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详解大众奥迪EA888系列1.8L增压燃油分层直喷式汽油机(一)
来源:本站整理  作者:佚名  2013-08-09 08:34:04

3.曲轴、扭振减振器、活塞和连杆
    与老机型相比,该机型的曲轴已改进设计得更加坚固,为了优化内部平衡,其结构以8个平衡块为基础进行设计。为了在具有足够强度的同时获得良好的声学特性,曲轴主轴颈的直径定为58mm。由于曲柄臂较宽,因此在确保性能相同的情况下能将主轴承设计得较窄,以达到摩擦功率和曲轴刚度之间良好的配合。这种高刚度是发动机-变速器动力总成声学优化设计的基础。

    曲轴、链轮、扭振减振器之间通过齿形角为120°的端面齿啮合连接,借助于这种新型的连接技术,无论是链轮还是扭振减振器都能够在很小的直径上实现对中和传递所产生的高扭矩(见图7)。这种对中非常重要,因为径向轴密封圈直接与旋转的扭振减振器的轮毅接触,因此必须确保必要的同轴度。曲轴上的端面啮合齿是由铣削加工而成的。通过采用这种新型的连接技术,曲轴第一道主轴承向里缩进了大约9.8mm,第一个曲柄臂也做了相应改动,发动机的前端大大缩短,从而使发动机获得了紧凑的结构长度。扭振减振器改为了成本低而又很可靠的薄钢板冲压结构,其中的端面啮合齿同样也是一起冲压出来的。

    活塞(见图8)是轻型结构耐热铝合金铸造活塞,并带有第一道环槽镶座和不对称成型活塞销孔。活塞环槽镶座至今只有在高负荷轿车柴油机上才使用,而在这种汽油机活塞上应用环槽镶座是很罕见的,这样能够在任何发动机负荷和转速下确保第一道活塞环都处于最佳的工作状况,而无需缩短活塞压缩高度,这种结构设计首次应用在奥迪2.0L-TFSI汽油机上。为了降低摩擦功率,已将活塞裙部的承载面缩小到了最小程度,并经涂层处理,有针对性地将第一道环槽倾斜,有助于在发动机整个使用期内降低机油消耗量和漏气量。复杂的活塞顶面形状部分浇铸成形有利于降低活塞的制造成本。第一道活塞环是不对称球面PVD(物理汽相沉积)涂层氮化钢环,第二道活塞环是鼻形气环,而第三道活塞环是双斜切式软管弹簧涨圈刮油环,它具有倾斜的环岸唇口,使得机油消耗量从一开始就处于最低的水平上。连杆的设计采用了奥迪机型的标准部件。

4.辅助设备支座(多功能模块)
    辅助设备支座(见图9)除了包括用于传动发电机、空调压缩机和涨紧器的皮带传动装置常规功能外,作为组合模块的多功能基座还集成了下列部件和功能:①用法兰连接的机油冷却器;②直立式机油滤清器;③机油压力开关。这就是说,辅助设备支座还作为机油和冷却水循环回路的组成部分,而且这种结构型式无论发动机是横置还是纵置都是直立在发动机的前端,是日常维护保养的最佳位置,但必须确保在更换机油滤清器滤芯时不会有机油向上溢出或留存在支座上(可以通过这样的方法来解决:在更换机油滤清器滤芯向上旋出时,一个挡油圈和一根承受弹簧作用力的芯轴共同将辅助设备支座中的机油放油通道打开,这样机油就能够回流到汽缸体曲轴箱中去,当滤清器旋出来的时候就不会有机油向上溢出了)。

5.发动机内部的冷却水循环
    与老机型相比,该机型进行了以下改进:①汽缸盖中冷却水横向流动(见图10);②冷却水泵、节温器和冷却水温传感器都集成在节温器壳体上(见图11);③冷却水泵由齿形皮带传动。

虽然冷却水纵向流动在最高热负荷时能得到较高的传热系数,但是横向流动能够获得均匀分布的传热系数。从图10上可以清楚地看到发动机内部冷却系统的整体功能,节温器位于进气管下面汽缸体曲轴箱旁边,冷却水泵用法兰连接在其侧面。冷却水泵由一条与发动机使用寿命一样长的齿形皮带传动,并且无涨紧装置,它将冷却水输送到汽缸体曲轴箱的进气侧。在布水道中冷却水被分配到各缸环绕汽缸四周流向排气侧,并分流出一部分体积流量用来冷却废气涡轮增压器和机油冷却器,而大部分冷却水向上流入汽缸盖,首先冷却排气门和火花塞三角区,再流向进气门。热水可经过汽缸盖后端面的一个出口供给汽车采暖设备。从汽缸盖出来的冷却水向下汇流到集成在汽缸体进气侧的水腔中,再经管道流到节温器。节温器的调节温度为95℃,根据其开启状况,冷却水流向散热器(水箱)或直接流回水泵进行封闭式小循环。从汽缸体曲轴箱、机油冷却器、汽车散热器和采暖设备出来的冷却水都流入节温器壳体,全部的冷却水流量被水泵吸入。节温器壳体由PPS塑料制成,不仅成本低,而且又能确保高的形状稳定性和较轻的质量。所用的节温器就是通常的石蜡式节温器。

    冷却水泵的泵水量为,60L/mIn。为了能减轻质量,其壳体选择30%玻璃纤维加强的PFGF30热固性塑料作为材料,这种形状稳定的结构能够获得具有足够刚性的壳体。冷却水泵采用齿形皮带传动,由于靠齿型来进行力的传递,因此与三角筋条皮带相比,允许皮带涨紧力较小,这有利于减轻水泵轴承的受力状况,相应地就能够使用较小的轴承,从而减少功率损耗。齿形皮带装配后由皮带盘与进气侧平衡轴之间的一个双锥形组件来涨紧。安装在护罩中的齿形皮带传动用装在齿形皮带轮上的风扇冷却。另外,这种冷却水泵上还应用了一种新型的密封装置,与以往通常使用的轴向滑动密封圈不同,它是由密封圈径向密封的。水泵叶轮由40%玻璃纤维加强的PPSGF40材料制成,由于其叶片具有特殊的形状,因此允许高速运转而不易产生穴蚀的危险。这种冷却水泵方案具有以下优点:①由于水泵采用小轴承、径向密封、齿形皮带传动和较小的运动件质量,因此功率损耗较小;②不产生噪声;③结构紧凑,成本低。

    发动机停机后由一只继续运转的电动后续冷却水泵确保了废气涡轮增压器在极限负荷运转后,特别是在停机后发动机对其继续加热情况下的冷却。

6.汽缸盖、凸轮轴轴承桥和汽缸盖罩
   新机型的火花塞位置、进气道位置和尺寸、滚流板分隔成上下两半的进气道、气门夹角、气门中心距和气门尺寸、滚轮摇臂式配气机构和组合式凸轮轴都继承了老机型的结构设计。但是,由于采用了冷却水横向流动、正时链条传动的双凸轮轴和新型的进气凸轮轴相位调节装置,并取消了凸轮轴轴承盖框架而采用集成凸轮轴轴承盖的整体式汽缸盖罩,因此汽缸盖必须进行较大地修改。同时,为了将这种使用三条链传动的发动机的配气传动侧设计得短一些,必须将进排气凸轮轴最前端的两个轴颈布置在配气传动链条的前面,并支承在一个轴承桥上。该轴承桥是一个承担多种功能的压铸件,所有的加工都是单件进行的,这样就存在相对于进排气两根凸轮轴的对中问题,而其主要任务在于进排气凸轮轴最前端的两个轴承支承以及这两个轴承和凸轮轴相位调节器的机油压力供应,并且这两个轴承都做成轴向止推轴承。为了支持和保障凸轮轴相位调节器的功能,在轴承桥中通往凸轮轴相位调节器的机油通道中集成了一个止回阀和一个滤网,而且该机油通道还承担着从主油道向汽缸盖中的两条长油道分配机油的功能。另外,控制凸轮轴相位调节器机油的电磁阀也在轴承桥上密封,并用螺栓固定在它上面。

    汽缸盖罩是用AISI9Cu3材料制成的低成本压铸件,而发动机前端上方的链条盒盖是个塑料件,其密封面做成倾斜的平面,以便于链条的安装,并避免形成需三面密封的台阶形。

7.汽缸体曲轴箱通风
    该机型的曲轴箱通风系统是单纯的机体通风,如图12所示。曲轴箱侧面的取气口位于正对第3和第4道曲轴主轴承部位,避开机油飞溅的一侧,同时机油池与曲轴箱之间又用油底壳上件挡油板隔开,因此曲轴箱侧面的取气口部位被机油飞溅的程度被降到最低。另外,将机油通道与通气通道分开,这样就能够避免机油油雾混入曲轴箱漏气中去。

    机油粗分离器直接正对着曲轴箱通风取气口,安装在曲轴箱外侧面上,它由两级串联的分离器组成,第一级分离器用碰撞板和扩大容积来达到分离机油的目的,而第二级分离器同样也是按碰撞板原理工作的。这些肋片状的碰撞板带有坡度,这样在重力和离心力的作用下,被分离出的成分就能够朝一个方向汇流到一处,并从安装在那里的一个回油通道排出。这两级分离器的回油通道是彼此分开的,并将回流的机油一直引导到油底壳动态机油油面以下。与机油粗分离器相连接的通风管的特点是具有较大的横截面,因而流经其中的曲轴箱通风气流的流动速度足够慢,从而防止机油雾撞击通风管壁。

    机油细分离器集成在比机油油面高得多的发动机罩盖中,它由一个单级旋流分离器和与其并联的旁通阀组成,这种布置型式能够在较低的压力损失下达到较高的分离效率。被分离出来的机油通过集成在发动机中的通道一直回流到油底壳机油油面以下,在该通道的末端还装有一个止回阀,它可以防止由于猛烈的横向加速度或摆动而使该通道中的机油柱过于猛烈地向上冲动。

    两级压力调节阀与两个止回阀一起集成在一个模块中,该模块是目前使用的2.0L-TFSI汽油机上众所周知的模块稍加改进的变型。这两个止回阀在很小的压力差下就能开通,从而控制曲轴箱通风流向进气管或废气涡轮增压器压气机的流量。由于装备了这种两级压力调节阀就能够用一个非常小型的组合阀确保曲轴箱通风系统在发动机所有运转条件下都能达到非常均匀的压力水平。

    曲轴箱通风阀(PCV)通过装在汽缸盖罩中的一个阀将新鲜空气吸入,这样的安装位置达到了最佳的工作方式,通风量已适合于在该机型特定条件下达到最佳的排除机油中水份和燃油的效果。

8.降低发动机噪声的措施
    为了降低燃油耗和提高性能,需要通过提高喷油压力来实现高效率的燃烧过程,但是这就对零件的强度和发动机的声学特性提出了新的要求,同时现在对该档次汽油机的舒适性要求也提高了,因此在开发该机型基础发动机时就必须考虑到这方面。这种1.8L-TFSI汽油机在这方面的开发目标是,即使发动机负荷有了明显提高,但是在所有声学特性方面都应比老机型有明显改善。这应当从以下三方面来实现:①减少机械噪声传到汽车结构中去,250Hz以下的低频噪声辐射(轻微的嗡嗡声和振动);②减少中频范围噪声辐射:250~800Hz(降低发动机运转粗暴度);③明显减少高频范围噪声辐射:800~3000Hz(总噪声水平降低妻汽车侧隔音降低噪声的潜力)。

    该机型上的平衡轴传动机构在这个排量等级的发动机中并非是标准的结构型式,但它对降低低频噪声辐射有良好的效果。采用这种平衡轴,一方面能够完全平衡这种发动机结构型式所决定的二阶往复惯性力,另一方面能够使相对于发动机纵轴的惯性力矩峰值移位,起到平抑惯性力矩波动的效果。根据运转工况的不同,惯性力矩的峰值最多可降低50%(见图13右),因此这种1.8L-TFSI汽油机的二阶振动,特别是从3000r/mIn起要比无平衡轴传动机构的同类型汽油机低15dB以上(见图13左)。由于用于支承平衡轴的隧道式轴承位于汽缸体曲轴箱侧壁,以及油底壳上件刚度较高的结构设计,使汽缸体曲轴箱装配组件的基础刚度提高了20%,这样就使得发动机-变速器总成的一般振动形式(高度方向和横向弯曲)处于发动机主激励之外,防止了汽车内部嗡嗡低频噪声的增大。

    为了降低中频范围内的噪声辐射,对曲轴和汽缸体曲轴箱进行了广泛的加强和改进。为了能够大大地降低轴向振动及其所产生的振动力,用横向螺栓将中间几挡主轴承座与汽缸体曲轴箱裙部外壁紧固在一起,从而获得了较高的抗剪刚度,极其有效地降低了汽缸体曲轴箱侧壁的振动,因而从总体上成功地减少了250~800Hz中频范围内的空气和固体噪声辐射,即使在高性能和加速性极好的全负荷工况下,发动机也运转得很轻快柔和,而使驾驶员不太感觉出来。

    为了减少高频噪声辐射,在开发初期就已借助于计算机辅助工程(CAE)方法对那些旨在降低噪声的发动机罩盖进行优化设计。其中特别对链条盒盖和配气传动机构罩壳的设计提出了挑战,在密封性和功能方面是丝毫不容许疏忽的。链条盒罩盖被设计成分体式塑料结构型式,而配气传动机构罩壳则采用夹层阻尼板制成。模拟计算结果表明,即使刚性优化的铝罩壳也达不到夹层阻尼板材料所具有的降低噪声的潜力,这两种样品的测试已证实了该模拟计算的结论。与之相反,由于油底壳上件降低了底座的噪声激励,而油底壳下件通过模拟计算获得了形状优化的结构,因此能够换用单块钢板冲压制成而不会存在声学方面的缺陷。这些措施特别是在1~2kHz频率范围内明显降低了发动机-变速器动力总成的总体平均噪声水平。因此,这种1.8L-TFSI汽油机以其低噪声以及高功率和高扭矩成为众多同类竞争机型中的佼佼者。

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