2 EA888 GEN 3B 发动机开发揭秘

2.1 介绍

在过去的15年中，内燃机（特别是汽油机）取得了很大的进步。由于二氧化碳排放法规的限制，工程师们在汽油发动机上使用了才有发动机技术的直喷和涡轮增压。这些技术使得在发动机小型化（排量减少及减少汽缸数量）的同时保持了跟以前大排量发动机一样的输出。更高的输出扭矩使得发动机可以匹配更宽泛的齿比范围和齿比数的变速箱，得以实现发动机的低速运转。

为了达到NEDC的排放和油耗法规，发动机在低速低扭矩的时候都会有最好的二氧化碳排放表现，这使得车辆认证时会有很低的油耗表现。当然，在实际使用中，这些车的油耗回更高一点，如图12左边。

2017年9月1日起，WLTC开始对所有在欧洲上市的乘用车生效，而从2018年9月1日来说，WLTC将对所有新注册车辆生效。WLTC使用了更高的平均速度，更激烈的加速和减速，更严苛的测试规范，以及使用了更好的设变以提供给消费者更准确的油耗，如图12中间。

对于欧洲来说，最大的改变是使用了实际驾驶法来测试排放RDE，这项测试需要在实际道路上采集排放物，而不是在试验室里。由于这个测试没有固定程序，在路上行驶的时候有很多随机性，这就需要发动机在全域工作范围内都能满足排放法规需求。对于装配有三元催化的汽油机来说，这个新的排放法规需要发动机一直工作在最佳空燃比。通过注入过量空气来提高扭矩，和使用加浓混合气来保护零部件的方法将不能再使用。对于固定排量的发动机来说，如果没有其他的改进措施，发动机的扭矩和功率将会降低。

基于这个背景，大众/奥迪在EA888系列发动机的研发中，证明了发动机低速化和小型化能够显著改善燃油经济性。但是，若想进一步的降低油耗，只从排量方面考虑的化，反而会受到技术和成本的制约。大众/奥迪的研发工程师们另辟途径，提出了Budack-cycle概念，也就是对现有Miller cycle米勒循环的优化。和传统的米勒循环相比，新改良的重点在于进气阀门关闭时间的提前，能够加快进气气流的速度，让燃料与空气混合的效率提升，因此有着更好的热效率表现。另外，对行程进行加长，提高膨胀比，明显提高了压缩比，从而降低了油耗。本文从研发角度出发，从理论基础、燃烧过程的设计进行介绍，并和EA888 GEN3基础型发动机对比，对其优化点和效果进行说明。

2.2 开发目标

EA888 GEN3B目标为替代EA888 GEN3机型，GEN3B的功率范围为125~147kW。这款发动机并不是追求性能，而是注重燃油经济性，满足严苛的排放法规。

EA888 GEN3B的开发之初，对所有的降低燃油耗技术进行了先行研究。但是基于现款小型化的EA888GEN3发动机，在中低负荷热效率已经达到瓶颈，很难再通过小型化技术提高中高负荷下的油耗。即使是采用多点喷射，分层稀薄燃烧等技术，也无法进一步提高燃油经济性。

2.3 开发理论设想

首先从P-V图出发，从发动机的工作过程可以分析出，加长膨胀行程能够使燃烧的膨胀能量转换为机械功更为充分，如图13红色区域所示，假如使用米勒或者阿特金森循环实的话，膨胀行程的能量更加容易发挥效果，换句话说，压缩行程短，膨胀行程长能够有效提高热效率。

为了将传统的奥托循环工作模式转换到膨胀行程大于压缩行程的工作模式（米勒循环/阿特金森循环），GEN3B EA888在利用传统的曲柄连杆机构的情况下利用气门正时实现了加大膨胀行程的效果。通过对气门正时和压缩比的标定，能够在一定程度上实现图13中所期望的做工过程。

为了研究加大膨胀行程的效果，计算了某真实运行工况点附加的作功面积（Ｗ＝∫pdV），根据膨胀行程加长的百分比和不同的负荷得出，膨胀行程加长得越多，能量转化的越彻底，并且随着负荷的增大而明显。在非常低的负荷下会出现相反的效果，这里有一个临界点。其原因是在极低负荷下，进气量过小，膨胀行程后段气缸内压力会低于排气背压，从而导致做工为负，因此判断的临界点在于膨胀终了时气缸内部的气压是否高于排气背压。当然，在实际应用中，为了评估是否具有有效的燃油经济性，还必须考虑膨胀行程加长后发动机所产生的多出部分机械损失。

大众/奥迪在研究之初对发动机排量进行研究。对于125~147kW功率范围和250~320Nm扭矩而言，以如今的增压技术，排量能够从1.8L降低到1.6L是没有技术难度的。图14示出了在某常用工况下膨胀行程加长方案相对于这种小型化方案的油耗优势。在低负荷时，因机械损失小，有较大的节油潜力，但是也因为涡轮介入容易出现爆震，压缩比无法进一步提高，在中负荷以下就不再有油耗优势。以1.6L的发动机为基础，扩大膨胀行程25%至2.0L排量，得到如图红色虚线和实线的数据。进行加权补偿，节油潜力就能提高到红色虚线曲线的水平，若考虑到2.0L发动机实际上具有较高的摩擦损耗与转动惯量，则节油潜力略有降低，但是与EA888 GEN3 1.8L的基础版本相比，依然具备一定的优势。扭矩约从30Nm开始，随着负荷的增加，与1.6L小型化发动机相比也有明显的省油趋势。

发动机小型化能够将最佳经济油耗区间提前，但是在高负荷小会恶化，在图24中，当扭矩高于200Nm后，因爆震导致燃烧恶化，1.6L发动机油耗比1.8L有恶化，通过在膨胀行程加长，其节油效果并非小型化那样改变经济油耗区间，而是通过对热效率的提高实现的，因而也获得了更好的燃油经济性。大众奥迪基于此研究，提出的新的涉及概念：用“合适的尺寸”替代“小型化”（“right-sizing” rather than “down-sizing”）。

如何在不改变发动机结构的情况下，增加膨胀行程呢？大众/奥迪的工程师使用了改良过的Miller cycle米勒循环模式，由工程师Budack提出，所以叫Budack-cycle，这里的GEN3B的B也就是这个意思。传统的米勒循环采用进气门晚关的方式，发动机在压缩冲程期间，进气门依旧保持打开状态，在活塞上行过程中将部分进气排出，从而使实际压缩比小于膨胀比，起到加长膨胀行程的作用（丰田、本田、马自达等都采用该策略）。而B循环反其道而行之，把进气门关闭的时间提早，在吸气行程下半段关闭进气门，充分保证燃料与空气混合的时间，提高效率。

2.4 燃烧过程

上文主要是从理论推导出燃烧过程重要的基本参数（压缩比、气门正时和增压压力需求），并且发动机方案是以传统1.6L发动机为基础，加长膨胀行程，压缩比在9.6。就理论上而言，膨胀行程加长的情况下，最大气缸容积增大，而最小容积则保持不变，因而2.0L发动机的压缩比ε≈11.7。

通过可变气门调节的改良米勒循环（B循环）与加大发动机排量相结合加长膨胀行程，在理想状态下，其在P-V图上的换气过程与小型化方案是类似的，也就是说，通过气门正时控制因排量变化引起的进气量变化，因而达到相同的绝对压力所需的进气量/增压压力也应相似。

1.6L发动机的气缸充填系数相当于2.0L发动机的80％，因此设计时需要让进气量达到1.6L的水平。进气过程设计时涉及进气门关闭的时刻，包括进气门早关（FES）和进气门晚关（SES）。大众/奥迪经过多方面研究，得出在部分负荷时采用进气门早关与气门重叠相结合能获得最佳的燃油经济性（B循环）。对于涡轮增压发动机而言，在全负荷时因为有足够的涡轮增压压力，缩短进气时间也能够提高部分燃油经济性。

在这样的前提下，并考虑实际硬件能够保证的强度，判断150°CA的进气们开启时间是最合适的。但是，通过试验验证，由于气缸充填系数和有效压缩比的限制及与排气门废气扫气之间的相互影响，使得低速极限扭矩明显降低。为了在低、中、高负荷都能达到性能与节油目标，将进气门开启的时间扩大到170°CA，采用这样的进气门开启时间，能够将有效压缩比降低而不会过分地限制进气量。采取这些措施能够达到与EA888 GEN3 1.8L发动机同样的额定功率和最大扭矩，同时，最大扭矩实现的转速降低了200rpm，改善了动态响应性能。

将进气时间长度从150°CA加长到170°CA，在小负荷下节流的效果被降低，中低速小负荷的油耗变得一般。因此，GEN3B上应用了一套AVS系统（可变气门升程），在部分负荷时，气门开启时间为140°CA，全负荷时为170°CA。AVS系统的核心在于两步式进气凸轮轴设计。具体来讲，新设计采用了一款滑动钝齿，可以实现可变气门行程：发动机可以在需要最大功率时保持正常进气门开启设置，也可以在部分负载条件下，利用凸轮凸角提前关闭进气门，从而实现更长的膨胀行程。

这种AVS气门机构能够在部分负荷范围内实现140°CA进气门开启持续时间，实现进气门早关的优点，提高热效率。根据奥迪的实测数据，搭载EA888 GEN3B发动机的奥迪A4轿车在WLTP测试中的实例，在整个WLTP循环中，得益于变速箱合理的换挡策略，发动机可以在140°CA进气门开启持续时间内工作，法规油耗得到降低。另外，即使在试验循环之外，140°CA进气门开启持续时间也能发挥作用，直至200km/h车速下仍可使用短进气凸轮。

为了降低油耗，提高热效率，除了上文提到的对进气门的优化之外，还对燃烧速度进行了优化。一般来说滚流比对燃烧速度有决定性的影响，特别是对于进气门早关（FES）方案这种进气方式，由于进气阶段结束得早，气缸内滚流形成的时间较长，而且因进气门行程减小使得进气从一开始进入气缸就阻碍滚流的形成。除此之外，提高压缩比所需要的活塞结构又使进气难以维持滚流运动。通过CAE仿真，将上述这些方案效果模拟出来。首先因气门正时的改变，与其他同等配置相比，进气量下降约25％，以这个为出发点，通过设计新的进气道，成功地将滚流系数提高到原先值的50％。另一个必要措施是应用进气门导气屏，在小气门行程时通过对气体流向进行引导，提高进气的动能，而活塞顶面形状的优化又能继续有助于支持滚流运动。通过上述的优化，综合效果使滚流比又恢复到EA888 GEN3 2.0L发动机的水平。

EA888 GEN3B实现了高压缩比，因此对燃烧室的设计突出更高的要求，在持续不断的迭代优化中，在压缩比ε＝11.0~12.0的范围内进行了多次研究，对活塞形状和气缸盖上的燃烧室进行了优化。

首先基于基础款气缸盖进行讨论，在考虑到全负荷目标值的情况下压缩比最高只能在11.2。为了进一步提高压缩比以提高热效率，对燃烧室进行了重大的调整，比如通过降低燃烧室顶面高度以及调整火花塞和直喷喷油器的位置，气缸盖侧的燃烧室容积比EA888 GEN3 2.0L基础型减小了13％。通过减小气缸盖侧的燃烧室容积，可进一步优化活塞顶形状，降低了圆周凸起，而宽敞的燃烧室碗装结构并无变化，从而总体上能形成1个紧凑平和的燃烧室。通过这些措施，最终将新的燃烧室的压缩比ε设计成11.7。

2.5 发动机硬件

除了上文介绍的发动机燃烧模型的改进之外，还对发动机附件进行了优化。这些变化的主要目的是进一步降低2.0L发动机曲柄连杆机构的机械损失。与EA888 GEN3 2.0L发动机相比，极限扭矩的下降让曲轴主轴承的直径从52mm减小到48mm，并对平衡轴链传动机构的总体布置也进行了优化。

在外形尺寸受限制的情况下，应用细传动链可以减小滑轨的弯度半径，这也能减小机械损失。并且在EA888GEN3B上首次使用0W20粘度等级的低粘度机油，它能降低发动机中许多摩擦副的机械损失。由于机油粘度较小，对发动机上的某些部件进行了适应性调整，例如优化了活塞环间隙和机油泵的传动比。

这些措施的综合效果使平均摩擦压力比EA888 GEN3 基础机型降低了8％（在转速2000rpm和水温90℃下实侧值），如图16所示。

2.6 降低油耗的措施

通过对上文优化方案的实施，相对于EA888 GEN3 1.8L发动机的燃油经济性对比如图17所示，与理论推导相符，EA888 GEN3B的2.0L发动机在燃油经济性上具有优势。图中红点为实际测量值，红线为理论推导值，黑线为1.6L小型化发动机的推导值。扭矩270Nm之前，得益于140°CA的进气打开时间，充分发挥B循环（改良米勒循环）优势，节油效果与预想相符。当扭矩高于270Nm，无法发挥B循环优势，进气门打开时间为170°CA，从而几乎没有节油效果。总而言之，采用B循环的EA888 GEN3B发动机，与EA888 GEN3 1.8L基本型相比，在保持了同等性能前提下，显著的降低了油耗。

通过EA888 GEN3 1.8L和EA888 GEN3B 2.0L发动机的燃油耗特性曲线对比，两款发动机的最佳燃油耗点分别为231g/（kW·h）和220g/（kW·h），而在235g/（kW·h）等油耗曲线区域的大小更能明显比较出两款发动机的优劣，燃油经济性提高了5%以上。

2.7 总结

在2008年大众提出EA888发动机后，市场表现一路高歌，凭借着高性能、低油耗的表现，成为了高科技的代名词，也实现了市场和技术的“弯道超车”。随着2015年后，以本田丰田为代表的日系厂商也全面涡轮化，大众第三代EA888以及改进型还能否保持住优势地位呢？让我们拭目以待！