小排量清潔柴油機(jī)SKYACTIVD 1.5的開(kāi)發(fā)

【日】　　　　平林千典　大西毅　　白井裕久　　佐藤雅昭　森永真一　志茂大輔

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【日】平林千典大西毅白井裕久佐藤雅昭森永真一志茂大輔

隨著超低壓縮比和高效率增壓成為關(guān)鍵推進(jìn)器的燃燒新概念，SKYACTIV-D 2.2柴油機(jī)不僅實(shí)現(xiàn)了充足的扭矩，而且達(dá)到了最高水平的低油耗，不用氮氧化物催化劑就可以滿(mǎn)足最新的排放法規(guī)。為了將重要的研發(fā)成果提供給更多的用戶(hù)，在繼承了小排量發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒理念及其宗旨的前提下重新開(kāi)發(fā)了SKYACTIV-D 1.5柴油機(jī)。該機(jī)已經(jīng)安裝到新型Demio轎車(chē)上，介紹該新型發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)理念，以及突破了小排量和結(jié)構(gòu)緊湊化所帶來(lái)的種種制約。

小排量超低壓縮比高效率增壓清潔柴油機(jī)

0　前言

排量為2.2 L的新一代清潔柴油機(jī)SKYACTIV-D 2.2(以下簡(jiǎn)稱(chēng)2.2 L)實(shí)現(xiàn)了駕駛性能、油耗和環(huán)保性能等綜合高水平。為了將研發(fā)成果提供給更多的客戶(hù)，重新開(kāi)發(fā)了排氣量更小的1.5 L清潔柴油機(jī)SKYACTIV-D 1.5(以下簡(jiǎn)稱(chēng)1.5 L)。 本文將介紹該新型柴油機(jī)的開(kāi)發(fā)理念及所采用的新技術(shù)。

1　開(kāi)發(fā)理念

馬自達(dá)公司的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)內(nèi)燃機(jī)極限[1]。如圖1所示，從汽油機(jī)和柴油機(jī)2個(gè)方面進(jìn)行研發(fā)，盡量使制約熱效率的7項(xiàng)因素接近理想狀態(tài)。在柴油機(jī)方面重點(diǎn)研發(fā)的是SKYACTIV-D的燃燒理念。在已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功的2.2 L柴油機(jī)中超低壓縮比和高效率增壓是2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，改善了各項(xiàng)控制因素的狀態(tài)[2]。沿用該燃燒理念達(dá)到了扭矩充沛和輕松駕駛，并取得了優(yōu)越的燃油經(jīng)濟(jì)性和燃燒的平穩(wěn)性，在不采用氮氧化物(NOx)催化器的情況下就可以滿(mǎn)足日本國(guó)內(nèi)2009年的排放法規(guī)(后新長(zhǎng)期法規(guī))，以及歐洲的歐6法規(guī)，真正實(shí)現(xiàn)了清潔排放。

在1.5 L柴油機(jī)的研發(fā)過(guò)程中繼承了2.2 L柴油機(jī)中使用的燃燒理念[3]。但是，由于排量小和結(jié)構(gòu)緊湊，自然法則和空間自由度的制約非?？量?。具體地說(shuō)就是要求的噴油量小，隨之而產(chǎn)生的問(wèn)題是燃油噴霧的自著火性能降低，通過(guò)燃燒室壁面散逸的熱損失惡化，結(jié)構(gòu)方面由于比熱容積增大、暖機(jī)性能惡化，排氣系統(tǒng)方面因?yàn)槊娣e/體積比增大，造成氧化催化器(DOC)進(jìn)口氣體溫度降低等。如圖2所示，為了解決這些問(wèn)題，在1.5 L柴油機(jī)中最新研發(fā)成功了一系列突破性的新技術(shù)。同時(shí)，通過(guò)采用上述新技術(shù)，圖1中所示的決定熱效率的各項(xiàng)控制因子的狀態(tài)得到了進(jìn)一步改善。

圖1　SKYACTIV-D 2.2/1.5發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒概念的發(fā)展歷程

關(guān)于這些技術(shù)的細(xì)節(jié)將在后面介紹。1.5 L柴油機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表1，系統(tǒng)概要如圖3所示。

圖2　SKYACTIV-D 2.2/1.5小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的制約因素和技術(shù)突破

項(xiàng)目參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)SKYACTIV-D2.2SKYACTIV-D1.5發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型直列4缸直列4缸排量/mL21881498缸徑/mm8676行程/mm94.282.6壓縮比1414.8燃油系統(tǒng)共軌系統(tǒng)G3壓電晶體(最大噴射壓力200MPa)共軌系統(tǒng)G3電磁閥型(最大噴射壓力200MPa)噴嘴類(lèi)型10孔1112cm3/min10孔 短孔、長(zhǎng)型油嘴600cm3/min活塞燃燒室形狀傳統(tǒng)、蛋形階梯、蛋形增壓系統(tǒng)串行順序2級(jí)增壓帶可變渦輪截面(VTG)增壓帶轉(zhuǎn)速傳感器EGR系統(tǒng)高壓帶和不帶冷卻系統(tǒng)高壓 不帶冷卻和低壓帶冷卻系統(tǒng)后處理系統(tǒng)DOC+柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)最大扭矩/(N·m)420(2000r/min)220/250/270(1600～2500r/min)最大功率/kW129(4500r/min)77(4000r/min)排 放歐6和日本國(guó)內(nèi)后長(zhǎng)期排放法規(guī)(PNLT)

圖3　SKYACTIV-D 1.5柴油機(jī)系統(tǒng)

2　性能參數(shù)

1.5 L柴油機(jī)繼承了2.2 L柴油機(jī)的燃燒理念，實(shí)現(xiàn)了決定熱效率的各項(xiàng)控制因子的狀態(tài)進(jìn)一步改善[4]。因此，1.5 L柴油機(jī)也可以提供SKYACTRIV-D柴油機(jī)的相同價(jià)值。

2.1輸出性能

如圖4所示，1.5 L柴油機(jī)從1 500～2 500 r/min寬闊的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)250 N·m的大扭矩。在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，最高輸出功率為77 kW，并且轉(zhuǎn)速在5 200 r/min內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)線性扭矩特性。如圖5所示，從使用轉(zhuǎn)速范圍開(kāi)始，線性且直到高轉(zhuǎn)速范圍都可以輕松地進(jìn)行加速。產(chǎn)品性能的絕對(duì)值雖然有所差異，但1.5 L柴油機(jī)扭矩特性和加速特性都繼承了2.2 L柴油機(jī)的特性[5]。

圖4　2種發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率表現(xiàn)情況

2.2燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能

近日，由中國(guó)水利水電科學(xué)研究院主編修訂的水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利工程代碼編制規(guī)范》（SL 213—2012）出版發(fā)行。

如圖6所示，相對(duì)于1.5 L柴油機(jī)，比油耗達(dá)到了和2.2 L同樣的轎車(chē)柴油機(jī)的最高水平值。另外，在不使用NOx后處理系統(tǒng)的前提下可以滿(mǎn)足日本國(guó)內(nèi)的后長(zhǎng)期排放法規(guī)和歐6法規(guī)，柴油機(jī)的排放性能也是一脈相承。

圖5　2種發(fā)動(dòng)機(jī)的加速特性

(a)

(b)圖6　2種發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性曲線

3　突破性的新技術(shù)

1.5 L柴油機(jī)繼承SKYACTIV-D燃燒理念，克服小排量和結(jié)構(gòu)緊湊化所造成的各種制約，以及進(jìn)一步改善決定熱效率的各項(xiàng)控制因子的狀態(tài)，成功突破了以下的新技術(shù)。

3.1超低壓縮比燃燒的繼承及機(jī)械阻力再降低

圖7　2種發(fā)動(dòng)機(jī)燃油著火性的技術(shù)比較

SKYACTIV-D燃燒理念的要點(diǎn)是超低壓縮比。但是在小排量發(fā)動(dòng)機(jī)中，在無(wú)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)條件下由于噴油量少，小直徑燃燒室中燃油噴霧容易和氣缸壁面產(chǎn)生干擾。因此，燃油的自著火性能降低。其解決辦法是重新調(diào)整技術(shù)構(gòu)成和功能分配，如圖7所示。一方面繼續(xù)沿用噴油時(shí)間間隔短、噴油量少和多次噴油的技術(shù)措施，形成濃混合氣。另一方面將VTG增壓器的噴嘴葉片實(shí)行精密控制，比一般的使用范圍稍微縮小一點(diǎn)，在無(wú)負(fù)荷范圍內(nèi)加大增壓效果，從而獲得內(nèi)部EGR增量。因此，在2.2 L柴油機(jī)中為了提高內(nèi)部EGR，采用切換式排氣閥IDEVA的功能。此外，改變了進(jìn)氣閥定時(shí)，將壓縮比提升到14.8，這些就保證了1.5 L和2.2 L柴油機(jī)具有相同的著火性能。

保持最小的壓縮比上升，SKYACTIV-D柴油機(jī)燃燒概念的最大特征是繼承了13.5 MPa下的低最高燃燒壓力燃燒，再加上改變了活塞環(huán)，并將配氣機(jī)構(gòu)等滑動(dòng)部位更改為摩擦學(xué)的最佳形狀等，1.5 L柴油機(jī)的摩擦平均有效壓力(FMEP)超過(guò)了2.2 L柴油機(jī)，如圖8所示。

圖8　2種發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械摩擦的比較

3.2高效率增壓—EGR—進(jìn)排氣系統(tǒng)

SKYACTIV-D發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒理念的另一個(gè)重要特點(diǎn)是高效率增壓?？諝夂虴GR氣體同時(shí)進(jìn)行增壓，可以實(shí)現(xiàn)高比熱下的低溫燃燒，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的熱效率和清潔排放。在1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于采用了帶轉(zhuǎn)速傳感器的小型VG增壓器，而且高壓回路和低壓回路并用EGR系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高效率增壓。

圖9　低壓EGR對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放的效果

在低壓EGR系統(tǒng)中，主要會(huì)存在EGR流路中伴隨著氣體交換而產(chǎn)生的響應(yīng)延遲，以及EGR氣體中的水蒸氣冷卻而產(chǎn)生的冷凝水問(wèn)題。在1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)中采用了高性能、水冷和中冷一體式樹(shù)脂進(jìn)氣歧管解決了這些問(wèn)題。

如圖10所示，與2.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)的分置式和空冷中冷器系統(tǒng)相比，氣體流路的路程大幅度縮短，確保了氣體交換的響應(yīng)性。同時(shí)，與兩級(jí)增壓變更為單級(jí)增壓的方案相結(jié)合，配合以小型緊湊的發(fā)動(dòng)機(jī)駕駛室，真正實(shí)現(xiàn)了小空間化和輕量化。關(guān)于耐冷凝水問(wèn)題，采用冷卻效率控制性很強(qiáng)的水冷式中冷器，在控制EGR氣體過(guò)度冷卻的同時(shí)，將已經(jīng)產(chǎn)生了的少量冷凝水采用圖3中所示的吸氣機(jī)構(gòu)，強(qiáng)制性以噴霧狀吸入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)。

圖10　2種發(fā)動(dòng)機(jī)采用中冷系統(tǒng)的緊湊結(jié)構(gòu)

在1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于采用小型可變截面渦輪增壓器，在重視中低速工況的同時(shí)，利用轉(zhuǎn)速傳感器感知增壓器的轉(zhuǎn)速來(lái)控制燃燒，因而可能將轉(zhuǎn)速極限提高到120 000 r/min(圖11)。這樣，雖然是單級(jí)增壓，也可以在5 200 r/min的高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)線性扭矩特性(圖4)。

圖11　增壓器轉(zhuǎn)速和增壓壓力

3.3高擴(kuò)散噴霧和燃燒室低冷卻損失的燃燒系統(tǒng)

為了抑制因排氣量減小，從燃燒室壁面產(chǎn)生過(guò)大的熱損失，研發(fā)了可以抑制燃料噴霧附著到燃燒室壁面及與火焰接觸的噴霧混合氣形成的技術(shù)，最新采用了可控制噴霧射程的強(qiáng)擴(kuò)散噴霧的噴油器。

實(shí)現(xiàn)強(qiáng)擴(kuò)散噴霧的手段是通過(guò)縮短噴孔長(zhǎng)度，特別是在冷卻損失較大的輕負(fù)荷工況時(shí)，在噴油壓力低、噴油量少和多次噴油的條件下可以將在噴油孔內(nèi)產(chǎn)生的湍流能量在噴霧中直接噴射出去。這樣實(shí)現(xiàn)了能夠控制射程的強(qiáng)分散型噴霧。另外，在冷卻損失的影響比較小的高負(fù)荷工況下，特別是在噴油壓力比較高的條件下，仍和以前一樣可以得到大的噴霧射程(圖12)。

圖12　噴霧特性的改進(jìn)

在2.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于采用的蛋形燃燒室壁面的作用，由噴油的動(dòng)能形成了強(qiáng)烈的縱向渦流運(yùn)動(dòng)，因此促進(jìn)了燃油和空氣的混合，能夠?qū)崿F(xiàn)清潔燃燒的蛋形燃燒室概念在1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)中繼承采用了。在此基礎(chǔ)上，隨著排氣量減少，冷卻損失更加惡化。在膨脹行程初期產(chǎn)生冷卻損失的主要原因是在唇部產(chǎn)生的逆向擠流，為了減弱這種逆向擠流，開(kāi)發(fā)了最新帶階梯的蛋形燃燒室。

圖13　2種發(fā)動(dòng)機(jī)的階梯蛋形活塞頂概念

采用強(qiáng)分散噴霧和階梯蛋形燃燒室，在冷卻損失影響很大的輕負(fù)荷條件下進(jìn)行了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)燃燒解析，結(jié)果如圖14所示。

圖14　活塞頂和噴霧概念的CFD結(jié)果

在圖14的上部，由于采用多次、小噴油量和擴(kuò)散度很大的噴霧，成功地抑制了噴霧混合氣和燃燒室壁面的接觸。而圖14的下半部可以確認(rèn)，在膨脹行程初期，唇部和氣缸頭之間產(chǎn)生的逆向擠流也明顯地降低了。

在輕負(fù)荷和中等負(fù)荷條件下，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果如圖15所示。高分散度噴霧和階梯蛋形燃燒室組合中實(shí)現(xiàn)了在輕負(fù)荷工況下大幅度地降低燃油耗，并在中等負(fù)荷工況下也可以有效地降低燃油耗。這時(shí)，煙度幾乎沒(méi)有增加，總碳?xì)?THC)也有效地降低了。

圖15　關(guān)于活塞頂和燃燒概念的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

3.4通過(guò)多次噴油控制噴油量和控制燃燒

前面介紹的強(qiáng)擴(kuò)散噴霧在小噴油量、多次噴油的情況下是有效的。但是，隨著排量減小，要求的噴油量的絕對(duì)值隨之減小，因此產(chǎn)生了噴油量控制精度相對(duì)降低的問(wèn)題。一般而言，進(jìn)行多次噴射時(shí)，因?yàn)槭艿角耙淮螄娪徒K了時(shí)產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)的影響，并且隨著噴油時(shí)間間隔的變化，后一次噴油量會(huì)隨之產(chǎn)生變化。對(duì)于因?yàn)閲娪蛪毫Α獓娚淞恐甘局怠獓娪烷g隔等條件的變化都必須對(duì)噴油量進(jìn)行特殊控制，即對(duì)噴油量偏差進(jìn)行修正。

為了提高多次噴油時(shí)各次噴油量的修正控制的精度，在1.5 L 和2.2 L柴油機(jī)中沒(méi)有采用修正型譜進(jìn)行控制，而是開(kāi)發(fā)了1種新的模型控制法——將燃油壓力的脈動(dòng)抽象成數(shù)學(xué)公式，將噴油量的偏差表示成相對(duì)于噴油間隔的衰減的和。模型數(shù)學(xué)公式中的振幅和相位等參數(shù)與噴油壓力及噴油量等同處理，在任何條件下都可以預(yù)測(cè)噴油量的偏差，如圖16所示。

圖16　噴油量偏差模型的結(jié)果

如圖17所示，為了確保高精度的噴油量控制特性，在1.5 L柴油機(jī)中，通過(guò)多次噴油進(jìn)行燃燒控制。在2.2 L柴油機(jī)中，采用已經(jīng)完成的燃燒控制方案為基礎(chǔ)，減少各次噴油的噴油量，減小加速的幅度、增加次數(shù)以適應(yīng)小排氣量。此外，隨著動(dòng)態(tài)工況和環(huán)境條件變化產(chǎn)生外界干擾時(shí)，通過(guò)已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功新的控制軟件，可以預(yù)測(cè)每次循環(huán)中氣缸內(nèi)的溫度、壓力和燃?xì)獬煞值葼顟B(tài)。根據(jù)氣缸內(nèi)實(shí)際參數(shù)，利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出必要的引導(dǎo)噴射的發(fā)熱量，從而求出必要的引導(dǎo)噴油量。這樣，即使在動(dòng)態(tài)工況下或環(huán)境條件發(fā)生了變化也可以將燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性的惡化程度控制在最小的范圍之內(nèi)，而且可以控制燃燒噪聲，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的燃燒平穩(wěn)性。

圖17　多次噴油控制策略

3.5冷卻液控制系統(tǒng)

圖18　發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液控制系統(tǒng)

圖19　發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)曲線

隨著排氣量減小，結(jié)構(gòu)方面會(huì)使比熱容量增大，暖機(jī)性能惡化。排氣系統(tǒng)方面，隨著面積/體積比增大，為了解決DOC進(jìn)口氣體溫度下降，在1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)中，采用了新的冷卻水控制系統(tǒng)，即采用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的專(zhuān)用閥更換了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水回路如圖18所示。在冷機(jī)狀態(tài)，停止向氣缸體、潤(rùn)滑油冷卻器和自動(dòng)變速箱潤(rùn)滑油(ATF)冷卻器供水，只向氣缸頭供給最少量水流。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果如圖19所示。限制了冷卻水路以后已經(jīng)確認(rèn)了，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)以后200秒時(shí)，冷卻水溫、氣缸套壁面溫度和DOC進(jìn)口的排氣溫度都能夠取得15℃的暖機(jī)效果。此外，在暖機(jī)以后，與傳統(tǒng)的機(jī)械式恒溫器相比較，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定目標(biāo)值水溫。

4　結(jié)語(yǔ)

SKYACTIV-D 1.5柴油機(jī)不僅克服了因?yàn)榕帕繙p小和緊湊化設(shè)計(jì)所帶來(lái)的各種困難的制約，而且，進(jìn)一步改善了決定熱效率的各種控制因素的狀態(tài)。因此，作為SKYACTIV-D產(chǎn)品系列在行駛性能、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放和低噪聲等在更高的水平上得到了統(tǒng)一。這是1款值得稱(chēng)道的小排量清潔柴油機(jī)。

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2015-09-30)