七、汽缸盖和可变气门升程机构
高升功率及其所导致的汽缸盖热负荷需要最均匀的温度分布,以及燃烧室顶面排气门区域的良好冷却。为了能确保满足此要求,汽缸盖按照冷却液横向流动的原理设计。通过冷却水套的计算流体力学(CFD)模拟,能够以较小的节流损失实现上述对汽缸盖冷却液流动的要求,并选择AISi7高耐热铝合金作为汽缸盖的材料。
AVS可变气门升程机构使用了大众集团的标准构件,其中特别针对装配和声学性能方面进行了一些优化工作。装配式凸轮轴由一根带有轴承环和外啮合齿的心轴、两个固定凸轮片和两个用于切断汽缸的可移动的AVS凸轮片以及一个燃油泵凸轮和一个相位传感轮组成。为此,必须开发专门的装配方案,其中轴承环和相位传感轮被安置在啮合齿前端,而气门和燃油泵凸轮片被安置在啮合齿侧面。为了能获得非常良好的声学性能,AVS凸轮片首次仅使用批产止动钢珠保持在其位置上以防止与导向套接触,为此开发了专用止动槽。
4.0L-V8-TFSI增压直喷式汽油机具有大众集团所有装备可变气门机构发动机中承载能力最高的AVS可变气门机构,因此同样采用大众集团标准构件的滚轮摇臂必须与较高的负荷相匹配,而排气门必须镶座面并用其中空腔内的钠冷却。通过将凸轮轴相位调节器从4个机油腔室进一步开发成3个机油腔室,在具有较高相位调节速度的同时能明显减少机油流量,而AVS机构的滚轮摇臂润滑喷嘴喷孔直径从0.4 mm缩小到0.3 mm,使其机油流量减少了30%,因而汽缸盖的机油需求量在120℃机油温度下为2.5L/min,这对于V8发动机而言是处于非常低的水平。除了机油流量之外,进气门弹簧的弹簧力被降低到最小程度,以进一步降低汽缸盖的摩擦功率。
由于凸轮轴轴承集成在气门罩盖上,因此就可省掉附加的汽缸盖罩,而且该罩盖还可用于固定高压燃油泵、AVS执行器以及其它各种发动机零部件(图6)。根据V8发动机特定的点火次序,AVS执行器被安置在气门罩盖上2/3汽缸(右排汽缸列)和5/8汽缸(左排汽缸列)部位。
出于成本和通用化的原因,在开发4.0L-V8-TFSI增压直喷式汽油机时特别重视提高零部件的通用化率,因此汽缸盖具有下列直列4缸和5缸机以及V6, V8和V10汽油机通用的零部件:①进排气门、进排气门弹簧、进排气门导管和进排气门杆密封圈;②气门弹簧座;③排气门座圈;④ AVS执行器;⑤液力平衡元件;⑥固定凸轮片滚轮摇臂;⑦比例电磁阀;⑧凸轮轴相位调节器。
八、曲轴箱通风系统
曲轴箱通风系统的开发目标是实现整个系统的高度集成和紧凑结构。该系统的核心部件是用法兰连接在空气集气箱外壳上的塑料曲轴箱通风模块,它具有下列功能:
①曲轴箱通风气体中粗大机油滴的分离;
②曲轴箱通风气体中细小机油滴的分离;
③由压力调节阀调节压力;
④曲轴箱强制通风(PCV),包括计量新鲜空气的节流孔;
⑤全负荷和部分负荷运行工况按需调节的转换阀;
⑥将分离出来的机油返回到油底壳。
汽缸体曲轴箱中泄漏的含机油燃气通过集成在曲轴箱横隔板、曲轴箱、汽缸盖、连续可变滚流装置(CVTS)法兰和空气集气箱壳体上的通道排出,然后经过一根钢管和一段短软管被引入到曲轴箱通风模块中(图7左)。由于采用了这些紧凑且压力损失优化的曲轴箱通风引出通道,能够将其外部管道减少到仅有一根。
由于凸轮轴轴承集成在气门罩盖上,因此取消了迄今为止在通常汽缸盖罩中下部用于粗大机油滴分离器的较大容积。为了还能满足对机油分离的较高要求,因而在曲轴箱通风系统中还有许多方面必须进行仔细的开发设计。通过汽缸体曲轴箱中泄漏的含机油燃气引出部位的位置、形状、途径和横截面积以及引至曲轴箱通风模块的通道走向的优化,能将来自汽缸体曲轴箱的机油排出量减少95%以上。
紧接着,又通过多次流动转向借助于离心力分离,再加上新型分离模块中第一个腔室内的重力分离,实现粗大机油滴的分离。然后,经过预净化的曲轴箱气体被导入分离模块中第二个腔室(图7右),在这里由具有光滑表面的撞击分离器实现细小机油滴的分离。被粗大油滴分离器和细小油滴分离器分离出来的机油通过铸在汽缸体曲轴箱中的两条分开的通道引至油底壳机油油面以下被返回。为了确保机油分离系统即使在发动机必须满足的高运行动力性能要求情况下仍具备完整的功能,已附加为每个回油通道开发了弹簧止回阀,它们具有非常高的密封性,同时开启压力又很小。
曲轴箱通风模块属于空气集气箱壳体的供货范围,并且在装配时无需附加工作步骤就能安置到V形夹角中去,然后用螺栓拧紧在汽缸体曲轴箱和连续可变滚流装置(CVTS)壳体上。曲轴箱通风模块在V形夹角中的位置以及集成的所有输送介质的管道都处于发动机保温范围内,直至低于-40℃温度下无需附加的加热措施仍能确保其防冻安全性。与搭载于RS5
轿车上的4.2L-V8-FSI自然吸气高转速直喷式汽油机一样,4.0L-V8-TFSI增压直喷式汽油机已通过改换调节阀弹簧将曲轴箱真空度提高到了150mbar,因而进一步降低了摩擦功率和燃油消耗,并能改善曲轴箱通风中机油的分离。
此外,曲轴箱强制通风系统(PCV)已与增压直喷式汽油机的高要求相匹配。通过有针对性地将曲轴箱通风气体与新鲜空气混合的途径设计得较长,能够充分利用曲轴箱强制通风系统将水分和燃油从曲轴箱和发动机机油中排除的潜力。