大众新王牌,技术流解析第三代EA888发动机

2013-10-16 19:15:20来源: 车云网

    如果要说当下量产发动机上比较先进的技术,大众的TFSI必占一席之地。2004年,首款TFSI发动机问世,而大众在2006年发布的EA888系列,自2007年3月在国内投产,截止到去年7月份,共生产了100万台,基本大众的B级车、奥迪A4L和Q5以及斯柯达的大部分2.0T车型上都是搭载的这款发动机,绝对称得上是大众的“明星”发动机。

    如今大众要在中国引入这款发动机的第三代产品。与第二代相比,第三代EA888上有很多首次在大规模量产发动机上应用的技术。这些让人眼花缭乱的技术是否可以真正为第三代EA888加分?这款布满技术亮点的第三代EA888又能否取代上一代产品成为“今日之星”?还是先看看第三代的家当究竟如何吧。

典型德国工程师思路:缸盖内置的排气歧管

    在大众列出的第三代EA888技术亮点中,最引人注目的就是缸盖内置的排气歧管。虽然其他技术也是首次在大规模量产发动机上出现,但是这项技术相对来说非常独特。

    对发动机结构熟悉的人都知道,发动机的缸盖结构形状非常复杂,需要安置进排气凸轮轴、进排气门、气门摇臂、火花塞、进排气道、冷却水道等,直喷发动机还有喷油嘴,现在大众还想在狭小的空间中再加上排气歧管,除了增加复杂度之外,缸盖高度必然增加,发动机高度也会随之增加。

    此外,发动机排气歧管的温度很高,四缸发动机的排气终点温度大多在900K-1100K(约为626-826°C)之间,而排气歧管与缸盖对散热的要求不同,因此,还需要解决冷却问题,要对冷却管道重新设计。可以说,这样的改动在设计和验证上需要耗费极大的人力物力,那么,大众如此改动的目的何在呢?

    在车云菌看来,大众的目的在于降低涡轮增压器的进气温度和压力,从而减低涡轮的负荷,提高涡轮寿命。同时,因为在进入涡轮之前进行冷却,相当于提高了涡轮的进气温度限制,可以允许发动机有更高的排气温度,也就意味着可以将发动机的输出功率和扭矩调校得更高。而这样,也让中冷器的存在变得可有可无,涡轮的结构可以得到简化。

    如图1所示,第三代1.8升EA888与第二代1.8升EA888在输出扭矩上的差距相当明显,第三代1.8升EA888的动力性能直追第二代2.0升版本。这其中就有缸盖内置排气歧管的功劳。

图1 第三代1.8升EA888与第二代两版本性能曲线对比

汽车制造商也不会用到如此复杂的算法,因为没谁会想到利用缸盖内的冷却水道对排气进行冷却来。

    或许这样对涡轮增压器的好处是十分明显的,即提高了寿命又精简了机构,然而代价是缸盖结构复杂度和负荷的增加,寿命肯定也会受到影响。另外,从图3看,与上一代发动机整体相比,起动瞬间的沸腾强度大幅增加,从维护角度,也很难说真正地得到了优化,典型的德国工程师思维:制造出一个全新的东西去解决固有的问题,然后又产生新的问题。

图3 缸盖受热模拟算法

以精细之名:摩擦力优化设计与热力管理系统

    虽然缸盖内置排气歧管的设计让人忍不住想要吐槽,不过第三代EA888技术上的闪光点并不会被此遮盖,比如精细化设计了的摩擦力和热力管理系统。

    在第三代EA888中,与摩擦相关的主要组件都全部进行了重新设计。比如,对活塞衬套和活塞环进行改进以减小与缸体之间的摩擦力;曲轴轴承的尺寸被适度减小以降低设计裕度,避免不必要的浪费和统一寿命;首次使用的可切换式活塞冷却喷嘴提升了压缩进程和低负荷下的冷却效果,进一步提升了曲轴传动性能;而可变压力/流量的滑油泵减小了发动机的热负荷。

    为了降低燃油消耗,大众在热力管理系统上也下了不少功夫。除了首次使用电控冷却液恒温器之外,冷却循环也被设置得更加精细。

    电控冷却液恒温器可以通过设定,让冷却液在发动机起动时保持固定不动,从而更快地进行暖机。当检测到系统某个组件的温度达到了设定的温度之后,回转阀门会根据需要打开一定角度,让冷却液以最小流量缓慢流出,不会对暖机造成影响。

图4 电控冷却液恒温器

    随着发动机工作温度的升高,同样用于温度控制的油/水热交换器(由电控冷却液恒温器控制)和变速器的热交换器(由附加的可切换式开关控制)会依次开始工作。当冷却液的温度达到107°C时,冷却液恒温器就会引入发动机主冷却器中的冷却水,保证冷却液的温度不会超过设定值。电控冷却液恒温器可以根据发动机的不同工况,设置冷却液的最高温度,提高发动机在全工况下的热效率

    在奥迪A4上,发动机的热力管理系统是由自动加热系统控制的。自动加热系统通过可切换开关和电控加热泵控制供热循环的开启和关闭。供热循环的热量来自于缸盖内部的排气歧管。在系统控制下,可以让发动机的部分组件温度尽快提升,如活塞衬套组件,从而带来更低的油耗。

    下图是带自动加热系统的第三代1.8升EA888与第二代EA888在NEDC工况下的温度曲线对比,从图中可以看出,第三代EA888的工作温度和暖机速度明显优于第二代,使其每公里二氧化碳排放量大约降低了2.5g。

图5 第三代1.8升EA888与第二代1.8升EA888温度曲线对比

法规推动下的进步:FSI+MPI双喷射系统

    FSI与MPI相结合的双喷射系统并不是大众的首创,丰田的D4-S发动机就是用的双喷射系统,但双喷射系统的意义对于大众和丰田却是不一样的。双喷射系统能够根据不同的工况选择不同的喷射方式,除了兼顾低转速和高转速下发动机的性能表现外,最重要的,是进一步降低碳排放,满足欧盟越来越严苛的碳排放法规限制。与第二代相比,FSI直喷压力最高从150bar调整到了200bar,但是双喷射系统加上更高的直喷压力对于燃油系统的稳定性也提出了更高的要求。另外,国内汽油油品一直参差不齐,整体较低,因此,如何更好地适应中国“国情”也是大众需要考虑的问题。

图6 双喷射系统

    为了满足大幅提升的输出功率和全负荷下更优的燃油效率,奥迪在1.8升版本上配置了第二代2.0升才具有的奥迪可变气门升程系统。同时,第三代还在排气凸轮轴上增加了一个凸轮调节器,为对压缩过程的控制提供最大的自由度。

TFSI技术核心:涡轮增压器

    对于TFSI技术来说,核心还是涡轮增压器。第三代EA888上使用的是由日本石川岛重工提供的RHF4型涡轮增压器,在转子、涡轮、涡壳以及气体管道设计上均有所提升和加强。

图7 排气管与涡轮增压器

    因为排气歧管的重新设计,排气歧管的长度整体减小,缩短了排气过程,使进入涡轮的气体冲量增加,从而减小了气缸内的残余废气数量,同时也增加了排气能量,提升了增压性能。

    涡轮上首次使用了电控泄压阀激励器,与上一代的压敏装置相比,能够更快速和精确地控制排气泄压阀的开闭。

    另外,涡轮上同时也首次在前部安装了氧传感器。在这里安装氧传感器的好处是,可以更早地对排气成分进行分析,进而实时调整发动机混合气的浓度,进一步提升发动机的效率和动力性能。

    涡轮增压器的壳体由铸钢制成,使涡轮增压器可承受的最大进气温度达到980℃,叶轮的制作材料也由713 C铬镍铁合金取代了MAR。从文章的图1中也可以看出,在动力性能上,第三代EA888 1.8升完全可以取代第二代的2.0升版本,除了能够大幅度提高热效率和机械效率,同时也能降低NEDC工况下的碳排量——每公里大约6到7克,兼顾了环保与动力性能。

车云小结:

    第三代EA888上的技术亮点确实不少,猛一看,还真有“闪瞎眼”的感觉。除了上述提到的,还有一些细节上的改动,如采用薄壁曲轴箱、塑料油底壳和全铝制螺栓对机身进行减重;可微量伸缩的高压燃油喷嘴,降低喷嘴的热负荷,提高寿命等。

    上一代EA888因为在国内市场的良好表现被誉为“明星”发动机,而技术更为先进的第三代能否真正意义上取代上一代产品并继承其“明星”光环呢?而大众耗费如此的人力物力(比如缸盖内置排气歧管)研发新一代产品,当然也不希望仅仅是守成,而是能够进一步开疆拓土,第三代EA888能否不负大众所望?这一切还需要靠市场来验证。

关键字:大众  解析

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/1016/article_8015.html
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