大眾新王牌，技術(shù)流解析第三代EA888發(fā)動(dòng)機(jī)

如果要說當(dāng)下量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上比較先進(jìn)的技術(shù)，大眾的TFSI必占一席之地。2004年，首款TFSI發(fā)動(dòng)機(jī)問世，而大眾在2006年發(fā)布的EA888 系列，自2007年3月在國內(nèi)投產(chǎn)，截止到去年7月份，共生產(chǎn)了100萬臺(tái)，基本大眾的B級(jí)車、奧迪A4L和Q5以及斯柯達(dá)的大部分2.0T車型上都是搭載的這款發(fā)動(dòng)機(jī)，絕對(duì)稱得上是大眾的“明星”發(fā)動(dòng)機(jī)。

如今大眾要在中國引入這款發(fā)動(dòng)機(jī)的第三代產(chǎn)品。與第二代相比，第三代EA888上有很多首次在大規(guī)模量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的技術(shù)。這些讓人眼花繚亂的技術(shù)是否可以真正為第三代EA888加分?這款布滿技術(shù)亮點(diǎn)的第三代EA888又能否取代上一代產(chǎn)品成為“今日之星”?還是先看看第三代的家當(dāng)究竟如何吧。

典型德國工程師思路：缸蓋內(nèi)置的排氣歧管

在大眾列出的第三代EA888技術(shù)亮點(diǎn)中，最引人注目的就是缸蓋內(nèi)置的排氣歧管。雖然其他技術(shù)也是首次在大規(guī)模量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上出現(xiàn)，但是這項(xiàng)技術(shù)相對(duì)來說非常獨(dú)特。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)熟悉的人都知道，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋結(jié)構(gòu)形狀非常復(fù)雜，需要安置進(jìn)排氣凸輪軸、進(jìn)排氣門、氣門搖臂、火花塞、進(jìn)排氣道、冷卻水道等，直噴發(fā)動(dòng)機(jī)還有噴油嘴，現(xiàn)在大眾還想在狹小的空間中再加上排氣歧管，除了增加復(fù)雜度之外，缸蓋高度必然增加，發(fā)動(dòng)機(jī)高度也會(huì)隨之增加。

此外，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的溫度很高，四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣終點(diǎn)溫度大多在900K-1100K(約為626-826°C)之間，而排氣歧管與缸蓋對(duì)散熱的要求不同，因此，還需要解決冷卻問題，要對(duì)冷卻管道重新設(shè)計(jì)?？梢哉f，這樣的改動(dòng)在設(shè)計(jì)和驗(yàn)證上需要耗費(fèi)極大的人力物力，那么，大眾如此改動(dòng)的目的何在呢?

在車云菌看來，大眾的目的在于降低渦輪增壓器的進(jìn)氣溫度和壓力，從而減低渦輪的負(fù)荷，提高渦輪壽命。同時(shí)，因?yàn)樵谶M(jìn)入渦輪之前進(jìn)行冷卻，相當(dāng)于提高了渦輪的進(jìn)氣溫度限制，可以允許發(fā)動(dòng)機(jī)有更高的排氣溫度，也就意味著可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和扭矩調(diào)校得更高。而這樣，也讓中冷器的存在變得可有可無，渦輪的結(jié)構(gòu)可以得到簡化。

如圖1所示，第三代1.8升EA888與第二代1.8升EA888在輸出扭矩上的差距相當(dāng)明顯，第三代1.8升EA888的動(dòng)力性能直追第二代2.0升版本。這其中就有缸蓋內(nèi)置排氣歧管的功勞。

圖1 第三代1.8升EA888與第二代兩版本性能曲線對(duì)比

圖2 排氣歧管結(jié)構(gòu)

第三代EA888排氣歧管的最終結(jié)構(gòu)如圖2所示，在缸蓋內(nèi)與冷卻水道毗鄰。在這樣的結(jié)構(gòu)安排下，缸蓋內(nèi)熱量交換在狹小的空間進(jìn)行，而排氣歧管的溫度又很高，因此會(huì)存在極端的溫度梯度。為了優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力和熱機(jī)械性能，兼顧不同負(fù)荷下的冷卻效果，還需考慮量產(chǎn)的可鑄性和可行性，對(duì)于大眾來說，是個(gè)相當(dāng)有難度的挑戰(zhàn)，也是個(gè)費(fèi)力難討好的路子。

最終，通過對(duì)缸蓋密封墊橫截面的設(shè)計(jì)，來調(diào)整和劃分缸蓋和缸體上冷卻水的流量：冷卻水中75%在缸蓋內(nèi)循環(huán)，主管排氣歧管的冷卻;剩下的25%在缸體與缸蓋間循環(huán)，對(duì)缸體和缸蓋進(jìn)行冷卻，這部分冷卻管路同樣會(huì)經(jīng)過排氣歧管，加強(qiáng)其冷卻效果。在對(duì)排氣歧管的冷卻中，熱應(yīng)力集中全區(qū)域的冷卻尤其重要，否則溫度過高，容易出現(xiàn)局部的冷卻水沸騰情況。

在研發(fā)之初，因?yàn)楦咨w內(nèi)受熱情況復(fù)雜，常規(guī)的模擬算法已經(jīng)無法滿足要求，大眾還專門為此開發(fā)了一些新的算法。大眾在對(duì)此款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行宣傳時(shí)，曾說，這是世界上首款使用這種方法來設(shè)計(jì)的排氣歧管。當(dāng)然，一般的汽車制造商也不會(huì)用到如此復(fù)雜的算法，因?yàn)闆]誰會(huì)想到利用缸蓋內(nèi)的冷卻水道對(duì)排氣進(jìn)行冷卻來。

或許這樣對(duì)渦輪增壓器的好處是十分明顯的，即提高了壽命又精簡了機(jī)構(gòu)，然而代價(jià)是缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和負(fù)荷的增加，壽命肯定也會(huì)受到影響。另外，從圖3看，與上一代發(fā)動(dòng)機(jī)整體相比，起動(dòng)瞬間的沸騰強(qiáng)度大幅增加，從維護(hù)角度，也很難說真正地得到了優(yōu)化，典型的德國工程師思維：制造出一個(gè)全新的東西去解決固有的問題，然后又產(chǎn)生新的問題。

圖3 缸蓋受熱模擬算法

以精細(xì)之名：摩擦力優(yōu)化設(shè)計(jì)與熱力管理系統(tǒng)

雖然缸蓋內(nèi)置排氣歧管的設(shè)計(jì)讓人忍不住想要吐槽，不過第三代EA888技術(shù)上的閃光點(diǎn)并不會(huì)被此遮蓋，比如精細(xì)化設(shè)計(jì)了的摩擦力和熱力管理系統(tǒng)。

在第三代EA888中，與摩擦相關(guān)的主要組件都全部進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。比如，對(duì)活塞襯套和活塞環(huán)進(jìn)行改進(jìn)以減小與缸體之間的摩擦力;曲軸軸承的尺寸被適度減小以降低設(shè)計(jì)裕度，避免不必要的浪費(fèi)和統(tǒng)一壽命;首次使用的可切換式活塞冷卻噴嘴提升了壓縮進(jìn)程和低負(fù)荷下的冷卻效果，進(jìn)一步提升了曲軸傳動(dòng)性能;而可變壓力/流量的滑油泵減小了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷。

為了降低燃油消耗，大眾在熱力管理系統(tǒng)上也下了不少功夫。除了首次使用電控冷卻液恒溫器之外，冷卻循環(huán)也被設(shè)置得更加精細(xì)。

電控冷卻液恒溫器可以通過設(shè)定，讓冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)保持固定不動(dòng)，從而更快地進(jìn)行暖機(jī)。當(dāng)檢測到系統(tǒng)某個(gè)組件的溫度達(dá)到了設(shè)定的溫度之后，回轉(zhuǎn)閥門會(huì)根據(jù)需要打開一定角度，讓冷卻液以最小流量緩慢流出，不會(huì)對(duì)暖機(jī)造成影響。

圖4 電控冷卻液恒溫器

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的升高，同樣用于溫度控制的油/水熱交換器(由電控冷卻液恒溫器控制)和變速器的熱交換器(由附加的可切換式開關(guān)控制)會(huì)依次開始工作。當(dāng)冷卻液的溫度達(dá)到107°C時(shí)，冷卻液恒溫器就會(huì)引入發(fā)動(dòng)機(jī)主冷卻器中的冷卻水，保證冷卻液的溫度不會(huì)超過設(shè)定值。電控冷卻液恒溫器可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況，設(shè)置冷卻液的最高溫度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)在全工況下的熱效率。[!--empirenews.page--]

在奧迪A4上，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力管理系統(tǒng)是由自動(dòng)加熱系統(tǒng)控制的。自動(dòng)加熱系統(tǒng)通過可切換開關(guān)和電控加熱泵控制供熱循環(huán)的開啟和關(guān)閉。供熱循環(huán)的熱量來自于缸蓋內(nèi)部的排氣歧管。在系統(tǒng)控制下，可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)的部分組件溫度盡快提升，如活塞襯套組件，從而帶來更低的油耗。

下圖是帶自動(dòng)加熱系統(tǒng)的第三代1.8升EA888與第二代EA888在NEDC工況下的溫度曲線對(duì)比，從圖中可以看出，第三代EA888的工作溫度和暖機(jī)速度明顯優(yōu)于第二代，使其每公里二氧化碳排放量大約降低了2.5g。

圖5 第三代1.8升EA888與第二代1.8升EA888溫度曲線對(duì)比

法規(guī)推動(dòng)下的進(jìn)步：FSI+MPI雙噴射系統(tǒng)

FSI與MPI相結(jié)合的雙噴射系統(tǒng)并不是大眾的首創(chuàng)，豐田的D4-S發(fā)動(dòng)機(jī)就是用的雙噴射系統(tǒng)，但雙噴射系統(tǒng)的意義對(duì)于大眾和豐田卻是不一樣的。雙噴射系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的工況選擇不同的噴射方式，除了兼顧低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的性能表現(xiàn)外，最重要的，是進(jìn)一步降低碳排放，滿足歐盟越來越嚴(yán)苛的碳排放法規(guī)限制。與第二代相比，F(xiàn)SI直噴壓力最高從150bar調(diào)整到了200bar，但是雙噴射系統(tǒng)加上更高的直噴壓力對(duì)于燃油系統(tǒng)的穩(wěn)定性也提出了更高的要求。另外，國內(nèi)汽油油品一直參差不齊，整體較低，因此，如何更好地適應(yīng)中國“國情”也是大眾需要考慮的問題。

圖6 雙噴射系統(tǒng)

為了滿足大幅提升的輸出功率和全負(fù)荷下更優(yōu)的燃油效率，奧迪在1.8升版本上配置了第二代2.0升才具有的奧迪可變氣門升程系統(tǒng)。同時(shí)，第三代還在排氣凸輪軸上增加了一個(gè)凸輪調(diào)節(jié)器，為對(duì)壓縮過程的控制提供最大的自由度。

TFSI技術(shù)核心：渦輪增壓器

對(duì)于TFSI技術(shù)來說，核心還是渦輪增壓器。第三代EA888上使用的是由日本石川島重工提供的RHF4型渦輪增壓器，在轉(zhuǎn)子、渦輪、渦殼以及氣體管道設(shè)計(jì)上均有所提升和加強(qiáng)。

圖7 排氣管與渦輪增壓器

因?yàn)榕艢馄绻艿闹匦略O(shè)計(jì)，排氣歧管的長度整體減小，縮短了排氣過程，使進(jìn)入渦輪的氣體沖量增加，從而減小了氣缸內(nèi)的殘余廢氣數(shù)量，同時(shí)也增加了排氣能量，提升了增壓性能。

渦輪上首次使用了電控泄壓閥激勵(lì)器，與上一代的壓敏裝置相比，能夠更快速和精確地控制排氣泄壓閥的開閉。

另外，渦輪上同時(shí)也首次在前部安裝了氧傳感器。在這里安裝氧傳感器的好處是，可以更早地對(duì)排氣成分進(jìn)行分析，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的濃度，進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和動(dòng)力性能。

渦輪增壓器的殼體由鑄鋼制成，使渦輪增壓器可承受的最大進(jìn)氣溫度達(dá)到980℃，葉輪的制作材料也由713 C鉻鎳鐵合金取代了MAR。從文章的圖1中也可以看出，在動(dòng)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，除了能夠大幅度提高熱效率和機(jī)械效率，同時(shí)也能降低NEDC工況下的碳排量——每公里大約6到7克，兼顧了環(huán)保與動(dòng)力性能。

車云小結(jié)：

第三代EA888上的技術(shù)亮點(diǎn)確實(shí)不少，猛一看，還真有“閃瞎眼”的感覺。除了上述提到的，還有一些細(xì)節(jié)上的改動(dòng)，如采用薄壁曲軸箱、塑料油底殼和全鋁制螺栓對(duì)機(jī)身進(jìn)行減重;可微量伸縮的高壓燃油噴嘴，降低噴嘴的熱負(fù)荷，提高壽命等。

上一代EA888因?yàn)樵趪鴥?nèi)市場的良好表現(xiàn)被譽(yù)為“明星”發(fā)動(dòng)機(jī)，而技術(shù)更為先進(jìn)的第三代能否真正意義上取代上一代產(chǎn)品并繼承其“明星”光環(huán)呢?而大眾耗費(fèi)如此的人力物力(比如缸蓋內(nèi)置排氣歧管)研發(fā)新一代產(chǎn)品，當(dāng)然也不希望僅僅是守成，而是能夠進(jìn)一步開疆拓土，第三代EA888能否不負(fù)大眾所望?這一切還需要靠市場來驗(yàn)證。