Volkswagen公司基于模塊化柴油機標準部件（MDB）開發(fā)的新型2.0 L TDI發(fā)動機，搭載在Multivan車型和Transporter車系上，并首次投放市場。采用滿足商用車特殊要求的統(tǒng)一基礎(chǔ)動力，逐步替換原4缸機型，使功率范圍更大、燃油耗更低。該高功率版動力總成采用新開發(fā)的可調(diào)兩級渦輪增壓系統(tǒng)。

1 更高的要求

未來，對于輕型商用車動力裝置的要求將會越來越嚴苛。為獲得更好的經(jīng)濟性和效率，商用車發(fā)動機必須降低燃油耗，同時提高功率和扭矩。為此，數(shù)十年來輕型商用車都以整體能力優(yōu)于其他動力的現(xiàn)代柴油機為主要動力源。

Volkswagen公司的商用車發(fā)動機如今已是該領(lǐng)域的最佳動力系統(tǒng)。為進一步提高在商用車領(lǐng)域的競爭力，Volkswagen公司主要針對以下重點進一步開發(fā)：（1）通過模塊化柴油機標準部件降低復雜性；（2）堅持降低CO2排放；（3）提高升功率和扭矩；（4）優(yōu)化響應特性和扭矩曲線；（5）滿足歐6排放法規(guī)要求；（6）良好的可靠性和耐久性。

自2012年以來，Volkswagen公司已非常成功地將新模塊化柴油機標準部件和共軌技術(shù)引入乘用車領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，商用車特定版MDB將首次應用于Volkswagen的新Transporter T6車型。并且在要求歐6排放法規(guī)的市場上，將完全取代目前使用的發(fā)動機。

在概念階段，新發(fā)動機設(shè)計時就考慮到了商用車特有的嚴苛工況，以及有別于乘用車的特定安裝環(huán)境。同時，考慮到Transporter車系中乘用車車型（Multivan）占了很大比例，所以在行駛性能、聲學和振動特性方面均必須滿足乘用車要求，因此，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有適當?shù)墓β?、豐滿的扭矩曲線和優(yōu)良的起動性能至關(guān)重要。但是，輕型商用車較高的行駛阻力進一步加劇目標沖突。為此，輸出功率高達110 kW的發(fā)動機采用可變幾何截面渦輪增壓器（VTG）（圖1），而功率為150 kW的高功率版動力總成（圖2）則對原機型的兩級增壓進行全面改進，并同樣在高壓級增加可變幾何截面渦輪。從而進一步顯著提高工作范圍的適應性和扭矩特性。

圖1 單渦輪增壓發(fā)動機

圖2 雙渦輪增壓發(fā)動機

2 新型商用車發(fā)動機的主要部件

為使商用車在預定的外部尺寸下的可用空間盡可能大，其發(fā)動機安裝長度應小于相對的乘用車發(fā)動機（Volkswagen標準為既定的橫置發(fā)動機模塊化平臺MQB）。由于發(fā)動機傾斜度偏離MQB（由向后傾斜12°變?yōu)橄蚯皟A斜8°），因此幾個模塊必須專門用于可用空間比MQB更大的車輛（圖3）。

圖3 新型4缸商用車發(fā)動機模塊化結(jié)構(gòu)

所有功率等級都采用相同的2.0 L基本發(fā)動機。通過調(diào)整渦輪增壓和噴油系統(tǒng)的部件來實現(xiàn)特定功率。表1為Transporter車系新型商用車發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 Transporter車系新型4缸商用車發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)

3 氣缸體曲軸箱、平衡軸模塊、雙聯(lián)泵

氣缸體曲軸箱由灰鑄鐵GJL250制成并采用成熟的長裙設(shè)計。曲軸箱和平衡軸模塊均采用Volkswagen模塊化柴油機標準部件。除了采用帶平衡軸的曲軸箱，扭矩減小的較低功率等級發(fā)動機還可以采用可降低質(zhì)量和成本的無平衡軸方案。

機油泵和真空泵組成的雙聯(lián)泵放置于同1個壓鑄鋁殼體內(nèi)，壓鑄鋁殼體位于油底殼的氣缸體曲軸箱法蘭之下。通過調(diào)整吸入管，使其適用于更深更大的商用車油底殼，這樣就可采用模塊化柴油機標準部件下的乘用車發(fā)動機雙聯(lián)泵。

4 氣缸蓋、整體式氣門機構(gòu)模塊

以176 kW雙渦輪增壓乘用車發(fā)動機為基礎(chǔ)，改進商用車發(fā)動機的氣缸蓋。Volkswagen公司的柴油機首次采用氣門桿直徑為5 mm的氣門。通過減輕氣門質(zhì)量，可顯著減小氣門彈簧力，從而明顯降低摩擦。

與原機型相同，氣門組呈直線對稱排列，所有進氣門和排氣門分別位于一條線上。這種布置方式使冷卻通道幾何結(jié)構(gòu)更簡單并提高芯子的穩(wěn)定性。平行布置的氣門和優(yōu)化了壓力損失的通道使氣缸充氣效率更高。通過氣門座渦流斜角和與之相配的氣道幾何形狀，確保了良好燃燒所需的渦流水平。

由于采用鉆孔和螺栓相互連接，所以可以利用模塊化柴油機標準部件的生產(chǎn)線節(jié)約制造氣缸蓋的成本。

新型商用車柴油機和4缸TDI模塊化柴油機標準部件發(fā)動機的氣門機構(gòu)模塊具有相同的基本結(jié)構(gòu)，但氣門正時是專為商用車設(shè)計的，從而能獲得非常豐滿的扭矩曲線。

5 增壓空氣冷卻器和進氣歧管

新型商用車柴油機與模塊化柴油機系列的其他發(fā)動機一樣，也采用水空增壓空氣冷卻器。不同于乘用車4缸機，Transporter車系的發(fā)動機艙空間較小，因而要求將增壓空氣冷卻器布置在氣缸蓋的上方。

冷卻芯由22個成對焊接的冷卻板組成，空氣按逆流原理流經(jīng)冷卻芯。這樣既確保鋁板至冷卻液的傳熱良好，也保證壓力損失較低。湍流板改善了增壓空氣至冷卻液的傳熱。塑料空氣箱確保冷卻板內(nèi)的氣流流動均勻。塑料空氣箱與冷卻器部件用卷邊固定在一起。為減少振動負荷，借助彈性緊固機構(gòu)使增壓空氣冷卻器與發(fā)動機激振解耦。

由于商用車的用戶任務(wù)剖面比乘用車更寬廣，因而要求所設(shè)計的燃燒過程非常穩(wěn)定。尤其在低速運行情況下，要求根據(jù)特定工況點設(shè)置進入燃燒室的氣流渦流，以減少顆粒物排放。由聚酰胺6.6制成的進氣歧管配有氣動操作的渦流瓣閥，能有效控制渦流。

6 廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)

由于歐6廢氣排放標準提高了對發(fā)動機廢氣排放性能的要求，尤其是必須降低新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）冷起動后的廢氣排放，因而需大幅改善高壓EGR系統(tǒng)的效率。

根據(jù)前幾代EGR模塊的經(jīng)驗，T6開發(fā)在全工況下均有較高穩(wěn)定性的全新氣門和冷卻器。開發(fā)重點為穩(wěn)定轉(zhuǎn)換冷卻器旁通功能，避免燃燒殘留物冷凝。同時通過氣門桿的無側(cè)力運行，降低了氣門導管區(qū)域的磨損。

通過唯一的執(zhí)行器無級控制冷卻器路徑和旁通，這種驅(qū)動可以最大程度地利用發(fā)動機側(cè)面及變速器上方的現(xiàn)有空間，無需采用真空控制旁通閥。EGR閥有2個浮子置于氣門桿上的氣門頂，鉻鎳鐵合金制成的壓縮彈簧將氣門頂壓入各自的氣門座內(nèi)。

考慮到模塊在發(fā)動機熱端至冷端的氣路中的位置，不能采用傳統(tǒng)的U型流動冷卻器。而I型流動冷卻器在相同空間內(nèi)效率太低，因此采用新的S型氣流管（圖4）。

圖4 高壓EGR模塊

EGR閥有3種不同的開關(guān)工作狀態(tài)：（1）在中間位置時，冷卻路徑和旁通路徑均關(guān)閉；（2）在旁通位置時，執(zhí)行器向下推動處于中心位置的氣門桿，從而打開上方的氣門頂，使冷卻器旁通管的氣路通暢；（3）在冷卻位置時，執(zhí)行器向上拉動氣門桿，從而打開下方的氣門頂，使S型冷卻管路通暢。

7 噴油系統(tǒng)

新型商用車柴油機采用Delphi公司系統(tǒng)壓力為200 MPa的噴油系統(tǒng)。雖然對商用車發(fā)動機的功率要求高于乘用車發(fā)動機，但屬于模塊化柴油機標準部件的DFS 1.20噴油系統(tǒng)的所有零部件幾乎都可用于功率高達110 kW的單渦輪增壓發(fā)動機。8孔噴嘴的霧化狀態(tài)與使壓縮比降低到15.5的新活塞凹腔形狀相匹配。

為確保雙渦輪增壓頂級動力在低轉(zhuǎn)速、大扭矩工況時所需的噴油量，新機型采用供油量顯著提高的雙柱塞DFP 7.20高壓泵。

8 單渦輪增壓系統(tǒng)

功率分別為62 kW、75 kW和110 kW的發(fā)動機采用在2.0 L TDI發(fā)動機VTG渦輪增壓器基礎(chǔ)上進一步升級的增壓系統(tǒng)。由于必須符合歐6排放法規(guī)，要求燃油耗和CO2排放較低，并具備使牽引力優(yōu)化的扭矩特性，因而該渦輪增壓系統(tǒng)適用于此車系。

為了實現(xiàn)特定功率優(yōu)化，分別針對功率高達75 kW和110 kW的發(fā)動機開發(fā)新型渦輪增壓器。此外，為了提高整個工作范圍的效率，重新設(shè)計了原機型的壓氣機葉輪和渦輪葉輪。

9 針對150 kW機型的雙渦輪增壓系統(tǒng)

隨著首次成功將兩級渦輪增壓用于Transporter車系，Volkswagen公司自2009年起成為優(yōu)化牽引力的商用車發(fā)動機開發(fā)的引領(lǐng)者。為確保和擴大競爭優(yōu)勢，新2.0 L雙渦輪增壓發(fā)動機與原機型相比大幅提高了功率和扭矩。

這種高功率版動力總成與功率較小的機型一樣，配裝于商用車時也需考慮到即使在最大載重5.5 t的情況下，也要有較高的載荷譜和起動性能。

基于原機型的成功經(jīng)驗，再次采用可調(diào)兩級渦輪增壓系統(tǒng)，包括旁通在內(nèi)的葉輪和壓氣機側(cè)為串聯(lián)模式。為進一步提高起動性能，高壓級采用VTG。低壓渦輪仍繼續(xù)由放氣閥控制。除了壓氣機被動旁通，還采用渦輪主動旁通閥及常見的放氣閥作為執(zhí)行器。后2種閥門均配有真空調(diào)節(jié)的執(zhí)行器（圖5），VTG也由真空調(diào)節(jié)。

圖5 增壓裝置零部件名稱

10 功率與扭矩

與原機型相比，新Transporter車系的2.0 L 4缸共軌發(fā)動機將功率范圍向上擴展為62~150 kW，原機型為62~132 kW。功率最大的單渦輪增壓發(fā)動機功率可達110 kW，原機型為103 kW。盡管功率提高，但僅在轉(zhuǎn)速1 500 r/min時就可獲得額定扭矩，而原機型轉(zhuǎn)速則需達到1 750 r/min時才能獲得額定扭矩。此外，在轉(zhuǎn)速3 000 r/min時可獲得最大扭矩340 N·m。在3 200~3 800 r/min的寬廣轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，均可達到擴展的最大功率110 kW（圖6）。

圖6 新機型與原機型的功率和扭矩曲線比較（110 kW單渦輪增壓發(fā)動機與103 kW發(fā)動機對比）

Volkswagen公司的新型商用車高功率版動力總成采用額定功率為150 kW（轉(zhuǎn)速4 000 r/min）的2.0 L 4缸雙渦輪增壓發(fā)動機（圖7）。它以大于76 kW/L的升功率成為商用車領(lǐng)域的引領(lǐng)者。最大扭矩450 N·m遵循傳動系的機械傳動極限，在轉(zhuǎn)速1 400 r/min時就可達到最大扭矩。這與原先的高功率版動力總成相比，整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的可用扭矩提高12%以上。

圖7 新機型與原機型的功率和扭矩曲線比較（150 kW雙渦輪增壓發(fā)動機與132 kW發(fā)動機對比）

11 行駛動力性、廢氣排放及燃油耗

新Transporter車系的發(fā)動機設(shè)計重點是大幅降低各功率等級的發(fā)動機的燃油耗和CO2排放，同時改善行駛動力性能。各功率等級的發(fā)動機均符合法規(guī)要求，滿足歐6排放標準。

深入的細節(jié)工作及專為商用車設(shè)計的渦輪增壓系統(tǒng)，使所有發(fā)動機的扭矩曲線更豐滿，因此，無論是0~100 km/h的標準加速度，還是行駛運行中較重要的機動性，都優(yōu)于原來的車型。與原機型相比，頂級動力的功率大幅提高，因而需重新設(shè)計傳動比，使行駛動力性明顯改善（表2）。

同時，廢氣排放限值降低，要求優(yōu)化進氣、充氣運動和噴油系統(tǒng)，顯著減少發(fā)動機原始排放，同時，將選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)用于排氣后處理系統(tǒng)。

整個排氣后處理系統(tǒng)由改進的氧化催化器和顆粒捕集器組成，顆粒捕集器帶有減少氮氧化物（NOx）的特殊涂層。在顆粒捕集器上游添加AdBlue尿素水溶液。集成在顆粒捕集器殼體內(nèi)的阻擋催化轉(zhuǎn)化器防止NH3泄漏。結(jié)合機內(nèi)措施，有助于顯著減少整個發(fā)動機工作范圍內(nèi)的排放，尤其是NOx排放。

盡管已大幅降低有害物質(zhì)排放并改善行駛動力性能，仍可顯著減少所有發(fā)動機的CO2排放。進一步優(yōu)化的手動變速器和雙離合變速器（DSG）也對CO2減排做出重大貢獻。采用DSG的汽車，因其采用帶離心擺重的雙質(zhì)量飛輪，因而換擋速度明顯減小，從而降低燃油耗，并提升駕駛舒適性。結(jié)合車輛措施，能比原機型減少CO2排放30 g/km（圖8）。

表2 新Transporter T6汽車（陰影部分）與原車型的行駛動力性比較（手動版，前驅(qū)）

圖8 新Transporter T6汽車與原車型的CO2排放比較（初值，僅針對前驅(qū)車型）

12 結(jié)語

Volkswagen公司采用4氣門技術(shù)的新型2.0 L 4缸TDI發(fā)動機為其輕型商用車的廣泛應用和未來發(fā)展打下了基礎(chǔ)。模塊化柴油機標準部件是設(shè)計商用車專用發(fā)動機的起點，采用模塊化柴油機標準部件可使發(fā)動機降低成本成為現(xiàn)實，通過現(xiàn)有的模塊化柴油機標準部件生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)約發(fā)動機生產(chǎn)成本。

目前，Transporter車系新型發(fā)動機的功率范圍為62~150 kW，扭矩范圍為220~450 N·m。它以高于76 kW和225 N·m的升功率和升扭矩，成為其細分市場的引領(lǐng)者，新發(fā)動機的升功率和升扭矩比原機型提高約13%。起動扭矩超比例提升，雙渦輪增壓系統(tǒng)的VTG高壓級完全發(fā)揮出優(yōu)勢。

降低燃油耗和CO2排放是研發(fā)重點之一。通過優(yōu)化燃燒過程、降低摩擦功和減小換氣損失，新車系的燃油耗比原車系平均降低約14%。Transporter車系的原機型滿足歐5排放法規(guī)要求，而所有新機型均滿足歐6排放法規(guī)要求。

在相關(guān)的所有特性上，如行駛動力性、燃油耗及排放等，量產(chǎn)的所有發(fā)動機均優(yōu)于原機型。由于功率和扭矩得以提升，發(fā)動機結(jié)構(gòu)非常緊湊，以及采用乘用車發(fā)動機現(xiàn)有的模塊化柴油機標準部件，所以才能在短期內(nèi)根據(jù)需要，設(shè)計并實現(xiàn)新型發(fā)動機在商用車領(lǐng)域的深入應用。