Audi i Porsche EA839 oraz EA825 – problem aluminiowych zębatek w kołach faz rozrządu

Silniki Audi i Porsche z rodzin EA839 oraz EA825 są jednymi z najbardziej zaawansowanych jednostek napędowych stosowanych obecnie w samochodach grupy Volkswagen. Rodzina EA839 obejmuje przede wszystkim silniki 2.9 i 3.0 V6 TFSI, natomiast EA825 to jednostki 4.0 V8 TFSI.

Silnik EA825 został opracowany wspólnie przez Audi i Porsche, a jego konstrukcja bazuje na rozwiązaniach zastosowanych wcześniej w rodzinie EA839. Obie rodziny wykorzystują podobny układ napędu rozrządu oraz cztery hydrauliczne koła faz rozrządu – po jednym na każdy wałek ssący i wydechowy.

Sam system zmiennych faz rozrządu jest zaawansowany i pozwala znacząco poprawić przebieg momentu obrotowego, elastyczność silnika, zużycie paliwa oraz emisję spalin. Problemem okazał się jednak materiał zastosowany w oryginalnych zębatkach współpracujących z łańcuchem rozrządu.

W kołach OEM zastosowano aluminiowe koła łańcuchowe, które według naszych obserwacji i badań materiałowych mogą się łuszczyć, wykruszać oraz wprowadzać opiłki aluminium do układu smarowania.

W tym artykule wyjaśniamy:

• jak działają koła faz rozrządu w silnikach EA839 i EA825,
• kto wyprodukował oryginalne nastawniki,
• dlaczego aluminiowe zębatki mogą ulegać uszkodzeniu,
• czy nowsze numery 06M109087K i 06M109088K rzeczywiście zostały poprawione,
• jakie zagrożenie stanowią opiłki aluminium w oleju,
• czym różnią się przeprojektowane koła MEHENKER,
• oraz dlaczego podczas wymiany warto zamontować również nowe pierścienie uszczelniające wałków.

Zobacz problem aluminiowych zębatek na naszym filmie

W naszym filmie pokazujemy oryginalne koła faz rozrządu stosowane w silnikach Audi i Porsche EA839 oraz EA825. Wyjaśniamy ich zasadę działania, pokazujemy zużycie aluminiowych zębatek oraz porównujemy konstrukcję OEM z przeprojektowanymi kołami MEHENKER wyposażonymi w stalowe, utwardzane koła łańcuchowe.

Pokazujemy również wyniki porównania materiałowego starszych i nowszych numerów OEM oraz wyjaśniamy, dlaczego sama zmiana końcówki numeru części nie musi oznaczać usunięcia podstawowej słabości konstrukcji.

Oryginalne rozwiązanie jest technicznie zaawansowane, ale jego słabym punktem pozostaje materiał zastosowany na zębatki współpracujące bezpośrednio z łańcuchem rozrządu.

W jakich silnikach zastosowano te koła faz?

Opisywana konstrukcja występuje w benzynowych silnikach:

• 2.9 V6 TFSI EA839,
• 3.0 V6 TFSI EA839.

• 4.0 V8 TFSI EA825.

Jednostki te montowano między innymi w różnych wersjach samochodów Audi S4, S5, RS4, RS5, S6, S7, A6, A7, A8, SQ5, Q7 i Q8, a także w wybranych modelach Porsche Panamera, Cayenne oraz Macan.

Lista zastosowań jest szeroka, dlatego przed zakupem części należy zawsze sprawdzić numer OEM, kod silnika albo numer VIN samochodu.

Kto produkuje oryginalne koła faz rozrządu?

Według oznaczeń znajdujących się na analizowanych przez nas częściach oryginalne koła faz rozrządu zostały wyprodukowane przez niemiecką firmę Hilite, znaną wcześniej jako Hydraulik-Ring.

W 2002 roku Hydraulik-Ring zmienił nazwę na Hilite. Firma od wielu lat specjalizuje się w produkcji systemów zmiennych faz rozrządu, zaworów sterujących oraz innych hydraulicznych elementów silnika.

Hilite opracowywał systemy stosowane między innymi w silnikach BMW N52 i S55, Volkswagen VR6, W8 i W12, Bugatti V16 oraz Porsche 3.6 B6, 4.5 V8 i 4.8 V8. Produkowane przez firmę układy służą do płynnego przestawiania wałków ssących oraz wydechowych zależnie od obciążenia, prędkości obrotowej i temperatury silnika.

Sama koncepcja działania tych kół jest bardzo dobra. Problemem nie jest więc zasada hydraulicznej regulacji, lecz materiał zastosowany w zębatkach współpracujących ze stalowym łańcuchem rozrządu.

Jak działają koła faz rozrządu EA839 i EA825?

W silnikach EA839 i EA825 zastosowano hydrauliczne nastawniki na wszystkich wałkach rozrządu. Olej silnikowy jest kierowany do odpowiednich komór wewnątrz koła i obraca rotor połączony z wałkiem względem zębatki napędzanej przez łańcuch.

Zakres regulacji wynosi:

• 50° kąta obrotu wału korbowego,
• czyli 25° kąta obrotu wałka rozrządu.

Dokumentacja Audi opisuje koła jako pracujące w sposób ciągły. Na biegu jałowym oraz przy niewielkim obciążeniu sterownik zwykle utrzymuje je blisko pozycji bazowej, dlatego zmiana kąta może być wtedy bardzo niewielka. Układ nie jest jednak mechanicznie wyłączony i może korygować położenie wałków również poza wysokim obciążeniem.

Po wyłączeniu silnika mechanizmy zostają zablokowane w określonych pozycjach:

• koła wałków ssących są blokowane w pozycji opóźnionej,
• koła wałków wydechowych są blokowane w pozycji przyspieszonej.

W kołach wydechowych zastosowano dodatkową sprężynę powrotną, która pomaga ustawić rotor w odpowiedniej pozycji przed zablokowaniem mechanizmu.

Podczas aktywnego przestawiania:

• wałki ssące są przyspieszane, czyli obracane w kierunku pracy silnika.

• wałki wydechowe są opóźniane, czyli przestawiane w przeciwną stronę.

Jest to uproszczony opis kierunku regulacji. Rzeczywisty kąt jest dobierany przez sterownik silnika do aktualnych warunków pracy.

Dlaczego stosuje się zmienne fazy rozrządu?

Stałe ustawienie wałków rozrządu zawsze jest kompromisem. Położenie korzystne przy niskiej prędkości obrotowej nie musi być odpowiednie przy wysokich obrotach lub dużym obciążeniu.

Hydrauliczne koła faz pozwalają na bieżąco zmieniać moment otwarcia i zamknięcia zaworów. Dzięki temu możliwe jest:

• uzyskanie wysokiego momentu obrotowego przy niskiej i średniej prędkości obrotowej,
• poprawienie elastyczności silnika,
• lepsze napełnianie cylindrów przy dużym obciążeniu,
• poprawienie kształtu krzywej momentu obrotowego,
• ograniczenie strat wymiany ładunku,
• realizacja wewnętrznej recyrkulacji spalin,
• zmniejszenie zużycia paliwa,
• obniżenie emisji spalin.

Sprawnie działające koła faz mają więc duży wpływ na charakterystykę pracy silnika. Zużycie zębatek lub nadmierne przecieki wewnętrzne mogą pogarszać precyzję całego systemu.

Numery OEM kół faz rozrządu EA839 i EA825

W silnikach Audi i Porsche występuje kilka kolejnych wersji numerów części. Numery z końcówkami F, H, J, K oraz P oznaczają kolejne rewizje produkcyjne.

Koła faz wałków ssących

• 06M109087F,
• 06M109087H,
• 06M109087J,
• 06M109087K,
• 06M109087P,
• 9A7109087,
• PAC109087.

Koła faz wałków wydechowych

• 06M109088F,
• 06M109088H,
• 06M109088J,
• 06M109088K,
• 06M109088P,
• 9A7109088,
• PAC109088.

Numer z końcówką 087 odpowiada kołu strony ssącej, natomiast numer z końcówką 088 – kołu strony wydechowej.

Problem aluminiowych zębatek łańcuchowych

Oryginalne koła faz wyposażono w aluminiowe zębatki współpracujące bezpośrednio ze stalowym rolkowym łańcuchem rozrządu iwis.

Z przeprowadzonych przez MEHENKER badań materiałowych wynika, że aluminium zastosowane w analizowanych kołach nie wykazuje cech ulepszenia cieplnego, które mogłoby znacząco zwiększyć jego twardość i odporność powierzchniową. Zmierzona twardość wynosi około 140 HB.

Na eksploatowanych kołach obserwujemy między innymi:

• łuszczenie powierzchni roboczych zębów,
• wykruszanie fragmentów aluminium,
• zaokrąglanie i odkształcanie krawędzi zębów,
• nierównomierne ślady współpracy z łańcuchem,
• lokalne ubytki materiału.

Charakter części obserwowanych ubytków może wskazywać nie tylko na zużycie eksploatacyjne, ale również na lokalne niejednorodności materiału albo niedoskonałości procesu produkcyjnego.

Aluminium pozwala obniżyć masę elementu, ale zębatka w tym miejscu musi przez cały czas przenosić zmienne obciążenia generowane przez układ zaworowy. Współpracuje również ze znacznie twardszym stalowym łańcuchem, w wysokiej temperaturze i pod zmiennym obciążeniem.

Czy koła 06M109087K i 06M109088K zostały poprawione?

Można spotkać się z opinią, że nowsze numery:

• 06M109087K,
• 06M109088K

zostały już poprawione i nie mają problemu występującego we wcześniejszych wersjach.

Według analizy materiałowej przeprowadzonej przez MEHENKER zmiana numeru części na wersję K nie oznaczała jednak zastąpienia aluminiowej zębatki elementem wykonanym ze stali ani zastosowania istotnie twardszego materiału.

Analizowane przez nas koła z końcówką K nadal posiadają zębatki wykonane z aluminium o bardzo podobnych właściwościach do wcześniejszych wersji.

Oznacza to, że podstawowa cecha konstrukcji pozostała niezmieniona. Nowa rewizja numeru OEM nie musi więc oznaczać usunięcia problemu zużycia aluminiowych zębów.

Opiłki aluminium w oleju silnikowym

Materiał oddzielający się od zębatek trafia do oleju silnikowego. Większe fragmenty mogą zostać zatrzymane przez filtr, ale drobne cząstki mogą przemieszczać się wraz z olejem po układzie smarowania.

W układzie smarowania tych silników olej zasila między innymi:

• pompę oleju,
• napinacze łańcucha rozrządu,
• koła faz rozrządu,
• zawory sterujące VVT,
• łożyska wałków rozrządu,
• hydrauliczne elementy układu zaworowego,
• turbosprężarki,
• łożyska wału korbowego i korbowodów.

Obecność metalowych cząstek w oleju może powodować:

• przyspieszone zużycie elementów pompy oleju,
• zanieczyszczenie zaworów sterujących kołami faz,
• pogorszenie pracy napinaczy łańcucha,
• zużycie precyzyjnych powierzchni hydraulicznych,
• zanieczyszczenie kanałów olejowych,
• przyspieszone zużycie innych smarowanych części silnika.

Nie oznacza to, że każda cząstka aluminium natychmiast uszkodzi pompę lub panewki. Problem polega na tym, że zębatka może stać się stałym źródłem zanieczyszczeń krążących w układzie smarowania.

Koła faz rozrządu MEHENKER ze stalowymi zębatkami

Tworząc koła MEHENKER, nie wykonaliśmy kolejnej kopii oryginalnej konstrukcji. Mechanizm został całkowicie przeprojektowany i przebudowany.

Najważniejsze zmiany to:

• stalowe koła łańcuchowe zamiast aluminiowych,
• utwardzanie zębów do twardości przekraczającej 50 HRC,
• większe i mocniejsze elementy wewnętrzne,
• wzmocniony mechanizm blokujący,
• zmodyfikowana geometria komór olejowych,
• lepsza szczelność hydrauliczna,
• kontrola każdego koła na stanowisku testowym z gorącym olejem.

Stalowa, utwardzana zębatka jest znacznie bardziej odporna na współpracę ze stalowym łańcuchem. Nie zużywa się w taki sposób jak analizowane zębatki aluminiowe i nie staje się źródłem aluminiowych opiłków w oleju.

W naszej ocenie, jeżeli celem naprawy jest całkowite wyeliminowanie aluminiowej zębatki, kompletne koła MEHENKER stanowią realną alternatywę dla ponownego montażu kolejnej rewizji części OEM o podobnej budowie.

Około 10% większy moment przestawiający

Koła MEHENKER mają większą efektywną powierzchnię roboczą układu hydraulicznego. Według naszych pomiarów pozwala to uzyskać około 10% większy moment przestawiający przy porównywalnym ciśnieniu oleju.

Nie oznacza to wzrostu momentu obrotowego silnika o 10%. Chodzi wyłącznie o moment wytwarzany wewnątrz koła faz, który obraca wałek rozrządu względem zębatki napędzanej przez łańcuch.

Większy moment przestawiający zapewnia:

• większy zapas siły podczas zmiany położenia wałka,
• pewniejsze pokonywanie oporów układu zaworowego,
• stabilniejszą pracę przy wysokiej temperaturze oleju,
• bardziej zdecydowane osiąganie kąta zadanego przez sterownik.

Lepsza szczelność układu hydraulicznego

W kole faz olej musi zostać skierowany do odpowiedniej komory, aby wytworzyć moment obracający rotor. Nadmierny przeciek wewnętrzny powoduje, że część przepływu oleju nie wykonuje użytecznej pracy.

Zużyte lub nieszczelne koło może wtedy:

• wolniej osiągać zadany kąt,
• niestabilnie utrzymywać położenie wałka,
• wykazywać większą różnicę pomiędzy kątem zadanym i rzeczywistym,
• generować błędy regulacji faz rozrządu.

Koła MEHENKER mają poprawioną szczelność wewnętrzną. Pozwala to lepiej wykorzystać dostępne ciśnienie oleju i ograniczyć straty przepływu pomiędzy komorami.

Może to poprawić szybkość i stabilność reakcji układu VVT na polecenia sterownika. Odczuwalna reakcja całego samochodu zależy jednak również od stanu silnika, zaworów sterujących, ciśnienia oleju, oprogramowania i pozostałych elementów układu.

Stalowa zębatka bez zwiększenia masy koła

Mimo zastosowania znacznie wytrzymalszej, stalowej i utwardzanej zębatki, koła faz rozrządu MEHENKER są lżejsze od części oryginalnych.

Jest to efekt całkowitego przeprojektowania konstrukcji i optymalizacji poszczególnych elementów.

Koło MEHENKER jest:

• o 58 g, czyli około 8,7% lżejsze od oryginalnego koła ssącego,
• o 121 g, czyli około 16,5% lżejsze od oryginalnego koła wydechowego.

W porównaniu ze średnią masą obu wersji OEM koło MEHENKER jest lżejsze o około 13%.

Wpływ tej różnicy na moment bezwładności całego układu jest niewielki. Koła mają stosunkowo małą średnicę, a wałki rozrządu obracają się z połową prędkości wału korbowego.

Najważniejsze jest więc nie zmniejszenie bezwładności, ale fakt, że zastosowanie stalowej zębatki nie spowodowało zwiększenia masy koła. Udało się znacząco poprawić trwałość najbardziej obciążonego elementu, zachowując konstrukcję lżejszą od części OEM.

Pierścienie uszczelniające wałków rozrządu

Podczas wymiany kół faz warto sprawdzić również pierścienie uszczelniające znajdujące się na wałkach rozrządu.

Ich zadaniem jest rozdzielenie kanałów doprowadzających olej do odpowiednich komór kół faz. Zużycie pierścieni może powodować utratę ciśnienia i przeciek oleju pomiędzy kanałami.

Możliwe skutki zużycia pierścieni to:

• wolniejsza reakcja koła faz,
• problemy z osiąganiem zadanego kąta,
• niestabilna regulacja wałka,
• błędy synchronizacji lub regulacji faz rozrządu,
• nadmierny przeciek oleju w układzie sterowania.

Oryginalne pierścienie są wykonane z relatywnie miękkiego materiału, który z czasem może się zużywać i tracić szczelność.

Pierścienie MEHENKER wykonujemy ze specjalnego niebieskiego tworzywa kompozytowego o niskim współczynniku tarcia.

Zapewniają one:

• niskie tarcie o powierzchnię współpracującą,
• wysoką odporność na zużycie,
• stabilną szczelność pomiędzy kanałami olejowymi,
• prawidłowe doprowadzanie oleju do kół faz,
• dłuższą i bardziej stabilną pracę układu VVT.

Dlatego podczas montażu nowych kół faz zalecamy jednoczesną kontrolę i wymianę pierścieni uszczelniających.

Koła faz MEHENKER do Audi i Porsche EA839 oraz EA825

Komplet MEHENKER obejmuje cztery koła faz rozrządu:

• dwa koła strony ssącej,
• dwa koła strony wydechowej.

Zestaw jest przeznaczony do silników:

• Audi i Porsche 2.9 V6 TFSI EA839,
• Audi i Porsche 3.0 V6 TFSI EA839,
• Audi i Porsche 4.0 V8 TFSI EA825.

Najważniejsze różnice między kołami OEM i MEHENKER

Podsumowanie

Silniki Audi i Porsche EA839 oraz EA825 wykorzystują zaawansowany układ zmiennych faz rozrządu, który poprawia osiągi, elastyczność, przebieg momentu obrotowego, zużycie paliwa i emisję spalin.

Sama zasada działania systemu jest bardzo dobra. Słabym punktem oryginalnej konstrukcji jest jednak zastosowanie aluminiowych zębatek współpracujących ze stalowym łańcuchem rozrządu.

Z przeprowadzonych przez nas badań i obserwacji wynika, że zębatki te mogą się łuszczyć, wykruszać i wprowadzać cząstki aluminium do oleju silnikowego. Analiza nowszych numerów 06M109087K i 06M109088K nie wykazała zastąpienia aluminiowych zębatek elementami stalowymi.

Koła MEHENKER zostały zaprojektowane od podstaw. Otrzymały stalowe, utwardzane zębatki, mocniejsze elementy wewnętrzne, poprawioną szczelność oraz około 10% większy moment przestawiający.

Mimo zastosowania stali koła MEHENKER są lżejsze od części OEM. Wpływ niższej masy na bezwładność jest niewielki. Najważniejszą korzyścią jest uzyskanie znacznie trwalszej konstrukcji bez zwiększenia masy obracającego się elementu.

Podczas wymiany kół należy również sprawdzić pierścienie uszczelniające wałków. Zużyte pierścienie mogą powodować przecieki pomiędzy kanałami olejowymi i pogarszać działanie nawet nowego koła faz.

Jeżeli celem naprawy jest usunięcie podstawowego problemu aluminiowych zębatek, rozwiązaniem jest zastosowanie kompletu przeprojektowanych kół ze stalowymi, utwardzanymi kołami łańcuchowymi.