子涡轮的工作原理电子涡轮的工作原理
　　如何让发动机在怠速起步阶段，转速很低的情况下也能有良好的动力输出呢？奥迪颇具创新地想了这么一个点子——电子涡轮。该装置相当于一台压气机，由电机驱动，位于中冷器的下游。在大多工作状态下，空气不会流经此处，只有在较低的发动机转速下，废气能量较低时，旁通阀关闭，空气才会流经此处加压。由于是电力驱动，奥迪专门为这台电子涡轮提供了一个48V电路，并结合制动能量回收功能。

　　加装电子涡轮后，这台3.0TDI发动机的峰值扭矩由580Nm提高到了750Nm，转速点也由1400rpm提前至1250rpm，差别还是很明显的。由于目前这项技术还没有量产，编辑只是体验了一把搭载电子涡轮的RS5 TDI概念版，由于峰值扭矩来得太早，起步时凶猛的动力简直让人难以接受。但是之后随着转速升高至4000rpm以上，推背感逐渐减弱，当然是相比起步那变态的一下了，而这也是柴油机难以根除的缺憾。

　　2、VTG可变涡轮截面


VTG可变截面原理图VTG可变截面原理图
　　上面提到小涡轮增压器具有可变涡轮截面技术，这里有必要展开一下。涡轮增压器的工作原理想必大家多少都了解，那么可变截面又是什么意思呢？原来，在涡轮的四周，有一圈导流叶片，废气经过导流叶片后才会吹向涡轮。当驾驶员深踩油门时，导流叶片会在机械压感的作用下发生旋转，叶片间的夹角变小，这样一来能量不高的废气经过叶片后流速会提高，以更高的速度吹向涡轮，让涡轮更快地被催动起来。简单理解，就好比外面刮着柔和的风，如果你的窗户开得很大，吹进来的风也就很轻柔；如果窗户只留一道缝，你会发现进来的风速变快了。

　　当废气量增加时，导流叶片略微打开，夹角增大，吹向涡轮的废气速度下降，从而保证涡轮增压器输出的线性变化。

3.0 TDI        3.0T机械增压
最大功率（kW）        200（3500-4250rpm）        213（4850-6800rpm）
最大扭矩（Nm）        580（1250-3250rpm）        420（2500-4850rpm）
　　由此可见，奥迪TDI的双涡轮增压+VTG+电子涡轮，可以有效降低峰值扭矩转速点，使得动力输出平稳，但在高转速段下仍然受制于柴油机的特性。不过从参数上面来看，奥迪A7未加装电子涡轮的3.0TDI的综合表现已经优于奥迪同排量的机械增压汽油机了。

　　◆排放控制

　　SCR催化转化器

SCR催化转化工作原理SCR催化转化工作原理
　　SCR指的是针对废气中的氮氧化物进行催化还原。途中红色球为NOx，灰色为碳颗粒，蓝色为氨气，绿色为生成的氮气。工作时，AdBlue溶液（蓝色）从贮槽喷射到SCR催化转换器中。这种水溶性添加剂在热废气中分解，生成氨气，将氮氧化物转化为无害的氮气和水。奥迪在新款3.0TDI发动机中将SCR催化转换器与柴油颗粒过滤器结合在了一起。由于在0℃以下时，AdBlue溶液会凝固，因此奥迪为催化转化器配置了电加热功能。

　　多说一句，AdBlue这种添加剂，我们通常叫它尿素。名字不好听，可确实对氮氧化物的排放抑制贡献了不少。另外，AdBlue是消耗品，日常用车中不要等到耗尽了再去添加。

liuxianglong

相信大家对目前的柴油发动机也有了一番新的认识。柴油机目前的技术水平、复杂程度、环境友好度，已经不亚于汽油机了。同时，它还保留柴油机特有的优势——低转速下动力强劲、油耗比同排量汽油机低30-40%，甚至达到串联混合动力车型的水平。实际上，目前欧洲公路上60%的车型使用的是柴油机，但这个数字在我国只有1%。

国5/欧5        欧6
HC+NOx(g/km)        0.23        0.17
CO(g/km)        0.5        0.5
NOx(g/km)        0.18        0.08
PM(g/km)        0.005        0.005
　　像TDI这样的柴油机，连欧6标准都能达到，中国的排放标准自然不在话下。可为何我们很难在城市中见到柴油轿车呢？主要原因有以下两点：

　　◆一线大城市对柴油车政策过紧

　　像北京这样的城市，柴油乘用车政策“一刀切”，管你什么技术，统统不能上牌。若是坚持上了外地牌照，进京问题又随之而来。繁杂的手续、高约束的用车规定让很多人对柴油车望而却步，无奈最终选择了汽油车。对此，奥迪、起亚、双龙等国内外厂商也束手无策。

　　有了技术，有了消费需求，我们等到了市场，却还要等政策。

　　◆我国柴油油品问题

　　大城市有购买限制，小城市没有吧？别急，我们的油品也是个大问题。先进的柴油机技术对油品的要求是比较严格的，而我们的柴油往往不能达到要求，具体表现为杂质和硫化物的含量偏高，这一点开车的朋友想必有切身体会。以我国现在的柴油油品，也只能满足公路上粗放、落后、低效的柴油机。

指标        欧V（2009年至今）        美国（2006年至今）        北京（2008.3-2012.5）
含硫量（ppm）        ＜10        ＜15        ＜50
芳烃含量（v%）        ＜10        ＜35        无标准
多环芳烃（v%）        ＜11        ＜11        ＜11
十六烷值指数        54-57        ＞40        47-50
　　提高油品是最直接的办法，但要先问石化企业。这不是简单说说的事，要提高油品，在炼油的环节就要入手，升(jin)级(kou)设备。这是一项动辄几十亿上百亿的投资，并非一朝一夕就能完成。

　　编辑认为，这两点原因相互间也是有牵制的。在政府看来，油品不提升，再好的柴油机技术也难以达标，所以我不会解禁；而在石化企业看来，政府不放宽柴油乘用车禁令，我何必投巨额资金提升油品？


    希望有一天，我国的“三桶油”不仅价格，品质也能和国际接轨。回到技术，正应了标题，尽管目前国内现状尚不能完全满足先进柴油机的工况需求，但能看到柴油机在动力、排放方面的巨大进步，这本身就是一件值得高兴的事情。

gyf119123

谢谢，受益匪浅啊。

yuqingxu

真的不错啊！转为wordS是更好了啊！

185358011

主要是控制的可靠性问题，不管是程序还是电路

hqlkeji05

受教了，感谢楼主

小喜0713

受益匪浅，感谢分享

wangya421013

顶一下，中国什么时候能有这样的技术

cnkava

谢谢分享，很详细也不偏激，很不错。，，，，突然发现可以直接复制文本了。

yujianchun

解释的非常透彻

suyoupeng

非常好，学习了

懂质量dl

绝对的技术流  学习学习 好啊

懂质量dl

学习了  顶一下  谢谢分享

jmyu

好帖必须顶