适用范围广 解析奥迪4.0T双涡轮发动机

　　[汽车之家 技术]  在我看来，数据对于这台奥迪4.0T双涡轮增压发动机（以下简称“4.0T发动机”）而言已经变得并不重要了，只要车型需要，通过调校，它可以适应不同的车型，除了我们熟悉的奥迪家族S系列（奥迪S6、奥迪S7、奥迪S8）以及刚在编辑部测试中跑出3.57秒加速成绩的奥迪RS 7外，宾利GT V8也是它的“拥趸者”，而借用大众MLB平台打造的兰博基尼Urus概念车计划将其纳入自身动力系统之中。这台应用范围如此广泛的4.0T发动机在结构和技术储备方面究竟到了什么程度，或许，在看过下面的内容之后，你会对4.0T这种发动机有个新的认识。

● 已搭载以及计划搭载的车型

　　针对不同车型的定位以及动力需求，这台4.0T发动机可以通过调校逐一满足，但调校并非仅是程序范畴，在硬件环节也会有所调整，比如，动力输出更大的发动机，它的活塞顶部形状、涡轮叶片的尺寸会有所不同，冷却系统的布局也会有所差异。

● 发动机的身世

　　如果要溯源，这台4.0T发动机与搭载于2014款奥迪RS 5的4.2L自然吸气发动机（也曾用于2010款以及更早的奥迪Q7车型）有着一定渊源，在此基础上，为了降低油耗，将排量由4.2L降至4.0L，另外，4.0T发动机还借助气门可变升程技术实现了可变气缸排量（气缸按需运行系统）的功能。而在挂上涡轮增压器后，为了让结构更紧凑、动力响应更快，4.0T发动机的进排气侧与4.2L自然吸气发动机的结构刚好相反，换句话说，4.0T发动机的两个涡轮是夹在V型气缸之间的。

　　打开发动机舱盖时，第一时间你会觉得这跟一般的发动机没什么两样，但如果掀开红黑配色的饰板后就会发现这种结构还挺有气势的，至少与我们见到的大多数V8T发动机不同。

　　排气歧管和涡轮增压器在被置于V型气缸之间后，好处自然不必多说，结合水冷式中冷器的布置，使得整个增压进气的管路更短，理论上可以让发动机的动力响应更快，当然，有关动力响应的状态还是要与车型整体调校相匹配有关（诸如传动系统）。进气冷却这部分我们放到后面再说，先来说说这种布局的“弊端”。

● 扼住高温的喉咙

◆ 发动机舱内的温度控制

　　发热量大、不利于散热是这种结构布局需要面对的一个问题，相比排气侧在V型气缸外侧的布局，两个涡轮增压器以及排气歧管向外释放的热量很难顺理成章的从发动机下部散去（特别是在堵车路况下或高负荷行驶后），进而导致发动机舱内的温度过高，尽管严密的隔热装置不会让高温影响到乘员舱的环境，但这种热量聚集到一定程度后，发动机舱内的部件有可能面临“灼伤”的风险。对此，奥迪工程师为发动机舱设计了一套温度控制系统，涡轮增压器附近的温度传感器自点火开关被接通的一刻便开始搜集温度信息，这个温度传感器可以感知最高180℃。

　　当温度控制系统判断发动机舱内的温度过高时，系统将自动协调位于车头的电动风扇介入工作，以此对发动机舱进行强制散热，让聚集的热量尽快引导至车底。即便是发动机熄火后，系统会根据实际情况判断是否让电动风扇继续帮助发动机舱散热，考虑到电瓶储电能力的问题，电动风扇最多可持续工作10分钟。

◆ 进气温度控制

　　发动机舱的温度控制是根据这款发动机特别设计的，而发动机的进气温度控制则是每一台涡轮增压发动机都要面临的问题，相对传统的解决办法是依靠车头前的风冷式中冷器对即将进入进气歧管的增压空气进行降温，但受结构所限，过长的气道以及风冷式中冷器的温控效率在无形之中制约了发动机的性能。文章前面已经提到了水冷式中冷器的装置，大众EA211 1.4TSI发动机也使用了同样的理念。

　　空气在经过空气滤清器后顺着气道抵达涡轮增压器，经过增压的空气“走”不了多远就会一头扎进水冷式中冷器，中冷器直接与通向进气歧管的气道相连，这样来看，尽管气道长度还是比自然吸气发动机的气道长一些，但与传统结构的V8T发动机（排气系统置于V型气缸两侧）相比还是精简了不少。虽然服务于涡轮增压系统的冷却装置独立于发动机的冷却系统(有单独的电子水泵驱动)，但从水冷式中冷器流出的冷却液还是来自整个冷却系统。

　　水冷式中冷器只是整个发动机冷却系统中的一个环节，为了确保发动机能始终保持一个相对高效的状态运行，经过优化使得冷却系统的效率变得更为极致。

● 发动机冷却系统

　　冷却系统的工作原理在之前的文章中介绍过，它依靠冷却液的循环流动将发动机的热量带走并通过车头的散热器散出，散热确实是个基础需求，而现在则给发动机冷却系统提出了更高的要求，不仅要散热，还要能够管理热量，从而在确保发动机尽快达到最佳工作温度并始终保持这样的状态。

　　在冷却液温度控制方面，4.0T发动机装配了我们熟知的节温器来控制冷却液的循环路径，但不同之处在于有两种方式可以让节温器打开。节温器内部的石蜡元件本身具备受热膨胀的特性，因此，当冷却液达到一定温度后（97℃），节温器打开，这是普遍控制节温器开启的方式；另一种有点像我们常说的主动控制，节温器内部的加热元件也可触发节温器在冷却液温度较低时开启，换句话说，在实际工作中，节温器的开启幅度可被主动控制。从中的控制逻辑主要参考发动机电脑（以下简称“ECU”）内存储的脉谱图，系统根据各个传感器收集到的信息来决定节温器的状态。

　　其实，电子节温器在很多车型上都已经开始运用，不过，尽管在控制上更为准确，但在水泵的作用下，冷却液还是会在发动机内进行循环，即便能够缩短发动机达到最佳工作温度的时间，但奥迪的工程师或许对此并不满意，所以，他们设想是不是能让冷却液的循环停下来，这样，冷却液的升温速度就能进一步提高。

　　于是，一个创新的冷却液停流切换阀出现在这台4.0T发动机上，这个装置位于节温器的上游（按照冷却液的循环方向，冷却液先经过停流切换阀再经过节温器），这个切换阀由真空单元来控制，凸轮轴驱动的真空泵打造了一个真空的环境，在电磁阀的控制下，以接通或切断的方式对停流切换阀进行控制。当冷却液的温度低于80℃时，停流切换阀关闭，冷却液停止循环。这样的理念在奥迪3.0TFSI机械增压发动机也有所体现，只不过实现的方式不同。

　　说到水泵，它是整个冷却系统的心脏，负责维持整个冷却系统内的冷却液循环。4.0T发动机的水泵是以4.2L自然吸气发动机的水泵为基础做进一步改进得来，水泵由发动机通过一根轴（通过齿轮与曲轴和机油泵相连）来带动。

　　事实上，诸如空调压缩机、水泵、转向助力泵（现售的2013款奥迪S8的转向系统的助力方式为液压助力，装配电子助力的车型没有转向助力泵）这些应由皮带带动的附件在这台4.0T发动机上都做了简化（省去了皮带、导轮、涨紧轮），唯独水冷式发电机还是需要皮带传递动力。

● 动力系统

　　我们花了很大的篇幅介绍了这台发动机的冷却系统和温度控制系统，的确，温度在发动机性能以及工作效率环节起着至关重要的作用，下面我们再来看看这台4.0T发动机的动力性能。

　　装配在不同车型上的4.0T发动机在进气结构上略有不同，这点从发动机舱的布局就能看出来，奥迪RS 7采用单侧进气的方式，也就是说，分别通向两侧缸体的进气管共用一个空气滤清器，而搭载于奥迪S8的4.0T发动机则为两根进气管各自准备了一个空气滤清器。

　　V8发动机大多会采用90°的气缸夹角，这台4.0T也不例外，顺便提一句，现已广泛应用的V6 3.0TFSI机械增压发动机的气缸夹角同样为90°，要知道60°的气缸夹角也是V6发动机的一个选择，在运转平顺性方面，60°的气缸夹角在结构上更有优势，而采用90°气缸夹角的发动机可以使整车的重心更低。之所以，两台有着不同气缸数的V型发动机都采用90°的气缸夹角，或许奥迪在最开始就做好了规划，以此使研发以及制造过程更为方便，这也符合大众集团所推崇的模块化理念，当然，这仅是推断并未得到官方的证实。

　　两个涡轮增压器是压榨动力的主要“功臣”，除了机械上的结构外，对细节的优化以及增压系统的控制仍然是发动机获得高效动力的关键。

　　为了尽可能避免相邻气缸之间的排气干涉，排气歧管被分为两部分最终汇集于涡轮增压器，相当于直列4缸发动机的单涡轮双涡管结构（两侧气缸均为此结构），这样可以有效提高发动机的响应速度，减轻涡轮迟滞的程度。配气机构的可变正时技术从中也有贡献，进排气凸轮轴在由链条驱动的同时被一个可实现无极调节的凸轮轴调节器控制，调节器的最大调整范围达到42°曲轴角。在数据上，这台发动机在1000rpm时即可释放出400N•m的扭矩，像奥迪RS 7搭载的高功率版本发动机，700N•m的最大扭矩从1750rpm可延续至5500rpm。

● 增压控制系统

　　增压系统中有两个压力控制的元件，一个安装在涡轮上，另一个安装于增压后的进气管上，二者都由ECU发送执行命令。先来说说安装在进气管上的装置，其实它的作用主要是在驾驶员松开油门踏板且节气门关闭时发挥作用，如果此时不加以限制，节气门关闭后会导致仍处于增压状态下的涡轮叶片出现减速制动现象，而当驾驶员再次踩下油门时，涡轮叶片的转速无法迅速恢复到增压所需的转速而造成动力响应过慢，所以，当监测到节气门关闭后，旁通的管道就会打开，增压后的空气在进入水冷式中冷器之前就回到增压器前部重新进入增压器，让叶片保持转速。

　　涡轮增压器上的压力调节装置也会考虑到在不同工况间过渡时涡轮叶片对加速响应的影响，例如车俩处于滑行状态，也就是反拖工况，此时，节气门是关闭的状态，排气背压（排气门后的压力）增大，如不加以限制，涡轮叶片出现被制动的现象，为了不让涡轮叶片的转速下降的太快，涡轮增压器内的废气泄压阀在真空单元的控制下打开，憋在管路里的废气便可顺着泄压阀排出，这样，当驾驶员再次踩下油门踏板时，发动机可迅速做出响应。

　　另外，在凉车状态下，增压压力调节装置也会打开涡轮增压器上的泄压阀，通过这样的方式让排出的高温废气更多的流向三元催化器，以此使其尽快达到最佳的工作温度，与此同时，燃油喷射系统也会通过增加喷射次数的方式一起帮助三元催化器尽快升温，从而保证排气质量。

● 燃油供给系统

　　充足的空气供给只是给动力的释放创造了好的条件，燃油的注入同样至关重要，最早于上世纪50年代装配量产车的缸内直喷技术在经过了半个多世纪后凭借其燃油喷射效率的优势成为当今燃油喷射的主流技术，当然，在技术的不断衍变过程中，缸内直喷的性能也在往好的方向发展着。

　　这台奥迪4.0T发动机的燃油喷射系统采用的正是缸内直喷技术，日立公司为奥迪提供了柱塞式高压燃油泵，凸轮轴上装配的三角形凸轮用以推动高压泵，以高压燃油泵为分界点，燃油系统被分为高压端和低压端。低压端的压力由“埋在”油箱内的汽油泵提供，正常工作状态下，压力大概在5-6Bar，高压泵建立了高压端的压力，也就是从高压泵到后面的油轨、喷油嘴及相关连接管路，这里的压力根据不同的工况被控制在20-120Bar，喷油压力以及喷油嘴头部的设计与燃油的雾化效果有直接关系，燃油系统会将最高的压力限制在145Bar，当达到这个峰值后，燃油泄压阀介入。

　　在燃油系统的结构上，V型发动机的两侧气缸都有自己的燃油高压泵，也可以理解为两套并行的高压燃油供给系统各自负责单侧4个气缸的供油，这样的设计可以让供油压力更稳定，以此确保在喷油嘴打开的单位时间内能有足够的且尽可能恒定量的燃油喷入气缸。

● 环保技术

◆ 气缸按需运行系统

　　奥迪之前开发了一套名为AVS的气门升程系统为排气门提供两种气门升程，当时开发这个技术的目的在于通过改变排气门的升程应对不同的发动机工况，而在这台V8发动机上也有类似的技术运用，但开发目的有所不同。

　　4.0T发动机将原先AVS技术上的大角度凸轮改成了零角度凸轮，当电磁阀把零角度凸轮切换至气门摇臂位置时，该气缸的气门将不再随着活塞的运动完成开闭动作，随即该气缸的点火、喷油也会停止。这项技术在奥迪的技术体系中被称之为“气缸按需运行”系统，该系统可在工况允许的情况下由8气缸工作切换为4气缸工作，此时，相当于一台V4发动机。

□ 如何抑制气缸切换时产生的振动

□ 主动噪音控制系统

　　除了振动外，在发动机由V8切换至“V4”时工作模式时可能还会有一些噪音传入车内，如不加以限制，将对乘坐舒适性造成一定影响，我们在之前的文章中介绍过类似的主动噪音控制技术，系统发出一个与噪音相位相反的声波，从而抵消噪音。这样车内乘员对噪音就无法感知了。

◆ 二次空气系统

　　在凉车状态下，二次空气系统可通过持续的向排气门后部喷入新鲜空气的方式帮助三元催化器快速达到工作状态。新鲜空气中的氧气可以与排气歧管中的废气或三元催化器内的碳氢化合物、一氧化碳发生反应，在这个过程中会释放热量，从而使三元催化器尽快的热起来。

编辑总结：

　　奥迪在2012年推出了这款4.0T发动机，这台发动机几乎汇集了奥迪现有的绝大多数汽油发动机的技术，涡轮增压和缸内直喷是我们所熟悉的，而为了让4.0T发动机在“经济”工况下运行时更为省油，奥迪的工程师还将对运用在EA888发动机上的AVS系统进行了改造，将原先的高升程凸轮“磨平”使其成为零角度凸轮，这样在切换至该凸轮时，尽管该气缸内的活塞仍保持上下行运动，但点火和喷油工作停止，发动机由V8变为V4，以此实现省油的目的。

　　涡轮发动机本身热负荷较高，这台以原先4.2升自然吸气发动机为基础进行设计的4.0T发动机充分考虑到了冷却和热管理，除了发动机本身以及涡轮增压系统外，为了在结构上做到更紧凑、进气气路更短（缓解动力响应迟滞问题），排气系统置于V型气缸之间，由此给发动机舱内的温度环境带来较大压力，因此，发动机舱内同样设有热管理系统。

　　现在的这台4.0T发动机的功率由奥迪S7的420马力到奥迪RS 7的560马力，最大扭矩更是有着近4000rpm的宽泛输出转速区间，现阶段充分满足了包括宾利欧陆在内的5款车型的动力需要。涡轮增压发动机调校潜力向来很大，在可见的未来，它又有了新的动向，出自大众MLB平台的兰博基尼Urus概念车也会使用这台4.0T发动机，这可是给兰博基尼开了一个用涡轮增压发动机的先河，尽管他们不止一次的表达对自然吸气发动机的忠诚，但法拉利都重新启用涡轮增压动力技术了（详情请点击），还有什么不可能的呢？（图/文 汽车之家 李博旭）

相关链接：

　　自然吸气没落 解析2014沃德十佳发动机
　　http://www.autohome.com.cn/tech/201312/682181.html