第2章?發動機機械系統

2.1　大眾發動機機械構造

2.1.1　直列發動機構造

大眾EA888系列發動機發展至今已經是第三代機型,包括1.8L和2.0L兩種排量。在第一代上,其搭載了渦輪增壓、缸內直噴、可變氣門正時等主要技術;第二代在第一代基礎上增加了AVS(可變氣門升程)等配置;而到了第三代發動機,除上述技術外,還新增了混合噴射(缸內直噴+歧管噴射)、缸蓋集成排氣歧管等技術。

2.1.1.1　氣缸蓋

發動機的氣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循環系統。氣缸蓋部件結構如圖2?1、圖2?2所示。

1—霍爾傳感器;2—氣缸蓋罩;3—凸輪軸調節元件;4—進氣凸輪軸;5—進氣凸輪軸調節器;6—滾子搖臂;

7—支承元件;8—進氣閥;9—排氣凸輪軸;10—排氣凸輪軸調節器;11—排氣閥;12—霍爾傳感器;13—通道

分隔板;14—冷卻液溫度傳感器;15—缸蓋;16—防凍裂塞;17—集成式排氣歧管的定位銷;18—缸蓋密封墊

氣缸蓋罩使用鋼制螺栓固定。氣缸蓋罩采用室溫固化型密封劑進行密封。缸體和缸蓋之間采用的是三層金屬制缸蓋密封墊。正時側的密封采用的是塑料鏈條盒蓋,蓋內還集成有機油加注口蓋。

另外一個重要改進就是使用了帶有點火順序分隔裝置的冷卻式排氣歧管,該歧管直接集成在缸蓋內。

由于使用了集成式排氣歧管,與普通的歧管相比,渦輪前部的廢氣溫度明顯降低了。另外,使用了耐高溫渦輪增壓器。部件位置如圖2?3所示。

通過這種組合,就可以(尤其是在高轉速時)取消用于保護渦輪的全負荷加濃工況了。因此,在正常行駛工況以及以運動方式駕車行駛時,燃油消耗就明顯降低了。

另外,集成式排氣歧管可以使冷卻液能得到快速預熱,因此該歧管是溫度管理的重要組件。

排氣道的布置原則是這樣的:排氣氣缸的廢氣氣流對任一其他氣缸的掃氣過程不能有影響。全部的流動能量都供驅動廢氣渦輪增壓器的渦輪用了。1缸和4缸以及2缸和3缸的排氣道,分別在通向渦輪增壓器的過渡處交會。

2.1.1.2　缸體與油底殼

缸體進行了很大的改動,主要是為了減少重量。壁厚從約3.5mm減至3.0mm。另外,機油粗濾器的功能整合到缸體內了。就缸體來講,與第二代EA888系列發動機相比,共減少了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。

與第二代發動機相比而進行的其他改進之處:其“冷的”一側又開出了一個壓力機油通道,該機油通道用于電控活塞冷卻噴嘴;冷卻液回流和機油回流通道的橫截面也進行了修改;改進了長的發動機水套;機油冷卻器通過缸蓋上的冷卻液回流來供液;爆震傳感器的位置有所優化;改進了平衡軸的軸承。

動力輸出側的密封,是通過密封法蘭來實現的。該密封法蘭采用的是常溫固化型密封劑,并用鋁制螺栓擰在缸體上。配氣機構殼體蓋也是用常溫固化型密封劑來密封的。

油底殼上部是鋁壓鑄而成的,其中用螺栓固定有機油泵和蜂窩式件(用于抽取機油和機油回流)。另外,油底殼上部內還有壓力機油通道和雙級機油泵的控制閥。

油底殼上部與缸體之間的密封,是采用常溫固化型密封劑來實現的。螺栓使用的是鋁制螺栓。為了進一步改善發動機的聲響特性,主軸承蓋與油底殼上部是用螺栓連接的。

油底殼下部是采用塑料制成的,這樣可以減少約1.0kg。密封采用橡膠成型密封墊,采用鋼制螺栓進行連接。油底殼下部內裝有機油油面高度和溫度傳感器。放油螺塞也是塑料制的(卡口式連接)。

缸體和油底殼部件分解如圖2?4所示。

2.1.1.3　曲柄連桿機構

曲柄連桿機構的變化主要體現在重量減少和摩擦減小。活塞間隙調大了,以便減小預熱階段的摩擦。另外,活塞裙添加了耐磨涂層。

上活塞環為斜面環,2.0L發動機上是矩形環,非對稱球狀;中活塞環為鼻形環;下活塞環為油環(兩體式),頂部倒角管狀彈性環。

連桿是裂解式的,連桿大頭使用的是二元無鉛軸承(與主軸承一樣)。另一個重大改進,就是省去了連桿小頭內的青銅襯套。這樣,整個發動機使用的都是無鉛軸承了。

無連桿襯套的軸承首次用于轎車發動機上了,屬于大眾公司的專利。

活塞銷在連桿內直接與鋼結合在一起,在活塞內直接與鋁合金結合在一起。為此,活塞銷使用了一種專用的表面涂層,稱之為DLC涂層。與第二代發動機相比,主軸承直徑從52mm降至48mm,平衡重塊的數量從8個降至4個。這樣可以減少1.6kg。主軸承的上軸瓦和下軸瓦都是雙層無鉛軸承。可保證適用于智能啟停的工作模式。

曲柄連桿機構部件分解如圖2?5所示。

如圖2?6所示,主軸承蓋與油底殼上部是用螺栓連接在一起的。這個措施在振動和聲響方面,改善了發動機的舒適性。

2.1.1.4　正時鏈與平衡軸機構

鏈傳動機構的基本構造,差不多直接取自第二代發動機,但是也還有改進的地方。由于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,因此鏈條張緊器按較低的機油壓力進行適配。正時鏈傳動系統部件如圖2?7所示。

機械維修上面也是有改動的,一方面涉及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,在拆裝了鏈條機構后,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并進行相應的匹配。

平衡軸除了減少了重量外,有幾處改成了滾動軸承支承了,這樣可以減少摩擦,尤其是在機油溫度較低時效果更明顯。另外,這個改進對于智能啟停模式和混合動力模式的可靠性也具有積極意義。平衡軸機構部件如圖2?8所示。

2.1.1.5　曲軸箱通風裝置

曲軸箱排氣與通風系統也是經過二次開發的,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,還盡量考慮到減少部件數量了,因此在發動機之外,只有一根管子用于導出已凈化了的竄氣。

該系統包含下述部件:?缸體內的機油粗分離器;機油細分離器,擰在氣缸蓋罩上;用于導出已凈化了的竄氣的管子;缸體內的機油回流管(帶有位于油底殼蜂窩式件內的止回閥)。

曲軸箱通風裝置部件如圖2?9所示。

機油粗分離器是缸體的組成部分,其功能是讓竄氣氣流在一個迷宮式結構中改變方向,因此可以分離出一部分機油。分離出的機油經缸體內的回流通道流回油底殼,該通道的末端在機油油面以下。

經過粗分離后的竄氣從缸體內經缸蓋內的一個通道被引入機油細分離器模塊。竄氣先在旋流式分離器中進行凈化,旋流式分離器所分離出的機油通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面以下。機油分離器內部連接如圖2?10所示。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),機油回流口可能會露出,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回流通道,該閥是個慣性閥。

凈化后的竄氣流經單級燃燒壓力調節閥,該閥與外界空氣存在著-10kPa的壓差。在何處引入竄氣,是由空氣供給系統的壓力比決定的。

在經過機油細分離器和壓力調節閥后,被凈化了的竄氣就被送去燃燒了。這個氣體控制是通過自動止回閥(集成在機油細分離器模塊內)來自動進行的。

發動機停機時,止回閥回到其初始位置,這時朝廢氣渦輪增壓器方向的止回閥是打開著的,朝進氣歧管方向的止回閥是關閉著的。

全負荷工況(增壓模式):這時在整個增壓空氣路徑上都產生了過壓,于是止回閥1就關閉了,由于曲軸箱內壓與渦輪增壓器的吸氣側存在著壓差,因此止回閥2就打開了,被凈化了的竄氣由壓氣機吸入。原理示意如圖2?11所示。

怠速和較低的部分負荷工況(自然吸氣模式):在自然吸氣模式,由于進氣歧管內有真空,所以止回閥1是打開著的,而止回閥2是關閉著的,被凈化了的竄氣直接經進氣歧管被送去燃燒了。原理示意如圖2?12所示。

曲軸箱通風裝置(PCV閥)與機油細分離器和壓力調節閥合成在一個模塊中,安裝在氣缸蓋罩上。

曲軸箱通風是通過連接在渦輪前方的通風管和PCV閥內的一個計量孔來實現的,如圖2?13所示。該通風系統是這樣設計的:只在自然吸氣模式時才進行通風。

2.1.1.6　潤滑系統

壓力機油回路的重點改進如下:優化了機油供給系統的壓力機油通道,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范圍;較低壓力時機油壓力下降;可控式活塞冷卻噴嘴。

總而言之,這些措施明顯降低了發動機的內部摩擦。燃油消耗量也因此得以降低。潤滑系統部件分布如圖2?14所示。

發動機機油泵的改動主要有:壓力級改變了;效率提高了;液壓控制方面有變化。該機油泵的基本功能與第二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,現在泵運行得更慢了,i=0.96。

機油泵部件分解如圖2?15所示。

活塞頂并不是在任何工況下都需要冷卻的。有針對性地關閉活塞冷卻噴嘴,可進一步降低燃油消耗。取消了彈簧加載的活塞冷卻噴嘴另一個原因是:總體機油壓力級是很小的。

可控式活塞冷卻噴嘴系統包含了下述元件(參見圖2?16):缸體內額外加的壓力機油通道;無彈簧閥的新式活塞冷卻噴嘴[噴嘴有兩種不同的內徑(1.8L TFSI發動機的是較小直徑的噴嘴)];機油壓力開關(3擋)F447(在0.03~0.06MPa時關閉);活塞冷卻噴嘴控制閥N522;機械切換閥。

活塞冷卻噴嘴控制閥N522由發動機控制單元來通電,也就是通過87號接線柱來獲得供電。通過發動機控制單元來實現接地,于是電路也就閉合了。

這時,N522就打開了機械切換閥的控制通道。壓力機油從兩面加載到機械切換閥的控制活塞上。彈簧推動機械切換閥,這樣就關閉了去往活塞冷卻噴嘴機油通道的管路。

隨后是接通活塞冷卻噴嘴,這時N522被斷了電。于是通向機械切換閥的控制通道就被關閉了。壓力機油這時只在單面加載到機械切換閥的控制活塞上,于是活塞發生移動,這樣就打開了去往活塞冷卻噴嘴機油通道的管路。切換閥內的彈簧在機油壓力超過0.09MPa時會關閉去往活塞冷卻噴嘴機油通道的開口。為了能在活塞冷卻噴嘴控制閥N522斷電后,使切換閥立即回到其初始位置,必須將控制活塞中的機油快速排除。為此準備了一個單獨通道,該通道可使機油呈無壓力狀態泄入發動機的油底殼中。該單獨通道也就是在更換機油濾清器時機油的排放通道。活塞冷卻噴嘴控制閥斷電控制如圖2?17所示。

在活塞冷卻噴嘴已接通時,機油壓力開關(3擋)F447內的觸點就接合了。該開關位于活塞冷卻噴嘴機油通道的末端。通過這個機油壓力開關,可以偵測到下述故障:活塞冷卻噴嘴上無機油壓力(盡管要求有壓力);機油壓力開關損壞;盡管冷卻噴嘴已切斷,但是仍有機油壓力。

活塞冷卻噴嘴控制閥可以偵測到下述故障:導線斷路,活塞冷卻噴嘴一直開著;對地短路,活塞冷卻停止了;對正極短路,活塞冷卻一直在進行著。

活塞冷卻噴嘴不工作,會引起下述應急反應:發動機控制單元會限制轉矩和轉速;可調機油泵無較低壓力級;組合儀表上出現提示,轉速被限制到4000r/min,出現一聲“嘟嘟”響,EPC燈亮起。

2.1.1.7　冷卻系統

以1.8L TFSI縱置發動機、手動變速器且無駐車加熱裝置為例來進行說明。

創新溫度管理的兩個最重要部件是集成在缸蓋內的排氣歧管和發動機溫度調節執行元件N493。創新溫度管理模塊與水泵一起安裝在發動機較冷的一側。冷卻系統組成部件如圖2?18所示。

旋轉滑閥和水泵部件位置如圖2?19所示。

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。采用兩個機械連接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。

通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85~107℃之間變動。旋轉滑閥部件分解如圖2?20所示。

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通過PWM信號(12V)來操控,操控頻率為1000Hz。這里的操控信號是個數字信號,從性質上講像CAN總線信號。

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。正的操控信號(診斷儀上的測量值)表示旋轉滑閥在向打開的方向轉動。

電機通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回流管不進行調節。)

旋轉滑閥2是通過一個滾銷齒聯動機構與旋轉滑閥1相連的。該聯動機構的結構是這樣的:旋轉滑閥2在特定角度位置會與旋轉滑閥1連上和脫開。旋轉滑閥2的旋轉運動(打開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,缸體內的冷卻液循環管路就完全打開了。旋轉滑閥內部結構如圖2?21所示。

旋轉滑閥的運動,會受到機械止點限制。

發動機越熱,旋轉滑閥的轉動量也就越大,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,在旋轉滑閥的控制電路板上裝了一個旋轉角度傳感器,該傳感器將數字電壓信號發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。

1—發動機溫度調節執行元件N493的驅動機構和傳感器;2—去往散熱器的供液管接頭;3—去往發動機機油冷卻器的接頭;4—中間齒輪;5—旋轉滑閥2;6—旋轉滑閥1的軸;7—旋轉滑閥殼體;8—膨脹式節溫器(安全式節溫器);9—密封組件;10—來自散熱器的回流管接頭;11—旋轉滑閥1

2.1.1.8　進氣增壓系統

發動機進氣增壓系統組成部件如圖2?22、圖2?23所示。

由于增壓壓力較高,所以對集成的進氣歧管翻板系統進行了改造。利用彎曲的單體式不銹鋼軸,可以為進氣道內的凹形翻板提供最大的抗扭性。通過進氣歧管翻板電位計(非接觸式轉角傳感器)來識別翻板位置。

凹形翻板在打開狀態時是繃緊在基體上的,這樣就可以將氣流的沖動降至最小。該軸由發動機控制單元借助真空單元(雙位控制)經進氣歧管翻板閥N316來以電控氣動方式操控。進氣增壓系統部件如圖2?24所示。

增壓系統使用的是全新開發的單進氣口式廢氣渦輪增壓器。這樣可以改善全負荷特性(尤其是在較高轉速區域時)。氣缸蓋上廢氣出口采用雙流式通道布置,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盡可能好的點火順序分開(四個分成兩個一組)。渦輪增壓器內部結構如圖2?25所示。

這種廢氣渦輪增壓器有如下特點:電控泄放閥調節器(增壓壓力調節器V465和增壓壓力調節器的位置傳感器G581);λ傳感器在渦輪前面(λ傳感器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聲器和電控循環空氣閥(渦輪增壓器循環空氣閥N249);抗高溫渦輪,最高可承受980℃;殼體帶有機油和冷卻液通用接口;銑削的壓氣機轉子使轉速更穩、噪聲更小;渦輪是混流式的,用Inconel713制造。

大眾四缸渦輪增壓發動機,首次使用了電控泄放閥調節器。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1500r/min時,也能保證發動機輸出320N·m的最大力矩;在部分負荷時主動打開泄放閥,可以降低基本增壓壓力,在MVEG循環中,這可以每公里減少1.2g CO2排放量(也就是省油了);在催化凈化器預熱時主動打開泄放閥,可使催化凈化器前的廢氣溫度增高10℃,這樣就使冷啟動排放降低了;由于電控泄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(排氣的嘯叫聲)。

由于增壓壓力調節器V465的調節力是較大的,因此壓氣機殼體的強度加大了,它是用鑄鋁制成的。除了壓氣機轉子外,還集成有脈動消聲器,其組成部件如圖2?26所示。

λ傳感器(在催化凈化器前)安裝在最佳位置處,所謂最佳位置指每個氣缸的廢氣在此處流經渦輪殼體前方,但同時溫度又不過高。λ傳感器是寬頻λ傳感器。渦輪增壓器組成部件如圖2?27所示。

2.1.1.9　燃油供給系統

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,在這種情況下大眾開發了雙噴射系統。該系統可實現下述目標:將系統壓力從15MPa提高到20MPa;改善噪聲;達到EU6關于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)。

燃油噴射系統部件位置如圖2?28所示。

MPI系統通過高壓泵的沖洗接口來獲得燃油供給,這樣的話,在以MPI工況工作時,高壓泵就可繼續由燃油來沖洗并冷卻。為了盡量減小脈動(高壓泵會把這個脈動引入到油軌),在高壓泵的沖洗接口中集成有一個節流閥。

MPI系統配有自己的壓力傳感器,就是低壓燃油壓力傳感器G410。按需要的壓力供油,由燃油箱內的預供油燃油泵G6來提供。預供油燃油泵G6由燃油泵控制單元J538經發動機控制單元來操控。MPI油軌由塑料制成。

MPI噴油閥(N532~N535)安裝在塑料進氣歧管中,按最佳射束方向布置。為了應對系統壓力高達20MPa這種情況,高壓區的所有部件都進行了改進。

于是,噴油閥經鋼質彈簧片就與缸蓋斷開了(指聲響方面)。同樣,高壓油軌與進氣歧管也斷開了,且與缸蓋是用螺栓連接的。高壓噴油閥的位置略微向后移了些。

因此,混合氣的均勻程度得到了改善,且閥的溫度負荷也降低了。

為了使發動機在將來都采用相同的調節方式,這個調節方式也再次改變了。現在的調節方式的基本原則是這樣的:在拔下燃油壓力調節閥N276的插頭時,高壓區就不再形成壓力(建壓)了。