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奧迪大眾第3代EA888 發動機原理詳解

德國奧迪公司出色的EA888系列發動機,現在已經發展到第三代了。持續不斷開發的原因,是越來越嚴的排放標準(EU6)、使用者要求降低燃油消耗(這是自然之事,當然也就使得CO2排放更少了)。為此,該發動機總成在所有方面都進行了根本性的修改。除了減小了外形體積,降低轉速的作用是越來越大了。

這款“全球發動機”在匈牙利的Gyoer奧迪發動機廠、墨西哥的Silao廠和中國生產。中國的上海和大連生產EA888系列發動機,將來在長春也會進行生產。

與前代機型一樣,這款發動機有1。8升的,也有2。0升的,可用於各種車輛平臺和主要品牌。該動力總成的功率頻譜是非常寬的。

Ingolstadt的工程師們把開發重點放在下面這幾點上了:

• 所有型號發動機的通用件比例要高

• 降低發動機重量

• 減小發動機的內摩擦

• 燃油消耗要小而同時

功率和扭矩要高

• 改善舒適性

另外,發動機要能在所有市場使用,即使在燃油質量很差的國度也可使用。這款“全球發動機”在日漸增多的混合動力方面也是起到很重要作用的。

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奧迪大眾第3代EA888 發動機原理詳解

使用到的新的、創新型技術有下面這些:

• 排氣歧管整合在缸蓋內

• 雙噴射系統(直噴和進氣歧管噴射)

• 新型的緊湊式渦輪增壓器模組,帶有鑄鋼渦輪殼體、電動廢氣洩放

閥調節器和渦輪前的λ感測器。

• 創新溫度管理系統,帶有全電子式節溫器

缸體的重量不但降低了很多,還在其“冷的”一側又開出了一個壓力機油通道,該機油通道用於電控活塞冷卻噴嘴。冷卻液迴流和機油迴流通道的橫截面也做了修改,爆震感測器的位置也得到了最佳化。為了使得平衡軸足夠結實,以便用於智慧起停系統或者混合動力情形,平衡軸的某部分採用了滾動軸承支承。因此,平衡軸有一處是滑動軸承,兩處是滾動軸承。同時。平衡軸的摩擦、重量和慣性也都降低了。

第3代EA888系列發動機,其重量總共減輕了約7。8kg。為了達到這個目標,對下面的部件進行了最佳化或者是首次使用某些部件:

• 薄壁式缸體,取消了單獨的機油粗過濾器

• 缸蓋和渦輪增壓器

• 曲軸 (主軸承直徑減小了,有四個平衡重塊)

• 油底殼上部是鋁壓鑄而成的(包括鋁製螺栓)

• 油底殼下部是塑膠製成的

• 鋁製螺栓

• 平衡軸(某部分採用了滾動軸承支承)

缸體做了根本性的改動,主要目標是降低重量。壁厚從約3。5mm減至3。0mm。另外,機油粗過濾器的功能整合到缸體內了。就缸體來講,與第2代EA888系列發動機相比,總共可降低2。4kg。內部摩擦所消耗的功率也有所降低。減重所用到的最重要的措施是:減小了主軸承直徑和改進了平衡軸的軸承。

與第2代發動機相比而作的其它改進之處:

• 其“冷的”一側又開出了一個壓力機油通道,該機油通道用於電控活塞冷卻噴嘴。

• 冷卻液迴流和機油迴流通道的橫截面也做了修改。

• 改進了長的發動機水套。

• 機油冷卻器透過缸蓋上的冷卻液迴流來供液。

• 爆震感測器的位置有所最佳化

• 改進了平衡軸的軸承。

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鏈傳動機構

鏈傳動機構的基本構造,差不多就是直接取自第2代發動機。但是也還是有改進的地方。由於摩擦減小了且機油需求量也很小了,所以鏈傳動機構所耗費的驅動功率也就減小了。因此鏈條張緊器就做了匹配,就是按較低的機油壓力進行適配。

乍看看不出來,但實際上針對售後服務是做了幾處改動。這一方面涉及到鏈條裝配的工作步驟,另一方面還要用到一些新的專用工具。另外,在拆裝了鏈條機構後,必須用車輛診斷儀進行適配,這實際上就是為了診斷而要獲知鏈條機構的部件公差並做相應的考慮。

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平衡軸

平衡軸除了降低了重量外,有幾處改成了滾動軸承支承了,這樣就可以明顯降低摩擦了,尤其是在機油溫度較低時效果更明顯。另外,這個措施對於智慧起停模式和混合動力模式的可靠性也具有積極意義。

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附加裝置支架

機油濾清器濾芯筒總成易於更換,從上面就可夠著,為了在更換濾清器時不淌出機油,在鬆開時會開啟一個鎖銷,於是機油就流回油底殼了。在發動機的附加裝置支架上,整合有機油濾清器支架和機油冷卻器支架。該支架內有機油道和冷卻液通道(流向機油冷卻器)。還裝有機油壓力開關、活塞冷卻噴嘴的電控閥以及多楔皮帶的張緊裝置。

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缸蓋

發動機上,最惹人注目的新件就是缸蓋了,該缸蓋是完全重新開發的。在配有直噴系統的渦輪增壓發動機上,首次在缸蓋內集成了廢氣冷卻系統以及廢氣再迴圈系統(IAGK)。

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凸輪軸調節器

另一項重要改進,就是在排氣凸輪軸上也有凸輪軸調節器了。這樣的話,在操控換氣過程時,就可以達到最大靈活度了。奧迪氣門升程系統與排氣凸輪軸調節器一起使用,就可滿足在全負荷和部分負荷時對於換氣的不同需求了。其結果就是能快速產生所需力矩。發動機在一個轉速很寬的範圍內都能獲得高達320Nm的力矩,這樣的話就能與各種變速器傳動比來配合使用了(降低轉速)。這樣也就降低了燃油消耗了。

排氣道的佈置原則是這樣的:排氣氣缸的廢氣氣流對任一其它氣缸的掃氣過程不能有影響。

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整合式排氣歧管可以使得冷卻液能得到快速預熱,因此該歧管是溫度管理的重要元件。在預熱階段,在很短時間後熱量就傳入冷卻液了。這個熱量被立即用於去預熱發動機以及為車內乘員供暖。由於熱量損失很少且路徑很短,因此後面的部件(λ感測器、廢氣渦輪增壓器和催化淨化器)就能更快地達到最佳工作溫度了。在經過了很短的預熱階段後,就過渡到冷卻工況了,因為整合式排氣歧管附近的冷卻液很快就會沸騰的。正因為這個原因,冷卻液傳溫度感器G62也安裝在缸蓋的最熱點之處。

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曲軸箱排氣與通風系統也是經過再開發的,因此缸體與大氣之間的壓力比就可按較大的壓降來設計了,這對降低發動機機油消耗量很有利。另外,還儘量考慮到減少部件數量了,因此在發動機之外,只有一根管子用於匯出已淨化了的竄氣。

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機油粗分離

機油粗分離器的功能是缸體的組成部分,讓竄氣氣流在一個迷宮式結構中改變方向,就可以分離出一部分機油,分離出的機油經缸體內的迴流通道流回到油底殼中,該通道的末端在機油油麵以下。

機油細分離

經過粗分離後的竄氣從缸體內經缸蓋內的一個通道被引入到機油細分離器模組。竄氣先在旋流式分離器中進行淨化,旋流式分離器所分離出的機油透過缸體內的一個獨立通道流回油底殼,該通道的末端在機油油麵以下。止回閥的作用是:在壓力比不利的情況下,防止機油被

從油底殼中抽出。在以運動風格來駕車行駛時(急加速),機油迴流口可能會露出,因為油底殼內的機油被晃到一邊去了。即使這樣,止回閥也會封住機油迴流通道,該閥是個慣性閥。

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曲軸箱通風裝置與機油細分離器和壓力調節閥合成在一個模組中,安裝在氣缸蓋罩上。

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機油供給

即使是壓力機油迴路,也是在不斷地最佳化和改進者的。重點改進如下:

• 優化了機油供給系統的壓力機油通道,這樣在容積增大的同時又減小了壓力損失。

• 降低了壓力機油段的壓力損失。

• 擴大了較低壓力時的轉速範圍。

• 較低壓力時機油壓力下降

• 可控式活塞冷卻噴嘴

綜合起來看,這些措施明顯降低了發動機的內摩擦。燃油消耗也因此再次降低。

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可調機油泵

該機油泵的基本功能與第2代發動機用的泵是一樣的,但是有如下變化:

• 泵內的液壓調節又經過進一步開發,因此對該泵的控制更精確了。

• 該泵的傳動比有所變化,現在泵執行得更慢了,i = 0,96。

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創新溫度管理(ITM)

在對發動機進行進一步改進時,對整個冷卻迴圈系統也做了修改。主要有這幾項內容:發動機的快速預熱,透過快速且經熱力學方面最佳化的發動機溫度調節來實現降低油耗,以及在需要時給乘員艙加熱。

創新溫度管理的兩個最重要部件是:整合在缸蓋內的排氣歧管(見缸蓋的剖面圖,下面有描述),和發動機溫度調節執行元件N493。創新溫度管理是作為一個模組與水泵一起安裝在發動機較冷的一側。

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發動機溫度調節執行元件N493(旋轉滑閥)

發動機溫度調節執行元件N493在1,8l 和 2,0l發動機上,無論縱置和橫置都是一樣的。採用兩個機械連線的旋轉滑閥來調節冷卻液液流。旋轉滑閥角度位置的調節是按照發動機控制單元內的各種特性曲線來進行的。

透過旋轉滑閥的相應位置,就可實現不同的切換狀態。因此,就可讓發動機快速預熱,也就使得摩擦變小了(因此燃油消耗就小了)。另外,可讓發動機溫度在85°C - 107°C之間變動。

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發動機溫度調節執行元件N493的功能

一個直流電機驅動旋轉滑閥轉動,該電機由發動機控制單元透過PWM-(12V)來操控,操控頻率為1000Hz。這裡的新內容是操控訊號,這是個數字訊號,從結構上講像CAN-匯流排訊號。這個操控過程一直持續進行著,直至到達發動機控制單元給出的位置。正的操控訊號(診斷儀上的測量值)表示旋轉滑閥在向開啟的方向轉動。電機透過一個很結實的蝸輪蝸桿傳動裝置來驅動旋轉滑閥1,這樣就能控制機油冷卻器、缸蓋以及主散熱器中的冷卻液液流了。(變速器機油冷卻器、廢氣渦輪增壓器和暖風迴流管不進行調節。)

旋轉滑閥2是透過一個滾銷齒聯動機構與旋轉滑閥1相聯的。該聯動機的結構是這樣的:旋轉滑閥2在特定角度位置會與旋轉滑閥1聯上和脫開。旋轉滑閥2的旋轉運動(開啟流經缸體的冷卻液液流)在旋轉滑閥1轉角約為145°時開始。在旋轉滑閥1轉角約為85°再次脫開。此時旋轉滑閥2達到了其最大轉動位置,缸體內的冷卻液迴圈管路就完全打開了。

旋轉滑閥的運動,會受到機械止點限制的。

發動機越熱,旋轉滑閥的轉動也就越大,這樣的話不同的橫斷面也就有不同的流量了。為了能準確識別旋轉滑閥的位置以及功能故障,就在旋轉滑閥的控制電路板上裝了一個旋轉角度感測器,該感測器將數字電壓訊號(SENT*)傳送給發動機控制單元。旋轉滑閥1的位置可用診斷儀在測量值中讀出。

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預熱

要想預熱發動機,旋轉滑閥1就得轉到160°的位置。在這個位置處,旋轉滑閥1會封閉發動機機油冷卻器和主散熱器迴流管開口。旋轉滑閥2會封閉通向缸體的開口。自動空調冷卻液截止閥N422和變速器冷卻液閥N488暫時關閉。冷卻液續動泵V51不通電。於是這時冷卻液不在缸體內迴圈。不流動的冷卻液根據負荷和轉速情況,被加熱至最高90°C。

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自加熱

如果有加熱請求,那麼自動空調冷卻液截止閥N422和冷卻液迴圈泵V51就會被啟用,於是冷卻液就會流經缸蓋、廢氣渦輪增壓器和暖風熱交換器。

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小流量

該功能用於:在缸體內的冷卻液靜止時(就是不流動時),防止缸蓋(整合式排氣歧管)和渦輪增壓器過熱。為此就要將旋轉滑閥1轉到約145°的位置上。從該位置起,滾銷齒聯動機構就會帶動旋轉滑閥2動作了,該閥開始打開了。這時,少量冷卻液就會流經缸體而進入缸蓋,流經渦輪增壓器,再經旋轉滑閥模組流回水泵。還有一部分冷卻液,在需要時會經冷卻液止回閥N82流向暖風熱交換器。冷卻液迴圈泵V51僅在“有加熱要求時”,才會啟用工作。由於可以快速加熱冷卻液,那麼在發動機預熱階段就可以將摩擦降至最小了。

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接通發動機機油冷卻器的預熱執行

預熱階段在接下來,就只接通發動機機油冷卻器。在旋轉滑閥1到達120°的位置起,發動機機油冷卻器介面就開始打開了。與此同時,旋轉滑閥2也一直在繼續開啟,流經缸體的冷卻液流就越來越大。透過這種有針對性地來接通發動機機油冷卻器,可以額外加熱發動機機油。

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變速器機油加熱

在發動機熱到足夠程度後,最後會開啟變速器冷卻液閥N488,以便用過剩的熱來加熱變速器機油。變速器機油加熱功能在下述情況下接通:不用暖風的話,冷卻液溫度達到80°C時;使用暖風的話,冷卻液溫度達到97°C時

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透過主散熱器實施溫度調節

在轉速和負荷很小時,就把冷卻液溫度調至107°C,以便使得發動摩擦最小。隨著負荷和轉速升高,會將冷卻液溫度調低,最低可至85°C為此,旋轉滑閥1就在85°和0°之間根據冷卻需要來進行調節。在0°這個滑閥位置時,主散熱器迴流介面就完全打開了。

奧迪大眾第3代EA888 發動機原理詳解

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關閉發動機後的續動功能

為了避免缸蓋和渦輪增壓器處的冷卻液在發動機關機後沸騰,也為了避免對發動機不必要的冷卻,會按特性曲線起動續動功能。該功能在發動機關閉後,最多可工作15分鐘。為此就將旋轉滑閥轉至“續動位置”(160-255°)。在這個續動工況,也會實現冷卻液溫度調節的。在需要以最大續動能力來工作(255°)且冷卻液溫度較低時,主散熱器迴流介面就打開了,但是去往缸體的介面卻用旋轉滑閥2給封閉了。另外,冷卻液續動泵V51和冷卻液止回閥N82也都激活了。冷卻液這時分成兩個分流:一個是經缸蓋流向V51,另一個經渦輪增壓器流經旋轉滑閥,隨後再流經主散熱器而流回冷卻液續動泵V51。缸體在續動位置時,就沒有冷卻液流過了。透過這個功能,可以明顯降低續動持續時間,且不會產生大量的熱能損失。

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故障情況

轉角感測器損壞了的話,那麼該旋轉滑閥就會開至最大位置(發動機冷卻能力最強)。如果直流電機損壞或者旋轉滑閥卡死,那麼根據旋轉滑閥位置情況,會啟用轉速限制和扭矩限制功能。

如果旋轉滑閥內的溫度超過113°C,那麼旋轉滑閥內的膨脹式節溫器就會開啟通向主散熱器的一個旁通支路,這樣的話冷卻液就可以流經主散熱器。於是,出現故障時也可以繼續行駛了。

其它反應:

• 組合儀表上出現資訊,提示轉速已被限制在4000轉/分,提示音響一次,,EPC-燈也被接通

• 組合儀表上顯示真實的冷卻液溫度

• 開啟冷卻液截止閥 N82

• 啟用冷卻液續動泵 V51,以保證缸蓋的冷卻

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進氣歧管

由於增壓壓力較高,所以對整合的進氣歧管翻板系統進行了徹底的修改。彎曲的單體式不鏽鋼軸,可以為進氣道內的凹形翻板提供最大的抗扭性。透過進氣歧管翻板電位計(非接觸式轉角感測器)來識別翻板位置。

凹形翻板在開啟狀態時是繃緊在基體上的,這樣就可以將氣流的衝動降至最小。該軸由發動機控制單元藉助真空單元(雙位控制)經進氣歧管翻板閥N316來以電控氣動方式操控。

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廢氣渦輪增壓器

採用單進氣口式廢氣渦輪增壓器,可以改善全負荷特性(尤其是在較高轉速區域時)。氣缸蓋上廢氣出口採用雙流式通道佈置,在廢氣渦輪增壓器中一直延伸到緊靠渦輪的前面。這樣總體上可以實現儘可能好的點火順序分開(四個分成兩個一組)。

這種廢氣渦輪增壓器有如下特點:

• 電控洩放閥調節器 (增壓壓力調節器V465和增壓壓力調節器的位置傳

感器G581)

• λ感測器在渦輪前面 (λ感測器 G39)

• 小巧的鑄鋼渦輪殼體,帶有雙流式入口,直接用法蘭固定在缸蓋上

• 壓氣機殼體帶有一體式的脈動消音器和電控迴圈空氣閥(渦輪增壓器循

環空氣閥N249)

• 抗高溫(Inconel*) 渦輪,最高可承受980°C

• 殼體帶有機油和冷卻液通用介面

• 銑削的壓氣機轉子使得轉速更穩、噪音更小

• 渦輪是混流式的* ,用Inconel713°C製造

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增壓壓力調節器 V465

奧迪四缸渦輪增壓發動機,首次使用了電控洩放閥調節器。這種技術與以前使用的高壓單元相比,有如下優點:

• 響應速度和精度更高

• 能不依賴當前的增壓壓力來實施控制

• 因為卡止力較大,所以即使在發動機轉速低至1500轉/分時,也能保證發動機輸出320Nm的這個最大力矩。

• 在部分負荷時主動開啟洩放閥,可以降低基本增壓壓力。在MVEG-迴圈中,這可以減少1。2g CO2/km(也就是省油了)。

• 在催化淨化器預熱時主動開啟洩放閥,,可以使得催化淨化器前的廢氣溫度增高10°C,這樣就使得冷起動排放降低了。

• 由於電控洩放閥調節器的調節速度快,在負荷往降低方向變化時(怠速滑行),可以讓增壓壓力立即下降,這對改善渦輪增壓器的聲響特性尤其有利(排氣的呼嘯聲)。

奧迪大眾第3代EA888 發動機原理詳解

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混合氣形成 / 雙噴射系統

直噴汽油發動機所排出的細微炭煙顆粒,要比當前的柴油發動機最多能高出10倍,這個問題的討論越來越多,這促使我們開發了雙噴射系統。

可實現下述目標:

• 將系統壓力從 150bar 提高到 200bar

• 改善噪音

• 達到EU-6關於顆粒質量和數量的要求(能將炭煙排放降低10倍)

• 降低廢氣排放(尤其是CO2),使之符合當前和將來的排放要求

• 適應另加的進氣歧管噴射系統要求

• 降低部分負荷時的燃油消耗(這時使用MPI-噴射比較有利)

奧迪大眾第3代EA888 發動機原理詳解

奧迪大眾第3代EA888 發動機原理詳解