EA211发动机是大众旗下专为横置发动机模块化平台(MQB)而开发的新型汽车发动机。全新的EA211系列发动机采用了全铝材质打造,首先在重量上要比之前的EA111系列轻了22kg。轻结构应用到细微之处:曲轴重量降低了20%,连杆重量降低了25%。连杆轴颈钻成空心的了,甚至平顶铝活塞也在重量方面进行了优化。同时由于新发动机内部摩擦和消耗的降低,以及更加优化的热量管理系统,使EA211发动机的燃油消耗还降低了8%~10%。
EA211发动机采用高性能正时齿形带,减少了成本和重量,减小了发动机内部的功率消耗和传动噪声。
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EA211系列中的所有发动机具有以下共同特点:统一的安装位置;空调压缩机和交流发电机均采用螺栓直接安装到油底壳或发动机气缸体上,无需额外安装支架;采用四气门技术;铝制气缸体;排气歧管集成在气缸盖中;凸轮轴由齿形带驱动。
EA211发动机的凸轮轴由免维护的齿形带驱动。齿形带通过自动张紧轮拉紧,同时自动张紧轮通过接触的肩部对齿形带进行导向。通过三缸发动机张紧侧的中间轮、凸轮轴链轮,或者通过四缸发动机的凸轮轴链轮,可确保齿形带的顺畅运行。
气缸的气门需要一定的力才能打开。每次气门打开时,此力会作用在齿形带上。转速较高时,会导致齿形带强烈振动。在三缸发动机中尤其会出现这种振动,为了将振动最小化,需采用特殊形状(三角椭圆形)的凸轮轴链轮。这种链轮具有较大的半径,间隔为120°。椭圆形CTC曲轴链轮安装在四缸发动机上。曲轴扭转力消除(CTC)意为减小曲轴张力和振动。在做功行程中,齿形带因半径较小而略微松弛。这会减小齿形带的张力和振动。
EA211发动机的气缸体由铸铝制成,并设计为开放式结构(气缸体外壁和气缸套之间没有连接),其优点如下:杜绝气泡在此区域产生,否则可能导致通风和冷却问题;将气缸盖用螺栓固定到气缸体上时,气缸变形程度会比较低,活塞环可以很好地补偿较低程度的气缸套变形情况,并且油耗也会降低。灰铸铁气缸套是单个铸入气缸体的。其外表面非常粗糙,这增加了表面积并加快了将热量传递至气缸体的速度,此外还可以确保气缸体和气缸套的稳固性。供油管道、回油管道和曲轴箱通风管道都已铸入气缸体中。这样可减少额外的组件,同时也可减少所需的机械加工作业。
曲柄连杆机构设计成可动质量非常小且摩擦非常小。曲轴连杆组件的设计允许其中有少量的液体(油液)流动,从而减少组件之间的摩擦。由于曲轴、连杆和活塞的重量都经过优化,因此可以不安装平衡轴,否则平衡轴必须作为标准配置配备在三缸发动机内。
连杆采用裂解工艺制成。在承受较低负荷的区域内,将连杆小头轴承设计为梯形。这样能进一步减少重量和摩擦力。活塞顶采用扁平设计,这是因为取消了用于加强内部混合气形成的活塞壁导向件。为进一步减重,连杆轴颈钻成空心,这些措施减小了曲轴的内侧力以及作用在主轴承上的负荷。
EA211发动机的铝制气缸盖考虑的是如何更好地利用废气能量,以确保较快的发动机预热过程。因此,EA211发动机采用了横流式气缸盖,它可以让冷却液从进气侧流向排气侧,从而冷却燃烧室。气缸盖分为两部分,即排气歧管以上的部分和排气歧管以下的部分。冷却液在流过几个通道的同时吸收热量。冷却液从气缸盖流入节温器壳体中,与剩余的冷却液混合。
气缸盖内的四个排气道都集中在集成式排气歧管的一个中间凸缘内。废气涡轮增压器通过螺栓直接固定到此凸缘上。这样冷却液在发动机预热的过程中由废气预热。发动机更快地达到运行温度。由于延伸至催化转化器的排气侧壁表面更小,因此在预热阶段废气所流失的热量也很小,这可使催化转化器能较快地预热到运行温度。
凸轮轴壳体由铸铝制成,并与两根凸轮轴一起构成完整的模块。模块化设计包括将凸轮轴直接装配到凸轮轴壳体内,机油从供油孔流向滑动轴承。由于无需再将凸轮装入轴承位置,因此可以设计非常小的轴承。为减少摩擦力,凸轮轴的第一个轴承(承受齿形带传动机构的最大负荷)为深沟球轴承。维修时,凸轮轴壳体和凸轮轴一起更换。深沟球轴承通过卡环固定,但无法更换。
EA211系列发动机通常采用四气门技术。在此系列中,进气门以21°角安装,排气门以22.4°角安装,两者均安装在燃烧室的顶部。这些气门由带有液压支撑元件的滚子摇臂驱动。
配气机构▲
气门杆的直径缩减为5mm。由于气门弹簧力小,因此流动的液体会比较少,从而减少了摩擦损失。气门座进气侧角度为90°,排气侧角度为120°,由此增加了在使用替代燃料(如天然气)时气门座的耐磨性。所有EA211发动机都采用无级进气凸轮轴调节,输出功率为103kW或更高的发动机还采用无级排气凸轮轴调节,凸轮轴上的凸轮轴调节器根据发动机负荷和转速进行调节,由直接集成在机油回路内的凸轮轴调节阀进行调节,两个霍尔传感器用于识别调节角度。
为确保没有机油溢流到齿形带上,需对凸轮轴调节器进行密封。在排气凸轮轴调节器端盖上有一个橡胶密封件;在进气凸轮轴调节器端盖上也有一个橡胶密封件。两个凸轮轴调节器都通过固定螺栓固定在凸轮轴上。
EA211发动机中的TSI发动机使用废气涡轮增压器进行增压。废气涡轮增压器主要针对低发动机转速、高转矩的运行情况,而且响应迅速。这可使1.4L103kWTSI发动机仅在1500r/min的转速下就能达到250N·m的最大转矩。
废气涡轮增压器▲
① 涡轮和压气轮直径较小,并具有相应的低质量惯性力矩。③ 集成到用于增压空气冷却的冷却液回路中,以便发动机停机后使轴承处保持低温。⑤ 通过电子增压压力定位器(集成有位置传感器)激活用于控制增压压力的废气旁通阀。
所有的EA211发动机都使用双回路冷却系统来冷却发动机。
双回路冷却系统通过集成在节温器壳体内的冷却液泵将冷却液泵送到气缸盖和气缸体中,冷却液在不同温度下通过各自的通道流经气缸体和气缸盖。温度调节由节温器壳体中的两个节温器进行控制,相应的冷却液温度因不同发动机而异。EA211发动机冷却系统的特点如下:气缸盖中横流冷却,以达到更均匀的温度分布;冷却液泵集成在节温器壳体内;冷却液泵由排气凸轮轴通过齿形带驱动。节温器壳体安装在变速箱侧的气缸盖上,节温器壳体内有两个节温器,负责双回路冷却系统的工作。节温器1:在87℃或更高的温度下节温器打开,即打开了从散热器至冷却液泵的通道,在MPI发动机中,当冷却液温度为80℃或更高时,节温器即打开。节温器2:在105℃或更高的温度下节温器打开,即打开了从气缸体至散热器的通道,整个冷却回路打开。