馬自達(dá)汽車公司的新型Skyactiv-G 汽油機(jī)

【日】 Tsuyoshi G Ritarou I Masahisa Y Masami N

0 前言

馬自達(dá)汽車公司預(yù)測，到2020 年，內(nèi)燃機(jī)在汽車動力裝置中仍將占主導(dǎo)地位。在這一背景下，應(yīng)該優(yōu)先提高內(nèi)燃機(jī)的效率，因?yàn)檫@能對環(huán)保型汽車產(chǎn)生最大的市場效果。

馬自達(dá)汽車公司認(rèn)同這樣的觀點(diǎn)：無論是汽油機(jī)，還是柴油機(jī)，在通往理想內(nèi)燃機(jī)的道路上追求著相同的開發(fā)目標(biāo)。為使這2類發(fā)動機(jī)更接近這一目標(biāo)，該公司已對2種發(fā)動機(jī)進(jìn)行了取長補(bǔ)短，并進(jìn)一步提高兩者的強(qiáng)化程度（圖1）。為此，新開發(fā)了2種發(fā)動機(jī)，即2.0 L Skyactiv-G 自然吸氣汽油機(jī)和2.2 L Skyactiv-D 增壓柴油機(jī)。將來，這2 種機(jī)型有可能投放歐洲市場。

1 Skyactiv-G 汽油機(jī)的開發(fā)目標(biāo)

與柴油機(jī)相比，汽油機(jī)在壓縮比和節(jié)流損失方面存在缺陷，因此，為使汽油機(jī)接近理想的燃燒方案，首先必須改善上述情況，并進(jìn)一步擴(kuò)展其機(jī)械損失方面的優(yōu)勢。

在這一背景下，馬自達(dá)汽車公司確定了Skyactiv-G 汽油機(jī)的總體技術(shù)目標(biāo)。與目前馬自達(dá)汽車公司的進(jìn)氣道燃油噴射（PFI）汽油機(jī)相比，在新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）中，燃油耗降低了15%，而在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)功率提高了15%。為了達(dá)到上述指標(biāo)，Skyactiv-G 汽油機(jī)制定了如下技術(shù)目標(biāo)：（1）將壓縮比提高到14.0；（2）為了能達(dá)到極高的壓縮比，采用自然吸氣機(jī)型；（3）雖然采用高壓縮比ε＝14.0，但不延長燃燒持效期；（4）減少節(jié)流損失20%；（5）減少機(jī)械損失30%；（6）提高充氣效率10%。

2 高壓縮比汽油機(jī)面臨的挑戰(zhàn)

開發(fā)高壓縮比汽油機(jī)遇到2 個前所未有的困難：（1）在高負(fù)荷時爆燃傾向增大，必須調(diào)晚點(diǎn)火定時，這將會降低發(fā)動機(jī)的扭矩；（2）在環(huán)境溫度較高和辛烷值較低的情況下，提前著火的危險性增大。因此，最重要的任務(wù)是要防止出現(xiàn)非正常燃燒（爆燃，提前點(diǎn)火）。

3 爆燃引起的功率損失

圖2示出了在開發(fā)初期采用的傳統(tǒng)技術(shù)，以及當(dāng)壓縮比ε從11.2提高到14.0時缸內(nèi)直接噴射汽油機(jī)的功率損失。此時，1 500 r/min時的點(diǎn)火定時不得不被明顯推遲，導(dǎo)致扭矩?fù)p失7%，而這一扭矩?fù)p失仍比馬自達(dá)汽車公司最初預(yù)計(jì)的少，而且即使當(dāng)壓縮比ε提高到15.0時，扭矩特性曲線也僅略有下降（圖2）。燃燒分析表明，由于壓縮比的提高，在點(diǎn)火前出現(xiàn)較弱的放熱反應(yīng)（低溫氧化），從而導(dǎo)致了扭矩的下降。綜上所述，馬自達(dá)汽車公司得出結(jié)論：當(dāng)爆燃問題解決后，也能確保高壓縮比汽油機(jī)獲得高扭矩。

高壓縮比時汽油機(jī)爆燃傾向增大是由于氣缸中氣體溫度和壓力升高的緣故。圖3示出了數(shù)值模擬的結(jié)果，以圖說明這2個參數(shù)的影響。進(jìn)氣過程終了時，氣缸中較低的氣體溫度能夠補(bǔ)償因高壓縮比惡化而產(chǎn)生的爆燃傾向。

如果氣缸中的起始溫度（進(jìn)氣門關(guān)閉時的氣體溫度）降低35 K，則壓縮比ε就能從11.2 提高到14.0，而1 500 r/min時的爆燃傾向不會惡化。對降低氣缸中起始溫度起關(guān)鍵作用的是燃油氣化熱的缸內(nèi)冷卻作用，以及熱殘余廢氣量的減少。

總之，只要采取上述措施，無論是充氣效率，還是爆燃傾向，都可以獲得顯著改善。此外，快速燃燒也能有效降低爆燃傾向，以下介紹與此有關(guān)的措施。

4 快速燃燒降低爆燃傾向

開發(fā)初始階段，曾應(yīng)用過傳統(tǒng)的平頂活塞，為了提高壓縮比，簡單地將活塞頂抬高成梯形，然而這樣的做法導(dǎo)致了熱效率較低，因?yàn)樽畛醯幕鹧媲颁h碰到活塞是極為不利的，因此冷卻損失增大，而且阻礙了火焰按常規(guī)有序地擴(kuò)展。首先，在活塞頂上挖1個半球形凹坑，這有利于火焰前鋒的擴(kuò)展（圖4）。經(jīng)過改進(jìn)后，1 500 r/min時的主燃燒持效期（混合氣燃燒10%～90%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)））縮短了1°CA，同時爆燃傾向也減小了，從而使扭矩提高約2%。

為了進(jìn)一步改善燃燒過程，對進(jìn)氣道的進(jìn)氣角度和進(jìn)氣門閥桿與閥盤之間過渡圓弧處的錐角進(jìn)行了優(yōu)化，而且與現(xiàn)有的馬自達(dá)2.0 L 汽油機(jī)相比，氣缸直徑從87.5 mm 縮小到83.5 mm，從而使燃燒持效期再縮短2°CA，扭矩又提高了4%。

5 燃油氣化熱降低爆燃傾向

為了通過燃油氣化熱有效地降低氣體溫度，將1 500 r/min時的燃油壓力提高到10 MPa，并應(yīng)用了6孔噴油嘴（多孔噴油嘴），同時優(yōu)化油束貴穿度和噴射角。缸內(nèi)溫度分析表明，由于采用多孔噴油嘴進(jìn)行分段噴射，獲得了良好的溫度分布，而且起始溫度降低了6 K。這些效果能夠減小爆燃傾向，從而使扭矩提高3.5%。

復(fù)自小徑，別至一山，俗名鵝鼻山?！巾斢惺缥荽螅虚_，插一碑于其中，文皆為風(fēng)雨所剝，隱約就碑，可見缺畫，如禹廟沒字碑之類。不知此石果岑石歟？非始皇之力，不能插也?；蛟拼笞蛟菩∽?，皆不可考。

6 充氣效率和抗爆燃性能的改善

馬自達(dá)汽車公司竭力改善掃除熱殘余廢氣的效果，以提高充氣效率，從而在高壓縮比汽油機(jī)上能同時利用良好的抗爆燃性能來提高發(fā)動機(jī)扭矩。在使用現(xiàn)有的4-1 排氣歧管的情況下，殘余廢氣的份額占6.7%。若要將殘余廢氣的份額降至3.9%，則須把缸內(nèi)起始溫度降低18 K，它可使充氣效率提高9%。從圖3可知，起始溫度降幅的效果等同于壓縮比減小1.5的效果，因此，這種方案能提高發(fā)動機(jī)扭矩目標(biāo)值。

為了獲得高的掃氣效果，優(yōu)化排氣系統(tǒng)是最為有效的措施。如果在進(jìn)、排氣門重疊期間強(qiáng)烈的廢氣壓力波精確地抵達(dá)下一個氣缸，熱殘余廢氣量就會增加，從而增大了爆燃傾向。為了即使在2 000 r/min以上轉(zhuǎn)速時也能避免出現(xiàn)這一現(xiàn)象，采用了較長的4-2-1排氣歧管。

為了獲得良好的掃氣效果，需要在氣門重疊期間形成稀薄低壓壓力波。通過排氣系統(tǒng)的適當(dāng)設(shè)計(jì)及其相匹配的氣門重疊相位，能夠在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得良好的掃氣效果（圖5），從而使抗爆燃性能和充氣效率分別改善9%，發(fā)動機(jī)扭矩再提高7.5%（圖4）。

圖6示出了2.0 L Skyactiv-G 汽油機(jī)的扭矩特性曲線，及其缸內(nèi)溫度和燃燒持續(xù)期經(jīng)過改善后的效果，與傳統(tǒng)的2.0 L PFI汽油機(jī)相比，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)動機(jī)扭矩提高了15%以上，而與壓縮比ε為11.2 的缸內(nèi)直接噴射機(jī)型相比，扭矩改善了10%。

7 抗提前點(diǎn)火的穩(wěn)定性

特別是在不利的環(huán)境條件下，高壓縮比汽油機(jī)必須避免出現(xiàn)提前點(diǎn)火等非正常燃燒的現(xiàn)象，因此要開發(fā)一種高品質(zhì)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以防止提前點(diǎn)火。開發(fā)中應(yīng)特別注思以下幾點(diǎn)：（1）環(huán)境條件（進(jìn)氣溫度和濕度、冷卻液溫度、因積炭使壓縮比提高、辛烷值等）；（2）影響參數(shù)（噴油規(guī)律、進(jìn)氣門關(guān)閉時刻等）的有效性。馬自達(dá)汽車公司制定了一種調(diào)節(jié)策略，它能在所有可預(yù)料到的環(huán)境條件下相對于發(fā)生提前點(diǎn)火保持足夠大的安全裕度。

假如某些狀態(tài)迫使實(shí)施提前點(diǎn)火，那么，Skyactiv-G 汽油機(jī)功能強(qiáng)大的調(diào)節(jié)系統(tǒng)就能通過離子流的變化而識別出燃燒模式的輕微變化，然后加濃空燃比，并改變進(jìn)氣門關(guān)閉時刻，以阻止繼續(xù)發(fā)生提前點(diǎn)火。

8 排氣后處理裝置的開發(fā)

應(yīng)用了較長的4-2-1排氣系統(tǒng)之后，催化轉(zhuǎn)化器的預(yù)熱并不比傳統(tǒng)較短的4-1排氣系統(tǒng)和近發(fā)動機(jī)催化轉(zhuǎn)化器快，因而延長了廢氣開始凈化時間。此外，未燃碳?xì)浠衔铮℉C）份額也隨著壓縮比而增加，因此，鑒于未來更為嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)，必須開發(fā)一種更有效的技術(shù)。因?yàn)槲慈糎C 首先排出，因而在催化轉(zhuǎn)化器達(dá)到其工作溫度之前，重要的是要使其迅速加溫，直到HC排放減少。

為了減少預(yù)熱階段的HC 排放，馬自達(dá)汽車公司將起動時的燃油壓力從0.43 MPa提高到6 MPa，從而將冷機(jī)階段的HC排放水平降低了50%。為使催化轉(zhuǎn)化器迅速加溫，有效的方法是通過晚點(diǎn)火提高廢氣溫度。當(dāng)然，點(diǎn)火太晚會導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，因此，應(yīng)限制廢氣溫度的提高。在Skyactiv-G 汽油機(jī)上，缸內(nèi)燃油直接噴射在火花塞附近形成了理想的空燃混合氣，能夠?qū)崿F(xiàn)稀薄的分層燃燒。這樣的效果及因高壓縮比而具有高的燃燒穩(wěn)定性明顯緩和了晚點(diǎn)火與燃燒穩(wěn)定性之間的目標(biāo)沖突（圖7）。因此，即使采用較長的4-2-1排氣歧管，馬自達(dá)汽車公司仍達(dá)到了催化轉(zhuǎn)化器的快速加溫和穩(wěn)定燃燒。上述的廢氣凈化系統(tǒng)甚至滿足了美國標(biāo)準(zhǔn)部分零排放車輛的嚴(yán)格要求。

9 降低燃油耗

圖8示出了Skyactiv-G 技術(shù)對在NEDC 中降低燃油耗作出的貢獻(xiàn)。對于中級轎車而言，與現(xiàn)有的2.0 L PFI汽油機(jī)相比，燃油耗共降低了15%。

10 提高壓縮比和降低節(jié)流損失的效果

在試驗(yàn)研究初期，采用ε＝13.0 以上的壓縮比并未達(dá)到進(jìn)一步降低燃油耗的目的，其原因是平的活塞頂靠近火花塞，阻礙了初始火焰的擴(kuò)展。馬自達(dá)汽車公司采取半球形活塞頂凹坑與強(qiáng)滾流相結(jié)合的措施，使得火焰能良好地擴(kuò)展，這就有效地減少了全負(fù)荷時的扭矩?fù)p失。另一方面，由于初始火焰在活塞頂面附近的熱傳導(dǎo)減少，冷卻損失也同時降低，再因缸徑縮小又進(jìn)一步降低了冷卻損失，使得熱效率明顯提高。

節(jié)流損失的明顯降低也要?dú)w因于壓縮比的提高。降低節(jié)流損失的傳統(tǒng)方法是將推遲進(jìn)氣門關(guān)閉時刻與外部廢氣再循環(huán)相結(jié)合，由于此時燃燒的穩(wěn)定性差，因而節(jié)流損失的降低非常有限。但是，在Skyactiv-G 汽油機(jī)上，因提高了壓縮比，即使進(jìn)氣門關(guān)閉時刻推遲，仍能確保足夠有效的壓縮和內(nèi)部廢氣再循環(huán)。雖然因進(jìn)氣門在110°CA 時關(guān)閉，提高了內(nèi)部廢氣再循環(huán)，以及借助于可變氣門機(jī)構(gòu)加大了氣門重疊，但最終仍獲得了與傳統(tǒng)PFI汽油機(jī)相同的燃燒穩(wěn)定性（圖9（a）），從而能使節(jié)流損失降低約20%（圖9（b））。

11 降低機(jī)械損失

與現(xiàn)有馬自達(dá)汽車公司的2.0 L PFI汽油機(jī)相比，Skyactiv-G 汽油機(jī)的機(jī)械損失降低了30%。圖10示出了發(fā)動機(jī)零部件優(yōu)化對降低機(jī)械損失作出的貢獻(xiàn)：（1）關(guān)于曲軸、活塞及連桿（圖10（a）），主軸頸直徑從52 mm 減小到47 mm，活塞環(huán)張力減小了38%；（2）關(guān)于氣門機(jī)構(gòu)及正時鏈條（圖10（b）），應(yīng)用滾輪搖臂，通過優(yōu)化凸輪廓線降低氣門升程力，采用剛度高的直導(dǎo)軌降低鏈條摩擦，采用載荷分布均勻的鏈張緊器減小鏈條張力；（3）關(guān)于機(jī)油泵（圖10（c）），簡化機(jī)油管路降低壓力損失，將液壓部件所需的機(jī)油壓力減小到最低程度以使泄流較少，采用壓力可變的電動調(diào)節(jié)式機(jī)油泵降低部分負(fù)荷時的機(jī)油壓力；（4）關(guān)于水泵（圖10（d）），降低冷卻液管路中的阻力，采用高效率水泵和塑料水泵傳動輪。

12 結(jié)語

Skyactiv-G汽油機(jī)是馬自達(dá)汽車公司新一代動力總成的首臺汽油機(jī)機(jī)型，其燃油耗降低了15%，因在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)其扭矩比現(xiàn)有的PFI汽油機(jī)提高了15%，故功率明顯提高。同時降低了成本及減輕了質(zhì)量。

自然吸氣汽油機(jī)采用14.0的高壓縮比設(shè)計(jì)方案是技術(shù)的制高點(diǎn)，它使發(fā)動機(jī)能夠獲得卓越的總效率。為了克服至今阻礙采用高壓縮比的困難，已采取了許多技術(shù)措施。

馬自達(dá)汽車公司推出了2.0 L Skyactiv-G汽油機(jī)，它滿足了歐洲用戶對于進(jìn)一步提高動力性能、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性等各方面的要求，因此，馬自達(dá)汽車公司能夠?yàn)槲磥硇乱淮I車提供一種具有競爭力的動力裝置。