Τα µελλοντικά πρότυπα εκποµπών και η ανάγκη για αυξηµένη παραγωγική αποδοτικότητα οδήγησαν τον Όµιλο VW να ανανεώσει δύο από τους πιο δηµοφιλείς κινητήρες του.
Τα οχήµατα που χρησιµοποιούν την πλατφόρµα Premium Platform Combustion (PPC), θα είναι εξοπλισµένα µε µια αναθεωρηµένη σειρά κινητήρων ICE, βασισµένων στον µακροχρόνια επιτυχηµένο EA888 I4 µε υπερτροφοδότηση, ο οποίος ξεκίνησε την παραγωγή το 2006, καθώς και στον υπερτροφοδοτούµενο V6 E839 που κυκλοφόρησε το 2015. Η τελευταία έκδοση του EA888 θα είναι ο EA888evo5, ενώ ο νέος V6 θα ονοµάζεται EA839evo. Και οι δύο θα διατίθενται µε επιλογές ήπιας και plug-in υβριδικής τεχνολογίας.
Βελτίωση Τετρακύλινδρου Κινητήρα
Για να διασφαλίσει ότι ο ήδη επιτυχημένος κινητήρας θα συνεχίσει να πληροί τα εξελισσόμενα πρότυπα εκπομπών στις ΗΠΑ, την Ευρώπη και την Κίνα, ο Όμιλος VW έπρεπε να αυξήσει την απόδοση, εξαλείφοντας παράλληλα την ανάγκη εμπλουτισμού καυσίμου σε όλο το εύρος λειτουργίας του κινητήρα, με τον λ να μην υπερβαίνει το 1. Ταυτόχρονα, δόθηκε προτεραιότητα στην ευκολία ενσωμάτωσης του κινητήρα σε διάφορες πλατφόρμες του Ομίλου VW, διατηρώντας παράλληλα την ευελιξία για την υποστήριξη διαφορετικών επιλογών υβριδοποίησης.
Για να βελτιωθούν η αποδοτικότητα και η ισχύς, απαιτήθηκαν αναθεωρήσεις στο σύστημα καύσης, ιδίως η αύξηση της σχέσης συμπίεσης (CR) από 12,2:1 σε 12,5:1 στις εκδόσεις υψηλής απόδοσης, κατηγοριοποιημένες ως Performance Class 2 (PC2). Στις εκδόσεις PC1 χαμηλότερης απόδοσης, η αύξηση ήταν πιο σημαντική, από 9,6 σε 10,5:1. Για να μειωθούν οι επιπτώσεις σε θόρυβο, κραδασμούς και σκληρότητα (NVH) από αυτή την αύξηση στη CR, χρησιμοποιήθηκε ένας ηλεκτρικός ρυθμιστής εκκεντροφόρου στον εκκεντροφόρο εισαγωγής, ώστε να μειώνεται η συμπίεση κατά την εκκίνηση.
Τα κινούμενα μέρη ενισχύθηκαν, με τη διάμετρο του κομβίου του στροφάλου να αυξάνεται από 47,8mm σε 50,0mm. Το μήκος της μπιέλας μειώθηκε από 144mm σε 140mm, επιτρέποντας τη χρήση παχύτερης κεφαλής εμβόλου. Επίσης, εισήχθη υπερτροφοδότης μεταβλητής γεωμετρίας (VGT), ενώ η πίεση του συστήματος έγχυσης καυσίμου αυξήθηκε από τα 350 bar στα 500 bar. Αυτή η αύξηση πίεσης απαίτησε αλλαγή στο σύστημα κίνησης της μηχανικής αντλίας καυσίμου, η οποία πλέον κινείται από τον αντικραδασμικό άξονα εντός του στροφαλοθαλάμου, αντί από τον εκκεντροφόρο εξαγωγής, όπως στις προηγούμενες εκδόσεις του EA888.
Παρά την αύξηση της πίεσης, οι εγχυτήρες εξακολουθούν να στεγανοποιούνται με o-rings, αν και ο σωλήνας διανομής καυσίμου (μπεκιέρα) είναι σφυρηλατημένος για αύξηση της αντοχής. Σε συνδυασμό με τον VGT, εισήχθη ένα νέο σύστημα ψύξης του συμπιεσμένου αέρα εισαγωγής χρησιμοποιώντας εναλλάκτη θερμότητας αέρα-νερού, για τη μείωση της πολυπλοκότητας στις διάφορες παραλλαγές μοντέλων.
Αναβάθµιση του V6 Κινητήρα EA839 από την Audi
Η Audi παρουσίασε τον κινητήρα EA839 το 2015, αντικαθιστώντας τον μηχανικά υπερτροφοδοτούμενο EA837. Με την πρώτη σημαντική αναβάθμιση της μονάδας, πολλοί από τους στόχους που τέθηκαν για τον EA888 αντικατοπτρίζονται και στον V6: συμμόρφωση με τις μελλοντικές κανονιστικές απαιτήσεις εκπομπών, στοιχειομετρική καύση υπό όλες τις συνθήκες λειτουργίας χωρίς την ανάγκη χρήσης μέτρων όπως η έγχυση νερού και αύξηση της απόδοσης (+10kW και 50Nm). Η βασική αρχιτεκτονική του μπλοκ διατηρήθηκε (χυτοπρεσαριστό από AlSi8Cu3). Τα κύρια έδρανα διπλής στερέωσης διαθέτουν επιπλέον εγκάρσια βίδα, ενώ έγιναν αλλαγές στη διαδικασία λείανσης για μείωση της τριβής. Χρησιμοποιείται ένας σφυρηλατημένος στροφαλοφόρος άξονας τεσσάρων εδράνων με διάμετρο έδρανου 65mm και διάμετρο έδρανου μπιέλας 56mm, που έχουν υποστεί επαγωγική σκλήρυνση για αύξηση της αντοχής.
Οι μπιέλες τύπου fracture-split είναι κατασκευασμένες από ατσάλι υψηλής περιεκτικότητας σε 36MnVS4 και έχουν τραπεζοειδή σχεδίαση με διάμετρο πείρου εμβόλου 20mm. Τα αλουμινένια έμβολα κατασκευάζονται με διαδικασία χύτευσης βαρύτητας και η κεφαλή τους έχει νέα γεωμετρία για να προσαρμόζεται στην αυξημένη σχέση συμπίεσης (12:1 αντί 11,2:1) στην πλευρά του θαλάμου καύσης. Ένα πακέτο ελατηρίων εμβόλου με πολύ χαμηλή συνολική εφαπτόμενη δύναμη, σε συνδυασμό με επικάλυψη στον άξονα του εμβόλου, βοηθά στη μείωση της τριβής.
Η σχεδίαση του θαλάμου καύσης έχει τροποποιηθεί, με μικρότερο όγκο. Η Audi σημειώνει ότι η βασική γεωμετρία της κεφαλής του εμβόλου απλοποιήθηκε, παρά την υψηλότερη σχέση συμπίεσης. Παρόλο που το σύστημα βαλβίδων παρέμεινε ουσιαστικά αμετάβλητο, νέοι αισθητήρες Hall και ενεργοποιητές εκκεντροφόρου παρέχουν μεγαλύτερη ανάλυση της κίνησης των εκκεντροφόρων, επιτρέποντας καλύτερη βελτιστοποίηση της δυναμικής ρύθμισης των εκκεντροφόρων.
Ο κύκλος Miller χρησιμοποιείται εκ νέου σε μεγαλύτερο βαθμό από ό,τι στον EA839, μέσω της εφαρμογής ενός συστήματος μονού υπερτροφοδότη VGT και της χρήσης ενός ζεύγους εξαιρετικά αποδοτικών εναλλακτών θερμότητας αέρα-νερού. Σε συνδυασμό με τις βελτιώσεις στον θάλαμο καύσης και το σύστημα έγχυσης (το οποίο πλέον λειτουργεί στα 350 bar αντί για 250 bar και είναι ικανό για έξι γεγονότα έγχυσης ανά κύκλο αντί για τρία), η Audi κατάφερε να επιτύχει τους στόχους της για απόδοση ενώ παράλληλα μείωσε σημαντικά τα σωματίδια και τις εκπομπές CO2. Ο κινητήρας σχεδιάστηκε εξ αρχής για να λειτουργεί με σύστημα ήπιας υβριδικής τεχνολογίας 48V και διατάξεις PHEV υψηλής τάσης.
Το intercooler είναι ενσωματωμένο στη πολλαπλή εισαγωγής και, σύμφωνα με την Audi, παρέχει εξαιρετική ψύξη του αέρα εισαγωγής παρά τις δύσκολες απαιτήσεις του κύκλου καύσης Miller του κινητήρα. Σημαντικό είναι ότι, σε σύγκριση με προηγούμενες λύσεις ψύξης φόρτισης αέρα-αέρα, επιτρέπει πιο σταθερό έλεγχο της θερμοκρασίας φόρτισης, που είναι ζωτικής σημασίας για τη σταθερότητα της καύσης σε υψηλά επίπεδα υπερπλήρωσης. Επιπλέον, η θέση του κοντά στην εισαγωγή βοηθά στη βελτίωση της απόκρισης του γκαζιού. Ωστόσο, λόγω της θέσης της πεταλούδας γκαζιού μεταξύ του υπερτροφοδότη και της εισόδου του Intercooler, ήταν απαραίτητο να προστεθεί υδρόψυξη για να αποτραπεί η υπερθέρμανση της πεταλούδας και πιθανές διαρροές λόγω διαστολής.
Τεχνολογία VGT: Το κλειδί για έναν πιο ακραίο κύκλο Miller
- Πλεονεκτήματα Μεταβλητής Γεωμετρίας
Το κλειδί για την αύξηση του δυναμικού ενός πιο ακραίου κύκλου Miller ήταν η ανάπτυξη ενός ολοκαίνουργιου υπερτροφοδότη για τον EA888. Ενώ οι προηγούμενες εκδόσεις χρησιμοποιούσαν μια παραδοσιακή διάταξη με βαλβίδα wastegate, ο evo5 χρησιμοποιεί μια μονάδα VGT. Για να επιτευχθούν τα υψηλότερα επίπεδα υπερπλήρωσης που απαιτούνται για τη διευκόλυνση του κύκλου Miller, ήταν απαραίτητος ένας υπερτροφοδότης με μεγαλύτερο λόγο πίεσης. Παρόλο που αυτό θα μπορούσε να επιτευχθεί με μια παραδοσιακή wastegate, η υψηλή θερμοκρασία καυσαερίων (EGT) θα αποτελούσε πρόβλημα.
Με τον VGT, λόγω της απουσίας ροής μάζας μέσω της wastegate και της καλύτερης εκκαθάρισης κυλίνδρων, οι θερμοκρασίες καυσαερίων (EGT) είναι χαμηλότερες (1.020°C στην περίπτωση του evo5). Το μόνο πραγματικό μειονέκτημα της χρήσης VGT ήταν μια ελαφριά μείωση στην απόκριση, η οποία όμως μπορούσε να μετριαστεί μέσω άλλων παραμέτρων, σε σημείο που να μην είναι αντιληπτή από τους οδηγούς.
Εκτενής προσοµοίωση, τόσο 1D όσο και 3D, πραγµατοποιήθηκε για να ταιριάξει η συµπεριφορά του υπερτροφοδότη µε τα επιθυµητά χαρακτηριστικά καύσης, µειώνοντας τον χρόνο που δαπανάται κατά τον σχεδιασµό και περιορίζοντας την ανάγκη για φυσικά πρωτότυπα.
Εκκίνηση µε Σοφιστικέ Χειρισµό
Όπως σημειώθηκε, ο EA888evo5 διαθέτει έναν ηλεκτρονικό ρυθμιστή εκκεντροφόρου στην εισαγωγή, ο οποίος προσφέρει 156° ρύθμισης, σε σύγκριση με τους 60° που ήταν διαθέσιμοι στο παλιό υδραυλικό σύστημα. Σύμφωνα με την Audi (η οποία ηγήθηκε της ανάπτυξης), η χρήση του πλήρους εύρους ρύθμισης για μείωση της συμπίεσης σήμαινε ότι οι κραδασμοί κατά την εκκίνηση μπορούσαν να μειωθούν κατά το ένα τρίτο, παρά τη μεγαλύτερη CR του νέου κινητήρα.
Αξιοσημείωτα, αυτή η βελτίωση στο NVH επιτεύχθηκε ακόμα και με την απλοποίηση του συστήματος Audi valvelift (AVS) στις εκδόσεις PC2. Προηγουμένως, το σύστημα αυτό χρησιμοποιούσε τέσσερα ξεχωριστά τμήματα εκκεντροφόρων με οκτώ ρυθμιστές, ένα περίπλοκο σύστημα που αύξανε τις απαιτήσεις χώρου και το κόστος κατασκευής. Το νέο σύστημα ένωσε τα δύο ζεύγη τμημάτων εκκεντροφόρων, με τη διαδικασία αλλαγής να επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας δύο διπλούς ενεργοποιητές. Αυτή η προσέγγιση απελευθέρωσε χώρο γύρω από την κεφαλή των κυλίνδρων, επιτρέποντας τη στενότερη τοποθέτηση του intercooler ενώ παράλληλα απλοποίησε την παραγωγή. Χρησιμοποιώντας έναν ακριβή δακτύλιο για τη σύνδεση των προηγουμένως ξεχωριστών τμημάτων εκκεντροφόρων, διατηρήθηκε η υπάρχουσα γραμμή παραγωγής. Για την έκδοση PC1, η Audi κατάφερε να εξαλείψει εντελώς το σύστημα AVS.
Σύστηµα Επεξεργασίας Καυσαερίων: Απαραίτητο για τις Μελλοντικές Απαιτήσεις Εκποµπών
Και οι δύο αναθεωρημένοι EA888 και EA839 διαθέτουν νέα συστήματα επεξεργασίας καυσαερίων, βελτιστοποιημένα ώστε να πληρούν τις μελλοντικές νομοθετικές απαιτήσεις εκπομπών και να προσφέρουν ένα πιο συμπαγές σύνολο κινητήρα. Για τον EA888evo5, η Audi ανέπτυξε ένα παγκόσμιο, οικονομικά βελτιστοποιημένο σύστημα εκπομπών, το οποίο μπορεί να ενσωματωθεί τόσο σε εγκάρσιες όσο και σε διαμήκεις πλατφόρμες.
Με την τοποθέτηση του καταλύτη και των φίλτρων σωµατιδίων βενζίνης (GPF) κοντά στον κινητήρα, βελτιώνονται οι χρόνοι ενεργοποίησης του καταλύτη και αποφεύγεται η ενεργή αναγέννηση.
Όπου είναι απαραίτητο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας δευτερεύων καταλύτης (για παράδειγμα, για να καλύψει τις απαιτήσεις SULEV των ΗΠΑ). Στις διαμήκεις διατάξεις, ο καταλύτης τοποθετείται στην έξοδο του στροβίλου, ενώ το φίλτρο σωματιδίων τοποθετείται εγκάρσια στο πίσω μέρος του κινητήρα. Στις εγκάρσιες διατάξεις, ένας συνδυασμένος καταλύτης-φίλτρο σωματιδίων επιτρέπει την τοποθέτηση ολόκληρου του συστήματος επεξεργασίας καυσαερίων πίσω από τον κινητήρα.
Βελτίωση Καύσης
Όπως και ο προκάτοχός του, ο EA888evo5 χρησιμοποιεί τον κύκλο Miller, αλλά σε πιο ακραία μορφή για να διευκολύνει τη λειτουργία με λ=1 σε όλα τα φορτία και με υψηλότερη συμπίεση. Για να επιτευχθεί αυτό, απαιτήθηκε η αρμονική συνεργασία υπερτροφοδότησης, ψύξης αέρα εισαγωγής, χρονισμού βαλβίδων και σχεδίασης θαλάμου καύσης. Ένας βασικός παράγοντας είναι η μέγιστη δυνατή συμπίεση του εισερχόμενου αέρα εκτός του θαλάμου καύσης, σε συνδυασμό με την αποτελεσματική απομάκρυνση θερμότητας από το intercooler. Αυτό βοηθά να ξεπεραστούν τα μειονεκτήματα του πρώιμου κλεισίματος βαλβίδων του κύκλου Miller, ενώ αποφεύγονται τα προβλήματα προανάφλεξης χωρίς να απαιτείται καθυστέρηση του χρονισμού ανάφλεξης, γεγονός που θα μείωνε την απόδοση.
Η επίτευξη αυτού κάθε άλλο παρά εύκολη ήταν. Η Audi επισημαίνει την πρόκληση της επίτευξης υψηλής ταχύτητας αέρα εισαγωγής παρά το πρώιμο κλείσιμο των βαλβίδων εισαγωγής, ενώ παράλληλα βελτιστοποιήθηκε το σχήμα του θαλάμου καύσης στον περιορισμένο διαθέσιμο χώρο στο άνω νεκρό σημείο (TDC), δεδομένης της υψηλής CR. Το αποτέλεσμα ήταν σημαντικά υψηλότερες πιέσεις υπερπλήρωσης (έως και 600mbar) από τον κινητήρα evo4, με επακόλουθες αυξήσεις ροπής (20Nm για το PC2) και κέρδη απόδοσης της τάξης του 2-3% σε ευρεία περιοχή του χάρτη λειτουργίας.
Ο EA888 θα παραμείνει αναμφίβολα το κύριο στοιχείο των μεγαλύτερων πλατφορμών ICE του Ομίλου VW (συμπεριλαμβανομένων μοντέλων που κατασκευάζονται ακόμη για την εγκάρσια πλατφόρμα MQB). Η έκδοση evo5 αποτελεί μια εντυπωσιακή αναβάθμιση, επιτυγχάνοντας θερμική απόδοση 38%, ενώ διαθέτει πολλές δυνατότητες βελτίωσης της παραγωγικής απόδοσης ως «παγκόσμιος» κινητήρας για τις διάφορες μάρκες του Ομίλου.
