第一部分:模块化的成功
在介绍1.5T EVO发动机前,先回顾一下EA211发动机的技术特点,了解这些背景信息有利于我们理解1.5T EVO的技术变化。
注:图片来自第37届维也纳发动机技术论坛文集
EA211系列发动机是大众集团在2011年推出的平台化小排量发动机产品系列,取代EA111发动机。排量从1.0到1.6L,包括3缸和4缸发动机在内。在一汽大众搭载于MQB平台和PQ25、PQ34、PQ35平台的高尔夫/嘉旅,奥迪A3,奥迪Q3,奥迪Q2,捷达,宝来,速腾,迈腾,探歌,探岳等车型。EA211发动机在一汽大众的投产是在2013年,先后投产了1.6L,1.4L MPI自然吸气发动机和1.4T发动机,全面满足国5排放标准。成为大众和奥迪横置平台紧凑级/A级车的核心动力,以及B级车的入门动力。从2015年开始又先后推出1.5L MPI和1.2T发动机,其中1.5L MPI发动机替代1.4 MPI和1.6 MPI发动机,通过双VVT和变排量机油泵等技术升级进一步优化整车油耗。1.2T则是在1.4T基础上减小排量,有效降低油耗,满足日趋严格的法规及积分要求。
注:图片里的1.2T是EA111系列的,并非EA211。
EA211系列发动机的产品定位为低成本的模块化汽油发动机,它最大的特点是应用了模块化的设计理念,发动机机械结构简单,力求集成化轻量化,零部件数量较少,可靠性高。不同排量的发动机很多零部件是通用的。缸体(缸心距)、缸盖、缸盖罩盖的结构和生产工艺相似,曲轴密封法兰、水泵、正时皮带等零件是直接通用的。所以如果单看发动机外观,几乎很难分辨出1.4T和1.2T发动机,以及1.6MPI和1.5MPI。模块化一方面提高了发动机可制造性,另一方面有利于控制发动机材料成本。
相比上一代EA111发动机,EA211最重要的技术优化:
1.全系使用铝合金缸体替代铸铁缸体,减重22kg,有利于整车减重降油耗;除此之外,铝合金导热性更好,相比铸铁缸体发动机的动力性经济性提升潜力更大;缺点就是铝合金缸体的刚度不如铸铁,需要使用铸铁气缸套,气缸套和铝合金的的变形控制更难。这一点虽然在售后市场很少抱怨,但是在试验测试中困扰了我们一段时间,后来很快通过技术优化得到解决。
2.气缸盖集成排气歧管,降低排气温度,大幅减少了发动机进排气方向的整体尺寸,有利于发动机舱总布置,增加乘员舱空间;拥有EA211发动机大众车的小伙伴对空旷的前机舱应该有深刻的印象吧?
3.集成了双节温器水泵实现缸体缸盖分体冷却,提高暖机速度。通俗说就是发动机起动后缸盖和暖风散热器接通,发动机只烧冷却循环里少量的水,这样加热速度就更快一些。水泵在后续1.5T EVO上还有优化。提升了用户使用的舒适度并且能够降低整车冷起动后的油耗;节温器内部填充石蜡材料,当冷却液达到一定温度时打开。
4.使用了整体集成式的凸轮轴罩盖总成,大众内部称之为IVM。取消了原有的凸轮轴和上下两个罩盖,缩减了发动机的高度,能够适应MQB平台运动化的整车造型,减小整车风阻系数,从而获得更好的燃油经济性。
5.变排量机油泵
EA211 1.4T发动机使用的是2级变排量齿轮机油泵,通过控制泵油齿轮啮合面积调节泵油量。发动机低转速小负荷工况机油泵工作在低压模式,通过减少泵油量减小曲轴的负载,提高发动机有效功输出,提升发动机热效率;高转速大负荷提升机油压力,工作在高压模式,保证发动机摩擦副的润滑油供应以及活塞的冷却。从1.2T和1.5 MPI发动机开始,大众开始批量使用全可变排量的叶片式机油泵,机油供油量通过电磁阀的PWM占空比信号控制,控制方式更加智能灵活,机油按需供应给润滑系统,进一步提升发动机的效率。
6.低惯量涡轮增压器
EA211 1.2T和1.4T发动机使用了低惯量的废气涡轮增压器,发动机在1750-4000转达到最大扭矩。现在看虽然这个转速范围已经不算很宽了,得益于发动机与整车的良好匹配和DSG双离合变速箱的加持,就形成了大众车的特点,单看发动机账面数据一般,实际开起来动力很猛油耗还不高。
7.进气歧管集成式水冷增压中冷器
因为1.4T和1.2T对增压中冷器的需求,大众设计了集成在进气歧管中的水冷式中冷器,结构简单集成化程度高。但因为1.5T发动机使用了VTG涡轮增压器,中冷器结构在1.5T上有所变化。
8.高压供油系统
1.4T和1.2T的供油方式都是缸内侧置直喷,国5阶段最大喷射压力200bar,国六阶段升级到350bar。高压供油系统的核心部件除了喷油器还有高压燃油泵,这个泵是安装在缸盖罩盖总成IVM上的,由进气侧凸轮轴驱动。这种结构会给进气VVT的调节速度和精度带来一些弊端,在1.5T EVO上有针对性的优化。
还有一点不得不提的技术,就是中国的汽车媒体总在纠结的ACT断缸技术。这种断缸的方式类似奥迪使用的AVS可变气门升程技术,通过切换凸轮让2个气缸的气门保持常关状态,切断这两个气缸的喷油,实现只有两缸工作,以便减少发动机油耗。被切断的两个气缸虽然没有了燃烧,但是活塞连杆是一直在运动的,也就是在一直消耗曲轴的动力。同时活塞的往复运动,会把缸壁上的机油和曲轴箱里的机油蒸汽输送到燃烧室中,随着恢复喷油和燃烧,一缕缕蓝烟从排气管喷出,街边的修车小哥没准会拦下你,关切的问一句“哥们,又烧机油了吧?”。而且ACT断缸技术的节油潜力,并不能完全覆盖掉它的缺点。在城市堵车工况频繁的模式切换,交变机械负载作用下,ACT系统零件耐久性会大打折扣,因为机油的反向上窜和燃烧产生的颗粒物排放会显著增加,断缸的2个气缸燃烧室的积碳会比另外2个一直工作的气缸更严重。综合评价,理论很美好,但现实很骨感,断缸技术并不完全适合中国用户。
为什么要花相当一部分篇幅介绍EA211发动机的技术特点呢?因为要理解EA211 EVO的技术变化,首先要了解它的技术基础。EA211的模块化设计理念在十年后的今天看来一点都不过时,并且经过多年实践和改进,这款发动机在全球多个地区都经受住了市场的考验,发展成为了成熟可靠的技术平台。但是毕竟是十年前开发的产品,部分技术指标已经无法满足日趋严格的油耗和排放要求了,尤其在热效率方面,日系两田的汽油发动机热效率已经接近或超过40%,HEV混动发动机热效率更高,日产量产了VC TURBO可变压缩比汽油机。这些新型发动机的电气化程度高,不仅可以直接装在传统汽油车上,还可适用于混动车型HEV和插电式混动车型PHEV。在节能技术和动力总成电气化方面,大众怎么能甘为人后呢。在这样的背景下,EA211 EVO发动机应运而生。
国内媒体对EA211 EVO的报道,一直在强调欧洲1.5T发动机已经批量了好几年,中国区才姗姗来迟。其实,欧洲批量的1.5T和中国区的1.5T是两种不同的发动机。欧洲区投产的机型分为96和110kW两个功率版本,而中国区的1.5T可以称之为EVO2,这款发动机最大功率提升到了118kW,最大扭矩250Nm。与中国市场相同排量的合资或自主竞品发动机相比,1.5T EVO的账面数据并不突出,这也是大众的一贯风格,不盲目追求发动机账面数据,而是通过稳扎稳打,凭借强大的动力总成匹配和整车开发技术达到整车的高性能。
第二部分:EA211集大成者——1.5T EVO
EA211 EVO有哪些技术优化?使用了哪些黑科技?
注:上图为欧洲1.5T应用的技术,其中ACT断缸技术仍然不会应用在国产发动机上
核心变化:米勒循环
关于米勒循环(和阿特金森循环)知乎汽车大佬写过很多文章了,不再展开来说了。简单来说,4冲程发动机只有一个燃烧做功冲程是输出有效功的,其余的进气、压缩和排气冲程都要消耗功。这样,工程师们自然而然的想到增加做功冲程长度,让燃气压力充分推动活塞做功,以此增加发动机的输出,提升效率。
阿特金森循环和米勒循环就是在这样的思路下产生的。最初的想法是通过机械结构真正让膨胀行程变长,现在的米勒循环发动机通过控制进气正时实现进气量的控制,减少进气冲程的泵气损失。人为制造出了一种膨胀冲程大于进气和压缩冲程的效果,从而提高发动机热效率。不论从理论示功图还是实测的示功图上看,米勒循环(阿特金森循环)明显减少了泵气损失。
注:以下图片来自MTZ杂质和维也纳发动机技术论坛文集
通过配气正时实现米勒循环的方式有两种,进气门早关EIVC (Early Intake Valve Close)和进气门晚关LIVC(Late Intake Valve Close)。