Skoda Бензиновые двигатели MOB EA111. Устройство и принцип действия
Бензиновые двигатели нового семейства были полностью созданы заново, от EA111
был перенят без изменения только один параметр — расстояние между осями
цилиндров. Новые двигатели отличает исключительная компактность. Например,
габаритная длина уменьшилась на 50 мм, что положительно влияет на использование
внутреннего пространства автомобиля. Первым представителем нового поколения
бензиновых двигателей с наименованием EA211 стал трёхцилиндровый 1,0 MPI,
который устанавливается на модели Citigo. Теперь к новому семейству добавились
наддувные двигатели 1,2 TSI и 1,4 TSI. Впервые на автомобилях марки ŠKODA
применяется также наддувный двигатель 1,4 TSI/81 кВт, работающий на сжатом
природном газе (CNG). В основу конструкции двигателей EA211 положена
продуманная модульная концепция, обеспечивающая высокую гибкость при создании
конкретных исполнений, как в плане требуемой мощности двигателя, так и в плане
его соответствия действующим экологическим нормам, а также специфическим
местным требованиям того или иного рынка.
Наиболее важные изменения:
› необслуживаемый ремённый привод ГРМ;
› оптимизация процесса сгорания;
› облегчённые коленвал, шатуны и поршни;
› новый 16-клапанный механизм также и на двигателе 1,2 TSI (все двигатели EA211
имеют по 4 клапана на цилиндр);
› турбонагнетатель и каталитический нейтрализатор выполнены в одном узле;
› регулирование фаз ГРМ;
› выпускной коллектор выполнен как часть ГБЦ;
› новый блок цилиндров из алюминия также и на 1,4 TSI.
Главные преимущества новых двигателей:
› уменьшенная масса;
› улучшенные габаритные параметры;
› более высокая эффективность сгорания в широком диапазоне эксплуатационных
режимов;
› уменьшение расхода топлива и снижение вредных выбросов, не только CO2 (CO2 —
до прим. 10 %).
1
– полностью новая модульная конструкция двигателей 1,0-1,6 л;
- единая мировая концепция производства, применимая для всех вариантов
двигателей TSI и MPI без ограничений;
- базовое оснащение дополнительными модульными компонентами, такими как ACT
(активная система отключения цилиндров) для оптимизации по CO2;
- готовность к требованиям экологических cтандартов, которые будут действовать в
будущем, — EU6, SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle — экологический класс в
США) — и к использованию электропривода;
- малая масса: конструкция обеспечивает жёсткость блока цилиндров в широком
диапазоне мощностей и соответствие требованиям по уровню шума при
минимальной массе;
- высокая надёжность, удовлетворяющая самым строгим мировым стандартам;
- система впрыска TSI — высокий удельный крутящий момент и прекрасные
динамические характеристики двигателей.
2
На всех двигателях EA211 сторона выпуска, так же как на двигателях EA288 (новые
дизельные двигатели TDI CR), обращена назад (раньше выпускной коллектор мог
быть обращён как назад, так и вперёд).
Новое положение
В предыдущем семействе двигателей EA111 сторона выпуска была обращена вперёд
(по движению автомобиля) и оси цилиндров также были наклонены вперёд. В новом
семействе двигателей EA211 сторона выпуска обращена теперь, как и на бензиновых
двигателях, назад (к стенке моторного отсека, отделяющей его от салона). Как и на
бензиновых двигателях, оси цилиндров на двигателях EA211 наклонены назад под
углом 12°. За счёт этого унифицируются установка/подвеска двигателя, валы привода
колёс и компоненты системы выпуска ОГ.
3
Все двигатели имеют теперь наклон цилиндров 12° назад (раньше направление
наклона было различным — вперёд или назад), расстояние между крайней передней
точкой агрегата и осью коленвала (в плане) сократилось с 285 мм до 235 мм. Эти
изменения позволяют проектировать автомобили с более короткой передней частью,
что положительно сказывается на ходовых качествах и позволяет увеличить объём
салона за счёт более эффективного использования внутреннего пространства
автомобиля.
4
Модульные элементы:
› алюминиевый блок цилиндров;
› клапанная крышка с установленными в ней распредвалами;
› единый узел турбонагнетателя и каталитического нейтрализатора;
› привод ГРМ и привод навесных агрегатов;
› впускной коллектор со встроенным интеркулером;
› кронштейны опор двигателя и крышки приводов;
› модуль насоса системы охлаждения и корпуса термостата;
› воздушный фильтр;
› ГБЦ со встроенным выпускным коллектором.
Унифицированные элементы модулей нового семейства двигателей EA211:
- блок цилиндров из алюминиевого сплава с чугунными гильзами (раньше
1,4 TSI/92 кВт — чугунный блок, 1,2 TSI — алюминиевый блок);
- впускной коллектор со встроенным интеркулером (идентичный двигателям
прежнего поколения 1,2 и 1,4 TSI);
- ГБЦ с 4 клапанами на цилиндр (прежние двигатели 1,2 TSI — 2 кл./цил.) и
встроенным выпускным коллектором (идентичен двигателю 1,0 Citigo);
- клапанная крышка, в которой установлены распредвалы, и, в соответствующих
случаях, ТНВД, унифицированная для многих вариантов (новинка);
- масляный поддон со встроенным масляным фильтром — масляный насос
(с наружным венцом) с регулятором давления масла, 2 уровня давления,
электрическое переключение (1,8/3,5 бар);
- узел привода ГРМ и навесных агрегатов — привод ГРМ зубчатым ремнём (на
прежних двигателях привод ГРМ цепной);
- узел выпуска ОГ.
5
Блок цилиндров построен по той же схеме, что и на уже имеющихся двигателях
1,2 TSI: алюминиевый литой блок с чугунными гильзами (прежние двигатели
1,4 TSI/92 кВт — чугунный блок цилиндров).
Облегчённая конструкция — масса 19 кг.
Варианты:
1,2 л: D = 71,0 мм;
1,4 л: D = 74,5 мм;
1,6 л: D = 76,5 мм.
6
7
Облегчённые шатуны: - 30 %.
EA111: масса — 523 г.
EA211: масса — 370 г.
8
Остаются 4 противовеса.
EA111 — 1,4 TSI: масса — 11,4 кг.
EA211: масса — 9,2 кг.
Снижение массы — 20 %.
9
–
4 клапана на цилиндр;
–
встроенный выпускной коллектор;
–
поперечный проток ОЖ;
–
направляющие втулки клапанов 5 мм.
Преимущества такой схемы:
- более быстрый прогрев ОЖ — двигатель быстрее выходит на свою рабочую
температуру — меньше расход топлива/вредные выбросы после пуска холодного
двигателя;
- более комфортные условия для водителя/пассажиров (вследствие более быстрого
прогрева ОЖ быстрее прогревается и салон автомобиля).
10
Клапанная крышка с установленными в ней распредвалами:
- подшипники качения со стороны привода;
- уменьшенный диаметр опорных шеек;
- компактная конструкция;
- на двигателях TSI — привод топливного насоса высокого давления.
Модификации:
1) двигатели MPI (1,6 MPI/81 кВт — применение на а/м Škoda: с начала 2014 года
для некоторых стран);
2)
1,2 TSI — с регулятором фаз ГРМ только на распредвалу впускных клапанов (+
датчик положения распредвала впускных клапанов);
3)
1,4 TSI — с регуляторами фаз ГРМ на обоих распредвалах (+ 2 датчика
положения, на каждом из распредвалов);
4)
1,2 и 1,4 TSI — с регуляторами фаз ГРМ на обоих распредвалах (+ 2 датчика
положения, на каждом из распредвалов) + система отключения цилиндров —
применение с прим. 5/2014.
11
VW стал первым автопроизводителем в мире, начавшим устанавливать на серийно выпускаемые
двигатели систему активного отключения цилиндров (ACT). Экономия топлива составляет
порядка 0,4 л/100 км (в городском цикле — до 1 л/100 км).
Клапанная крышка (корпус распредвалов):
- компактная система не требует изменения корпуса распредвалов по сравнению с базовым
исполнением;
- двухпозиционные переключатели для цилиндров 2 и 3 (под два на каждый цилиндр —
впускной и выпускной клапан);
- регуляторы фаз ГРМ для впускных и выпускных клапанов;
- встроенный привод топливного насоса высокого давления;
- блоки кулачков сдвигаются по шлицам распредвала, собственная конструкция VW;
- встроенный насос системы охлаждения;
- подшипники качения со стороны привода.
Снижение расхода топлива за счёт работы двигателя в режиме, оптимальном для каждого
диапазона оборотов/нагрузки:
- деактивирование цилиндров 2 и 3 при низких нагрузках за счёт отключения привода
клапанов с помощью модернизированной системы Audi Valve System (AVS) с
двухпозиционными переключателями;
- снижение механических потерь на перекачивание благодаря закрыванию цилиндров 2 и 3;
- повышение эффективности работающих цилиндров 1 и 4 за счёт смещения нагрузки на них в
более высокий и выгодный диапазон;
- отключение в диапазоне оборотов от 1400 об/мин до 4000 об/мин;
- уменьшение тормозящего момента в режиме принудительного холостого хода;
- функция Старт-стоп при стоящем автомобиле;
- снижение расхода топлива — 16 %.
После отключения средних цилиндров переключением их впускных и выпускных клапанов в
режим работы с нулевым ходом доступ воздуха в эти цилиндры прекращается, впрыск топлива
и, соответственно, его сгорание не происходит. Цилиндры ведут себя в этом случае как
воздушный насос и при движении поршней вверх сжимают воздух, как в пневмобаллоне. При
движении вниз сжатый воздух ведёт себя как пружина, с силой толкая поршни вниз. Оба
крайних цилиндра работают в таком режиме хотя и с большей нагрузкой, но в заметно более
эффективном диапазоне (более эффективно используют энергию сгорания топлива). Если бы в
обоих внутренних цилиндрах отключались только впрыск топлива и зажигание, но клапаны
продолжали бы открываться и закрываться, то цилиндры перекачивали бы воздух, что вызывало
бы заметно более высокие потери механической энергии.
Наиболее эффективной система оказывается в городском движении, поэтому режим работы на
двух цилиндрах может включаться в диапазоне оборотов 1250 — 4000 об/мин. Выше этой
верхней границы требуется, как правило, очень высокий крутящий момент, реализовать
который два цилиндра могут только при существенной перегрузке. Ниже указанной нижней
границы оборотов работа двигателя на двух цилиндрах не будет достаточно равномерной.
12
Система VW (перенята и модифицирована от Audi AVS):
- переключение клапанов на «нулевой ходª за счёт осевого смещения блоков
кулачков;
- блоки кулачков с Y-образной канавкой;
- механическое смещение блока кулачков с помощью электрического
двухпозиционного исполнительного элемента с выдвижным штифтом — выдвижной
штифт исполнительного механизма регулирования подъёма клапана входит
в Y-канавку блока кулачков, который при повороте распредвала смещается в
осевом направлении на 6 мм.
Условия включения 2-цилиндрового режима:
- число оборотов двигателя в диапазоне 1250-4000 об/мин;
- требуемый крутящий момент двигателя, в зависимости от скорости, до 85 Н∙м;
- температура масла, определённая для регуляторов фаз ГРМ, достигает мин. 10 °C;
- лямбда-регулирование активно.
Условия
Двигатель переключается в 2-цилиндровый режим, когда потребление топлива в
таком режиме будет меньше, чем
в 4-цилиндровом и выполняются определённые условия (см. слайд).
Если во время работы в 2-цилиндровом режиме на короткое время потребуется более
высокий крутящий момент (например, при ускорении), двигатель переключается в 4-
цилиндровый режим.
Для переключения в 2-цилиндровый режим работы отработавшие газы отводятся из
соответствующих цилиндров, после чего их выпускные клапаны отключаются.
Впускные клапаны открываются ещё раз на следующем такте впуска и отключаются.
Зажигание и впрыск также отключаются.
Потенциальная экономия топлива в размере 0,4 л/100 км по NEFZ* обусловлена
следующими факторами:
меньшими потерями на дросселирование за счёт большего угла открытия дроссельной
заслонки в 2-цилиндровом режиме.
Oставшиеся 2 цилиндра работают в более эффективном диапазоне нагрузок.
Mеньшие потери на нагрев стенок.
13
Система охлаждения двигателя
Двухконтурная система охлаждения с двумя термостатами — отдельно для блока
цилиндров и для ГБЦ. Уменьшенный объём системы (меньшее количество ОЖ),
раздельное регулирование температуры по двум контурам и встроенный в ГБЦ
выпускной коллектор обеспечивают более быстрый прогрев двигателя до рабочей
температуры. Это означает экономию топлива и снижение вредных выбросов.
В контур системы охлаждения включён также масляный радиатор двигателя.
- Отдельный низкотемпературный контур для охлаждения наддувочного воздуха,
циркуляция ОЖ в нём обеспечивается электрическим насосом.
- Термостат выполнен в одном блоке с насосом системы охлаждения, который
приводится зубчатым ремнём от распредвала выпускных клапанов.
- Двухконтурная схема системы охлаждения — раздельные контуры для охлаждения
ГБЦ/блока цилиндров (ГБЦ: 87 °C, блок цилиндров: 105 °C).
14
Насос системы охлаждения на новых двигателях 1,2 и 1,4 TSI выполнен в одном узле
с термостатом и приводится зубчатым ремнём от распредвала выпускных клапанов.
15
16
Ремень привода ГРМ
На семействе двигателей EA211 привод распредвалов осуществляется зубчатым
ремнём. Благодаря применению современных технических решений, таких как,
например, стекловолоконное армирование, срок службы ремня соответствует сроку
службы всего автомобиля. Эти зубчатые ремни первоначально были разработаны для
приводов ГРМ дизельных двигателей, в которых они должны выдерживать высокие
нагрузки.
Привод ГРМ:
- привод однорядным зубчатым ремнём шириной 20 мм;
- уменьшение нагрузок на ремень за счёт использования овального шкива —
решение, аналогичное применяемому на двигателях TDI;
- высококачественные ремни, разработанные для TDI, не требуют обслуживания;
- оптимизированный натяжитель;
- цепной привод регулируемого масляного насоса;
- привод навесных агрегатов с более низким натяжением (поворотом генератора),
длительное сохранение натяжения.
18
Турбонагнетатель
Каталитический нейтрализатор и турбонагнетатель объединены в один узел
(снимаются и устанавливаются в сборе). Электрический привод (электродвигатель)
управления байпасным клапаном обеспечивает быстрое и точное регулирование
работы турбонагнетателя. В результате переходы между режимами занимают меньше
времени, двигатель быстрее реагирует на педаль акселератора.
Термодинамически оптимизированный турбонагнетатель
- единый штуцер системы смазки — масло, охлаждение — ОЖ, ОГ и воздух — газы;
- электропривод байпасного клапана — существующие двигатели 1,4 TSI, ресивер,
регулируется клапаном N75;
- существенное снижение массы узла турбонагнетателя за счёт того, что выпускной
коллектор встроен в ГБЦ.
19
20
21
Контур высокого давления системы питания
В контуре низкого давления системы питания поддерживается давление 2-6 бар
(чтобы предотвратить вспенивание топлива в топливном насосе высокого давления).
Давление в контуре высокого давления более высокое, чем в прежних системах
непосредственного впрыска. На холостом ходу оно достигает 140 бар. При
увеличении оборотов и нагрузки давление может повышаться до 200 бар. Такое
высокое давление способствует распылению топлива и хорошему смесеобразованию.
Предохранительный клапан в системе открывается при достижении давления в
220 бар.
22
Новое расположение БУ двигателя в моторном отсеке — между блоком
предохранителей и АКБ.
Без защиты/с защитой от кражи (защитный кожух) — в зависимости от комплектации
а/м.
БУ двигателя — версия: BOSCH MED 17.5.21.
30
31
32
33
Регулирование давления масла
Давление может регулироваться двухступенчато. В режиме низкого давления (при
малом числе оборотов и низкой нагрузке) давление поддерживается на уровне прим.
1,8 бар. В режиме высокого давления — на уровне прим. 3,3 бар.
На рисунке масляный насос показан в режиме пуска двигателя и холостого хода. По
каналу от напорной стороны насоса масло через клапан регулирования давления
масла N428 поступает к регулирующему плунжеру и механизму перемещения. Для
реализации режима низкого давления блок управления подаёт на клапан напряжение
— в результате оказываются открыты оба канала к управляющему плунжеру.
Поскольку давление масла в этот момент пока ещё мало (ниже 1,8 бар), управляющий
плунжер смещается против сопротивления управляющей пружины только
незначительно. Пружина механизма перемещения смещает механизм в сторону
максимальной подачи. Масляный насос работает с максимальной подачей, пока не
будет достигнут уровень низкого давления масла (1,8 бар). В режиме холостого хода
давление масла может устанавливаться ниже этого значения.
34
При увеличении числа оборотов двигателя давление масла возрастает и обеспечивает
смещение плунжера против усилия пружины.
В результате плунжер перекрывает канал подачи масла к передней плоскости
механизма перемещения (со стороны пружины), одновременно открывая канал для
слива масла в поддон. Теперь со стороны пружины действует только усилие пружины,
которое меньше силы давления масла, действующей на противоположную плоскость
механизма перемещения (напротив пружины).
Таким образом, механизм перемещения сдвигается против усилия пружины. Ведомая
шестерня насоса сдвигается в осевом направлении относительно ведущей шестерни.
Производительность насоса уменьшается.
Когда давление снижается слишком сильно, снова открывается канал к плоскости
механизма перемещения со стороны пружины и механизм перемещения сдвигается в
направлении большей подачи. Весь процесс постоянно повторяется, и давление масла
колеблется на отметке 1,8 бар.
35
При больших оборотах или при большой нагрузке двигателю требуется больше
смазки, для чего давление масла должно поддерживаться на более высоком уровне
(уровень высокого давления). Для этого блок управления перестаёт подавать
напряжение на клапан N428.
Давление масла действует теперь только на кольцевую рабочую поверхность
плунжера, а на торцевую больше не действует.
В результате общая сила давления масла становится меньше усилия управляющей
пружины, плунжер быстро смещается (на рисунке — направо). Вследствие этого
канал к плоскости механизма перемещения со стороны пружины открывается ещё
больше. Механизм перемещения сдвигается в направлении полной подачи
(максимальной производительности). Регулирование начинается заново, теперь на
высоком уровне.
Контролируют давление масла 2 разных датчика давления:
датчик давления масла F1 (прим. 2,4 бар);
датчик низкого давления масла F378 (прим. 0,4 бар).
Первые 1000 км пробега автомобиля двигатель работает только с высоким
уровнем давления масла. В этой фазе клапан регулирования давления масла
N428 не используется.
36
Точно так же, как и на старых двигателях 1,2 TSI, на новых
двигателях используется картер с внутренней вентиляцией. В отличие
от двигателей 1,0 MPI/44 и 55 кВт с впрыском во впускной коллектор,
на двигателях TSI не требуется регулирующий клапан.
В режиме работы без наддува картерные газы подаются во впускной
тракт, в режиме наддува — через блок цилиндров и ГБЦ на стороне
впуска турбонагнетателя.
37