2 EA888 GEN 3B 發(fā)動機(jī)開發(fā)揭秘

2.1 介紹

在過去的15年中，內(nèi)燃機(jī)（特別是汽油機(jī)）取得了很大的進(jìn)步。由于二氧化碳排放法規(guī)的限制，工程師們在汽油發(fā)動機(jī)上使用了才有發(fā)動機(jī)技術(shù)的直噴和渦輪增壓。這些技術(shù)使得在發(fā)動機(jī)小型化（排量減少及減少汽缸數(shù)量）的同時(shí)保持了跟以前大排量發(fā)動機(jī)一樣的輸出。更高的輸出扭矩使得發(fā)動機(jī)可以匹配更寬泛的齒比范圍和齒比數(shù)的變速箱，得以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的低速運(yùn)轉(zhuǎn)。

為了達(dá)到NEDC的排放和油耗法規(guī)，發(fā)動機(jī)在低速低扭矩的時(shí)候都會有最好的二氧化碳排放表現(xiàn)，這使得車輛認(rèn)證時(shí)會有很低的油耗表現(xiàn)。當(dāng)然，在實(shí)際使用中，這些車的油耗回更高一點(diǎn)，如圖12左邊。

2017年9月1日起，WLTC開始對所有在歐洲上市的乘用車生效，而從2018年9月1日來說，WLTC將對所有新注冊車輛生效。WLTC使用了更高的平均速度，更激烈的加速和減速，更嚴(yán)苛的測試規(guī)范，以及使用了更好的設(shè)變以提供給消費(fèi)者更準(zhǔn)確的油耗，如圖12中間。

對于歐洲來說，最大的改變是使用了實(shí)際駕駛法來測試排放RDE，這項(xiàng)測試需要在實(shí)際道路上采集排放物，而不是在試驗(yàn)室里。由于這個測試沒有固定程序，在路上行駛的時(shí)候有很多隨機(jī)性，這就需要發(fā)動機(jī)在全域工作范圍內(nèi)都能滿足排放法規(guī)需求。對于裝配有三元催化的汽油機(jī)來說，這個新的排放法規(guī)需要發(fā)動機(jī)一直工作在最佳空燃比。通過注入過量空氣來提高扭矩，和使用加濃混合氣來保護(hù)零部件的方法將不能再使用。對于固定排量的發(fā)動機(jī)來說，如果沒有其他的改進(jìn)措施，發(fā)動機(jī)的扭矩和功率將會降低。

基于這個背景，大眾/奧迪在EA888系列發(fā)動機(jī)的研發(fā)中，證明了發(fā)動機(jī)低速化和小型化能夠顯著改善燃油經(jīng)濟(jì)性。但是，若想進(jìn)一步的降低油耗，只從排量方面考慮的化，反而會受到技術(shù)和成本的制約。大眾/奧迪的研發(fā)工程師們另辟途徑，提出了Budack-cycle概念，也就是對現(xiàn)有Miller cycle米勒循環(huán)的優(yōu)化。和傳統(tǒng)的米勒循環(huán)相比，新改良的重點(diǎn)在于進(jìn)氣閥門關(guān)閉時(shí)間的提前，能夠加快進(jìn)氣氣流的速度，讓燃料與空氣混合的效率提升，因此有著更好的熱效率表現(xiàn)。另外，對行程進(jìn)行加長，提高膨脹比，明顯提高了壓縮比，從而降低了油耗。本文從研發(fā)角度出發(fā)，從理論基礎(chǔ)、燃燒過程的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，并和EA888 GEN3基礎(chǔ)型發(fā)動機(jī)對比，對其優(yōu)化點(diǎn)和效果進(jìn)行說明。

2.2 開發(fā)目標(biāo)

EA888 GEN3B目標(biāo)為替代EA888 GEN3機(jī)型，GEN3B的功率范圍為125~147kW。這款發(fā)動機(jī)并不是追求性能，而是注重燃油經(jīng)濟(jì)性，滿足嚴(yán)苛的排放法規(guī)。

EA888 GEN3B的開發(fā)之初，對所有的降低燃油耗技術(shù)進(jìn)行了先行研究。但是基于現(xiàn)款小型化的EA888GEN3發(fā)動機(jī)，在中低負(fù)荷熱效率已經(jīng)達(dá)到瓶頸，很難再通過小型化技術(shù)提高中高負(fù)荷下的油耗。即使是采用多點(diǎn)噴射，分層稀薄燃燒等技術(shù)，也無法進(jìn)一步提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

2.3 開發(fā)理論設(shè)想

首先從P-V圖出發(fā)，從發(fā)動機(jī)的工作過程可以分析出，加長膨脹行程能夠使燃燒的膨脹能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功更為充分，如圖13紅色區(qū)域所示，假如使用米勒或者阿特金森循環(huán)實(shí)的話，膨脹行程的能量更加容易發(fā)揮效果，換句話說，壓縮行程短，膨脹行程長能夠有效提高熱效率。

為了將傳統(tǒng)的奧托循環(huán)工作模式轉(zhuǎn)換到膨脹行程大于壓縮行程的工作模式（米勒循環(huán)/阿特金森循環(huán)），GEN3B EA888在利用傳統(tǒng)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的情況下利用氣門正時(shí)實(shí)現(xiàn)了加大膨脹行程的效果。通過對氣門正時(shí)和壓縮比的標(biāo)定，能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)圖13中所期望的做工過程。

為了研究加大膨脹行程的效果，計(jì)算了某真實(shí)運(yùn)行工況點(diǎn)附加的作功面積（Ｗ＝∫pdV），根據(jù)膨脹行程加長的百分比和不同的負(fù)荷得出，膨脹行程加長得越多，能量轉(zhuǎn)化的越徹底，并且隨著負(fù)荷的增大而明顯。在非常低的負(fù)荷下會出現(xiàn)相反的效果，這里有一個臨界點(diǎn)。其原因是在極低負(fù)荷下，進(jìn)氣量過小，膨脹行程后段氣缸內(nèi)壓力會低于排氣背壓，從而導(dǎo)致做工為負(fù)，因此判斷的臨界點(diǎn)在于膨脹終了時(shí)氣缸內(nèi)部的氣壓是否高于排氣背壓。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，為了評估是否具有有效的燃油經(jīng)濟(jì)性，還必須考慮膨脹行程加長后發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的多出部分機(jī)械損失。

大眾/奧迪在研究之初對發(fā)動機(jī)排量進(jìn)行研究。對于125~147kW功率范圍和250~320Nm扭矩而言，以如今的增壓技術(shù)，排量能夠從1.8L降低到1.6L是沒有技術(shù)難度的。圖14示出了在某常用工況下膨脹行程加長方案相對于這種小型化方案的油耗優(yōu)勢。在低負(fù)荷時(shí)，因機(jī)械損失小，有較大的節(jié)油潛力，但是也因?yàn)闇u輪介入容易出現(xiàn)爆震，壓縮比無法進(jìn)一步提高，在中負(fù)荷以下就不再有油耗優(yōu)勢。以1.6L的發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)，擴(kuò)大膨脹行程25%至2.0L排量，得到如圖紅色虛線和實(shí)線的數(shù)據(jù)。進(jìn)行加權(quán)補(bǔ)償，節(jié)油潛力就能提高到紅色虛線曲線的水平，若考慮到2.0L發(fā)動機(jī)實(shí)際上具有較高的摩擦損耗與轉(zhuǎn)動慣量，則節(jié)油潛力略有降低，但是與EA888 GEN3 1.8L的基礎(chǔ)版本相比，依然具備一定的優(yōu)勢。扭矩約從30Nm開始，隨著負(fù)荷的增加，與1.6L小型化發(fā)動機(jī)相比也有明顯的省油趨勢。

發(fā)動機(jī)小型化能夠?qū)⒆罴呀?jīng)濟(jì)油耗區(qū)間提前，但是在高負(fù)荷小會惡化，在圖24中，當(dāng)扭矩高于200Nm后，因爆震導(dǎo)致燃燒惡化，1.6L發(fā)動機(jī)油耗比1.8L有惡化，通過在膨脹行程加長，其節(jié)油效果并非小型化那樣改變經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)間，而是通過對熱效率的提高實(shí)現(xiàn)的，因而也獲得了更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。大眾奧迪基于此研究，提出的新的涉及概念：用“合適的尺寸”替代“小型化”（“right-sizing” rather than “down-sizing”）。

如何在不改變發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下，增加膨脹行程呢？大眾/奧迪的工程師使用了改良過的Miller cycle米勒循環(huán)模式，由工程師Budack提出，所以叫Budack-cycle，這里的GEN3B的B也就是這個意思。傳統(tǒng)的米勒循環(huán)采用進(jìn)氣門晚關(guān)的方式，發(fā)動機(jī)在壓縮沖程期間，進(jìn)氣門依舊保持打開狀態(tài)，在活塞上行過程中將部分進(jìn)氣排出，從而使實(shí)際壓縮比小于膨脹比，起到加長膨脹行程的作用（豐田、本田、馬自達(dá)等都采用該策略）。而B循環(huán)反其道而行之，把進(jìn)氣門關(guān)閉的時(shí)間提早，在吸氣行程下半段關(guān)閉進(jìn)氣門，充分保證燃料與空氣混合的時(shí)間，提高效率。

2.4 燃燒過程

上文主要是從理論推導(dǎo)出燃燒過程重要的基本參數(shù)（壓縮比、氣門正時(shí)和增壓壓力需求），并且發(fā)動機(jī)方案是以傳統(tǒng)1.6L發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)，加長膨脹行程，壓縮比在9.6。就理論上而言，膨脹行程加長的情況下，最大氣缸容積增大，而最小容積則保持不變，因而2.0L發(fā)動機(jī)的壓縮比ε≈11.7。

通過可變氣門調(diào)節(jié)的改良米勒循環(huán)（B循環(huán)）與加大發(fā)動機(jī)排量相結(jié)合加長膨脹行程，在理想狀態(tài)下，其在P-V圖上的換氣過程與小型化方案是類似的，也就是說，通過氣門正時(shí)控制因排量變化引起的進(jìn)氣量變化，因而達(dá)到相同的絕對壓力所需的進(jìn)氣量/增壓壓力也應(yīng)相似。

1.6L發(fā)動機(jī)的氣缸充填系數(shù)相當(dāng)于2.0L發(fā)動機(jī)的80％，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要讓進(jìn)氣量達(dá)到1.6L的水平。進(jìn)氣過程設(shè)計(jì)時(shí)涉及進(jìn)氣門關(guān)閉的時(shí)刻，包括進(jìn)氣門早關(guān)（FES）和進(jìn)氣門晚關(guān)（SES）。大眾/奧迪經(jīng)過多方面研究，得出在部分負(fù)荷時(shí)采用進(jìn)氣門早關(guān)與氣門重疊相結(jié)合能獲得最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性（B循環(huán)）。對于渦輪增壓發(fā)動機(jī)而言，在全負(fù)荷時(shí)因?yàn)橛凶銐虻臏u輪增壓壓力，縮短進(jìn)氣時(shí)間也能夠提高部分燃油經(jīng)濟(jì)性。

在這樣的前提下，并考慮實(shí)際硬件能夠保證的強(qiáng)度，判斷150°CA的進(jìn)氣們開啟時(shí)間是最合適的。但是，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，由于氣缸充填系數(shù)和有效壓縮比的限制及與排氣門廢氣掃氣之間的相互影響，使得低速極限扭矩明顯降低。為了在低、中、高負(fù)荷都能達(dá)到性能與節(jié)油目標(biāo)，將進(jìn)氣門開啟的時(shí)間擴(kuò)大到170°CA，采用這樣的進(jìn)氣門開啟時(shí)間，能夠?qū)⒂行嚎s比降低而不會過分地限制進(jìn)氣量。采取這些措施能夠達(dá)到與EA888 GEN3 1.8L發(fā)動機(jī)同樣的額定功率和最大扭矩，同時(shí)，最大扭矩實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速降低了200rpm，改善了動態(tài)響應(yīng)性能。

將進(jìn)氣時(shí)間長度從150°CA加長到170°CA，在小負(fù)荷下節(jié)流的效果被降低，中低速小負(fù)荷的油耗變得一般。因此，GEN3B上應(yīng)用了一套AVS系統(tǒng)（可變氣門升程），在部分負(fù)荷時(shí)，氣門開啟時(shí)間為140°CA，全負(fù)荷時(shí)為170°CA。AVS系統(tǒng)的核心在于兩步式進(jìn)氣凸輪軸設(shè)計(jì)。具體來講，新設(shè)計(jì)采用了一款滑動鈍齒，可以實(shí)現(xiàn)可變氣門行程：發(fā)動機(jī)可以在需要最大功率時(shí)保持正常進(jìn)氣門開啟設(shè)置，也可以在部分負(fù)載條件下，利用凸輪凸角提前關(guān)閉進(jìn)氣門，從而實(shí)現(xiàn)更長的膨脹行程。

這種AVS氣門機(jī)構(gòu)能夠在部分負(fù)荷范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)140°CA進(jìn)氣門開啟持續(xù)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣門早關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，提高熱效率。根據(jù)奧迪的實(shí)測數(shù)據(jù)，搭載EA888 GEN3B發(fā)動機(jī)的奧迪A4轎車在WLTP測試中的實(shí)例，在整個WLTP循環(huán)中，得益于變速箱合理的換擋策略，發(fā)動機(jī)可以在140°CA進(jìn)氣門開啟持續(xù)時(shí)間內(nèi)工作，法規(guī)油耗得到降低。另外，即使在試驗(yàn)循環(huán)之外，140°CA進(jìn)氣門開啟持續(xù)時(shí)間也能發(fā)揮作用，直至200km/h車速下仍可使用短進(jìn)氣凸輪。

為了降低油耗，提高熱效率，除了上文提到的對進(jìn)氣門的優(yōu)化之外，還對燃燒速度進(jìn)行了優(yōu)化。一般來說滾流比對燃燒速度有決定性的影響，特別是對于進(jìn)氣門早關(guān)（FES）方案這種進(jìn)氣方式，由于進(jìn)氣階段結(jié)束得早，氣缸內(nèi)滾流形成的時(shí)間較長，而且因進(jìn)氣門行程減小使得進(jìn)氣從一開始進(jìn)入氣缸就阻礙滾流的形成。除此之外，提高壓縮比所需要的活塞結(jié)構(gòu)又使進(jìn)氣難以維持滾流運(yùn)動。通過CAE仿真，將上述這些方案效果模擬出來。首先因氣門正時(shí)的改變，與其他同等配置相比，進(jìn)氣量下降約25％，以這個為出發(fā)點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)新的進(jìn)氣道，成功地將滾流系數(shù)提高到原先值的50％。另一個必要措施是應(yīng)用進(jìn)氣門導(dǎo)氣屏，在小氣門行程時(shí)通過對氣體流向進(jìn)行引導(dǎo)，提高進(jìn)氣的動能，而活塞頂面形狀的優(yōu)化又能繼續(xù)有助于支持滾流運(yùn)動。通過上述的優(yōu)化，綜合效果使?jié)L流比又恢復(fù)到EA888 GEN3 2.0L發(fā)動機(jī)的水平。

EA888 GEN3B實(shí)現(xiàn)了高壓縮比，因此對燃燒室的設(shè)計(jì)突出更高的要求，在持續(xù)不斷的迭代優(yōu)化中，在壓縮比ε＝11.0~12.0的范圍內(nèi)進(jìn)行了多次研究，對活塞形狀和氣缸蓋上的燃燒室進(jìn)行了優(yōu)化。

首先基于基礎(chǔ)款氣缸蓋進(jìn)行討論，在考慮到全負(fù)荷目標(biāo)值的情況下壓縮比最高只能在11.2。為了進(jìn)一步提高壓縮比以提高熱效率，對燃燒室進(jìn)行了重大的調(diào)整，比如通過降低燃燒室頂面高度以及調(diào)整火花塞和直噴噴油器的位置，氣缸蓋側(cè)的燃燒室容積比EA888 GEN3 2.0L基礎(chǔ)型減小了13％。通過減小氣缸蓋側(cè)的燃燒室容積，可進(jìn)一步優(yōu)化活塞頂形狀，降低了圓周凸起，而寬敞的燃燒室碗裝結(jié)構(gòu)并無變化，從而總體上能形成1個緊湊平和的燃燒室。通過這些措施，最終將新的燃燒室的壓縮比ε設(shè)計(jì)成11.7。

2.5 發(fā)動機(jī)硬件

除了上文介紹的發(fā)動機(jī)燃燒模型的改進(jìn)之外，還對發(fā)動機(jī)附件進(jìn)行了優(yōu)化。這些變化的主要目的是進(jìn)一步降低2.0L發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械損失。與EA888 GEN3 2.0L發(fā)動機(jī)相比，極限扭矩的下降讓曲軸主軸承的直徑從52mm減小到48mm，并對平衡軸鏈傳動機(jī)構(gòu)的總體布置也進(jìn)行了優(yōu)化。

在外形尺寸受限制的情況下，應(yīng)用細(xì)傳動鏈可以減小滑軌的彎度半徑，這也能減小機(jī)械損失。并且在EA888GEN3B上首次使用0W20粘度等級的低粘度機(jī)油，它能降低發(fā)動機(jī)中許多摩擦副的機(jī)械損失。由于機(jī)油粘度較小，對發(fā)動機(jī)上的某些部件進(jìn)行了適應(yīng)性調(diào)整，例如優(yōu)化了活塞環(huán)間隙和機(jī)油泵的傳動比。

這些措施的綜合效果使平均摩擦壓力比EA888 GEN3 基礎(chǔ)機(jī)型降低了8％（在轉(zhuǎn)速2000rpm和水溫90℃下實(shí)側(cè)值），如圖16所示。

2.6 降低油耗的措施

通過對上文優(yōu)化方案的實(shí)施，相對于EA888 GEN3 1.8L發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性對比如圖17所示，與理論推導(dǎo)相符，EA888 GEN3B的2.0L發(fā)動機(jī)在燃油經(jīng)濟(jì)性上具有優(yōu)勢。圖中紅點(diǎn)為實(shí)際測量值，紅線為理論推導(dǎo)值，黑線為1.6L小型化發(fā)動機(jī)的推導(dǎo)值。扭矩270Nm之前，得益于140°CA的進(jìn)氣打開時(shí)間，充分發(fā)揮B循環(huán)（改良米勒循環(huán)）優(yōu)勢，節(jié)油效果與預(yù)想相符。當(dāng)扭矩高于270Nm，無法發(fā)揮B循環(huán)優(yōu)勢，進(jìn)氣門打開時(shí)間為170°CA，從而幾乎沒有節(jié)油效果。總而言之，采用B循環(huán)的EA888 GEN3B發(fā)動機(jī)，與EA888 GEN3 1.8L基本型相比，在保持了同等性能前提下，顯著的降低了油耗。

通過EA888 GEN3 1.8L和EA888 GEN3B 2.0L發(fā)動機(jī)的燃油耗特性曲線對比，兩款發(fā)動機(jī)的最佳燃油耗點(diǎn)分別為231g/（kW·h）和220g/（kW·h），而在235g/（kW·h）等油耗曲線區(qū)域的大小更能明顯比較出兩款發(fā)動機(jī)的優(yōu)劣，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了5%以上。

2.7 總結(jié)

在2008年大眾提出EA888發(fā)動機(jī)后，市場表現(xiàn)一路高歌，憑借著高性能、低油耗的表現(xiàn)，成為了高科技的代名詞，也實(shí)現(xiàn)了市場和技術(shù)的“彎道超車”。隨著2015年后，以本田豐田為代表的日系廠商也全面渦輪化，大眾第三代EA888以及改進(jìn)型還能否保持住優(yōu)勢地位呢？讓我們拭目以待！