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大众最新EA211发动机中文网络详尽解读

来源:驾仕派  时间:2019-06-17 09:45  编辑:王猛  

    背景:EA211evo时代的MQB

    似乎MQB平台已经把舞台中央的位置让给了大趋势MEB,“能源路径、减碳需求、拆油门”使得有些后知后觉的大众彻底觉醒,德味十足的“das Auto”早就变成了国际范儿的“just electric”,虽然后者看起来和前者一样偏执自负。无论如何2016年巴黎车展亮相的ID.概念车在三年后已经快速发展成为4款车型序列,一周前首款车型ID3已经在德国开始了预售,大众是不是真的有“das Auto”说得那么好不知道,但是“just electric”这条路看来是要走到黑了。

    以至于高尔夫都变得不那么重要了。

从设计都有些英雄迟暮的感觉

    似乎只有在大众财务那里高尔夫依然还是重要的。毕竟它肩负了一家巨型企业转型电动车的巨大开支,没有钱,监事长想要的都只能是想要的。所以大众工程师必须要有保证成功的技术策略,还要尽量减少成本为大趋势让步,其主要的策略包括:

    提高内燃机自身的热效率;

    动力系统电气化;

    提高传动系统的效率。

    第一步,更新2011年面世的动力系统基石——EA211发动机,推出新一代产品EA211evo。evo机型的升级切换过程分为两个阶段:第一步现有产品切换evo基础机型,应对欧盟6c/6d排放法规;第二步未来产品直接搭配48伏mHEV机型,应对三年后的欧盟7排放法规。至于提高传动系统效率,目前DQ200系列后续机型DQ210还是“一片云”,现有的DQ400看似还能支撑一段时间,假以时日DQ381系列驳接P2位置电机或者用DQ200系列搭配P4位置电机也绝无问题——开发一台10前速DSG还不如开发一台效率更高的电机。

    还有一个不能忽略的策略是把天然气车TGI的销量搞上去。不管你喜欢不喜欢,CNG作为燃料拥有天然的低碳光环。

    EA211evo机型的国产化目前在推进过程中。已经投产的是1.5升自然进气MPI机型,配置相对简单;增压机型进度靠后,但可能不会出现太多针对国产化的变化,所以我们以现有的欧洲EA211evo基础机型为例介绍下这台基石机型。

    模块化

    EA211evo机型的动力指标与之前的EA211系列差异不大,按照功率分为高(110kW)低(96kW)两种版本。机械结构设计依然是模块化思路,两台机型的基础设计相同,只在配置、工艺以及后装组件稍有不同,以形成差异。EA211evo也会是大众集团拓展种类最为丰富的全球机型,“扔掉”一个缸的1.0升三缸机取代短冲程的1.2升四缸机,适应48V mHEV(可能也包括12V mHEV)、天然气、生物燃料,还要有供应GTE车型的高压PHEV机型(润滑、冷却系的额外要求)。

    两代产品几个机型的部分信息对比如下:

    EA211evo的缸体尺寸与EA211相似,缸径与缸间距不变,因此对于机舱布置不存在过多新要求。不同的是evo机型冲程变长,曲轴以及轴承、下缸体发生了变化;配合燃烧过程、整机润滑和冷却系的优化,缸盖发生了较大变化;后装零件比如水泵、涡轮、发电机之类零件也有不同程度的设计变更。

    机舱内可见区域的结构由于进气管路的不同设计形成差别,EA211 1.4TSI机型标志性的进气道共振腔消失。进气通路的尺寸以及中冷器的尺寸、位置在evo机型上发生了变化。中冷器被放置在节气门前而非之后,所以拥有更大的体积,冷却能力更强,进气温度更低,燃烧效率更高。

    EA211为代表的小排量增压机型可以说是NEFZ循环的产物,但是在WLTP循环较高的负载、频繁而且强烈的负载变化面前节油趋势已经不再明显,反而会在低速扭矩需求这一舒适性指标出现限制。因此才有“Rightsizing”一说,一方面降低发动机的转速,拉长传动系的传动比范围,依靠变速器将发动机的工况推向低速、高负荷,进而实现更为宽广的经济工况区域。另一方面则是依靠可变燃烧过程设计推动拓展发动机的工况特性,比如气门正时、升程调节、可变进气歧管长度、可变截面的涡轮增压器这类装置,覆盖高负载需求。

    当然也要考虑传统的机械摩擦问题,比如两种机型的活塞销座材质均采用了diamond-like-carbon碳涂层,曲轴与轴承座摩擦面采用了聚合物涂层。缸压较高的高功率机型在铸铝缸体缸壁的材质上选择了不同材质,使用了等离子涂层以减小缸壁摩擦的摩擦系数。

    接下来针对evo机型新的几个亮点功能,比如CoD闭缸功能、350bar喷油系统、来自大众自家机皇EA888的“Drehschieber”水温控制系统分别进行叙述。在最后简单谈谈evo机型的实际体会。

    Cylinder on Demand闭缸功能

    闭缸功能可以看做是动态“Downsizing”。在满足一定条件(转速、负载、车速、水温等)的情况下CoD系统可以通过作动推销选取不同的凸轮轴升程轮廓,中间两缸各自从上一次的排气冲程后顺次关闭排气以及进气气门,实现闭缸。此时负载转移至剩余两个运转气缸,进而提高了运转气缸的负载,控制了热损失。而进气歧管中的气流冲击则起到促进其他运转气缸的充气的作用,以此减小了泵气损失。

    大众算是闭缸技术的坚定支持者之一,从W12到V8再到V6直至EA211系列的四缸机都可见其身影。官方数据称此功能可以在NEDC测试工况循环下节省油耗0.4升/百公里,但是德国交通对于功率的需求较大,实际体会CoD机型的节油能力并不明显。

    EcoCoasting熄火滑行功能

    双离合变速器的空挡滑行功能是通过减小车辆滑行阻力来降低油耗的简单方案。能降低多少油耗不说,大众一些车型的功能设定做得太过激进,比如发动机低水温、无暖风的状况下离开油门踏板变速器也会接入空挡滑行状态。也不考虑路况以及车速,比如城市工况,在紧随其后的制动过程马上接入挡位。好在所有车型都有关闭这一功能的选项,提供了选择的余地。

    如今更近一步,EA211evo低功率发动机与DQ200-7F变速器组成的动力系统实现了熄火滑行功能。发动机熄火与点火启动的过程会对整车电网带来极大的负载冲击,理论上存在供能不足以及再启动时响应性的隐患,所以熄火滑行这一功能一直以来都是48伏mHEV车型的配置。这个EcoCoasting熄火滑行功能像是未来mHEV技术的一个先导,也只用于强调节能的BlueMotion车型(搭配低阻力车轮以及空气动力学套件)。

将空挡滑行功能拓展为了熄火滑行

    考虑到WLTP工况中制动-加速循环较为激烈,滑行工况频率高且距离长,EcoCoasting这种功能可能会带来一定的油耗贡献。

NEDC与WLTP工况中熄火滑行-48伏系统Boosting工况的累计时间对比

    350bar+GPF

    欧盟6c及RDE测试工况的引入使得汽油机尾气中的微粒数量限值变得颇为苛刻——数量下降了10倍,因此对现有机型的改造与适配提出了较高要求。EA211evo给出的改进方案是提高燃油供给系统的工作压力以及加装GPF汽油机尾气微粒捕捉器。

    现有EA211机型高压供油系统的工作压力大约在140~200bar之间,evo机型则采用了最大压力可以达到350bar的高压油轨系统。缸内喷嘴的开孔数量也变为5个,压力提升而喷油孔半径减小,意味着油束的穿透力增强、油粒的直径减小、雾化效果更充分、配合缸内工质的运动可以实现较为复杂的燃烧工况,减少了燃烧后的微粒数量。此外供油系统还可以实现多次喷射,可以对低负载工况下的供油量进行精确控制。

EA211evo喷油嘴位置&缸内APS涂层

    B-Cycle还是米勒循环?

    以EA211为代表的小排量化机型在高压缩比、高进气压力的条件下面临工质燃烧的稳定性和经济性问题,逐渐达到这一设计减耗的边界条件。为了进一步提高燃烧效率,evo机型采用了类似EA888 Gen 3B机型上的“米勒循环”,即通过进气门提早关闭缩短压缩行程,工质在压缩行程中充分混合的同时达到较低的温度,以此提高燃烧时的稳定性和效率。

进排气双VVT+米勒循环

    VTG

    但米勒循环有一个低转速时扭矩输出的问题,进而带来发动机响应的问题,其实不一定是涡轮增压器“Turbo-lag”的锅,但可以通过VTG(Variable Turbocharger Geometry=可变叶片角度增压器)修正这一问题。

EA211evo VTG

    VTG最大的特性是它的工况不再固定,可以随发动机的负载改变驱动涡轮叶片的排气气流角度和速度、可以承受更高的排温且可以取代旁通路径,在工作效率上具有明显的优势。

    Drehschieber

    两款EA211evo机型全部采用了“Drehschieber”冷却系通路控制器,这一设计来自EA888 Gen3机型。简单来说它就是一个位于变排量水泵后面、按照冷却液温度可变控制模式的多同路开关阀门。它可以控制发动机缸盖/缸体冷却循环、散热器循环以及空调热交换循环通路的开闭,即可以按照当前冷却液的温度以及各部件的热负荷做出供给分配。比如在冷启动后可以实现缸盖-缸体冷却液的停滞,发动机的冷却液不切入整个循环,将发动机的热量将部用于这一封闭区域的冷却液加热。

“Drehschieber”总成核心的部分是两个黑色的“转动阀”

冬季冷启动水温状态

    未来与12伏/48伏系统的匹配

    mHEV架构将会是EA211evo重要的元素。从大众已经披露的信息来看,高尔夫8搭配了48伏mHEV系统,猜测未来还会有12伏系统变种搭配入门级车型。

mHEV系统的主要成分

    从结构来看,12伏与48伏系统之间并没有本质上的差异:锂电池、DC/DC直流转换器(48/12V)、大功率发电机/起动机。12伏系统更像是48伏系统的简配,类似奥迪的解决方案,如果在没有电动增压器或者电子平衡杆等此类大功率用电设备、舒适性设备耗能有限的情况下,12伏系统似乎是更具性价比的选择。

高尔夫8 mHEV结构示意

    48伏mHEV系统使用一个250Wh容积的锂电池,电池位于前排右侧地板下方而非后备箱中,左侧则是DC/DC转换器。48伏起动机/发电机则位于传统起动机的位置,通过皮带经由张紧轮与空调压缩机、曲轴相连。起动机/发电机的最大功率为12kW,用于发动机启动、能量回收以及Boost功能。为了应对冷启动,传统的12伏起动机依然存在。

12伏启动电机与48伏启动电机对于启动发动机的性能对比

    总结:

    EA211evo更像是前代机型小成本升级。虽然引入了米勒循环、VTG、Drehschieber这类配置,整机性能的提升有限。mHEV系统才是MQB平台下一阶段的重头戏,包括P2(电动化DSG)以及P4位置电机混合动力系统。再加上通信以及娱乐设施的升级、驾驶辅助系统的进步,MQB平台似乎还具有不错的竞争力。

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