2 EA888 GEN 3B 發動機開發揭秘

2.1 介紹

在過去的15年中，內燃機（特別是汽油機）取得了很大的進步。由于二氧化碳排放法規的限制，工程師們在汽油發動機上使用了才有發動機技術的直噴和渦輪增壓。這些技術使得在發動機小型化（排量減少及減少汽缸數量）的同時保持了跟以前大排量發動機一樣的輸出。更高的輸出扭矩使得發動機可以匹配更寬泛的齒比范圍和齒比數的變速箱，得以實現發動機的低速運轉。

為了達到NEDC的排放和油耗法規，發動機在低速低扭矩的時候都會有最好的二氧化碳排放表現，這使得車輛認證時會有很低的油耗表現。當然，在實際使用中，這些車的油耗回更高一點，如圖12左邊。

2017年9月1日起，WLTC開始對所有在歐洲上市的乘用車生效，而從2018年9月1日來說，WLTC將對所有新注冊車輛生效。WLTC使用了更高的平均速度，更激烈的加速和減速，更嚴苛的測試規范，以及使用了更好的設變以提供給消費者更準確的油耗，如圖12中間。

對于歐洲來說，最大的改變是使用了實際駕駛法來測試排放RDE，這項測試需要在實際道路上采集排放物，而不是在試驗室里。由于這個測試沒有固定程序，在路上行駛的時候有很多隨機性，這就需要發動機在全域工作范圍內都能滿足排放法規需求。對于裝配有三元催化的汽油機來說，這個新的排放法規需要發動機一直工作在最佳空燃比。通過注入過量空氣來提高扭矩，和使用加濃混合氣來保護零部件的方法將不能再使用。對于固定排量的發動機來說，如果沒有其他的改進措施，發動機的扭矩和功率將會降低。

基于這個背景，大眾/奧迪在EA888系列發動機的研發中，證明了發動機低速化和小型化能夠顯著改善燃油經濟性。但是，若想進一步的降低油耗，只從排量方面考慮的化，反而會受到技術和成本的制約。大眾/奧迪的研發工程師們另辟途徑，提出了Budack-cycle概念，也就是對現有Miller cycle米勒循環的優化。和傳統的米勒循環相比，新改良的重點在于進氣閥門關閉時間的提前，能夠加快進氣氣流的速度，讓燃料與空氣混合的效率提升，因此有著更好的熱效率表現。另外，對行程進行加長，提高膨脹比，明顯提高了壓縮比，從而降低了油耗。本文從研發角度出發，從理論基礎、燃燒過程的設計進行介紹，并和EA888 GEN3基礎型發動機對比，對其優化點和效果進行說明。

2.2 開發目標

EA888 GEN3B目標為替代EA888 GEN3機型，GEN3B的功率范圍為125~147kW。這款發動機并不是追求性能，而是注重燃油經濟性，滿足嚴苛的排放法規。

EA888 GEN3B的開發之初，對所有的降低燃油耗技術進行了先行研究。但是基于現款小型化的EA888GEN3發動機，在中低負荷熱效率已經達到瓶頸，很難再通過小型化技術提高中高負荷下的油耗。即使是采用多點噴射，分層稀薄燃燒等技術，也無法進一步提高燃油經濟性。

2.3 開發理論設想

首先從P-V圖出發，從發動機的工作過程可以分析出，加長膨脹行程能夠使燃燒的膨脹能量轉換為機械功更為充分，如圖13紅色區域所示，假如使用米勒或者阿特金森循環實的話，膨脹行程的能量更加容易發揮效果，換句話說，壓縮行程短，膨脹行程長能夠有效提高熱效率。

為了將傳統的奧托循環工作模式轉換到膨脹行程大于壓縮行程的工作模式（米勒循環/阿特金森循環），GEN3B EA888在利用傳統的曲柄連桿機構的情況下利用氣門正時實現了加大膨脹行程的效果。通過對氣門正時和壓縮比的標定，能夠在一定程度上實現圖13中所期望的做工過程。

為了研究加大膨脹行程的效果，計算了某真實運行工況點附加的作功面積（Ｗ＝∫pdV），根據膨脹行程加長的百分比和不同的負荷得出，膨脹行程加長得越多，能量轉化的越徹底，并且隨著負荷的增大而明顯。在非常低的負荷下會出現相反的效果，這里有一個臨界點。其原因是在極低負荷下，進氣量過小，膨脹行程后段氣缸內壓力會低于排氣背壓，從而導致做工為負，因此判斷的臨界點在于膨脹終了時氣缸內部的氣壓是否高于排氣背壓。當然，在實際應用中，為了評估是否具有有效的燃油經濟性，還必須考慮膨脹行程加長后發動機所產生的多出部分機械損失。

大眾/奧迪在研究之初對發動機排量進行研究。對于125~147kW功率范圍和250~320Nm扭矩而言，以如今的增壓技術，排量能夠從1.8L降低到1.6L是沒有技術難度的。圖14示出了在某常用工況下膨脹行程加長方案相對于這種小型化方案的油耗優勢。在低負荷時，因機械損失小，有較大的節油潛力，但是也因為渦輪介入容易出現爆震，壓縮比無法進一步提高，在中負荷以下就不再有油耗優勢。以1.6L的發動機為基礎，擴大膨脹行程25%至2.0L排量，得到如圖紅色虛線和實線的數據。進行加權補償，節油潛力就能提高到紅色虛線曲線的水平，若考慮到2.0L發動機實際上具有較高的摩擦損耗與轉動慣量，則節油潛力略有降低，但是與EA888 GEN3 1.8L的基礎版本相比，依然具備一定的優勢。扭矩約從30Nm開始，隨著負荷的增加，與1.6L小型化發動機相比也有明顯的省油趨勢。

發動機小型化能夠將最佳經濟油耗區間提前，但是在高負荷小會惡化，在圖24中，當扭矩高于200Nm后，因爆震導致燃燒惡化，1.6L發動機油耗比1.8L有惡化，通過在膨脹行程加長，其節油效果并非小型化那樣改變經濟油耗區間，而是通過對熱效率的提高實現的，因而也獲得了更好的燃油經濟性。大眾奧迪基于此研究，提出的新的涉及概念：用“合適的尺寸”替代“小型化”（“right-sizing” rather than “down-sizing”）。

如何在不改變發動機結構的情況下，增加膨脹行程呢？大眾/奧迪的工程師使用了改良過的Miller cycle米勒循環模式，由工程師Budack提出，所以叫Budack-cycle，這里的GEN3B的B也就是這個意思。傳統的米勒循環采用進氣門晚關的方式，發動機在壓縮沖程期間，進氣門依舊保持打開狀態，在活塞上行過程中將部分進氣排出，從而使實際壓縮比小于膨脹比，起到加長膨脹行程的作用（豐田、本田、馬自達等都采用該策略）。而B循環反其道而行之，把進氣門關閉的時間提早，在吸氣行程下半段關閉進氣門，充分保證燃料與空氣混合的時間，提高效率。

2.4 燃燒過程

上文主要是從理論推導出燃燒過程重要的基本參數（壓縮比、氣門正時和增壓壓力需求），并且發動機方案是以傳統1.6L發動機為基礎，加長膨脹行程，壓縮比在9.6。就理論上而言，膨脹行程加長的情況下，最大氣缸容積增大，而最小容積則保持不變，因而2.0L發動機的壓縮比ε≈11.7。

通過可變氣門調節的改良米勒循環（B循環）與加大發動機排量相結合加長膨脹行程，在理想狀態下，其在P-V圖上的換氣過程與小型化方案是類似的，也就是說，通過氣門正時控制因排量變化引起的進氣量變化，因而達到相同的絕對壓力所需的進氣量/增壓壓力也應相似。

1.6L發動機的氣缸充填系數相當于2.0L發動機的80％，因此設計時需要讓進氣量達到1.6L的水平。進氣過程設計時涉及進氣門關閉的時刻，包括進氣門早關（FES）和進氣門晚關（SES）。大眾/奧迪經過多方面研究，得出在部分負荷時采用進氣門早關與氣門重疊相結合能獲得最佳的燃油經濟性（B循環）。對于渦輪增壓發動機而言，在全負荷時因為有足夠的渦輪增壓壓力，縮短進氣時間也能夠提高部分燃油經濟性。

在這樣的前提下，并考慮實際硬件能夠保證的強度，判斷150°CA的進氣們開啟時間是最合適的。但是，通過試驗驗證，由于氣缸充填系數和有效壓縮比的限制及與排氣門廢氣掃氣之間的相互影響，使得低速極限扭矩明顯降低。為了在低、中、高負荷都能達到性能與節油目標，將進氣門開啟的時間擴大到170°CA，采用這樣的進氣門開啟時間，能夠將有效壓縮比降低而不會過分地限制進氣量。采取這些措施能夠達到與EA888 GEN3 1.8L發動機同樣的額定功率和最大扭矩，同時，最大扭矩實現的轉速降低了200rpm，改善了動態響應性能。

將進氣時間長度從150°CA加長到170°CA，在小負荷下節流的效果被降低，中低速小負荷的油耗變得一般。因此，GEN3B上應用了一套AVS系統（可變氣門升程），在部分負荷時，氣門開啟時間為140°CA，全負荷時為170°CA。AVS系統的核心在于兩步式進氣凸輪軸設計。具體來講，新設計采用了一款滑動鈍齒，可以實現可變氣門行程：發動機可以在需要最大功率時保持正常進氣門開啟設置，也可以在部分負載條件下，利用凸輪凸角提前關閉進氣門，從而實現更長的膨脹行程。

這種AVS氣門機構能夠在部分負荷范圍內實現140°CA進氣門開啟持續時間，實現進氣門早關的優點，提高熱效率。根據奧迪的實測數據，搭載EA888 GEN3B發動機的奧迪A4轎車在WLTP測試中的實例，在整個WLTP循環中，得益于變速箱合理的換擋策略，發動機可以在140°CA進氣門開啟持續時間內工作，法規油耗得到降低。另外，即使在試驗循環之外，140°CA進氣門開啟持續時間也能發揮作用，直至200km/h車速下仍可使用短進氣凸輪。

為了降低油耗，提高熱效率，除了上文提到的對進氣門的優化之外，還對燃燒速度進行了優化。一般來說滾流比對燃燒速度有決定性的影響，特別是對于進氣門早關（FES）方案這種進氣方式，由于進氣階段結束得早，氣缸內滾流形成的時間較長，而且因進氣門行程減小使得進氣從一開始進入氣缸就阻礙滾流的形成。除此之外，提高壓縮比所需要的活塞結構又使進氣難以維持滾流運動。通過CAE仿真，將上述這些方案效果模擬出來。首先因氣門正時的改變，與其他同等配置相比，進氣量下降約25％，以這個為出發點，通過設計新的進氣道，成功地將滾流系數提高到原先值的50％。另一個必要措施是應用進氣門導氣屏，在小氣門行程時通過對氣體流向進行引導，提高進氣的動能，而活塞頂面形狀的優化又能繼續有助于支持滾流運動。通過上述的優化，綜合效果使滾流比又恢復到EA888 GEN3 2.0L發動機的水平。

EA888 GEN3B實現了高壓縮比，因此對燃燒室的設計突出更高的要求，在持續不斷的迭代優化中，在壓縮比ε＝11.0~12.0的范圍內進行了多次研究，對活塞形狀和氣缸蓋上的燃燒室進行了優化。

首先基于基礎款氣缸蓋進行討論，在考慮到全負荷目標值的情況下壓縮比最高只能在11.2。為了進一步提高壓縮比以提高熱效率，對燃燒室進行了重大的調整，比如通過降低燃燒室頂面高度以及調整火花塞和直噴噴油器的位置，氣缸蓋側的燃燒室容積比EA888 GEN3 2.0L基礎型減小了13％。通過減小氣缸蓋側的燃燒室容積，可進一步優化活塞頂形狀，降低了圓周凸起，而寬敞的燃燒室碗裝結構并無變化，從而總體上能形成1個緊湊平和的燃燒室。通過這些措施，最終將新的燃燒室的壓縮比ε設計成11.7。

2.5 發動機硬件

除了上文介紹的發動機燃燒模型的改進之外，還對發動機附件進行了優化。這些變化的主要目的是進一步降低2.0L發動機曲柄連桿機構的機械損失。與EA888 GEN3 2.0L發動機相比，極限扭矩的下降讓曲軸主軸承的直徑從52mm減小到48mm，并對平衡軸鏈傳動機構的總體布置也進行了優化。

在外形尺寸受限制的情況下，應用細傳動鏈可以減小滑軌的彎度半徑，這也能減小機械損失。并且在EA888GEN3B上首次使用0W20粘度等級的低粘度機油，它能降低發動機中許多摩擦副的機械損失。由于機油粘度較小，對發動機上的某些部件進行了適應性調整，例如優化了活塞環間隙和機油泵的傳動比。

這些措施的綜合效果使平均摩擦壓力比EA888 GEN3 基礎機型降低了8％（在轉速2000rpm和水溫90℃下實側值），如圖16所示。

2.6 降低油耗的措施

通過對上文優化方案的實施，相對于EA888 GEN3 1.8L發動機的燃油經濟性對比如圖17所示，與理論推導相符，EA888 GEN3B的2.0L發動機在燃油經濟性上具有優勢。圖中紅點為實際測量值，紅線為理論推導值，黑線為1.6L小型化發動機的推導值。扭矩270Nm之前，得益于140°CA的進氣打開時間，充分發揮B循環（改良米勒循環）優勢，節油效果與預想相符。當扭矩高于270Nm，無法發揮B循環優勢，進氣門打開時間為170°CA，從而幾乎沒有節油效果。總而言之，采用B循環的EA888 GEN3B發動機，與EA888 GEN3 1.8L基本型相比，在保持了同等性能前提下，顯著的降低了油耗。

通過EA888 GEN3 1.8L和EA888 GEN3B 2.0L發動機的燃油耗特性曲線對比，兩款發動機的最佳燃油耗點分別為231g/（kW·h）和220g/（kW·h），而在235g/（kW·h）等油耗曲線區域的大小更能明顯比較出兩款發動機的優劣，燃油經濟性提高了5%以上。

2.7 總結

在2008年大眾提出EA888發動機后，市場表現一路高歌，憑借著高性能、低油耗的表現，成為了高科技的代名詞，也實現了市場和技術的“彎道超車”。隨著2015年后，以本田豐田為代表的日系廠商也全面渦輪化，大眾第三代EA888以及改進型還能否保持住優勢地位呢？讓我們拭目以待！