1 EA888 GEN3發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)揭秘

1.1介紹

大眾/奧迪直列四缸TFSI發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史可以追溯到2004年，對(duì)久經(jīng)考驗(yàn)的EA113發(fā)動(dòng)機(jī)系列進(jìn)行升級(jí)，以世界首款量產(chǎn)直噴渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)形式出現(xiàn)，是一臺(tái)2.0L的TFSI發(fā)動(dòng)機(jī)。EA888發(fā)動(dòng)機(jī)系列的概念開發(fā)實(shí)際上早在2003年就開始了，目的是取代皮帶傳動(dòng)EA113系列（EA888為鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)）。EA888發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)初期，就定位為一款大眾集團(tuán)（所有品牌和平臺(tái)）和全球應(yīng)用（所有市場(chǎng)）的“全球設(shè)計(jì)”發(fā)動(dòng)機(jī)。繼2007年春季成功推出第1代后、在奧迪上推出了valve lift系統(tǒng)（可變氣門機(jī)構(gòu)）以及優(yōu)化摩擦等眾多措施的第2代，之后在奧迪A4/A5系列上首次搭載進(jìn)一步突破的全新第3代，如圖1所示。

EA888取得了巨大成功，在享有盛譽(yù)的“年度國(guó)際發(fā)動(dòng)機(jī)”和“十大最佳發(fā)動(dòng)機(jī)”評(píng)選中總共贏得了十多次獎(jiǎng)項(xiàng)，下面詳細(xì)介紹這款發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.2發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)

第三代 EA888 L4 TFSI發(fā)動(dòng)機(jī)系列的開發(fā)目標(biāo)如圖2所示：

? 為使用1.8L和2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)的車型開發(fā)模塊化動(dòng)力總成，高通用性

? 減少發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械阻力

? 提高功率、扭矩和燃油效率

? 提高舒適性

? 具備歐6排放標(biāo)準(zhǔn)能力

? 輕量化

對(duì)此，第三代EA888發(fā)動(dòng)機(jī)，極大程度改善了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的機(jī)械阻力。例如，進(jìn)一步減小主軸承直徑；平衡軸集成在凸輪軸上；優(yōu)化了機(jī)油增壓循環(huán)回路（包括控制油泵）。為了改善扭矩特性，采用了Valve Lift系統(tǒng)，并集成了外置排氣凸輪軸調(diào)整器，在1500rpm時(shí)實(shí)現(xiàn)了320N.m的高扭矩輸出。在第3代EA888上，開發(fā)了一套全新的氣缸蓋，首次實(shí)現(xiàn)了廢氣冷卻與渦輪增壓器的集成。這種水冷式集成廢氣冷卻系統(tǒng)大幅度降低高負(fù)荷下的消耗。為了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量流進(jìn)行控制（熱管理），開發(fā)了一種新型的旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)模塊以提供全電子冷卻系統(tǒng)控制。例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)的熱機(jī)階段，它能夠完全阻止冷卻液流入發(fā)動(dòng)機(jī)或設(shè)置最小的流量。在發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)過程中，冷卻液溫度可以根據(jù)負(fù)荷需求和外部條件快速、大范圍地調(diào)節(jié)到不同的溫度范圍。為了符合歐6排放標(biāo)準(zhǔn)，在第3代EA888上首次設(shè)計(jì)了雙燃料噴射系統(tǒng)，包括FSI（Fuel Stratified Injection，燃料分層噴射）和MPI（Multi Port Injection，多點(diǎn)噴射）策略。高自由度的噴射方式選擇意味著可以在較寬的工況范圍內(nèi)顯著減少PM、PN排放，還可以降低油耗。盡管多了部分發(fā)動(dòng)機(jī)附件系統(tǒng)，但第3代EA888系列發(fā)動(dòng)機(jī)的重量還是大大減輕了。其中的關(guān)鍵因素是使用了薄壁發(fā)動(dòng)機(jī)缸體（3mm厚度）、經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)的曲軸、集成式廢氣冷卻、氣缸蓋集成排氣歧管、工程塑料油底殼和鋁制螺栓的應(yīng)用，讓總重量比第二代輕了3.5kg。

下圖3列出了第3代1.8L TFSI發(fā)動(dòng)機(jī)與第2代1.8L TFSI相比的主要尺寸和關(guān)鍵參數(shù)，供大家參考。

1.3發(fā)動(dòng)機(jī)硬件

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)硬件優(yōu)化工作的重點(diǎn)是降低各種損失，同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量。此外，考慮到平臺(tái)化需求，在規(guī)定功率和扭矩范圍內(nèi)（從入門級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)展到最高檔發(fā)動(dòng)機(jī)），執(zhí)行了最大限度的通用化零件策略。

1.3.1發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體

為了進(jìn)一步降低機(jī)體的質(zhì)量和制造公差，將鑄造工藝由傳統(tǒng)的平澆改為立澆。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的壁厚已第2代3.5 mm+/-0.8mm降低至3.0mm+/-0.5mm，并且由于關(guān)鍵組件具有更大的自由度，可以將其他功能集成到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體中，進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。粗油分離器的功能集成到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體鑄件中，因此不再需要螺栓連接粗油分離器和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體法蘭面，降低了重量。通過一系列針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的輕量化設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體減輕了2.4千克的重量。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的舒適性，主軸承蓋已用螺栓固定在油底殼的頂部。

1.3.2曲柄傳動(dòng)和平衡軸

為了減少摩擦，曲柄軸的主軸承直徑已從52mm減小到48mm，配重塊的數(shù)量已從8個(gè)減少到4個(gè)。這使曲軸的重量減輕了1.6千克。活塞采用了一種新型合金，在開發(fā)過程中，擴(kuò)大了活塞間隙，以優(yōu)化摩擦，并基于帶有納米顆粒的耐磨活塞裙涂層控制了活塞磨損。平衡軸采用了滾柱式軸承。詳細(xì)變化可以參照大眾發(fā)動(dòng)機(jī)自學(xué)手冊(cè)。特別是在較低的機(jī)油溫度下，滾柱軸承大大減少了摩擦損失。此外，集成化、精細(xì)化有助于減少20%的質(zhì)量和30%的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，同時(shí)能夠保持相同的動(dòng)態(tài)平衡。

1.3.3 機(jī)油循環(huán)

為了降低機(jī)油泵的功耗，活塞冷卻方式從傳統(tǒng)的彈簧壓力噴嘴改為電動(dòng)可控噴嘴。當(dāng)電流施加到電動(dòng)控制閥時(shí)，控制閥打開一個(gè)流量通道，釋放機(jī)油壓力，從而以一個(gè)低成本的設(shè)計(jì)來控制噴嘴的關(guān)閉。在沒有通電的情況下，機(jī)械控制閥被油壓向上推動(dòng)，機(jī)油噴射至活塞低部端面進(jìn)行冷卻（故障保護(hù)）。兩個(gè)閥都布置在機(jī)油冷卻器和機(jī)油濾清器的正下方，如圖5。新的活塞端面冷卻系統(tǒng)能夠?yàn)檫M(jìn)行按需控制，從而提高熱管理的可控性。機(jī)油系統(tǒng)的OBD診斷也通過機(jī)油壓力傳感器來判斷，詳細(xì)布置如圖5所示。

1.3.4 氣缸蓋

對(duì)于第3代EA888發(fā)動(dòng)機(jī)系列，首次對(duì)渦輪增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了氣缸蓋集成式廢氣冷卻，且防止排氣干涉按照點(diǎn)火順序進(jìn)行了排氣分離。這種水冷式排氣歧管意味著在高負(fù)荷下，幾乎不需要進(jìn)行加濃噴射來控制排氣溫度。因此，無(wú)論是在法規(guī)工況下的油耗測(cè)試中，還是實(shí)際用戶體驗(yàn)中，甚至在激烈駕駛中，實(shí)際油耗都會(huì)大大降低。此外，集成式排氣歧管也有助于暖機(jī)，對(duì)冷卻液加熱，因此這也是熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在集成排氣歧管使得渦輪增壓器模塊更加緊湊，降低了1.5kg重量。

在氣缸蓋的開發(fā)過程中，尤其是在工業(yè)過程和生產(chǎn)可鑄造性方面，在滿足熱動(dòng)力學(xué)和熱機(jī)械優(yōu)化的前提下，對(duì)排氣管和集成式排氣歧管冷卻管的封裝是一個(gè)加工難點(diǎn)，該方案對(duì)氣缸蓋鑄造工藝要求較高，大眾對(duì)模具加工做了創(chuàng)新，使其得以大批量生產(chǎn)。為了滿足第3代EA888發(fā)動(dòng)機(jī)的高熱動(dòng)力需求，可變氣門系統(tǒng)和凸輪軸調(diào)節(jié)器集成在排氣側(cè)，也對(duì)進(jìn)氣管也進(jìn)行了優(yōu)化。為了更有效準(zhǔn)確的控制發(fā)動(dòng)機(jī)加熱，將傳統(tǒng)冷卻液溫度傳感器從發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體改到了氣缸蓋中。

1.3.5 氣缸蓋設(shè)計(jì)

為了模擬集成排氣冷卻系統(tǒng)及其對(duì)氣缸蓋熱機(jī)械性能的影響，在建立了CFD和FEM方法的基礎(chǔ)上，大眾公司也開發(fā)了一系列仿真方法^[2]。首先，采用經(jīng)典的CFD仿真方法對(duì)氣體流暢和冷卻水流場(chǎng)進(jìn)行了基本設(shè)計(jì)，并結(jié)合有限元方法對(duì)氣缸蓋進(jìn)行了熱機(jī)械優(yōu)化。由于在非常有限的空間內(nèi)（涉及極端溫度梯度布局），廢氣和冷卻水流量以及鋁中的熱傳輸之間存在著強(qiáng)烈的熱耦合，因此在本項(xiàng)目中，所有三個(gè)區(qū)域（氣體、水、鋁）也首次在單一仿真模型中進(jìn)行了多維度耦合計(jì)算。結(jié)果表明，該方法也能夠更準(zhǔn)確地模擬組件溫度對(duì)流體溫度和生成的熱流的影響，如圖6所示。

排氣歧管集成式氣缸蓋的研究表明，與靜態(tài)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比，負(fù)荷和轉(zhuǎn)速變化的負(fù)荷循環(huán)也是一個(gè)關(guān)鍵影響因素。在運(yùn)行工況發(fā)生這種變化后，首先將儲(chǔ)存在材料中的大量熱量釋放到冷卻液中，其次，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低導(dǎo)致水泵轉(zhuǎn)速緩慢，冷卻液體積流量和壓力會(huì)比較低，在這種情況下，熱水夾套區(qū)域的局部冷卻液尤其容易沸騰，長(zhǎng)期來看，這可能會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體。

在試驗(yàn)臺(tái)上和通過仿真分析了這種負(fù)載循環(huán)以及高溫快速停機(jī)的極端情況。在最終的集成排氣歧管布置中，從整體的角度來看，在短期內(nèi)沸騰功率方面達(dá)到了與前代發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)乃健?/p>

1.4 熱管理/冷卻系統(tǒng)

整個(gè)冷卻液回路（包括發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部和車輛側(cè)）的設(shè)計(jì)旨在為熱管理服務(wù)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛內(nèi)部（如果有需要的話）快速升溫。熱管理系統(tǒng)的兩個(gè)主要部件是集成式廢氣冷卻系統(tǒng)（如前所述），以及用于實(shí)現(xiàn)全電子冷卻控制的模塊。整個(gè)冷卻回路還配有流量控制閥，用于開啟或停止流經(jīng)散熱器和變速箱熱交換器的流量。

1.4.1全電子冷卻控制

用于全電子冷卻控制和熱管理系統(tǒng)的核心執(zhí)行元件是塑料旋轉(zhuǎn)滑塊，它容納了兩個(gè)機(jī)械耦合的旋轉(zhuǎn)滑塊，用于調(diào)節(jié)冷卻液流量。一個(gè)電機(jī)通過一個(gè)減速器迅速驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑塊1。依次通過燈籠齒輪與旋轉(zhuǎn)滑塊2連接。旋轉(zhuǎn)滑塊1取代了傳統(tǒng)的石蠟式節(jié)溫器，能夠根據(jù)需要在85°C和107°C之間隨意地改變冷卻水溫度。旋轉(zhuǎn)滑塊1還可以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油冷卻器的冷卻液回流。

1.4.2升溫策略

在熱機(jī)過程中，流入發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液最初被旋轉(zhuǎn)滑塊2完全關(guān)閉。所有外部閥門都關(guān)閉，水只在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)，也就是常說的小循環(huán)。當(dāng)現(xiàn)實(shí)中用戶需要進(jìn)行空調(diào)加熱等操作時(shí)，不必利用小循環(huán)內(nèi)部的冷卻液。在這種情況下，設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有輔助水泵的自動(dòng)加熱回路，通過該回路，來自排氣歧管集成式氣缸蓋的廢熱被利用，送入空調(diào)系統(tǒng)傳遞熱量。進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸體（旋轉(zhuǎn)滑塊2）的冷卻液入口保持關(guān)閉狀態(tài)，因此盡可能保持氣缸的快速升溫從而減少摩擦。這套系統(tǒng)可以在滿足客戶的舒適性要求前提下，同時(shí)實(shí)施最佳升溫策略。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)溫度進(jìn)一步升高，旋轉(zhuǎn)滑塊2局部打開，產(chǎn)生部分的冷卻液流量，以確保部件充分冷卻。并且通過對(duì)水的快速加熱減少了熱機(jī)過程中的熱損失。最終，在達(dá)到規(guī)定的水溫后，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油通過旋轉(zhuǎn)滑塊1定向流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油冷卻器，對(duì)機(jī)油進(jìn)行加熱。一旦判定發(fā)動(dòng)機(jī)充分熱機(jī)后，變速箱冷卻器的切換閥再打開，以便用部分熱量對(duì)變速箱油進(jìn)行加熱。在熱機(jī)過程中，一旦冷卻液流經(jīng)主散熱器，則不可避免的會(huì)帶來熱量損失。因此，為了保證熱效率，主散熱器會(huì)在所有相關(guān)零部件充分熱機(jī)的基礎(chǔ)上再發(fā)揮作用。依靠這套集成式廢氣冷卻系統(tǒng)和全電子冷卻液控制系統(tǒng)，可以為這款發(fā)動(dòng)機(jī)提供比上一代更短的熱機(jī)時(shí)間，此外還可以加快空調(diào)加熱的響應(yīng)時(shí)間，如圖7所示。

1.4.3溫度控制

此熱管理系統(tǒng)可以在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)荷區(qū)間對(duì)冷卻液溫度進(jìn)行優(yōu)化，從而最大限度地降低摩擦損失并提高熱效率。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷較低時(shí)，冷卻液調(diào)節(jié)至107°C，以將發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油回路阻力降到最低。隨著負(fù)荷和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，冷卻液溫度降低到85°C。平衡機(jī)油阻力損失和最佳點(diǎn)火提前角效率（以及爆震控制）之間實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，從而確保發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的最佳化。旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)模塊的高響應(yīng)速度和熱管理系統(tǒng)的高可控性使冷卻液溫度能夠迅速降低，以便在高負(fù)荷下保證可靠性。

這套熱管理系統(tǒng)還有一個(gè)特殊的功能，就是在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)也能工作。通過對(duì)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)模塊的協(xié)同控制，讓冷卻液以一個(gè)設(shè)定的流量持續(xù)通過冷卻液沸騰敏感的氣缸蓋和渦輪增壓器，從而使存儲(chǔ)在這些部件中的熱量快速排出，解決了傳統(tǒng)渦輪增壓器壽命短的問題。

在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體的部分位置，沒有設(shè)計(jì)冷卻回路，以免對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行過冷卻。通過該設(shè)計(jì)，顯著減少了熱機(jī)時(shí)間。總的來說，這套熱管理系統(tǒng)，在NEDC中節(jié)約了2.5 g CO2/km，在實(shí)際駕駛模式下也大大節(jié)約了行駛成本。另外，空調(diào)的快速制熱設(shè)計(jì)，也提高了舒適性。

1.5 雙噴射系統(tǒng)

在第3代EA888上使用一套雙噴射系統(tǒng)。直噴系統(tǒng)中，高壓噴射的最大壓力從150bar（15MPa）提高到200bar（20MPa）、從性能和成本進(jìn)行了優(yōu)化。為了滿足歐6排放標(biāo)準(zhǔn)中顆粒物（PM/PN）限制，并進(jìn)一步開發(fā)省油的潛力，還采用了一套歧管噴射系統(tǒng)。

對(duì)歧管噴射噴油嘴（MPI）的回路進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保歧管噴射噴油器工作時(shí)有部分汽油流量流經(jīng)高壓燃油泵（High-pressure pump），以確保歧管噴射噴油嘴在工作期間對(duì)高壓燃油泵（HPP，High-pressure pump）的冷卻。在低壓回路中還設(shè)計(jì)了一個(gè)節(jié)流閥，盡可能的讓低壓噴嘴不受到高壓燃油泵油壓脈沖影響。燃油通過工程塑料制成的低壓油軌供給歧管噴射系統(tǒng)。油軌集成了低壓傳感器（LP sensor），根據(jù)低壓壓力來決定噴射時(shí)間，調(diào)節(jié)噴油量。在進(jìn)氣歧管中，有一個(gè)VTS機(jī)構(gòu)（可變滾流系統(tǒng)），通過控制進(jìn)氣歧管碟形導(dǎo)流片的開閉，可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的充氣要求。如發(fā)動(dòng)機(jī)在低速工況時(shí)，通過進(jìn)氣歧管碟形導(dǎo)流片關(guān)閉下進(jìn)氣通道，可以減少氣流通過的橫截面，來增加氣流流速，結(jié)合活塞頂?shù)奶厥庠O(shè)計(jì)，有效形成強(qiáng)烈的進(jìn)氣渦流（滾流），有利于混合氣的形成與霧化。同樣地，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入高速工況采用均質(zhì)混合氣模式時(shí)，進(jìn)氣歧管碟形導(dǎo)流片開啟下進(jìn)氣通道，增大氣流通過的橫截面，以獲得更多進(jìn)氣，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。配合著低壓噴射系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)不同的噴射策略。據(jù)我所示，這套系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)比較少。

高壓燃油泵和缸內(nèi)直噴噴嘴（HPI，High-pressure injector）的工作壓力為200bar。發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷工況下，通過低壓噴射系統(tǒng)噴油，在大負(fù)載和啟動(dòng)時(shí)，采用高壓噴射系統(tǒng)。缸內(nèi)直噴噴嘴的燃油是通過高壓油軌提供的，高壓油軌與進(jìn)氣歧管分離，直接用螺栓固定在氣缸蓋上。該系統(tǒng)有一個(gè)高壓壓力傳感器，根據(jù)不同的工況，其壓力范圍可以調(diào)整，以達(dá)到性能與節(jié)能的協(xié)調(diào)。

雙噴射系統(tǒng)為發(fā)動(dòng)機(jī)噴射策略提供了很高的自由度。除了單次、兩次和三次高壓直噴外，還可以在發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷范圍內(nèi)用歧管噴射進(jìn)行混合氣成型。從而一方面進(jìn)一步提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，另一方面也顯著降低了顆粒物排放。這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠滿足的歐6標(biāo)準(zhǔn)。通過采用了如下各種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射策略進(jìn)行標(biāo)定：

1熱效率提高、爆震抑制

2尾氣排放降低、PM/PN降低

3濕壁效應(yīng)改善、燃油稀釋緩解

4運(yùn)行順滑

1.5.1噴射策略

在極低溫度下冷啟動(dòng)和暖機(jī)期間較大負(fù)荷下，使用三次缸內(nèi)直噴策略。這可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量最小，排放量最小（尤其使HC排放和PM排放）。在低溫/常溫發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和催化轉(zhuǎn)化器熱機(jī)階段，采用兩次直噴噴射策略進(jìn)行混合氣的形成。在這種情況下，最優(yōu)先的目標(biāo)是保證平穩(wěn)運(yùn)行、確保燃油噴射量穩(wěn)定和排放量最小的情況下的魯棒性。兩次直噴策略也在中高負(fù)荷下運(yùn)行。此噴射策略可確保在相應(yīng)的映射范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳的抗爆特性、微粒排放和廢氣排放。

由于渦輪增壓壓力較高，對(duì)進(jìn)氣歧管中的VTS機(jī)構(gòu)（可變滾流系統(tǒng)）進(jìn)行了優(yōu)化。曲柄一體式剛性軸保證了進(jìn)氣道中碟形導(dǎo)流片的扭轉(zhuǎn)剛度。通過非接觸式旋轉(zhuǎn)角度傳感器檢測(cè)導(dǎo)流片的角度信息。當(dāng)打開時(shí)，碟形導(dǎo)流片被固定在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體中，以使氣流的激振最小化，降低噪音。剛性軸由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元進(jìn)行控制，現(xiàn)實(shí)導(dǎo)流片的旋轉(zhuǎn)。

1.5.2燃燒過程

對(duì)于第3代EA888發(fā)動(dòng)機(jī)，在充分驗(yàn)證TFSI燃燒過程的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了多方面優(yōu)化。一方面在保證平均燃燒壓力達(dá)到22bar的基礎(chǔ)上改善了爆震早燃的魯棒性，另一方面也依靠集成式氣缸蓋改善了燃燒穩(wěn)定性。

由于采用了集成式廢氣冷卻的氣缸蓋，標(biāo)準(zhǔn)燃燒過程中的能量轉(zhuǎn)換時(shí)間U05（燃燒5%）-U50（燃燒50%）增加了1至2°CA。從而使部分負(fù)荷尤其是3000rpm時(shí)的燃燒有效壓力變得較差，由于進(jìn)氣道的重新設(shè)計(jì)（滾流增加），補(bǔ)償這種變差影響，并在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)更高的燃油經(jīng)濟(jì)性。由于高壓噴油嘴的優(yōu)化、提高了油氣混合的均勻度，同時(shí)也降低高壓噴油嘴上的溫度負(fù)荷（一般直噴發(fā)動(dòng)機(jī)要依靠汽油對(duì)高壓噴油嘴進(jìn)行冷卻，單純的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)沒有該問題。雙噴射系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)由于直噴系統(tǒng)并不是一直工作，存在溫度負(fù)荷過高的情況，因此在設(shè)計(jì)和標(biāo)定中要考慮該風(fēng)險(xiǎn)）。

為了協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，第3代EA888發(fā)動(dòng)機(jī)采用了可變氣門技術(shù)，并首次將其與排氣裝置上的凸輪軸調(diào)整器相結(jié)合，從而給氣流控制提供最大的自由度。通過對(duì)排氣凸輪軸正時(shí)的調(diào)整，可以滿足全負(fù)荷和部分負(fù)荷下各種控制策略的需求，排氣門關(guān)閉時(shí)刻在TDC后的-2CA°到6CA°之間調(diào)整。通過這種方式，一方面可以在全負(fù)荷下具有出色的動(dòng)力響應(yīng)性和優(yōu)秀的燃油經(jīng)濟(jì)性（全負(fù)荷下燃油消耗率<250 g/kWh），另一方面可以利用燃燒過程的內(nèi)部廢氣再循環(huán)，在部分負(fù)荷下具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。如圖9所示，在某全負(fù)荷工況下，排氣門關(guān)閉時(shí)刻在6CA°，可以實(shí)現(xiàn)低油耗和高響應(yīng)。

如圖10所示，由于采用了如上所述的集成式廢氣冷卻，因此可以在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)空燃比λ=1。發(fā)動(dòng)機(jī)圖中的最佳經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)為230g/kWh，但更重要的是發(fā)動(dòng)機(jī)高效區(qū)間范圍非常寬，在常用范圍內(nèi)的耗油量低于250g/kWh，即使用戶的駕駛方式比較激烈，也能保證良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

1.6 渦輪增壓

1.6.1 渦輪增壓硬件

在第三代EA888上面設(shè)計(jì)了一套全新的單渦輪增壓器。該增壓器通過對(duì)轉(zhuǎn)子總成、殼體、氣道的優(yōu)化，提高了低速扭矩和最大功率。該渦輪增壓器的特點(diǎn)如下：

電動(dòng)廢氣閥（Electric waste gate adjuster）

渦輪前置氧傳感器（Oxygen sensor upstream of turbine）

雙通道緊湊型鑄鋼渦輪殼體

集成脈沖消音器（Integrate pulsation sound absorber）

電子廢氣旁路閥（Electric overrun bypass valve）

鉻鎳鐵合金渦輪轉(zhuǎn)子（工作溫度980°C）

考慮到流場(chǎng)布局，將氧傳感器布置在渦輪殼體前端，同時(shí)，廢氣溫度達(dá)到980°C，渦輪殼體由某特殊鑄鋼制成，該材料這可確保在整個(gè)生命周期內(nèi)足夠的可靠性。因此4氣缸點(diǎn)火順序的原因，采用了雙通道進(jìn)氣模式。由于集成式廢氣冷卻系統(tǒng)的存在，且采用了鎳鐵合金材料，渦輪殼體的總質(zhì)量減少了約40%。另外從通用化設(shè)計(jì)考慮，使用標(biāo)準(zhǔn)螺栓固定在氣缸蓋上。在渦輪常用的高溫工況下，首次采用了鉻鎳鐵合金713C（鎳基合金）來代替MAR材料，生產(chǎn)渦輪。為了保證可靠性，通過CAE對(duì)轉(zhuǎn)子的蠕變特性進(jìn)行了多輪分析驗(yàn)證。

增壓器外殼采用了壓鑄鋁成型工藝，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，集成在殼體上有脈沖式消音器，電子廢氣旁路閥和曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的氣體管路。由于采用了電動(dòng)廢氣旁通閥，驅(qū)動(dòng)力得以加強(qiáng)，增壓器殼體結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了強(qiáng)化。增壓器轉(zhuǎn)子是通過研磨加工成型，因此具有更高的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，保證了良好的NVH性能。

在響應(yīng)上，新設(shè)計(jì)的廢氣旁通閥執(zhí)行器比傳統(tǒng)的增壓執(zhí)行器更為精確。它可以獨(dú)立于增壓壓力，能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)控制，相比傳統(tǒng)的增壓執(zhí)行器有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1由于較大的關(guān)閉力，可以在1400rpm的低轉(zhuǎn)速區(qū)域，讓發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩達(dá)到320N/m。

2在部分負(fù)載情況下，隨著廢氣旁通閥的主動(dòng)打開，降低增壓壓力。使得在NEDC循環(huán)中節(jié)省約1.2gCO2/km，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。

3催化器加熱過程中廢氣門的主動(dòng)打開，提高熱響應(yīng)速度，讓催化器前的廢氣溫度升高10°C，從而讓催化劑迅速起燃，降低冷起動(dòng)排放。

4由于電動(dòng)廢氣閥執(zhí)行器的高響應(yīng)性，在負(fù)荷變化的工況下可以及時(shí)降低增壓壓力，這對(duì)渦輪增壓器的聲學(xué)性能（哮喘、顫動(dòng)）有很大的積極作用。同時(shí)，由于增壓壓力的快速跟隨性，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)也得到了改善。

第三代EA888首次將氧傳感器置于渦輪增壓器渦輪之前，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后盡早的執(zhí)行空燃比調(diào)節(jié)以及實(shí)現(xiàn)良好的氣缸識(shí)別功能。在確定氧傳感器布置時(shí)，需要重點(diǎn)考慮常用負(fù)載下流場(chǎng)的均一性。

1.6.2 CAE對(duì)渦輪優(yōu)化

第三代EA888在開發(fā)中，在渦輪側(cè)和增壓器側(cè)都進(jìn)行了全方位的CAE優(yōu)化。在渦輪側(cè)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)（包括氣缸蓋中的集成廢氣冷卻氣管）、渦輪殼體（包括轉(zhuǎn)子）、廢氣旁通閥、渦輪前氧傳感器和排氣系統(tǒng)）進(jìn)行了CFD模擬，直到氣體進(jìn)入三元催化器載體截面之后。其目的是優(yōu)化集成式廢氣冷卻回路與渦輪進(jìn)口、至氧傳感器的氣流、和進(jìn)行廢氣旁通閥布局的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)均一、穩(wěn)定、有序的氣體流動(dòng)。在增壓器側(cè)，CFD模型包括進(jìn)氣、增壓器包括所有氣體入口域（例如來自曲軸箱通風(fēng)的入口域）、旁通閥和增壓回路，其目的首先是保證增壓器性能的情況下，查看氣流流向，從而找到各氣體入口域的最佳位置布局。通過案例，得出CAE分析在研究氣體壓力損失和增壓器效率方面的具有巨大潛力。

結(jié)合CAE分析，顯著提高了渦輪的熱力學(xué)性能和耐久性。根據(jù)計(jì)算出的溫度圖和螺栓擰緊力等附加力云圖，確定了部件的載荷，并在早期的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)過流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的CAE分析，對(duì)氧傳感器的氣體流量、溫度分布和負(fù)載進(jìn)行了詳細(xì)的模擬。一方面，進(jìn)行了廣泛的瞬態(tài)CFD模擬，以檢查零件在極限負(fù)荷（右）下的功能性；另一方面，對(duì)嵌入渦輪殼體中的氧傳感器進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，進(jìn)行材料的最佳材料配對(duì)和最佳輸入來確保零件的耐久性。決定布局位置（右）。

1.7 性能和燃油消耗

在第三代EA888的開發(fā)中，對(duì)渦輪增壓器零部件、安裝布局進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在流場(chǎng)、熱力場(chǎng)等方面進(jìn)行優(yōu)化，最終反映在發(fā)動(dòng)機(jī)性能上。新的1.8L TFSI在1400rpm時(shí)就能夠達(dá)到了320N/m的最大扭矩，在3800rpm到6200rpm之間有125kW的寬泛性能輸出范圍，如圖11左邊所示，且其極限功率有進(jìn)一步提高的潛力。此外，與上一代發(fā)動(dòng)機(jī)相比，盡管從0提高到最大扭矩所要建立的渦輪壓力變大了，但是得益于高響應(yīng)性，減少了達(dá)到最大扭矩所需的事件，這保證了發(fā)動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和卓越的加速性能。

大眾（奧迪）使用一套名為性能感官指數(shù)（PFI）來評(píng)估車輛的性能和駕駛響應(yīng)性。它是衡量汽車加速能力的一個(gè)指標(biāo)，通常與燃油消耗率一起評(píng)價(jià)。第三代1.8 l EA888發(fā)動(dòng)機(jī)（125 kw/320 Nm）的額定性能與之前的第二代1.8 l發(fā)動(dòng)機(jī)（118 kw/250 Nm）相比，提高明顯。相比第二代EA888 1.8L發(fā)動(dòng)機(jī)，性能提升了12%，燃油消耗率降低了22%。即使與第二代2.0LEA888發(fā)動(dòng)機(jī)相比（132kW/320N/m），同樣性能的前提下，燃油消耗率仍有明顯的的降低（14%）。

1.8 排放對(duì)策

通過對(duì)FSI系統(tǒng)的噴射壓力的提高（150bar增加到200bar）、缸內(nèi)直噴噴油器的布局優(yōu)化，改善了混合氣形成，對(duì)排氣道進(jìn)行緊湊化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)最小表面積，通過對(duì)氧傳感器前置，提高氧傳感器響應(yīng)性，從而達(dá)到歐6排放。此外，三元催化器的結(jié)構(gòu)為一款新設(shè)計(jì)的薄壁陶瓷體，400cpsi，壁厚為3.5 mil，以及新開發(fā)的JM835貴金屬涂層。由于采用了薄壁載體，排氣背壓顯著降低，同時(shí)可以適當(dāng)提前點(diǎn)火角。由于在部分負(fù)荷下打開廢氣旁通閥，渦輪的旁路也可確保在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，尾氣熱能可用于加熱催化器。

基于雙噴射系統(tǒng)，點(diǎn)火和可變氣門的應(yīng)用，可以采用多種策略實(shí)現(xiàn)HC、CO、NOx和PM的平衡。在啟動(dòng)模式下，三次FSI噴射在壓縮階段進(jìn)行。在暖機(jī)工況下，采用壓縮階段進(jìn)行FSI雙噴射并適度延遲點(diǎn)火來實(shí)現(xiàn)預(yù)熱。預(yù)熱后，MPI噴射系統(tǒng)在非爆震限制中發(fā)揮作用。

為了進(jìn)一步減少二氧化碳排放，除上述策略外，還采用了自動(dòng)啟停系統(tǒng)等。這些措施確保搭載該發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛符合歐6排放法規(guī)。