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新一代神机? 大众EA211发动机全解析《二》

2015-11-01  qy3698


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可变排量机油泵/曲轴箱通风/气门室盖

◆ 机油泵具备双级可变排量的功能

好处:减少动力损失,省油

曲轴箱通风

刚才说到原先EA111发动机在正时盖罩上集成了曲轴箱通风系统的油气分离器,那我们再来看看新的EA211发动机是如何布置油气分离器的。

从拆解的情况来看,EA211发动机的曲轴箱通风系统只在缸体上装配了一个油气分离器,不过,其内部带有粗分离区域和细分离区域。

曲轴箱通风系统是维持发动机内部气压平衡的重要环节,在日常用车时,如果系统内部过脏(主要是油污),有可能造成内部的堵塞,进而造成内部压力失衡,上海大众的发动机工程师也做过这样的实验,他们故意将系统管路堵住,对系统工作进行人为干扰,用不了多长时间,发动机曲轴油封就会出现渗油情况。这样来看,当我们发现发动机缸体密封部位出现渗油时,一方面有可能是密封部件老化所致,也有可能是内部压力过大,将机油“顶”了出来。而问题的根源则在曲轴箱通风系统。

● 气门室盖集成化设计

好处:集成度更高,重量更轻

弊端:后期维修成本高

我们还是从你能看到的地方说起,发动机最上面的叫气门室盖,传统意义上的气门室盖功能单一且材质多为树脂,当然也有些采用铝合金材质,其功能更多为密封,有些发动机在气门室盖内还设有油气分离器。但总体来说,这个部件本质上就是一个盖。

原先EA111发动机对这个部件进行了优化,使其不再是一个简单的密封盖,而是具备了凸轮轴盖的作用,这样,一个铝合金盖便集成了气门室的密封和固定凸轮轴的功能。这种设计也对自主品牌的发动机开发理念有着深远影响,有关话题以后我们会专门聊。言归正传,新的EA211发动机将这部分的集成度做的更高。

简单来说,EA211发动机的凸轮轴在结构上与凸轮轴壳体(气门室盖、凸轮轴盖集成后的新名称)不可分离,省去了传统的凸轮轴盖,结构优化的同时,减轻了重量,此外,在凸轮轴前端安装了一个滚珠轴承用于降低凸轮轴旋转阻力。这样的设计优势固然明显,但这给维修造成了“麻烦”,其实也不能称之为“麻烦”,只需要更换凸轮轴壳体总成(包括凸轮轴壳、凸轮轴、滚珠轴承)即可,只不过,由于部件不可单独更换(如果需要更换凸轮轴,则只能对凸轮轴壳体总成进行更换),因此维修费的支出比较高。

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配气正时及正时皮带

既然说到了凸轮轴,那么,我们接着把整个配气正时系统介绍完,除了集成度更高的缸盖外,可变正时系统也有较大的变化,由原先的进气单侧VVT升级为进排气双侧VVT(1.6L自然吸气发动机仍旧只有进气侧VVT),其中,进气凸轮轴的最大调整角度范围在50°曲轴角,排气凸轮轴的最大调整角度范围为40°曲轴角。

无论是进气还是排气都可以根据发动机实际工况对气门的开启时刻进行调整,优化了气缸的进排气效率,ECU对气缸的控制权限也更大。尽管,双VVT的技术配置已经很普遍了,但对于大众1.4T这个级别的发动机而言,这个进步还是有目共睹的。

另外再来说说VVT调节机构供应商的事,目前,上海大众使用的EA211 1.4T发动机的VVT调节机构是日本电装公司提供的,这家公司是汽车行业里名副其实的背后巨人,特别是电气化方面,几乎每辆汽车都有电装公司制造的部件。我们上一次提到这家公司是在马自达创驰蓝天发动机拆解文章中,电装公司为其提供了电动VVT调节机构,从而能够驾驭13:1的压缩比,如果你感兴趣,可以(点击此处)查看。而在VVT调节机构的供应商里,博格华纳、LuK都是行家,至于使用哪家公司的产品,通常主机厂都会通过招标来确认。

● 正时皮带

好处:噪音小,重量轻

你没看错,EA211发动机的正时系统使用的就是皮带,有些人在看到这个信息点的时候会对此嗤之以鼻,“都什么年代了还用皮带?”

在人们固有的认知中,采用链条的正时系统好处诸多,其中最重要的一定就是免维护,但不可否认的是,尽管在技术上可以改善静音方面的性能,但毕竟是金属与金属之间的接触,噪声还是个问题,尤其是随着车辆行驶里程的增加,正时链条发出的噪音也可能变大。而橡胶材质的皮带在噪音控制环节就有本质的优势,如果能解决每6万公里至8万公里定期更换的问题,那么,这样的皮带显然更“高级”。

EA211发动机的正时皮带就是长寿命的类型,由大陆(Continental)提供的皮带理论上可做到终身免维护(寿命达到30万公里),但官方保养手册规定在车辆行驶9万公里时要进行保养,之后每3万公里进行一次检查,如果发现异常,需要进行更换。

我们都知道,油污对橡胶的腐蚀比较严重,因此,皮带的工作环境的清洁程度是决定使用寿命的一个原因,尽管皮带表面的涂层可提高耐腐程度,但仍旧不允许有机油从密封处渗入正时皮带室内。除了橡胶老化外,皮带的抗拉伸性能也影响着配气正时的工作,如果过度拉伸直至超过张紧器的能力范围,有可能会出现“跳齿”现象,跳1、2个齿或许系统能够通过VVT进行补偿,而一旦突破阈值,就会给发动机造成不可修复的损伤(主要是气门与活塞会出现撞击)。这些问题,上海大众的发动机工程师表示,“现在使用的这种皮带经过验证已无需过度考虑维护保养问题,基本就是终身免维护,而且噪音还小”。

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缸盖集成排气歧管/冷却控制

● 缸盖集成排气歧管

好处:热管理得到优化

将排气歧管集成在缸盖的设计理念是一个趋势,之前在介绍第三代EA888发动机的时候我们就讨论过这个问题,热管理的优势对于排放控制有着积极的作用。

缸盖内部的排气歧管穿插着水道,发动机运转时,串流的冷却液与排气歧管实现热交换,最直接的益处是冷车启动时可以利用排气产生的温度给冷却液“加热”,与传统冷却系统的温控逻辑相结合,使得发动机水温尽快上升至最佳工作温度(90℃左右)。

● 控制水温的设计

好处:缸盖、缸体进行差异化管理,更有针对性

集成式的缸盖确实是一种新的热管理方式,但新的热管理技术还是要依托传统冷却技术才能发挥优势。

节温器是控制冷却系统工作状态的核心部件,EA211发动机使用的是传统石蜡型节温器,有些发动机使用了ECU可主动控制的电子节温器,在控制上,电子类型显然更灵活,不过,从实际控制情况评估,节温器最重要的性能则在于能够在设定的温度下完成打开和关闭的动作以切换冷却液的大、小循环,而电子节温器的结构也仅是在石蜡结构的基础上装一个加热装置而已,换句话说,只有在冷却液温度趋于正常工作温度时,节温器的打开才有意义。

冷却系统的控制逻辑基本延续了EA111发动机的设计,两个节温器分别控制通往缸体和缸盖的两条循环水道,由于缸体和缸盖的温度特性不同(缸体的温度高于缸盖并且升温速度也更快),所以两个节温器的开启温度也不同。

控制缸体水道的节温器开启温度更高,换句话说,缸体的工作温度也会略高,这样有利于降低曲柄连杆机构的内部摩擦。而控制缸盖的内部水道循环的节温器则开启温度略低,缸盖因此可得到更好的冷却,从而能够降低燃烧室内部的温度,对进气以及气缸的工作稳定性都有好处。

节温器及壳体与水泵集成在一起固定在缸体上,水泵由排气凸轮轴带轮通过齿形皮带直接驱动,相比EA111发动机上由发电机皮带驱动的水泵,在空间上则更为紧凑。事实上,原先EA113发动机的水泵也是嵌入缸体的设计,水泵带轮是由正时皮带驱动,但后来这一部分的设计趋势更偏向于外挂形式,主要是可以简化缸体水道的设计,现在EA211在水泵的布置环节基本兼顾了空间布置以及结构优化。

为什么要让水温尽快达到最佳状态?

说了这么多冷却系统的事,但问题是,为什么要让水温尽快达到工作温度呢?大致有三个原因吧。一、就车内驾乘人员而言,在冬天,水温的提升速度决定了暖风的供给速度;二、水温在一定程度上决定了润滑系统的保护效果(确切的说是机油温度,发动机工作产生的热量也会传至机油);三、对尾气排放质量有积极作用。

首先要肯定的是,发动机的工作温度要维持在一定的范围,过低、过高都有不利影响。发动机启动时,发动机电脑(以下简称“ECU”)会依据水温传感器收集信息判断发动机的状态,当温度过低时(例如停放一宿),ECU会采取多喷油的策略,这也是在冷启动后为什么转速略高于常规怠速转速的原因。

水温提升是一方面,另外,三元催化器的温度状态对尾气排放质量也很关键,未来,排放法规会越来越严格,特别是针对冷启动阶段的排放限制,因此,需要让三元催化器尽快发挥作用。而缸盖集成排气歧管的设计则是一举两得,即提高了热效率,又从结构上缩短了废气到三元催化器的距离,热量传递效率更高。

◆ 是否需要刻意热车

“热车”时间的缩短意味着油耗及排放压力的减轻,那么,问题来了,启动后到底用不用刻意热车。这是大家一致在讨论的话题,热车到底在热什么?

那些老生常谈的利与弊在这里就不进行赘述了,本着结论先行的原则,我给出的意见是不用刻意热车,别着急,听我把话说完。

首先,启动一瞬间的磨损确实会比发动机正常运转时严重些,启动后,机油泵会建立正常的工作压力,随即油道将机油引至各个摩擦副,如凸轮轴和滚子摇臂、曲轴轴颈和轴瓦之间等等,在低温状态下,机油的流动性会差些,但待其在各个摩擦副间形成油膜后,便可发挥保护作用,这段时间车主可用于做些如安置随身物品、系安全带等上路前的常规准备工作,这个时间足够让润滑系统完成油压建立并形成油膜了。但需要注意的是,在水温表没有上升趋势的情况下,尽量不要急加油,手动挡车辆也要控制换挡转速,毕竟,机油的流动性多少还是会对润滑系统有影响。

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涡轮增压系统设计

● 涡轮增压器的电控废气阀门被“简化”

好处:减少一个噪音源

涡轮增压系统的整体结构与之前EA111 1.4T发动机基本相同,但一些细节的变化,还是能够看出大众在这类发动机的研发理念的转变。

大众在EA111 1.4T发动机上开始使用水冷式中冷器,并将其集成在进气歧管内,相比使用风冷式中冷器的涡轮增压发动机,无论是在体积方面,还是对进气温度控制方面,水冷式中冷器都有优势。现在很多厂商都在运用水冷中冷器技术,像雷克萨斯NX搭载的2.0T发动机、搭载于奔驰A级AMG的M133 2.0T发动机或者2015款奔驰E级使用的3.0T发动机、宝马V8发动机等等,只不过,在水冷式中冷器的布置上有所不同,像1.4T这种小排量发动机对集成度的诉求就比较强烈。EA211 1.4T将这样的设计延续了下来。

因EA211发动机将排气歧管集成到了缸盖内,所以,涡轮增压器总成的结构也变的简单了,(原先增压器集成了排气歧管)。如果你对之前的EA111 1.4T发动机比较了解,再加之观察够仔细,就会发现另一个细节变化,EA111 1.4T发动机通过内部压力控制环节优化改善了涡轮响应速度,具体方式是将传统的依靠真空控制的超速切断阀升级为控制更直接、精准的电磁阀。不过,在进化到EA211后,1.4T发动机却没有了这个装置。

◆ 先来说说那个电磁阀是如何保证动力响应速度的

废气循环电磁阀本身是常闭的状态,也就是说,在不工作的时候,不影响进气管路内的压力环境,例如在加速时(在各个挡位的转速区间内),电磁阀关闭,确保进气压力,而在换挡收油的时候,这里需要注意的是收油的动作,更准确的说是节气门关闭的时候,当节气门关闭时,此时涡轮叶片转速仍处在与发动机转速相匹配的状态,这就会导致涡轮增压器到节气门这段气道内的压力骤升,升高的压力会反作用于涡轮叶片并使其转速降低,如果不对这一现象进行干预,驾驶员再一次踩下油门踏板或变速箱完成升挡后,涡轮增压器显然并不能即时建立足够的进气压力,最终造成加速响应慢的现象。

提到的这个电磁阀就是用于管理这一阶段进气压力的,当节气门关闭时,电磁阀打开,于是气道便形成了“短路”的效果,增压后的空气从高压端顺着电磁阀开启的方向进入低压端并在此循环至涡轮叶片,经过这样的引导,涡轮叶片的转速就不会有过大幅度的变化了,也就保证了动力响应速度。

EA211 1.4T发动机取消了这个电磁阀,难道大众工程师就不考虑加速响应的问题了吗?

就这个问题,我给博格华纳的工程师发了邮件询问缘由,得到的信息是,它们供给大众用于EA211 1.4T发动机的涡轮增压器确实取消的了电动废气阀门,至于加速响应的问题,则是由大众进行软件标定实现的,最终得到的涡轮叶片的响应效果与之前基本相同。如果用惯性思维想这个问题,成本或许会是大多数人给出的结论。真的是成本所致吗?

在大众工程师看来,一些原先要依靠硬件实现的功能现在通过软件标定达到目的也是一种进步,而省去这个部件的根本原因则是开发初期对发动机NVH特性设定的苛刻目标。研发测试阶段发现,在电磁阀打开时,内部气流的流动会发出声响(车内驾乘人员在主观上很难感受到),如果把这个部件省去即可减少一个声源,其实,前面提到的配气正时系统由原先链条改为皮带也是被NVH目标所驱使的。谁能想到,这个“减配”的背后隐藏着的是大众发动机开发团队的严谨与偏执,就在别人还在为功能而设计的时候,大众已经把眼光瞄向了更高的层面。

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缸内直喷/未来技术

● 其他方面

◆ 燃油系统采用缸内直喷技术

在此前的发动机文章中,有关燃油系统的信息我们都会赋予其很高的权重地位并花较多的篇幅去介绍,但这次EA211发动机的文章有所不同,因为相比上文中提到的那些变化,缸内直喷技术显然没有太多亮点来介绍给大家。

即便没有像第三代EA888那样采用复合喷射的技术,但在细节的布置上仍旧值得一提,高压泵的布置继续贯彻发动机紧凑化和小型化的理念,由原先顶置的布置改为侧置,以此更为充分的利用发动机自身的空间。

● EA211的未来

◆ 会不会有双增压版本

我第一个关注的问题是EA211 1.4T还会不会推出原先获奖无数的EA111 双增压版(机械增压+涡轮增压)1.4T发动机了。这个问题可能也在困扰着大众的决策层,原因或许你们也能猜得出来,双增压发动机的动力确实有优势,但由于全球的使用环境不同,而这台发动机对油品以及客观因素又比较敏感,所以曾经爆发过一次质量危机,之后大众对相关批次的车型做了软件修正,才避免扩大此事的影响。所以,这次EA211 1.4T会不会有双增压版本,现在不好说。

技术扩展性

ACT主动气缸管理

除了现阶段你能在1.4T发动机上看到的技术外,在EA211技术架构中还有一项名为ACT主动气缸管理的技术,也就是我们常说的闭缸技术,具体实现方式其实算是EA888发动机上所用的AVS(可变气门升程)结构的变种,只不过是将带有角度的凸轮改成了零角度凸轮,这样在切换至这个凸轮时,所对应的气门无法完成开启动作,供油系统也停止对该气缸喷油。以此达到省油目的。

相关信息可点击:

振动是个难题 大众1.4T发动机闭缸技术
http://www.autohome.com.cn/tech/201203/304715.html

○ 米勒循环

当然,ACT系统的零角度凸轮也可能换成带有角度的凸轮,但其作用有别于现在已投入使用的AVS技术,AVS用于排气侧,主要是改善涡轮的响应,而把这个结构装在进气侧时,在硬件上,就充分的具备了可改变工作状态的能力,米勒循环就是实现的一种结果。这也是为了优化尾气排放而储备的技术。

编辑总结:

EA211发动机在有些技术方面确实颠覆了我们对发动机的认知,例如,齿形皮带“回归”配气正时系统以及电控废气阀门被“简化”就是很好的例子,为获得更好的NVH特性,正时链条被免维护且静音效果更好的齿形皮带代替,为了减少一个噪音源,省去了电控废气阀门进而通过软件的标定解决了动力响应的问题。

或许你已经发现了,这篇发动机解析文章跟以往的有点不太一样,的确,在文章结构逻辑上我们确实做了一些改变,整篇文章没有提到有关动力、气缸等等参数信息,当然,这仅仅是针对EA211发动机特意进行的逻辑思维调整,因为,在我们全面的了解这台1.4T发动机的过程中发现,其实数据对EA211系列发动机而言似乎已经不是那么重要了,就像我们文章开头说的那样,从基础的轻量化工程开始,在技术上做到模块化,在车型应用上则做到平台化,在研发EA211时工程师的视野并没有局限于发动机本身,而是站在整个大众集团平台化发展的角度制定发动机的研发目标,无论是十几万元的大众品牌车型,还是20万元左右的奥迪车型,又或者是未来的发动机中置跑车,这台EA211 1.4T发动机在适应能力和品质方面都可以满足不同定位的产品需要。而只要能够适用该平台的车型,动力性能通过软件调校亦可实现。(图/文 汽车之家 李博旭)


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