Volkswagen: Двухлитровый двигатель FSI с турбонаддувом. Устройство, принцип действия

Общая конструкция двигателя

Конструкция двигателя с турбонаддувом
разработана на базе выпущенного ранее
двухлитрового двигателя FSI модели AXW.
При это были сохранены все его основные
размеры.

Изменения были введены только в конст#
рукцию тех компонентов, которые должны
соответствовать повышенным требовани#
ям, связанным с применением наддува.

Введение

S337_003

Выпускной коллектор конструктивно объе#
динен с турбокомпрессором и образует с
ним общий модуль.
Фланец этого модуля притягивается к го#
ловке цилиндров посредством клеммовых
соединений, которые должны облегчать
проведение сервисных работ.

Конструкция кривошипно#шатунного ме#
ханизма была приведена в соответствие с
повышенными требованиями, связанными
с наддувом.

Выпускной коллектор

Турбокомпрессор

S337_004

Перепускной клапан
турбокомпрессора N249

Электромагнитный

клапан ограничения

давления наддува N75

Поршень

Шатун

Коленчатый вал

Резонансный
глушитель

Конструкция головки цилиндров была
приведена в соответствие с повышенными
механическими и тепловыми нагрузками.
Впускной распределительный вал плавно
переставляется в пределах 42° по углу
поворота коленчатого вала.

S337_005

Оптимизированный для данного двигателя
уравновешивающий механизм приводится
через цепную передачу с встроенными в
ведомую звездочку упругими элементами.
Их принцип действия такой же, как у упру#
гих элементов двухмассового маховика.

S337_006

Головка цилиндров

Впускные каналы

Ведомая звездочка с

упругими элементами

Уравновешивающий
механизм

Механизмы и системы двигателя

Техническая характеристика

Двухлитровый двигатель FSI с турбонаддувом первоначально нашел применение на
автомобиле Audi A3 Sportback. Фирма Volkswagen начала устанавливать этот двигатель
на автомобиль Golf GTI.

К особенностям конструкции
двигателя относятся:

# турбокомпрессор, объединенный с

выпускным коллектором;

# однотрубная система выпуска с прибли#

женным к двигателю предварительным
нейтрализатором и установленным под
днищем кузова основным нейтрализатором;

# насос высокого давления фирмы Hitachi, при#

способленный для подачи этилового спирта;

# тупиковая система топливоподачи;
# система впрыска топлива, обеспечива#

ющая образование гомогенной смеси.

S337_007

Техническая характеристика

Модель двигателя

AXX

Тип

4#цилиндровый, рядный

Рабочий объем, см

1984

Диаметр цилиндра, мм

82,5

Ход поршня, мм

92,8

Степень сжатия

10,5

Макс. мощность, кВт

147 при 5700 об/мин

Макс. крутящий
момент, Н·м

280 при
1800#4700 об/мин

Система управления
двигателем

Bosch Motronic MED 9.1

Диапазон поворота
впускного вала, град.
по коленч. валу

Тип рециркуляции
отработавших газов

Внутренняя

Топливо

Неэтилированный бензин
"Супер#Плюс" с ИОЧ 98
(при использовании
бензина "Супер" с ИОЧ 95
мощность двигателя
несколько снижается)

Система очистки
отработавших газов

Два трехкомпонентных
нейтрализатора с
датчиками кислорода.

Выполняемые нормы
выбросов токсичных
веществ

Евро IV

Внешняя характеристика

S337_008

Частота вращения,

об/мин

Крутящий момент,
Н·м

Мощность,

кВт

Коленчатый вал

Прочность коленчатого вала была при#
ведена в соответствие с повышенными
давлениями рабочего цикла.

Увеличение жесткости этого вала было
достигнуто за счет увеличения толщины
упорных приливов, прилегающих к
коренным и шатунным шейкам.

Блок цилиндров

Рабочие поверхности чугунного блока
цилиндров подвергаются струйному
хонингованию.

Струйное и плосковершинное хонингова#
ние дополняют в данном случае обычную
двухступенчатую финишную обработку.
При применении нового способа хонинго#
вания подаваемая под высоким давлением
жидкость смывает с рабочей поверхности
цилиндра выдавленные при предвари#
тельной обработке образования. При этом
вскрываются замазанные канавки от хона,
а также микрообъемы, образованные при
кристаллизации сплава. В результате
обработанная поверхность достаточно
хорошо очищается от загрязняющих ее
металлических частиц. При проведении
следующих этапов хонингования сглажи#
ваются острые кромки, образовавшиеся
при струйной обработке, а также скругля#
ются вершины неровностей.
Новый способ хонингования позволяет
сократить обкатку двигателя и способ#
ствует снижению расхода масла на угар.

Изменение конструкции поршня

Днище поршня двигателя T#FSI было
изменено, чтобы обеспечить работу
двигателя на гомогенной смеси (при
сниженной степени сжатия).

S337_009

S337_010

S337_011

Упорные приливы

2,0l 4V FSI

2,0l 4V T#FSI

Уравновешивающий механизм

Уравновешивающий механизм заимство#
ван у базового двигателя FSI, но в его
конструкцию были внесены некоторые
изменения, а именно:

●

в звездочку цепного привода встроены
упругие элементы;

●

зубчатые венцы отделены от противовесов
для увеличения степени уравновешанности;

●

увеличена ширина шестерен масляного насоса;

●

в корпус уравновешивающего механизма
встроен редукционный клапан системы
смазки с гидравлическим управлением;

●

конструкция отливаемого под давлени#
ем корпуса приведена в соответствие с
возросшими нагрузками на него;

●

валы уравновешивающего механизма
вращаются непосредственно в расточ#
ках алюминиевого корпуса.

Механизмы и системы двигателя

Звездочка цепной передачи с встроенными упругими элементами

Высокая неравномерность вращения коленчатого вала в нижнем частотном диапазоне
приводит к повышенным нагрузкам на цепь привода уравновешивающего механизма.
Если у базового двигателя амплитуда колебаний коленчатого вала не превышают 0,8°, то у
двигателя FSI с наддувом она достигает 2°. Если ничего не предпринимать, действующие
на цепь повышенные усилия приведут к ее преждевременному износу. Поэтому было ре#
шено установить в ступицу ведомой звездочки серповидные пружины, с помощью которых
разрывается жесткая связь уравновешивающего механизма с коленчатым валом.

S337_013

Алмазная шайба

Ступица

Втулка подшипника

Две серповидные пружины

Фрикционный диск

Тарельчатая пружина

Крышка

Звездочка

Коленчатый вал

Ведомая звездочка
цепной передачи

Шестерня уравновеши#
вающего механизма

Противовесы

Валы уравно#
вешивающего
механизма

Трубопровод
забора масла

Масляный насос

S337_012

Корпус уравно#
вешивающего
механизма

> d

Зубчатоременная передача

У данного двигателя, как и у всех 4#цилин#
дровых рядных двигателей серии 113,
газораспределительный механизм приво#
дится посредством зубчатого ремня, при#
чем ремень непосредственно приводит
только выпускной вал.

Следующие обстоятельства привели к
ужесточению требований к зубчаторемен#
ной передаче:

●

в связи с наддувом были увеличены
усилия клапанных пружин;

●

также при наддуве оказалось необходи#
мым изменить фазы газораспределения
при сохранении возможности поворота
впускного вала в диапазоне 42° по
коленчатому валу;

●

увеличились затраты мощности на привод
топливного насоса высокого давления,
тройной кулачок которого выполнен
непосредственно на впускном вале.

Поэтому в конструкцию зубчатоременной
передачи базового двигателя были введе#
ны некоторые изменения. В частности, на
коленчатый вал был установлен зубчатый
шкив эллиптической формы.
Этот впервые примененный зубчатый

шкив типа CTC* существенно уменьшает
неравномерность вращения распредели#
тельных валов и снижает нагрузки на
зубчатый ремень.

* CTC – crankshaft torsionals cancellation

Принцип действия

На рисунке 337_014 показано положение
зубчатого шкива на коленчатом валу при
нахождении поршня первого цилиндра в
ВМТ сжатия. Поворот коленчатого вала из
этого положения происходит при совер#
шении рабочего хода в этом цилиндре, со#
провождаемым резким повышением силы
растяжения зубчатого ремня. Но благода#
ря эллиптической форме зубчатого шкива
эта сила существенно снижается, так как в
зацепление с ремнем вступает часть шкива
с уменьшенным эффективным радиусом.
Возбуждаемые при этом крутильные коле#
бания противодействуют резонансным
колебаниям механизма газораспределения
с частотой второго порядка, а на других
частотах они практически не проявляются.

S337_014

Головка цилиндров

В связи с применением наддува конструк#
ция головки цилиндров базового двигателя
FSI была изменена следующим образом:

●

введено натриевое охлаждение
выпускных клапанов,

●

посадочные поверхности впускных и
выпускных клапанов наплавлены
износостойким материалом,

●

сохранена структурная жесткость роли#
ковых рычагов при уменьшении ширины
роликов и кулачков,

●

применены усиленные пружины клапа#
нов (при этом установлены одинаковые
пружины на впускные и выпускные
клапаны).

Помимо указанных выше мероприятий
была изменена форма впускного канала.
Усиленное вихреобразование на впуске в
цилиндры должно предотвращать возни#
кновение детонации и способствовать
плавности хода двигателя.

Механизмы и системы двигателя

S337_015

2,0l 4V FSI

2,0l 4V TFSI

S337_016

Система вентиляции картера

В картере двигателя постоянно поддержи#
вается определенное разрежение, которое
создается системой раздельного отсоса
газов из объемов картера и головки
цилиндров.

Прорвавшиеся в картер газы направляют#
ся в предварительный маслоотделитель,
расположенный в модуле масляного
фильтра, и далее в каналы крышки головки
цилиндров.

Здесь к газам из картера подмешиваются
газы из объема под крышкой головки ци#
линдров. После этого газы пропускаются
через дополнительный лабиринтный
маслоотделитель.

У двигателя с наддувом предусмотрена
достаточно сложная система регулирова#
ния давления картерных газов с двухсту#
пенчатым ограничительным клапаном,

через который газы отводятся во впускной
трубопровод или в патрубок перед турбо#
компрессором. Газы отводятся непосред#
ственно во впускной трубопровод, если
давление в нем ниже атмосферного.

Если давление во впускном трубопроводе
превысило значение атмосферного давле#
ния, закрывается обратный клапан, распо#
ложенный в корпусе ограничительного
клапана. Вследствие этого газы отводятся
через канал в крышке головки цилиндров
во впускной патрубок турбокомпрессора.
Чтобы исключить неправильный монтаж
ограничительного клапана, в нем предус#
мотрен так называемый диагностический
канал. При ошибочной установке клапана
через его уплотнение в двигатель поступа#
ет воздух, не учтенный датчиком массово#
го расхода. Этот воздух регистрируется
датчиком кислорода, по сигналу которого
вводится ошибка в регистратор
неисправностей.

S337_017

Лабиринт в крышке головки цилиндров

Диагностический
канал

Ограничительный
клапан

Обратный клапан

Выход газов к турбокомпрессору

Модуль масляного
фильтра

Выход газов
к впускному
трубопроводу

отвод газов к турбокомпрессору при наддуве
отвод газов во впускной трубопровод при
разрежении в нем

Обратный клапан

Предварительный
маслоотделитель

Механизмы и системы двигателя

S337_018

Модуль турбкомпрессора

Ввиду сложности размещения двигателя под капотом была разработана конструкция
выпускного коллектора, объединенного с корпусом турбины. Эта конструкция обеспечи#
вает установку двигателя как в продольном, так и в поперечном направлении при всех
видах приводов. Одновременно были решены задачи упрощенного монтажа и демонтажа
выпускного коллектора и размещения нейтрализатора вблизи двигателя.

Подшипники ротора установлены непосредственно в корпусе компрессора. На крышке
головки цилиндров расположены патрубки системы вентиляции картера. На напорном
патрубке компрессора установлен на винтах резонансный глушитель, который должен
снижать шум, вызываемый пульсациями давления на выходе из компрессора.

Турбокомпрессор регулируется посредством электромагнитного клапана ограничения
давления наддува N75, действующего на перепускную заслонку в байпасе турбины (как у
двигателя 1,8 Turbo), и перепускного клапана компрессора.

Клапан ограничения давления наддува N75 и перепускной клапан компрессора N249
установлены непосредственно на турбокомпрессоре.

Патрубок системы
вентиляции картера

Трубопровод для
отвода охлаждающей
жидкости в радиатор
или для подвода ее от
дополнительного
электронасоса

Трубопровод
к адсорберу

Подвод масла
под давлением

Перепускной клапан
компрессора N249

Подвод охлаждающей
жидкости от блока
цилиндров

Слив масла в картер

S337_019

Крепление фланца модуля турбокомпрессора

Фланец модуля турбокомпрессора закрепляется на головке цилиндров посредством всего
пяти шпилек.
При демонтаже этого модуля клеммовая планка должна оставаться на головке цилиндров.

Выпускной коллектор выполнен в соответствии с требованиями импульсной системы над#
дува. Он разделен перегородкой на две части, которые служат для равномерной подачи
отработавших газов на колесо турбины. При этом перегородка разделяет выпускные каналы
в соответствии с порядком работы цилиндров и предотвращает тем самым отрицательное
действие давления газов, выходящих из одних цилиндров, на очистку других цилиндров.

Эти мероприятия помогают поддерживать необходимую частоту вращения ротора
турбокомпрессора и улучшают его динамическую характеристику.

Клеммовая планка

Разделительная
перегородка

Посредством широтно#импульсного управ#
ления клапана N75 формируется управля#
ющее давление из давлений на выходе из
компрессора и на впуске в двигатель.
Управляющее давление действует на
пневмопривод, связанный через штангу с
заслонкой в байпасе турбины. При откры#
тии этой заслонки часть отработавших
газов направляется в систему выпуска,
минуя турбину. Эта система позволяет
регулировать частоту вращения ротора
турбокомпрессора и тем самым создава#
емое им давление наддува.

Механизмы и системы двигателя

S337_020

Перепускной клапан компрессора N249

Электромагнитный клапан
ограничения давления
наддува N75

Пневмопривод

Перепускная заслонка

Охладитель
наддувочного воздуха

При неисправности системы
регулирования пружина пневмо#
привода сжимается полным
давлением наддува, в результате
чего оно снижается до базового
уровня.

Система наддува и принцип ее регулирования

S337_027

Регулирование турбокомпрессора на режимах принудительного
холостого хода (с заменой пневмопривода на электропривод)

Чтобы предотвратить резкое снижение частоты вращения ротора турбокомпрессора при
переходе двигателя на режим холостого хода и в процессе переключения передач, применя#
ют систему перепуска сжатого в компрессоре воздуха через клапан с электроприводом N249.

Применявшийся ранее для этой цели пневопривод оказался недостаточно надежным и
был заменен на электропривод.

При переходе двигателя на режим принудительного холостого хода, а также при его
разгрузке в процессе переключения передач дроссельная заслонка закрывается не
полностью, а перепускной клапан соответственно открывается.

При работе двигателя на режиме принудительного холостого хода в корпусе компрессора
действует скоростной напор, который вызывает резкое торможение колеса компрессора и
соответствующее снижение давления наддува. Чтобы смягчить нежелательные послед#
ствия этого явления на последующий разгон турбокомпрессора (эффект "турбоямы"),
перепускают сжатый в компрессоре воздух через клапан N249 с электроприводом.
Этот клапан установлен в байпасе компрессора, т. е. воздух из выходного патрубка компрес#
сора вновь возвращается на его вход. Благодаря этому поддерживается достаточно высо#
кая частота вращения ротора турбокомпрессора, которая используется для ускорения его
выхода на режим наддува после открытия дроссельной заслонки.

Режим принудительного холостого хода

Подвод воздуха

от воздушного

фильтра

Режим работы под нагрузкой

Перепускной
клапан открыт

Перепускной
клапан закрыт

Механизмы и системы двигателя

Система охлаждения с дополнительным электронасосом и с
задержкой выключения электровентилятора

Чтобы предотвратить пригорание масла в подшипниках турбокомпрессора после остановки
горячего двигателя, включается электронасос, обеспечивающий циркуляцию охлаждающей
жидкости в двигателе продолжительностью до 15 минут. При этом направление циркуляции
охлаждающей жидкости иное, чем при работе двигателя. Электронасос забирает охлажден#
ную в радиаторе жидкость и подает ее сначала к турбокомпрессору и только через него в
блок цилиндров. Далее охлаждающая жидкость возвращается в радиатор. Таким образом
охлаждаются детали, отвод тепла от которых затруднен.

S337_021

Подвод жидкости к
блоку цилиндров

Прокачка жидкости
электронасосом

Выход из радиатора

Подвод жидкости к
турбокомпрессору

Прокачка жидкости
насосом двигателя

Вход в радиатор

Вспомогательный
электронасос

Прокачка жидкости
электронасосом

Прокачка жидкости
насосом двигателя

120

160

200

240

280

320

100

120

140

160

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

При работе двигателя с малой нагрузкой в
диапазоне частот вращения от 1000 до
5000 об/мин они закрываются, чтобы:

# повысить качество смесеобразования в

цилиндрах холодного двигателя,

# интенсифицировать вихреобразование

воздушного заряда и тем самым
улучшить плавность хода двигателя,

# исключить пропуски воспламенения.

При работе двигателя на иных режимах
заслонки открыты и не вызывают сниже#
ние мощности из#за повышенного аэро#
динамического сопротивления на впуске
в цилиндры двигателя.

Заслонки во впускных патрубках

Так как двигатель должен работать исключительно на гомогенной смеси, заслонки во впус#
кных патрубках используются только для поддержки смесеобразования в его цилиндрах.

Заслонки во впускных патрубках
со стальным валиком

Блок дроссельной заслонки

S337_023

Штанга привода

Электропривод
заслонок V157 с
потенциометрическим
датчиком положения
G336

Крутящий момент,
Н·м

Мощность,

кВт

Частота вращения,

об/мин

Режимы, на которых заслонки закрыты

S337_022

Механизмы и системы двигателя

Топливная система

Двигатели с непосредственным впрыском бензина оснащаются регулируемым по подаче
топливоподкачивающим электронасосом. Регулирование насоса позволяет снизить
затраты мощности на его привод и тем самым повысить экономичность двигателя.

Чтобы обеспечить впрыск необходимых доз топлива под относительно высоким давлением,
в приводе насоса высокого давления предусмотрен тройной кулачок (вместо двойного
кулачка у двигателя модели AXW).

Электронасос подает только такое количество топлива, которое расходуется двигателем.
При этом он поддерживает заданное давление топлива в контуре низкого давления.
Электронасос имеет широтно#импульсное питание, получаемое через усилитель мощности
от блока управления двигателем. Последний регулирует подачу насоса, изменяя частоту
его вращения.

S337_024

Форсунка высокого давления

Датчик давления топлива G247

Предохранительный клапан

Контур высокого давления

Контур низкого
давления

Датчик низкого
давления
топлива G410

Топливный насос
высокого давления

Клапан регулятора давления N276

Тройной кулачок

Способы смесеобразования

В двигателе с турбонаддувом используются два способа смесеобразования.

Двухфазный впрыск при пуске холодного двигателя

Двухфазный впрыск топлива применяется для ускорения разогрева нейтрализатора.
При этом часть топлива впрыскивается на такте впуска приблизительно за 300° до ВМТ сжатия.
До момента зажигания эта доза топлива успевает хорошо перемешаться с воздухом и
образовать с ним гомогенную смесь. На такте сжатия, приблизительно за 60° до ВМТ,
впрыскивается вторая часть топлива.
Это топливо образует богатую смесь в зоне свечи, обеспечивая устойчивое ее воспламе#
нение, которое производится в данном случае при очень позднем зажигании.
Суммарный за обе фазы впрыска коэффициент избытка воздуха равен единице. Так как
сгорание смеси происходит незадолго до открытия выпускных клапанов, температура
отработавших газов достигает относительно высоких значений. При этом нейтрализатор
разогревается до рабочей температуры (350°C) относительно быстро (за 30#40 секунд).

При открывании двери водителя срабатывает контактный датчик, включающий топливопод#
качивающий электронасос. Предварительная подкачка топлива способствует ускорению
пуска двигателя и быстрому подъему давления в топливной рампе. Чтобы предотвратить
повреждение насоса от перегрузки, в него встроен счетчик, ограничивающий время
предварительного включения.

Работа двигателя при разогретом до рабочих температур нейтрализаторе

Если отсутствует необходимость в разогреве нейтрализатора, двигатель работает на
гомогенной смеси, образуемой при впрыске топлива в зону свечи.
Коэффициент избытка воздуха равен при этом единице.
Постоянно работающий топливоподкачивающий насос исключает образование паровых
пробок в топливной системе горячего двигателя.

Volkswagen: Двухлитровый двигатель FSI с турбонаддувом. Устройство, принцип действия - часть 1