第2章 发动机机械系统
2.1 大众发动机机械构造
2.1.1 直列发动机构造
大众EA888系列发动机发展至今已经是第三代机型,包括1.8L和2.0L两种排量。在第一代上,其搭载了涡轮增压、缸内直喷、可变气门正时等主要技术;第二代在第一代基础上增加了AVS(可变气门升程)等配置;而到了第三代发动机,除上述技术外,还新增了混合喷射(缸内直喷+歧管喷射)、缸盖集成排气歧管等技术。
2.1.1.1 气缸盖
发动机的气缸盖是完全重新开发的。在配有直喷系统的涡轮增压发动机上,首次在缸盖内集成了废气冷却系统以及废气再循环系统。气缸盖部件结构如图2⁃1、图2⁃2所示。
图2⁃1 气缸盖部件分解
1—霍尔传感器;2—气缸盖罩;3—凸轮轴调节元件;4—进气凸轮轴;5—进气凸轮轴调节器;6—滚子摇臂;
7—支承元件;8—进气阀;9—排气凸轮轴;10—排气凸轮轴调节器;11—排气阀;12—霍尔传感器;13—通道
分隔板;14—冷却液温度传感器;15—缸盖;16—防冻裂塞;17—集成式排气歧管的定位销;18—缸盖密封垫
图2⁃2 气缸盖部件位置
气缸盖罩使用钢制螺栓固定。气缸盖罩采用室温固化型密封剂进行密封。缸体和缸盖之间采用的是三层金属制缸盖密封垫。正时侧的密封采用的是塑料链条盒盖,盖内还集成有机油加注口盖。
另外一个重要改进就是使用了带有点火顺序分隔装置的冷却式排气歧管,该歧管直接集成在缸盖内。
由于使用了集成式排气歧管,与普通的歧管相比,涡轮前部的废气温度明显降低了。另外,使用了耐高温涡轮增压器。部件位置如图2⁃3所示。
图2⁃3 排气歧管与增压器位置
通过这种组合,就可以(尤其是在高转速时)取消用于保护涡轮的全负荷加浓工况了。因此,在正常行驶工况以及以运动方式驾车行驶时,燃油消耗就明显降低了。
另外,集成式排气歧管可以使冷却液能得到快速预热,因此该歧管是温度管理的重要组件。
排气道的布置原则是这样的:排气气缸的废气气流对任一其他气缸的扫气过程不能有影响。全部的流动能量都供驱动废气涡轮增压器的涡轮用了。1缸和4缸以及2缸和3缸的排气道,分别在通向涡轮增压器的过渡处交会。
2.1.1.2 缸体与油底壳
缸体进行了很大的改动,主要是为了减少重量。壁厚从约3.5mm减至3.0mm。另外,机油粗滤器的功能整合到缸体内了。就缸体来讲,与第二代EA888系列发动机相比,共减少了2.4kg。内部摩擦所消耗的功率也有所降低。减重所用到的最重要的措施是:减小了主轴承直径和改进了平衡轴的轴承。
与第二代发动机相比而进行的其他改进之处:其“冷的”一侧又开出了一个压力机油通道,该机油通道用于电控活塞冷却喷嘴;冷却液回流和机油回流通道的横截面也进行了修改;改进了长的发动机水套;机油冷却器通过缸盖上的冷却液回流来供液;爆震传感器的位置有所优化;改进了平衡轴的轴承。
动力输出侧的密封,是通过密封法兰来实现的。该密封法兰采用的是常温固化型密封剂,并用铝制螺栓拧在缸体上。配气机构壳体盖也是用常温固化型密封剂来密封的。
油底壳上部是铝压铸而成的,其中用螺栓固定有机油泵和蜂窝式件(用于抽取机油和机油回流)。另外,油底壳上部内还有压力机油通道和双级机油泵的控制阀。
油底壳上部与缸体之间的密封,是采用常温固化型密封剂来实现的。螺栓使用的是铝制螺栓。为了进一步改善发动机的声响特性,主轴承盖与油底壳上部是用螺栓连接的。
油底壳下部是采用塑料制成的,这样可以减少约1.0kg。密封采用橡胶成型密封垫,采用钢制螺栓进行连接。油底壳下部内装有机油油面高度和温度传感器。放油螺塞也是塑料制的(卡口式连接)。
缸体和油底壳部件分解如图2⁃4所示。
图2⁃4 缸体与油底壳部件分解
2.1.1.3 曲柄连杆机构
曲柄连杆机构的变化主要体现在重量减少和摩擦减小。活塞间隙调大了,以便减小预热阶段的摩擦。另外,活塞裙添加了耐磨涂层。
上活塞环为斜面环,2.0L发动机上是矩形环,非对称球状;中活塞环为鼻形环;下活塞环为油环(两体式),顶部倒角管状弹性环。
连杆是裂解式的,连杆大头使用的是二元无铅轴承(与主轴承一样)。另一个重大改进,就是省去了连杆小头内的青铜衬套。这样,整个发动机使用的都是无铅轴承了。
无连杆衬套的轴承首次用于轿车发动机上了,属于大众公司的专利。
活塞销在连杆内直接与钢结合在一起,在活塞内直接与铝合金结合在一起。为此,活塞销使用了一种专用的表面涂层,称之为DLC涂层。与第二代发动机相比,主轴承直径从52mm降至48mm,平衡重块的数量从8个降至4个。这样可以减少1.6kg。主轴承的上轴瓦和下轴瓦都是双层无铅轴承。可保证适用于智能启停的工作模式。
曲柄连杆机构部件分解如图2⁃5所示。
如图2⁃6所示,主轴承盖与油底壳上部是用螺栓连接在一起的。这个措施在振动和声响方面,改善了发动机的舒适性。
图2⁃5 曲柄连杆机构部件分解
图2⁃6 油底壳上部连接
2.1.1.4 正时链与平衡轴机构
链传动机构的基本构造,差不多直接取自第二代发动机,但是也还有改进的地方。由于摩擦减小了且机油需求量也很小了,所以链传动机构所耗费的驱动功率也就减小了,因此链条张紧器按较低的机油压力进行适配。正时链传动系统部件如图2⁃7所示。
图2⁃7 正时链传动系统部件
机械维修上面也是有改动的,一方面涉及链条装配的工作步骤,另一方面还要用到一些新的专用工具。另外,在拆装了链条机构后,必须用车辆诊断仪进行适配,这实际上就是为了诊断而要获知链条机构的部件公差并进行相应的匹配。
平衡轴除了减少了重量外,有几处改成了滚动轴承支承了,这样可以减少摩擦,尤其是在机油温度较低时效果更明显。另外,这个改进对于智能启停模式和混合动力模式的可靠性也具有积极意义。平衡轴机构部件如图2⁃8所示。
2.1.1.5 曲轴箱通风装置
曲轴箱排气与通风系统也是经过二次开发的,因此缸体与大气之间的压力比就可按较大的压降来设计了,这对降低发动机机油消耗量很有利。
另外,还尽量考虑到减少部件数量了,因此在发动机之外,只有一根管子用于导出已净化了的窜气。
该系统包含下述部件: 缸体内的机油粗分离器;机油细分离器,拧在气缸盖罩上;用于导出已净化了的窜气的管子;缸体内的机油回流管(带有位于油底壳蜂窝式件内的止回阀)。
曲轴箱通风装置部件如图2⁃9所示。
机油粗分离器是缸体的组成部分,其功能是让窜气气流在一个迷宫式结构中改变方向,因此可以分离出一部分机油。分离出的机油经缸体内的回流通道流回油底壳,该通道的末端在机油油面以下。
图2⁃8 平衡轴机构部件
图2⁃9 曲轴箱通风装置部件
经过粗分离后的窜气从缸体内经缸盖内的一个通道被引入机油细分离器模块。窜气先在旋流式分离器中进行净化,旋流式分离器所分离出的机油通过缸体内的一个独立通道流回油底壳,该通道的末端在机油油面以下。机油分离器内部连接如图2⁃10所示。止回阀的作用是在压力比不利的情况下,防止机油被从油底壳中抽出。在以运动风格来驾车行驶时(急加速),机油回流口可能会露出,因为油底壳内的机油被晃到一边去了。即使这样,止回阀也会封住机油回流通道,该阀是个惯性阀。
图2⁃10 机油分离器内部连接
净化后的窜气流经单级燃烧压力调节阀,该阀与外界空气存在着-10kPa的压差。在何处引入窜气,是由空气供给系统的压力比决定的。
在经过机油细分离器和压力调节阀后,被净化了的窜气就被送去燃烧了。这个气体控制是通过自动止回阀(集成在机油细分离器模块内)来自动进行的。
发动机停机时,止回阀回到其初始位置,这时朝废气涡轮增压器方向的止回阀是打开着的,朝进气歧管方向的止回阀是关闭着的。
全负荷工况(增压模式):这时在整个增压空气路径上都产生了过压,于是止回阀1就关闭了,由于曲轴箱内压与涡轮增压器的吸气侧存在着压差,因此止回阀2就打开了,被净化了的窜气由压气机吸入。原理示意如图2⁃11所示。
图2⁃11 增压模式
怠速和较低的部分负荷工况(自然吸气模式):在自然吸气模式,由于进气歧管内有真空,所以止回阀1是打开着的,而止回阀2是关闭着的,被净化了的窜气直接经进气歧管被送去燃烧了。原理示意如图2⁃12所示。
图2⁃12 自然吸气模式
曲轴箱通风装置(PCV阀)与机油细分离器和压力调节阀合成在一个模块中,安装在气缸盖罩上。
曲轴箱通风是通过连接在涡轮前方的通风管和PCV阀内的一个计量孔来实现的,如图2⁃13所示。该通风系统是这样设计的:只在自然吸气模式时才进行通风。
图2⁃13 曲轴箱通风装置
2.1.1.6 润滑系统
压力机油回路的重点改进如下:优化了机油供给系统的压力机油通道,在容积增大的同时又减小了压力损失;降低了压力机油段的压力损失;扩大了较低压力时的转速范围;较低压力时机油压力下降;可控式活塞冷却喷嘴。
总而言之,这些措施明显降低了发动机的内部摩擦。燃油消耗量也因此得以降低。润滑系统部件分布如图2⁃14所示。
图2⁃14 润滑系统部件分布
发动机机油泵的改动主要有:压力级改变了;效率提高了;液压控制方面有变化。该机油泵的基本功能与第二代发动机用的泵是一样的,但是有如下变化:泵内的液压调节又经过进一步开发,因此对该泵的控制更精确了;该泵的传动比有所变化,现在泵运行得更慢了,i=0.96。
机油泵部件分解如图2⁃15所示。
图2⁃15 机油泵部件分解
活塞顶并不是在任何工况下都需要冷却的。有针对性地关闭活塞冷却喷嘴,可进一步降低燃油消耗。取消了弹簧加载的活塞冷却喷嘴另一个原因是:总体机油压力级是很小的。
可控式活塞冷却喷嘴系统包含了下述元件(参见图2⁃16):缸体内额外加的压力机油通道;无弹簧阀的新式活塞冷却喷嘴[喷嘴有两种不同的内径(1.8L TFSI发动机的是较小直径的喷嘴)];机油压力开关(3挡)F447(在0.03~0.06MPa时关闭);活塞冷却喷嘴控制阀N522;机械切换阀。
活塞冷却喷嘴控制阀N522由发动机控制单元来通电,也就是通过87号接线柱来获得供电。通过发动机控制单元来实现接地,于是电路也就闭合了。
这时,N522就打开了机械切换阀的控制通道。压力机油从两面加载到机械切换阀的控制活塞上。弹簧推动机械切换阀,这样就关闭了去往活塞冷却喷嘴机油通道的管路。
图2⁃16 活塞冷却喷嘴控制阀通电控制
随后是接通活塞冷却喷嘴,这时N522被断了电。于是通向机械切换阀的控制通道就被关闭了。压力机油这时只在单面加载到机械切换阀的控制活塞上,于是活塞发生移动,这样就打开了去往活塞冷却喷嘴机油通道的管路。切换阀内的弹簧在机油压力超过0.09MPa时会关闭去往活塞冷却喷嘴机油通道的开口。为了能在活塞冷却喷嘴控制阀N522断电后,使切换阀立即回到其初始位置,必须将控制活塞中的机油快速排除。为此准备了一个单独通道,该通道可使机油呈无压力状态泄入发动机的油底壳中。该单独通道也就是在更换机油滤清器时机油的排放通道。活塞冷却喷嘴控制阀断电控制如图2⁃17所示。
图2⁃17 活塞冷却喷嘴控制阀断电控制
在活塞冷却喷嘴已接通时,机油压力开关(3挡)F447内的触点就接合了。该开关位于活塞冷却喷嘴机油通道的末端。通过这个机油压力开关,可以侦测到下述故障:活塞冷却喷嘴上无机油压力(尽管要求有压力);机油压力开关损坏;尽管冷却喷嘴已切断,但是仍有机油压力。
活塞冷却喷嘴控制阀可以侦测到下述故障:导线断路,活塞冷却喷嘴一直开着;对地短路,活塞冷却停止了;对正极短路,活塞冷却一直在进行着。
活塞冷却喷嘴不工作,会引起下述应急反应:发动机控制单元会限制转矩和转速;可调机油泵无较低压力级;组合仪表上出现提示,转速被限制到4000r/min,出现一声“嘟嘟”响,EPC灯亮起。
2.1.1.7 冷却系统
以1.8L TFSI纵置发动机、手动变速器且无驻车加热装置为例来进行说明。
创新温度管理的两个最重要部件是集成在缸盖内的排气歧管和发动机温度调节执行元件N493。创新温度管理模块与水泵一起安装在发动机较冷的一侧。冷却系统组成部件如图2⁃18所示。
图2⁃18 冷却系统组成部件
旋转滑阀和水泵部件位置如图2⁃19所示。
图2⁃19 旋转滑阀与水泵部件位置
发动机温度调节执行元件N493在1.8L和2.0L发动机上,无论纵置和横置都是一样的。采用两个机械连接的旋转滑阀来调节冷却液液流。
旋转滑阀角度位置的调节是按照发动机控制单元内的各种特性曲线来进行的。
通过旋转滑阀的相应位置,就可实现不同的切换状态。因此,就可让发动机快速预热,也就使摩擦变小了(因此燃油消耗就小了)。另外,可让发动机温度在85~107℃之间变动。旋转滑阀部件分解如图2⁃20所示。
一个直流电机驱动旋转滑阀转动,该电机由发动机控制单元通过PWM信号(12V)来操控,操控频率为1000Hz。这里的操控信号是个数字信号,从性质上讲像CAN总线信号。
这个操控过程一直持续进行着,直至到达发动机控制单元给出的位置。正的操控信号(诊断仪上的测量值)表示旋转滑阀在向打开的方向转动。
电机通过一个很结实的蜗轮蜗杆传动装置来驱动旋转滑阀1,这样就能控制机油冷却器、缸盖以及主散热器中的冷却液液流了(变速器机油冷却器、废气涡轮增压器和暖风回流管不进行调节。)
旋转滑阀2是通过一个滚销齿联动机构与旋转滑阀1相连的。该联动机构的结构是这样的:旋转滑阀2在特定角度位置会与旋转滑阀1连上和脱开。旋转滑阀2的旋转运动(打开流经缸体的冷却液液流)在旋转滑阀1转角约为145°时开始。在旋转滑阀1转角约为85°再次脱开。此时旋转滑阀2达到了其最大转动位置,缸体内的冷却液循环管路就完全打开了。旋转滑阀内部结构如图2⁃21所示。
旋转滑阀的运动,会受到机械止点限制。
发动机越热,旋转滑阀的转动量也就越大,这样的话不同的横断面也就有不同的流量了。
为了能准确识别旋转滑阀的位置以及功能故障,在旋转滑阀的控制电路板上装了一个旋转角度传感器,该传感器将数字电压信号发送给发动机控制单元。
旋转滑阀1的位置可用诊断仪在测量值中读出。
图2⁃20 旋转滑阀部件分解
1—发动机温度调节执行元件N493的驱动机构和传感器;2—去往散热器的供液管接头;3—去往发动机机油冷却器的接头;4—中间齿轮;5—旋转滑阀2;6—旋转滑阀1的轴;7—旋转滑阀壳体;8—膨胀式节温器(安全式节温器);9—密封组件;10—来自散热器的回流管接头;11—旋转滑阀1
图2⁃21 旋转滑阀内部结构
2.1.1.8 进气增压系统
发动机进气增压系统组成部件如图2⁃22、图2⁃23所示。
图2⁃22 横置发动机进气增压部件分布
图2⁃23 纵置发动机进气增压部件分布
由于增压压力较高,所以对集成的进气歧管翻板系统进行了改造。利用弯曲的单体式不锈钢轴,可以为进气道内的凹形翻板提供最大的抗扭性。通过进气歧管翻板电位计(非接触式转角传感器)来识别翻板位置。
凹形翻板在打开状态时是绷紧在基体上的,这样就可以将气流的冲动降至最小。该轴由发动机控制单元借助真空单元(双位控制)经进气歧管翻板阀N316来以电控气动方式操控。进气增压系统部件如图2⁃24所示。
图2⁃24 进气增压系统部件
增压系统使用的是全新开发的单进气口式废气涡轮增压器。这样可以改善全负荷特性(尤其是在较高转速区域时)。气缸盖上废气出口采用双流式通道布置,在废气涡轮增压器中一直延伸到紧靠涡轮的前面。这样总体上可以实现尽可能好的点火顺序分开(四个分成两个一组)。涡轮增压器内部结构如图2⁃25所示。
这种废气涡轮增压器有如下特点:电控泄放阀调节器(增压压力调节器V465和增压压力调节器的位置传感器G581);λ传感器在涡轮前面(λ传感器G39);小巧的铸钢涡轮壳体,带有双流式入口,直接用法兰固定在缸盖上;压气机壳体带有一体式的脉动消声器和电控循环空气阀(涡轮增压器循环空气阀N249);抗高温涡轮,最高可承受980℃;壳体带有机油和冷却液通用接口;铣削的压气机转子使转速更稳、噪声更小;涡轮是混流式的,用Inconel713制造。
图2⁃25 涡轮增压器内部结构
大众四缸涡轮增压发动机,首次使用了电控泄放阀调节器。这种技术与以前使用的高压单元相比,有如下优点:响应速度和精度更高;能不依赖当前的增压压力来实施控制;因为卡止力较大,所以即使在发动机转速低至1500r/min时,也能保证发动机输出320N·m的最大力矩;在部分负荷时主动打开泄放阀,可以降低基本增压压力,在MVEG循环中,这可以每公里减少1.2g CO2排放量(也就是省油了);在催化净化器预热时主动打开泄放阀,可使催化净化器前的废气温度增高10℃,这样就使冷启动排放降低了;由于电控泄放阀调节器的调节速度快,在负荷往降低方向变化时(怠速滑行),可以让增压压力立即下降,这对改善涡轮增压器的声响特性尤其有利(排气的啸叫声)。
由于增压压力调节器V465的调节力是较大的,因此压气机壳体的强度加大了,它是用铸铝制成的。除了压气机转子外,还集成有脉动消声器,其组成部件如图2⁃26所示。
图2⁃26 增压压力调节器组成部件
λ传感器(在催化净化器前)安装在最佳位置处,所谓最佳位置指每个气缸的废气在此处流经涡轮壳体前方,但同时温度又不过高。λ传感器是宽频λ传感器。涡轮增压器组成部件如图2⁃27所示。
图2⁃27 涡轮增压器组成部件
2.1.1.9 燃油供给系统
直喷汽油发动机所排出的细微炭烟颗粒,要比当前的柴油发动机最多能高出10倍,在这种情况下大众开发了双喷射系统。该系统可实现下述目标:将系统压力从15MPa提高到20MPa;改善噪声;达到EU6关于颗粒质量和数量的要求(能将炭烟排放降低10倍);降低废气排放(尤其是CO2),使之符合当前和将来的排放要求;适应另加的进气歧管喷射系统要求;降低部分负荷时的燃油消耗(这时使用MPI喷射比较有利)。
燃油喷射系统部件位置如图2⁃28所示。
图2⁃28 燃油喷射系统部件位置
MPI系统通过高压泵的冲洗接口来获得燃油供给,这样的话,在以MPI工况工作时,高压泵就可继续由燃油来冲洗并冷却。为了尽量减小脉动(高压泵会把这个脉动引入到油轨),在高压泵的冲洗接口中集成有一个节流阀。
MPI系统配有自己的压力传感器,就是低压燃油压力传感器G410。按需要的压力供油,由燃油箱内的预供油燃油泵G6来提供。预供油燃油泵G6由燃油泵控制单元J538经发动机控制单元来操控。MPI油轨由塑料制成。
MPI喷油阀(N532~N535)安装在塑料进气歧管中,按最佳射束方向布置。为了应对系统压力高达20MPa这种情况,高压区的所有部件都进行了改进。
于是,喷油阀经钢质弹簧片就与缸盖断开了(指声响方面)。同样,高压油轨与进气歧管也断开了,且与缸盖是用螺栓连接的。高压喷油阀的位置略微向后移了些。
因此,混合气的均匀程度得到了改善,且阀的温度负荷也降低了。
为了使发动机在将来都采用相同的调节方式,这个调节方式也再次改变了。现在的调节方式的基本原则是这样的:在拔下燃油压力调节阀N276的插头时,高压区就不再形成压力(建压)了。