大眾EA839發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)解讀

文：謝婉如、賈少筠

全新一代大眾途銳已經(jīng)于2018年9月26日正式在國內(nèi)上市，作為大眾品牌下的最高端車型，途銳使用了2.0T和3.0T兩款發(fā)動(dòng)機(jī)，其中2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)是我們比較熟悉的第三代EA888發(fā)動(dòng)機(jī)，而3.0T發(fā)動(dòng)機(jī)則是全新的EA839發(fā)動(dòng)機(jī)（圖1）。該款發(fā)動(dòng)機(jī)是在EA837發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)之上的深度改進(jìn)版本，其綜合性能較上代發(fā)動(dòng)機(jī)有很大提高（表1），目前已經(jīng)應(yīng)用于2018年款的奧迪A8L及保時(shí)捷Cayenne等車型上，未來也將逐步替換現(xiàn)有的3.0T發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)用于更多大眾集團(tuán)旗下中高端車型上。為了幫助廣大維修人員了解該款發(fā)動(dòng)機(jī)，本刊在此對(duì)其技術(shù)亮點(diǎn)進(jìn)行解讀。

圖1 大眾EA839發(fā)動(dòng)機(jī)

表1 EA839發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

1.機(jī)械部分

新款EA839發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體使用了亞共晶鋁合金AlSi8Cu3通過沙鑄工藝鑄造而成，缸徑為84.5 mm。氣缸套由內(nèi)縮的薄壁襯套構(gòu)成，而這種襯套由灰鑄鐵以及壁厚為1.5 mm的片狀石墨構(gòu)成。氣缸套使用珩齒夾具通過螺旋滑動(dòng)進(jìn)行珩磨，這種優(yōu)化的珩磨工藝可以降低新款發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部磨擦。新款發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸間距增加到了93.0 mm，可以在氣缸之間提供附加的冷卻管道，因此可使此區(qū)域的溫度最多降低20℃。

此前，大眾V6發(fā)動(dòng)機(jī)使用的是2部分組成的曲軸箱，曲軸由上下缸體固定在中央位置。而EA839發(fā)動(dòng)機(jī)使用的是深裙式曲軸箱（圖2）。也就是說，曲軸箱的側(cè)壁延伸到了遠(yuǎn)低于曲軸平面的位置，曲軸則通過固定鞍座從下方安裝在曲軸箱側(cè)壁之間。通過采用這種安裝方式，不但為曲軸軸承總成增加了剛度，也從整體上減少了曲軸箱的材料用量。

圖2 采用深裙式曲軸箱的氣缸體

曲軸由鍛鋼制成，并采用T型排列的孔來潤滑連桿軸承。該曲軸共有3個(gè)曲柄銷，并且采用了錯(cuò)開式設(shè)計(jì)，每個(gè)曲柄銷連接2根連桿。這是因?yàn)樵揤6發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸夾角為90°，而曲柄夾角為120°，為了實(shí)現(xiàn)固定的點(diǎn)火間隔，因此同一曲柄銷上的2段之間需要偏移 30°。

圖3 采用錯(cuò)開曲柄銷式設(shè)計(jì)的曲軸

曲軸主軸瓦由鋼制襯殼、鋁合金（用作軸承材料）以及耐磨損的PC-11 IROX?聚合物涂層構(gòu)成。為了實(shí)現(xiàn)更好的機(jī)油走向，上部軸瓦加工有凹槽。曲軸的軸向支撐由3號(hào)主軸承提供。在曲軸的前端（發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶側(cè)），設(shè)有一個(gè)熱縮式裝配的鏈輪，用以驅(qū)動(dòng)機(jī)油泵。而正時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則布置在發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出端（飛輪端），由曲軸通過中間軸和傳動(dòng)鏈條驅(qū)動(dòng)（圖4）。同時(shí)，中間軸也作為平衡軸，平衡塊位于中間軸的末端。

圖4 曲軸傳動(dòng)裝置概覽

新款EA839發(fā)動(dòng)機(jī)使用了155 mm長的鋼制連桿，連桿大端被水平剖分，其間安裝有56 mm直徑的連桿軸承，軸承通過曲軸中T型排列的孔來獲得潤滑油?；钊麨殍T鋁制造，帶有鑲鑄式活塞環(huán)托架，并且在裙部采用了抗磨涂層以降低內(nèi)部摩擦（圖5）?；钊麡?biāo)稱直徑為84.450 mm（含0.040 mm的涂層），氣缸的標(biāo)稱直徑為84.510±0.005 mm，相對(duì)較大的活塞安裝間隙（0.060 mm）可以降低內(nèi)部摩擦。

圖5 活塞、活塞銷及活塞環(huán)的剖面圖

EA839發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋采用鋁合金AlSi7MgCu0.5鑄造而成，并且采用了高度集成化的設(shè)計(jì)，進(jìn)、排氣道均集成在其中。其中，進(jìn)氣道位于發(fā)動(dòng)機(jī)的外側(cè)，并且不再設(shè)置進(jìn)氣歧管，只有塑料制的進(jìn)氣分配器?？諝饨?jīng)過節(jié)氣門后直接傳送到氣缸蓋上的喇叭形進(jìn)氣口中，同時(shí)也省去了進(jìn)氣歧管翻板（圖6）。而排氣道則位于發(fā)動(dòng)機(jī)V型氣缸夾角的內(nèi)側(cè)，并且有冷卻液水道包裹（圖7）。

圖6 氣缸蓋進(jìn)氣側(cè)剖面圖

圖7 氣缸蓋排氣側(cè)剖面圖

2.配氣機(jī)構(gòu)

為了降低耗油量和排放量，EA839發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷情況下采用的是米勒循環(huán)，此時(shí)，進(jìn)氣門在活塞到達(dá)下止點(diǎn)前便會(huì)關(guān)閉，并且進(jìn)氣門的升程會(huì)被限制在6 mm。為了實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)，除了可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)外，該發(fā)動(dòng)機(jī)還在進(jìn)氣側(cè)設(shè)置了氣門升程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。為此，在進(jìn)氣凸輪軸上安裝有3個(gè)可以沿軸向滑動(dòng)的凸輪組件（圖8），每個(gè)凸輪件上都有2組不同輪廓線的凸輪。氣門升程調(diào)節(jié)器則通過Y型坡道控制這些凸輪組件向左或向右移動(dòng)，從而改變進(jìn)氣門的升程（圖9）。需要注意的是，進(jìn)氣凸輪軸上的這些滑動(dòng)組件并沒有機(jī)械標(biāo)記，為了確保氣門正時(shí)正確，在拆卸凸輪組件后必須使用新的凸輪軸。

圖8 進(jìn)氣凸輪軸分解圖

圖9 氣門升程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作原理

與常見的發(fā)動(dòng)機(jī)不同，EA839發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸是安裝在氣門室蓋上的，進(jìn)、排氣凸輪軸均是通過整體式軸承鞍座固定到氣門室蓋上（圖10）。為了降低噪音，在每個(gè)氣門室蓋上都安裝有兩件式聚氨酯隔音墊，需要注意的是，隔音墊不得切割，如果出現(xiàn)損壞，必須整體更換。

圖10 氣缸蓋分解圖

EA839發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)機(jī)構(gòu)采用鏈條傳動(dòng)，曲軸首先驅(qū)動(dòng)中間軸，再由中間軸驅(qū)動(dòng)兩側(cè)氣缸的正時(shí)鏈條（圖11）。為了將重量和內(nèi)部摩擦進(jìn)一步降低，正時(shí)傳動(dòng)使用了直徑為8 mm的套筒鏈條。凸輪軸調(diào)節(jié)器上的鏈輪則由燒結(jié)鋁制成，以便降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。鏈條導(dǎo)軌和張緊器導(dǎo)軌則采用聚酰胺纖維制造。

圖11 正時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

EA839發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣和排氣側(cè)均安裝有液壓葉片式凸輪軸正時(shí)調(diào)節(jié)器（圖12），而且調(diào)整范圍均是50°曲軸轉(zhuǎn)角。不同的是，如果電磁閥未通電，進(jìn)氣凸輪軸調(diào)節(jié)器將被彈簧式鎖止銷固定在延遲位置，而排氣凸輪軸調(diào)節(jié)器將被鎖止在提前位置。

圖12 凸輪軸正時(shí)調(diào)節(jié)器

3.渦輪增壓器

EA839發(fā)動(dòng)機(jī)使用了1個(gè)雙渦流渦輪增壓器，兩列氣缸的廢氣會(huì)分別進(jìn)入渦輪增壓器殼體（圖13），這樣可以防止低轉(zhuǎn)速時(shí)排氣氣流相互干擾，從而使渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速更高、變化更均勻。增壓器放置于發(fā)動(dòng)機(jī)V形槽中，氣體通道非常短，因此降低了流量損失。

圖13 雙渦流渦輪增壓器氣道

經(jīng)過渦輪增壓器壓縮的空氣，會(huì)通過2個(gè)平行排列的增壓空氣冷卻器進(jìn)行冷卻（圖14）。節(jié)氣門上游的增壓壓力傳感器會(huì)測量當(dāng)前的進(jìn)氣壓力和溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元就會(huì)通過脈沖寬度調(diào)制信號(hào)（PWM）控制電控氣動(dòng)壓力轉(zhuǎn)換器（圖15），從而根據(jù)所需的增壓壓力開啟或關(guān)閉廢氣旁通閥。

圖14 增壓空氣的走向

圖15 電控氣動(dòng)壓力轉(zhuǎn)換器位置

如果駕駛員突然松開加速踏板，渦輪增壓器由于慣性作用將在一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)生成增壓壓力，此壓力可能會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣道中發(fā)出噪聲，也可能由于節(jié)氣門的反射而沖擊渦輪增壓器，影響再次加速時(shí)的渦輪增壓器響應(yīng)能力。為了避免這些影響，在渦輪增壓器上還集成了一個(gè)空氣循環(huán)閥，可以在渦輪增壓器的進(jìn)氣側(cè)和壓力側(cè)之間短暫打開一個(gè)通路。

4.冷卻系統(tǒng)

為了讓發(fā)動(dòng)機(jī)盡快達(dá)到工作溫度，新款EA839發(fā)動(dòng)機(jī)采用了新一代熱量管理系統(tǒng)，將許多管路整合到了發(fā)動(dòng)機(jī)的鑄件中，因此整個(gè)冷卻系統(tǒng)的壓力損失顯著降低。冷卻系統(tǒng)循環(huán)示意圖如圖16所示，冷卻液泵將冷卻液輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)的左側(cè)和右側(cè)，再進(jìn)入氣缸體和氣缸蓋的冷卻回路中。渦輪增壓器、機(jī)油冷卻器和變速器油冷卻器也整合在氣缸蓋回路中。

冷卻液泵位于發(fā)動(dòng)機(jī)的前端，始終通過聚合材料制成的皮帶驅(qū)動(dòng)，但是在皮帶輪和泵輪之間安裝有滑套，必要時(shí)可以完全切斷兩者之間的連接，不再為冷卻系統(tǒng)提供循環(huán)流量?；子砂l(fā)動(dòng)機(jī)控制單元通過真空控制。

冷卻液切斷閥安裝在氣缸列2的缸蓋前部，它可以切斷氣缸體的冷卻液流量，使冷卻液只流過氣缸蓋，以便發(fā)動(dòng)機(jī)快速預(yù)熱。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為機(jī)械旋轉(zhuǎn)式活塞閥，在未啟用時(shí)，閥芯在彈簧力作用下保持打開；在啟用時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元通過真空單元將閥芯旋轉(zhuǎn)90°。

電控加熱式節(jié)溫器安裝在氣缸體前部，它控制所有冷卻液在小回路與大回路間轉(zhuǎn)換。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元會(huì)根據(jù)排氣口處的冷卻液溫度傳感器的反饋，來控制節(jié)溫器蠟芯中的加熱元件，從而控制節(jié)溫器的工作。在部分負(fù)載時(shí)，將冷卻液保持在105℃，以便減少發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部摩擦；而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較高時(shí)，冷卻液溫度調(diào)整為90℃。

在新款EA839發(fā)動(dòng)機(jī)中還使用了2個(gè)輔助冷卻液泵，來實(shí)現(xiàn)最佳的溫度平衡。這2個(gè)冷卻液泵均是通過發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的PWM信號(hào)控制，因此可以對(duì)泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，冷卻液持續(xù)運(yùn)行泵用于發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后繼續(xù)為冷卻系統(tǒng)提供散熱流量，此時(shí)散熱器電子扇也同時(shí)運(yùn)行。此外，該輔助泵也可以在主水泵流量不足時(shí)（例如怠速時(shí)）提供額外的支持。而冷卻液循環(huán)泵則是根據(jù)空調(diào)控制單元的請(qǐng)求工作。這2個(gè)泵完全相同，通過螺栓安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)后部氣缸列1的鏈條箱蓋上（圖17）。

5.燃油直噴系統(tǒng)

供油系統(tǒng)的低壓部分使用了三相交流燃油泵，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，低壓燃油泵的輸出壓力可以在300～550 kPa之間變化，而集成在供油模塊內(nèi)的壓力控制閥的最高限制壓力為670 kPa。燃油低壓傳感器位于氣缸列1上的燃油高壓泵附近。高壓燃油泵由氣缸列1排氣凸輪軸上的三段式凸輪驅(qū)動(dòng)，高壓燃油泵上的油量控制閥可以將燃油壓力控制在8～25 MPa之間。

圖16 冷卻系統(tǒng)循環(huán)示意圖

圖17 輔助泵的安裝位置

高壓噴油器位于氣缸蓋的中央位置，與火花塞相鄰，以便優(yōu)化混合氣的燃燒（圖18）。高壓噴油器采用7孔設(shè)計(jì)，啟動(dòng)電壓約為65 V，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)提供高精度的單次或多次噴射。在三元催化器加熱階段，噴油器會(huì)在進(jìn)氣沖程噴油2次，在壓縮沖程噴油1次；在工作溫度下怠速時(shí)，噴油器只在進(jìn)氣沖程噴油1次；在其他工況下，可能會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷在進(jìn)氣沖程噴油1～3次。

6.潤滑系統(tǒng)

機(jī)油泵由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸前端的鏈輪驅(qū)動(dòng)，鏈條套筒直徑為7 mm。該鏈條由聚酰胺葉片彈簧張緊，并沒有采用液壓張緊器，這一設(shè)計(jì)更為簡單、堅(jiān)固，成本也更低廉，還可以減少機(jī)油循環(huán)量。機(jī)油泵為變排量設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、溫度及各系統(tǒng)潤滑需求等計(jì)算所需的機(jī)油壓力，然后通過PWM信號(hào)控制泵中調(diào)節(jié)環(huán)的位置，從而改變供油壓力和流量。

機(jī)油濾清器模塊安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)V形缸體中間，因此更便于維修。模塊中包含了止回閥、放油閥和旁通閥。止回閥用于阻止渦輪增壓器中的機(jī)油在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后回流，以便在發(fā)動(dòng)機(jī)再次起動(dòng)時(shí)，更快地為增壓器潤滑點(diǎn)提供所需的機(jī)油壓力。放油閥用于更換濾芯時(shí)讓機(jī)油從機(jī)油濾清器模塊回流油底殼。旁通閥的設(shè)計(jì)開啟壓力約為250 kPa（相對(duì)壓力）。

在機(jī)油濾清器模塊旁邊還設(shè)有一個(gè)機(jī)油冷卻器，但實(shí)際上在發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分工作范圍中機(jī)油并不需要冷卻。為此，該機(jī)油冷卻器上游安裝有一個(gè)節(jié)溫器，用于關(guān)閉和打開通往機(jī)油冷卻器的通道（圖19）。該節(jié)溫器在大約110℃時(shí)開始打開，在大約125℃時(shí)開度達(dá)到最大值。當(dāng)機(jī)油不經(jīng)過冷卻器時(shí)，回路中的壓力損失將降低，冷起動(dòng)時(shí)也可以縮短熱車時(shí)間。

圖18 高壓噴油器所在位置

圖19 機(jī)油冷卻器