1 EA888 GEN3发动机开发揭秘

1.1介绍

大众/奥迪直列四缸TFSI发动机的历史可以追溯到2004年，对久经考验的EA113发动机系列进行升级，以世界首款量产直喷涡轮发动机形式出现，是一台2.0L的TFSI发动机。EA888发动机系列的概念开发实际上早在2003年就开始了，目的是取代皮带传动EA113系列（EA888为链式传动）。EA888发动机在设计初期，就定位为一款大众集团（所有品牌和平台）和全球应用（所有市场）的“全球设计”发动机。继2007年春季成功推出第1代后、在奥迪上推出了valve lift系统（可变气门机构）以及优化摩擦等众多措施的第2代，之后在奥迪A4/A5系列上首次搭载进一步突破的全新第3代，如图1所示。

EA888取得了巨大成功，在享有盛誉的“年度国际发动机”和“十大最佳发动机”评选中总共赢得了十多次奖项，下面详细介绍这款发动机。

1.2发动机特点和关键技术

第三代 EA888 L4 TFSI发动机系列的开发目标如图2所示：

• 为使用1.8L和2.0L发动机的车型开发模块化动力总成，高通用性

• 减少发动机机械阻力

• 提高功率、扭矩和燃油效率

• 提高舒适性

• 具备欧6排放标准能力

• 轻量化

对此，第三代EA888发动机，极大程度改善了发动机内部的机械阻力。例如，进一步减小主轴承直径；平衡轴集成在凸轮轴上；优化了机油增压循环回路（包括控制油泵）。为了改善扭矩特性，采用了Valve Lift系统，并集成了外置排气凸轮轴调整器，在1500rpm时实现了320N.m的高扭矩输出。在第3代EA888上，开发了一套全新的气缸盖，首次实现了废气冷却与涡轮增压器的集成。这种水冷式集成废气冷却系统大幅度降低高负荷下的消耗。为了对发动机的热量流进行控制（热管理），开发了一种新型的旋转滑动模块以提供全电子冷却系统控制。例如，在发动机的热机阶段，它能够完全阻止冷却液流入发动机或设置最小的流量。在发动机热机过程中，冷却液温度可以根据负荷需求和外部条件快速、大范围地调节到不同的温度范围。为了符合欧6排放标准，在第3代EA888上首次设计了双燃料喷射系统，包括FSI（Fuel Stratified Injection，燃料分层喷射）和MPI（Multi Port Injection，多点喷射）策略。高自由度的喷射方式选择意味着可以在较宽的工况范围内显著减少PM、PN排放，还可以降低油耗。尽管多了部分发动机附件系统，但第3代EA888系列发动机的重量还是大大减轻了。其中的关键因素是使用了薄壁发动机缸体（3mm厚度）、经过轻量化设计的曲轴、集成式废气冷却、气缸盖集成排气歧管、工程塑料油底壳和铝制螺栓的应用，让总重量比第二代轻了3.5kg。

下图3列出了第3代1.8L TFSI发动机与第2代1.8L TFSI相比的主要尺寸和关键参数，供大家参考。

1.3发动机硬件

对发动机硬件优化工作的重点是降低各种损失，同时降低发动机质量。此外，考虑到平台化需求，在规定功率和扭矩范围内（从入门级发动机扩展到最高档发动机），执行了最大限度的通用化零件策略。

1.3.1发动机机体

为了进一步降低机体的质量和制造公差，将铸造工艺由传统的平浇改为立浇。发动机缸体的壁厚已第2代3.5 mm+/-0.8mm降低至3.0mm+/-0.5mm，并且由于关键组件具有更大的自由度，可以将其他功能集成到发动机缸体中，进行一体化设计。粗油分离器的功能集成到发动机机体铸件中，因此不再需要螺栓连接粗油分离器和发动机机体法兰面，降低了重量。通过一系列针对发动机机体的轻量化设计，发动机机体减轻了2.4千克的重量。同时，为了进一步提高发动机的舒适性，主轴承盖已用螺栓固定在油底壳的顶部。

1.3.2曲柄传动和平衡轴

为了减少摩擦，曲柄轴的主轴承直径已从52mm减小到48mm，配重块的数量已从8个减少到4个。这使曲轴的重量减轻了1.6千克。活塞采用了一种新型合金，在开发过程中，扩大了活塞间隙，以优化摩擦，并基于带有纳米颗粒的耐磨活塞裙涂层控制了活塞磨损。平衡轴采用了滚柱式轴承。详细变化可以参照大众发动机自学手册。特别是在较低的机油温度下，滚柱轴承大大减少了摩擦损失。此外，集成化、精细化有助于减少20%的质量和30%的转动惯量，同时能够保持相同的动态平衡。

1.3.3 机油循环

为了降低机油泵的功耗，活塞冷却方式从传统的弹簧压力喷嘴改为电动可控喷嘴。当电流施加到电动控制阀时，控制阀打开一个流量通道，释放机油压力，从而以一个低成本的设计来控制喷嘴的关闭。在没有通电的情况下，机械控制阀被油压向上推动，机油喷射至活塞低部端面进行冷却（故障保护）。两个阀都布置在机油冷却器和机油滤清器的正下方，如图5。新的活塞端面冷却系统能够为进行按需控制，从而提高热管理的可控性。机油系统的OBD诊断也通过机油压力传感器来判断，详细布置如图5所示。

1.3.4 气缸盖

对于第3代EA888发动机系列，首次对涡轮增压直喷汽油发动机设计了气缸盖集成式废气冷却，且防止排气干涉按照点火顺序进行了排气分离。这种水冷式排气歧管意味着在高负荷下，几乎不需要进行加浓喷射来控制排气温度。因此，无论是在法规工况下的油耗测试中，还是实际用户体验中，甚至在激烈驾驶中，实际油耗都会大大降低。此外，集成式排气歧管也有助于暖机，对冷却液加热，因此这也是热管理系统的关键组成部分。另一个优点是在集成排气歧管使得涡轮增压器模块更加紧凑，降低了1.5kg重量。

在气缸盖的开发过程中，尤其是在工业过程和生产可铸造性方面，在满足热动力学和热机械优化的前提下，对排气管和集成式排气歧管冷却管的封装是一个加工难点，该方案对气缸盖铸造工艺要求较高，大众对模具加工做了创新，使其得以大批量生产。为了满足第3代EA888发动机的高热动力需求，可变气门系统和凸轮轴调节器集成在排气侧，也对进气管也进行了优化。为了更有效准确的控制发动机加热，将传统冷却液温度传感器从发动机机体改到了气缸盖中。

1.3.5 气缸盖设计

为了模拟集成排气冷却系统及其对气缸盖热机械性能的影响，在建立了CFD和FEM方法的基础上，大众公司也开发了一系列仿真方法^[2]。首先，采用经典的CFD仿真方法对气体流畅和冷却水流场进行了基本设计，并结合有限元方法对气缸盖进行了热机械优化。由于在非常有限的空间内（涉及极端温度梯度布局），废气和冷却水流量以及铝中的热传输之间存在着强烈的热耦合，因此在本项目中，所有三个区域（气体、水、铝）也首次在单一仿真模型中进行了多维度耦合计算。结果表明，该方法也能够更准确地模拟组件温度对流体温度和生成的热流的影响，如图6所示。

排气歧管集成式气缸盖的研究表明，与静态冷却系统的设计相比，负荷和转速变化的负荷循环也是一个关键影响因素。在运行工况发生这种变化后，首先将储存在材料中的大量热量释放到冷却液中，其次，由于发动机转速低导致水泵转速缓慢，冷却液体积流量和压力会比较低，在这种情况下，热水夹套区域的局部冷却液尤其容易沸腾，长期来看，这可能会损坏发动机机体。

在试验台上和通过仿真分析了这种负载循环以及高温快速停机的极端情况。在最终的集成排气歧管布置中，从整体的角度来看，在短期内沸腾功率方面达到了与前代发动机相当的水平。

1.4 热管理/冷却系统

整个冷却液回路（包括发动机内部和车辆侧）的设计旨在为热管理服务，从而使发动机和车辆内部（如果有需要的话）快速升温。热管理系统的两个主要部件是集成式废气冷却系统（如前所述），以及用于实现全电子冷却控制的模块。整个冷却回路还配有流量控制阀，用于开启或停止流经散热器和变速箱热交换器的流量。

1.4.1全电子冷却控制

用于全电子冷却控制和热管理系统的核心执行元件是塑料旋转滑块，它容纳了两个机械耦合的旋转滑块，用于调节冷却液流量。一个电机通过一个减速器迅速驱动旋转滑块1。依次通过灯笼齿轮与旋转滑块2连接。旋转滑块1取代了传统的石蜡式节温器，能够根据需要在85°C和107°C之间随意地改变冷却水温度。旋转滑块1还可以调节发动机机油冷却器的冷却液回流。

1.4.2升温策略

在热机过程中，流入发动机的冷却液最初被旋转滑块2完全关闭。所有外部阀门都关闭，水只在发动机内部流动，也就是常说的小循环。当现实中用户需要进行空调加热等操作时，不必利用小循环内部的冷却液。在这种情况下，设计了一个带有辅助水泵的自动加热回路，通过该回路，来自排气歧管集成式气缸盖的废热被利用，送入空调系统传递热量。进入发动机缸体（旋转滑块2）的冷却液入口保持关闭状态，因此尽可能保持气缸的快速升温从而减少摩擦。这套系统可以在满足客户的舒适性要求前提下，同时实施最佳升温策略。

随着发动机温度进一步升高，旋转滑块2局部打开，产生部分的冷却液流量，以确保部件充分冷却。并且通过对水的快速加热减少了热机过程中的热损失。最终，在达到规定的水温后，发动机机油通过旋转滑块1定向流经发动机机油冷却器，对机油进行加热。一旦判定发动机充分热机后，变速箱冷却器的切换阀再打开，以便用部分热量对变速箱油进行加热。在热机过程中，一旦冷却液流经主散热器，则不可避免的会带来热量损失。因此，为了保证热效率，主散热器会在所有相关零部件充分热机的基础上再发挥作用。依靠这套集成式废气冷却系统和全电子冷却液控制系统，可以为这款发动机提供比上一代更短的热机时间，此外还可以加快空调加热的响应时间，如图7所示。

1.4.3温度控制

此热管理系统可以在整个发动机转速负荷区间对冷却液温度进行优化，从而最大限度地降低摩擦损失并提高热效率。在发动机转速和负荷较低时，冷却液调节至107°C，以将发动机机油回路阻力降到最低。随着负荷和发动机转速的提高，冷却液温度降低到85°C。平衡机油阻力损失和最佳点火提前角效率（以及爆震控制）之间实现最优化，从而确保发动机热效率的最佳化。旋转滑动模块的高响应速度和热管理系统的高可控性使冷却液温度能够迅速降低，以便在高负荷下保证可靠性。

这套热管理系统还有一个特殊的功能，就是在发动机关闭时也能工作。通过对旋转滑动模块的协同控制，让冷却液以一个设定的流量持续通过冷却液沸腾敏感的气缸盖和涡轮增压器，从而使存储在这些部件中的热量快速排出，解决了传统涡轮增压器寿命短的问题。

在发动机气缸体的部分位置，没有设计冷却回路，以免对发动机进行过冷却。通过该设计，显著减少了热机时间。总的来说，这套热管理系统，在NEDC中节约了2.5 g CO2/km，在实际驾驶模式下也大大节约了行驶成本。另外，空调的快速制热设计，也提高了舒适性。

1.5 双喷射系统

在第3代EA888上使用一套双喷射系统。直喷系统中，高压喷射的最大压力从150bar（15MPa）提高到200bar（20MPa）、从性能和成本进行了优化。为了满足欧6排放标准中颗粒物（PM/PN）限制，并进一步开发省油的潜力，还采用了一套歧管喷射系统。

对歧管喷射喷油嘴（MPI）的回路进行设计，确保歧管喷射喷油器工作时有部分汽油流量流经高压燃油泵（High-pressure pump），以确保歧管喷射喷油嘴在工作期间对高压燃油泵（HPP，High-pressure pump）的冷却。在低压回路中还设计了一个节流阀，尽可能的让低压喷嘴不受到高压燃油泵油压脉冲影响。燃油通过工程塑料制成的低压油轨供给歧管喷射系统。油轨集成了低压传感器（LP sensor），根据低压压力来决定喷射时间，调节喷油量。在进气歧管中，有一个VTS机构（可变滚流系统），通过控制进气歧管碟形导流片的开闭，可以满足发动机在不同工况下的充气要求。如发动机在低速工况时，通过进气歧管碟形导流片关闭下进气通道，可以减少气流通过的横截面，来增加气流流速，结合活塞顶的特殊设计，有效形成强烈的进气涡流（滚流），有利于混合气的形成与雾化。同样地，当发动机进入高速工况采用均质混合气模式时，进气歧管碟形导流片开启下进气通道，增大气流通过的横截面，以获得更多进气，提高发动机的输出功率。配合着低压喷射系统，可以实现不同的喷射策略。据我所示，这套系统应用的发动机比较少。

高压燃油泵和缸内直喷喷嘴（HPI，High-pressure injector）的工作压力为200bar。发动机在部分负荷工况下，通过低压喷射系统喷油，在大负载和启动时，采用高压喷射系统。缸内直喷喷嘴的燃油是通过高压油轨提供的，高压油轨与进气歧管分离，直接用螺栓固定在气缸盖上。该系统有一个高压压力传感器，根据不同的工况，其压力范围可以调整，以达到性能与节能的协调。

双喷射系统为发动机喷射策略提供了很高的自由度。除了单次、两次和三次高压直喷外，还可以在发动机部分负荷范围内用歧管喷射进行混合气成型。从而一方面进一步提高了燃油经济性，另一方面也显著降低了颗粒物排放。这台发动机已经能够满足的欧6标准。通过采用了如下各种设计标准，对发动机的喷射策略进行标定：

1热效率提高、爆震抑制

2尾气排放降低、PM/PN降低

3湿壁效应改善、燃油稀释缓解

4运行顺滑

1.5.1喷射策略

在极低温度下冷启动和暖机期间较大负荷下，使用三次缸内直喷策略。这可以使发动机的喷油量最小，排放量最小（尤其使HC排放和PM排放）。在低温/常温发动机启动和催化转化器热机阶段，采用两次直喷喷射策略进行混合气的形成。在这种情况下，最优先的目标是保证平稳运行、确保燃油喷射量稳定和排放量最小的情况下的鲁棒性。两次直喷策略也在中高负荷下运行。此喷射策略可确保在相应的映射范围内实现最佳的抗爆特性、微粒排放和废气排放。

由于涡轮增压压力较高，对进气歧管中的VTS机构（可变滚流系统）进行了优化。曲柄一体式刚性轴保证了进气道中碟形导流片的扭转刚度。通过非接触式旋转角度传感器检测导流片的角度信息。当打开时，碟形导流片被固定在发动机机体中，以使气流的激振最小化，降低噪音。刚性轴由发动机控制单元进行控制，现实导流片的旋转。

1.5.2燃烧过程

对于第3代EA888发动机，在充分验证TFSI燃烧过程的基础上，进行了多方面优化。一方面在保证平均燃烧压力达到22bar的基础上改善了爆震早燃的鲁棒性，另一方面也依靠集成式气缸盖改善了燃烧稳定性。

由于采用了集成式废气冷却的气缸盖，标准燃烧过程中的能量转换时间U05（燃烧5%）-U50（燃烧50%）增加了1至2°CA。从而使部分负荷尤其是3000rpm时的燃烧有效压力变得较差，由于进气道的重新设计（滚流增加），补偿这种变差影响，并在较高的发动机转速下实现更高的燃油经济性。由于高压喷油嘴的优化、提高了油气混合的均匀度，同时也降低高压喷油嘴上的温度负荷（一般直喷发动机要依靠汽油对高压喷油嘴进行冷却，单纯的直喷发动机没有该问题。双喷射系统发动机由于直喷系统并不是一直工作，存在温度负荷过高的情况，因此在设计和标定中要考虑该风险）。

为了协调发动机性能和燃油经济性，第3代EA888发动机采用了可变气门技术，并首次将其与排气装置上的凸轮轴调整器相结合，从而给气流控制提供最大的自由度。通过对排气凸轮轴正时的调整，可以满足全负荷和部分负荷下各种控制策略的需求，排气门关闭时刻在TDC后的-2CA°到6CA°之间调整。通过这种方式，一方面可以在全负荷下具有出色的动力响应性和优秀的燃油经济性（全负荷下燃油消耗率<250 g/kWh），另一方面可以利用燃烧过程的内部废气再循环，在部分负荷下具有良好的燃油经济性。如图9所示，在某全负荷工况下，排气门关闭时刻在6CA°，可以实现低油耗和高响应。

如图10所示，由于采用了如上所述的集成式废气冷却，因此可以在很宽的范围内实现空燃比λ=1。发动机图中的最佳经济工况点为230g/kWh，但更重要的是发动机高效区间范围非常宽，在常用范围内的耗油量低于250g/kWh，即使用户的驾驶方式比较激烈，也能保证良好的燃油经济性。

1.6 涡轮增压

1.6.1 涡轮增压硬件

在第三代EA888上面设计了一套全新的单涡轮增压器。该增压器通过对转子总成、壳体、气道的优化，提高了低速扭矩和最大功率。该涡轮增压器的特点如下：

电动废气阀（Electric waste gate adjuster）

涡轮前置氧传感器（Oxygen sensor upstream of turbine）

双通道紧凑型铸钢涡轮壳体

集成脉冲消音器（Integrate pulsation sound absorber）

电子废气旁路阀（Electric overrun bypass valve）

铬镍铁合金涡轮转子（工作温度980°C）

考虑到流场布局，将氧传感器布置在涡轮壳体前端，同时，废气温度达到980°C，涡轮壳体由某特殊铸钢制成，该材料这可确保在整个生命周期内足够的可靠性。因此4气缸点火顺序的原因，采用了双通道进气模式。由于集成式废气冷却系统的存在，且采用了镍铁合金材料，涡轮壳体的总质量减少了约40%。另外从通用化设计考虑，使用标准螺栓固定在气缸盖上。在涡轮常用的高温工况下，首次采用了铬镍铁合金713C（镍基合金）来代替MAR材料，生产涡轮。为了保证可靠性，通过CAE对转子的蠕变特性进行了多轮分析验证。

增压器外壳采用了压铸铝成型工艺，其结构较为复杂，集成在壳体上有脉冲式消音器，电子废气旁路阀和曲轴箱通风系统的气体管路。由于采用了电动废气旁通阀，驱动力得以加强，增压器壳体结构也进行了强化。增压器转子是通过研磨加工成型，因此具有更高的稳定性和强度，保证了良好的NVH性能。

在响应上，新设计的废气旁通阀执行器比传统的增压执行器更为精确。它可以独立于增压压力，能够根据发动机控制单元的信号进行主动控制，相比传统的增压执行器有以下几个优点：

1由于较大的关闭力，可以在1400rpm的低转速区域，让发动机扭矩达到320N/m。

2在部分负载情况下，随着废气旁通阀的主动打开，降低增压压力。使得在NEDC循环中节省约1.2gCO2/km，提高了燃油经济性。

3催化器加热过程中废气门的主动打开，提高热响应速度，让催化器前的废气温度升高10°C，从而让催化剂迅速起燃，降低冷起动排放。

4由于电动废气阀执行器的高响应性，在负荷变化的工况下可以及时降低增压压力，这对涡轮增压器的声学性能（哮喘、颤动）有很大的积极作用。同时，由于增压压力的快速跟随性，发动机对负载变化的响应也得到了改善。

第三代EA888首次将氧传感器置于涡轮增压器涡轮之前，从而在发动机启动后尽早的执行空燃比调节以及实现良好的气缸识别功能。在确定氧传感器布置时，需要重点考虑常用负载下流场的均一性。

1.6.2 CAE对涡轮优化

第三代EA888在开发中，在涡轮侧和增压器侧都进行了全方位的CAE优化。在涡轮侧，对整个系统（包括气缸盖中的集成废气冷却气管）、涡轮壳体（包括转子）、废气旁通阀、涡轮前氧传感器和排气系统）进行了CFD模拟，直到气体进入三元催化器载体截面之后。其目的是优化集成式废气冷却回路与涡轮进口、至氧传感器的气流、和进行废气旁通阀布局的设计，从而实现均一、稳定、有序的气体流动。在增压器侧，CFD模型包括进气、增压器包括所有气体入口域（例如来自曲轴箱通风的入口域）、旁通阀和增压回路，其目的首先是保证增压器性能的情况下，查看气流流向，从而找到各气体入口域的最佳位置布局。通过案例，得出CAE分析在研究气体压力损失和增压器效率方面的具有巨大潜力。

结合CAE分析，显著提高了涡轮的热力学性能和耐久性。根据计算出的温度图和螺栓拧紧力等附加力云图，确定了部件的载荷，并在早期的设计阶段进行了优化，经过流体动力学和热力学的CAE分析，对氧传感器的气体流量、温度分布和负载进行了详细的模拟。一方面，进行了广泛的瞬态CFD模拟，以检查零件在极限负荷（右）下的功能性；另一方面，对嵌入涡轮壳体中的氧传感器进行热力学计算，进行材料的最佳材料配对和最佳输入来确保零件的耐久性。决定布局位置（右）。

1.7 性能和燃油消耗

在第三代EA888的开发中，对涡轮增压器零部件、安装布局进行了设计，在流场、热力场等方面进行优化，最终反映在发动机性能上。新的1.8L TFSI在1400rpm时就能够达到了320N/m的最大扭矩，在3800rpm到6200rpm之间有125kW的宽泛性能输出范围，如图11左边所示，且其极限功率有进一步提高的潜力。此外，与上一代发动机相比，尽管从0提高到最大扭矩所要建立的涡轮压力变大了，但是得益于高响应性，减少了达到最大扭矩所需的事件，这保证了发动机良好的动态响应和卓越的加速性能。

大众（奥迪）使用一套名为性能感官指数（PFI）来评估车辆的性能和驾驶响应性。它是衡量汽车加速能力的一个指标，通常与燃油消耗率一起评价。第三代1.8 l EA888发动机（125 kw/320 Nm）的额定性能与之前的第二代1.8 l发动机（118 kw/250 Nm）相比，提高明显。相比第二代EA888 1.8L发动机，性能提升了12%，燃油消耗率降低了22%。即使与第二代2.0LEA888发动机相比（132kW/320N/m），同样性能的前提下，燃油消耗率仍有明显的的降低（14%）。

1.8 排放对策

通过对FSI系统的喷射压力的提高（150bar增加到200bar）、缸内直喷喷油器的布局优化，改善了混合气形成，对排气道进行紧凑化设计以实现最小表面积，通过对氧传感器前置，提高氧传感器响应性，从而达到欧6排放。此外，三元催化器的结构为一款新设计的薄壁陶瓷体，400cpsi，壁厚为3.5 mil，以及新开发的JM835贵金属涂层。由于采用了薄壁载体，排气背压显著降低，同时可以适当提前点火角。由于在部分负荷下打开废气旁通阀，涡轮的旁路也可确保在冷态启动时，尾气热能可用于加热催化器。

基于双喷射系统，点火和可变气门的应用，可以采用多种策略实现HC、CO、NOx和PM的平衡。在启动模式下，三次FSI喷射在压缩阶段进行。在暖机工况下，采用压缩阶段进行FSI双喷射并适度延迟点火来实现预热。预热后，MPI喷射系统在非爆震限制中发挥作用。

为了进一步减少二氧化碳排放，除上述策略外，还采用了自动启停系统等。这些措施确保搭载该发动机的车辆符合欧6排放法规。