新型1．5 L渦輪增壓汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)

【日】 Y．Wada K．Nakano K．MochizukiR．Hata

新型1．5 L渦輪增壓汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)

【日】 Y．Wada K．Nakano K．MochizukiR．Hata

為了實(shí)現(xiàn)較好的動(dòng)力和環(huán)保性能，開(kāi)發(fā)了1種小型化1．5 L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)旨在替代1．8～2．4 L的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)。在小型化渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，混合氣均勻性對(duì)抑制爆燃和減排十分重要。特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，創(chuàng)造快速燃燒和均勻混合氣是關(guān)鍵的技術(shù)。采用了長(zhǎng)行程直噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為滿(mǎn)足這些要求的基本機(jī)型，它具有顯著的快速燃燒能力和較高的熱效率。將長(zhǎng)行程與高滾流氣道和支持滾流的淺盆形活塞相結(jié)合，增強(qiáng)了混合氣在氣缸內(nèi)的流動(dòng)。建立的燃燒系統(tǒng)包含1個(gè)能減少爆燃的充鈉排氣門(mén)和1個(gè)有利于形成均勻混合氣和減少燃油濕壁的多孔(6孔)噴射器。依靠快速燃燒，能夠?qū)崿F(xiàn)很高的缸內(nèi)壓力，因而能提高平均指示有效壓力，即使在轉(zhuǎn)速1 500 r/min全負(fù)荷下推遲點(diǎn)火正時(shí)的情況下也是如此。雙氣門(mén)正時(shí)控制(VTC)有可能為不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷設(shè)定最佳的進(jìn)排氣門(mén)重疊角和氣門(mén)正時(shí)。VTC與上述燃燒系統(tǒng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了220 g/(kW·h)－1的最低比油耗和38%的最大熱效率。還介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，以及為達(dá)到低排放、減少振動(dòng)和噪聲、實(shí)現(xiàn)輕量化和整車(chē)性能采用的技術(shù)。

汽油增壓直噴 熱效率 排放 噪聲

0 前言

本田汽車(chē)公司的目標(biāo)是要開(kāi)發(fā)一些具備駕駛樂(lè)趣，同時(shí)又能滿(mǎn)足全球越來(lái)越嚴(yán)的環(huán)保法規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)。為此，本田汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)了1種熱效率和輸出性能較好的1．5 L小型化渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)旨擬用來(lái)替代1．8～2．4 L的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)。本文將特別探討在本田汽車(chē)(Civic)緊湊型轎車(chē)上用這種發(fā)動(dòng)機(jī)取代1．8 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的好處。設(shè)定的4個(gè)發(fā)展目標(biāo)如下:

(1)實(shí)現(xiàn)一種由進(jìn)氣道產(chǎn)生缸內(nèi)高速滾流的新型燃燒系統(tǒng);(2)能在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速范圍產(chǎn)生充裕扭矩的功率特性;(3)一流的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能;(4)通過(guò)使用輕量化、高剛性的發(fā)動(dòng)機(jī)框架結(jié)構(gòu)達(dá)到卓越的振動(dòng)和噪聲水平。

本文將介紹發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)規(guī)格、燃燒概念、輸出特性、燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放、降低振動(dòng)-噪聲、輕量化和車(chē)輛性能等方面的情況。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)格

本田汽車(chē)選擇現(xiàn)有的1種1．5 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)［1］作為基本機(jī)型，以實(shí)現(xiàn)比以前幾種1．8 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)更好的驅(qū)動(dòng)性和燃油經(jīng)濟(jì)性。該項(xiàng)開(kāi)發(fā)的出發(fā)點(diǎn)是采用1．5 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)作為參考機(jī)型來(lái)實(shí)現(xiàn)高熱效率。長(zhǎng)行程結(jié)構(gòu)可提供相當(dāng)快速的進(jìn)氣流，因而能增加燃燒室內(nèi)的紊流。通過(guò)這種方式，能快速燃燒和抑制爆燃［2］。尤其是在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，該爆燃對(duì)策在高增壓壓力條件下能帶來(lái)更高的熱效率［3］。因此，這就能通過(guò)長(zhǎng)行程(行程/缸徑比為1．22)和小缸徑(直徑73 mm)的結(jié)構(gòu)配用渦輪增壓器來(lái)得以實(shí)現(xiàn)，這正是上述燃燒的優(yōu)點(diǎn)。圖1所示為這種小型化渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在熱效率和平均有效壓力(BMEP)方面的優(yōu)越性能。發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)規(guī)格列于如表1，圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)的外觀視圖。

圖1 新型1．5 L小型化渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能位置(圖中所示3種發(fā)動(dòng)機(jī)的相應(yīng)參數(shù)列于表1中)

圖2 1．5 L小型化發(fā)動(dòng)機(jī)的外觀視圖

采用雙VTC能夠?yàn)楦鞣N不同的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速提供最佳的進(jìn)/排氣門(mén)重疊角和氣門(mén)正時(shí)。通過(guò)調(diào)整內(nèi)部EGR量和充氣效率，能使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到目標(biāo)燃油經(jīng)濟(jì)性和輸出功率。并采用汽油直噴射器來(lái)提高熱效率和形成均勻的混合氣。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成可使用普通汽油運(yùn)行，在壓縮比為10．6的情況下燃油耗與動(dòng)力性達(dá)到最佳平衡。為了激活排氣催化劑使之較早起燃，在排氣門(mén)到催化器的所有通路上都采用了低熱質(zhì)量結(jié)構(gòu)(圖3)。該結(jié)構(gòu)包括1個(gè)直接安裝在氣缸蓋整體式排氣歧管上的單流道渦輪增壓器，與1個(gè)在其下游的雙床催化器直接緊耦合。發(fā)動(dòng)機(jī)向后傾斜7°，而這些排氣系統(tǒng)組件均布置在發(fā)動(dòng)機(jī)的前端。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

圖3 在從排氣門(mén)到催化器的所有通路上采用的低熱質(zhì)量結(jié)構(gòu)

2 燃燒概念

建立的燃燒系統(tǒng)由高滾流氣道(在小型化渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)所需的高負(fù)荷下產(chǎn)生快速燃燒和均勻的混合氣)、淺盆形活塞(支持滾流)、充鈉排氣門(mén)(減少爆燃)，和多孔噴射器(減少氣缸燃油濕壁)組合而成(圖4)。

圖4 燃燒系統(tǒng)的組件

圖5所示為渦流比與流量系數(shù)之間的關(guān)系。與其他進(jìn)氣道相比，新型進(jìn)氣道的定位是高渦流比。圖6所示為渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)與基本機(jī)型1．5 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道和活塞形狀的差異。與自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的傾斜角度更大。其空氣流大多沿排氣門(mén)下面的單坡斜面流動(dòng)，對(duì)面的氣流被限制進(jìn)入氣缸。這一效應(yīng)是由設(shè)置在進(jìn)氣道下側(cè)周?chē)c氣門(mén)座腔相連的被稱(chēng)為突變斜坡刃口(圖6細(xì)節(jié)A)造成的。如此可以限制逆向滾流(即限制空氣反向回流)。

圖5 在渦流比與流量系數(shù)的曲線(xiàn)圖上新型滾流氣道所處的位置

新開(kāi)發(fā)的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)還采用淺盆形活塞。這種淺盆形頂部形狀由平緩的曲面和上坡面組成(圖6細(xì)節(jié)B)。曲面是要在進(jìn)氣行程期間使?jié)L流流動(dòng)方向變換成向下，后面的上坡形狀用于引導(dǎo)氣流向上流動(dòng)。通過(guò)這種方式，活塞頂部的形狀就能在壓縮行程期間產(chǎn)生滾流。圖7所示為由計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)里卡多VECTIS 3．12方法獲得的轉(zhuǎn)速1 500 r/min全負(fù)荷時(shí)的缸內(nèi)氣流形態(tài)。圖8比較了這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的渦流比和紊流動(dòng)能。觀察到在活塞方向有一股強(qiáng)氣流，它在進(jìn)氣過(guò)程的前半部分(曲軸轉(zhuǎn)角100°CA)形成?；钊斆娴臏\盆能使這股氣流反向流動(dòng)，產(chǎn)生滾動(dòng)渦流。在壓縮過(guò)程中(曲軸轉(zhuǎn)角270°CA)觀察到的滾動(dòng)的渦旋，在上止點(diǎn)前－60～0°CA BTDC單坡被擠入屋脊斜面，并轉(zhuǎn)化成紊流動(dòng)能，從而促進(jìn)火焰?zhèn)鞑?，接近壓縮上止點(diǎn)時(shí)的紊流動(dòng)能大約是自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的2倍。

圖7 缸內(nèi)流動(dòng)形態(tài)(轉(zhuǎn)速1 500 r/min倒拖運(yùn)行)

選擇的直接多孔噴射器能給噴霧形態(tài)提供了很大自由度。選用的1種噴油器與高速滾流結(jié)合，能夠降低缸套濕壁(會(huì)影響機(jī)油稀釋)和活塞濕壁(導(dǎo)致碳煙)。表2所示為考慮到的幾種典型的噴霧形態(tài)。它會(huì)根據(jù)進(jìn)氣行程中的滾流主流方向提出3個(gè)噴霧方向:向上(朝缸套)，向下(朝活塞)和向中間。這些以混合均勻性和燃油濕壁量為指標(biāo)，利用CFD計(jì)算來(lái)選擇噴霧方向。這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)選擇了C型噴霧形態(tài)。

表2提出了3種燃油噴霧形態(tài)。表中的燃油噴霧布局圖表示，x軸值是為橫向角位移量，y軸值為縱向角位移量。

圖8 渦流比和紊流動(dòng)能(轉(zhuǎn)速1 500 r/min倒拖運(yùn)行)

表2 3種燃油噴霧形態(tài)

3 輸出性能

新型1．5 L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率為130 kW，比1．8 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率增加了21%，扭矩增加了26%，且發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭距轉(zhuǎn)速下降了2 600 r/min。轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)的扭矩與2．4 L發(fā)動(dòng)機(jī)的大致相同。這有助于確保車(chē)輛在城市地區(qū)方便操縱，以足夠的功率實(shí)現(xiàn)舒適的高速加速(圖9)。這些結(jié)果可能是因?yàn)椴捎昧松鲜鋈紵囊?guī)格、雙VTC，以及低慣性和高響應(yīng)度的緊湊型渦輪增壓器而獲得的。

渦輪增壓器的1個(gè)獨(dú)特之處是進(jìn)氣壓力大于或等于其排氣壓力。利用這一特性進(jìn)行的掃氣過(guò)程是增加低速扭矩的1種有效手段。在相對(duì)較高的進(jìn)氣壓力條件下，采用較寬的進(jìn)排氣門(mén)疊開(kāi)角，能使殘余氣體從缸內(nèi)清除到排氣系統(tǒng)。這可使氣缸充入更多的新鮮充量并減少爆燃。同時(shí)，掃氣流能提高渦輪的轉(zhuǎn)速(圖10)。

圖9 性能曲線(xiàn)的比較

圖10 轉(zhuǎn)速1 500 r/min全負(fù)荷時(shí)1．5 L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的掃氣效果

其結(jié)果是，在1 500 r/min時(shí)，開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩大約要比1．8 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的高30%。此外，針對(duì)這種掃氣將空燃比設(shè)定為化學(xué)計(jì)量比，可以通過(guò)催化器來(lái)凈化廢氣。圖11比較了1 500 r/min全負(fù)荷時(shí)1．8 L自然吸氣基本型發(fā)動(dòng)機(jī)和1．5 L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸壓力曲線(xiàn)。增壓壓力補(bǔ)償了由于小型化導(dǎo)致的平均指示有效壓力(IMEP)的損耗，這意味著即使在行程容積很小的情況下，也能產(chǎn)生高氣缸壓力。由圖12顯示，即使在因增壓壓力上升而推遲點(diǎn)火正時(shí)的情況下，快速燃燒也能達(dá)到很高的熱效率。

圖11 1．5 L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和1．8 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的p-V圖比較(1 500 r/min全負(fù)荷)

圖12 1．5 L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和1．8 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)放熱率的比較(1 500 r/min全負(fù)荷)

在圖13中，發(fā)動(dòng)機(jī)中、高轉(zhuǎn)速?gòu)?區(qū)到4區(qū)氣門(mén)疊開(kāi)角逐漸減小。這就能抑制因排氣壓力上升而導(dǎo)致的殘余氣體增加。在加速期間，將電動(dòng)放氣閥控制成立即完全關(guān)閉，因而有可能快速增加增壓壓力。

圖13 雙VTC的控制策略

4 燃油經(jīng)濟(jì)性

圖14為1．8 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)和1．5 L小型化發(fā)動(dòng)機(jī)有效比油耗(BSFC)曲線(xiàn)圖譜的比較。圖中顯示，BSFC 240 g/(kW·h)的區(qū)域擴(kuò)展到了包括較高和較低的扭矩以及較高和較低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的范圍。新開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)的最小比油耗為220 g/(kW·h)，最高熱效率為38%。

圖14 1．5 L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)與1．8 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)BSFC圖譜的比較

因此，此項(xiàng)開(kāi)發(fā)已經(jīng)達(dá)到了在1 500 r/min和70 N·m(重點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)工況)下比油耗減少10%的目標(biāo)。此外，由于小型化發(fā)動(dòng)機(jī)是要取代排量較高的發(fā)動(dòng)機(jī)，所以它不僅需要在日常的負(fù)荷下，而且還要在高負(fù)荷下運(yùn)行，并提供良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。與1．8 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，新開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1 500 r/min并接近全負(fù)荷140 N·m的情況下，燃油經(jīng)濟(jì)性降低了16%。圖15所示為燃油耗減少的細(xì)分情況。

在自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，通常會(huì)采用較濃的空燃比來(lái)增加全負(fù)荷的輸出功率。然而，增加小型化渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率則有可能通過(guò)調(diào)整增壓壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于該發(fā)動(dòng)機(jī)，可以通過(guò)將空燃比設(shè)定為化學(xué)計(jì)量比使BSFC改善57%。通過(guò)降低冷卻損失和泵氣損失能使指示熱效率提高42%，并使摩擦損失減少1%。雙VTC在寬廣的負(fù)荷范圍內(nèi)對(duì)上述燃油經(jīng)濟(jì)性的改善發(fā)揮了重要作用，通過(guò)提供最佳的內(nèi)部EGR增強(qiáng)熱效率。另一方面，據(jù)預(yù)測(cè)，按此方式使用內(nèi)部EGR將會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣門(mén)和進(jìn)氣道表面積碳的問(wèn)題。產(chǎn)生這方面問(wèn)題的一個(gè)因素是運(yùn)行竄漏氣體中包含有機(jī)油霧。此外，據(jù)報(bào)道稱(chēng)，機(jī)油霧會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行和高負(fù)荷行駛時(shí)出現(xiàn)低速早燃(LSPI)［4］。采用圖16和圖17所示的一種收集機(jī)油霧的結(jié)構(gòu)有可能限制積碳和LSPI。圖16所示為呼吸系統(tǒng)的通路。為了從竄漏氣體中分離機(jī)油霧，在氣缸蓋罩上設(shè)置了2個(gè)分離腔。壓力控制閥(PCV)腔位于進(jìn)氣歧管的上游，呼吸腔位于壓氣機(jī)前的進(jìn)氣管上游。圖17所示為PCV和呼吸腔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這兩個(gè)稱(chēng)為渦流室的腔室，由兩部分組成。一個(gè)設(shè)置在氣缸蓋罩內(nèi)，另一個(gè)是專(zhuān)用室蓋，并分別設(shè)有筋條。上部和下部的筋條可使氣流扭轉(zhuǎn)路徑。當(dāng)竄漏氣體通過(guò)該腔室時(shí)，會(huì)產(chǎn)生2個(gè)渦旋流。當(dāng)這些氣流被轉(zhuǎn)到左右和上下時(shí)，竄漏氣體中的機(jī)油霧就能靠撞壁作用從氣體中分離出來(lái)，最終成為液態(tài)機(jī)油返回到凸輪室中。

5 低排放

小型化發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪增壓器相結(jié)合是解決燃油經(jīng)濟(jì)性和提高功率輸出的有效方法。但另一方面，由于渦輪增壓器熱質(zhì)量增加會(huì)使冷起動(dòng)后催化器溫度上升緩慢。圖18示出了為達(dá)到LEV3-SULEV30排放目標(biāo)而采取的幾種NMOG+NOx減排措施?；镜腘MHC+NOx水平由以前幾種滿(mǎn)足LEV2-SULEV法規(guī)的1．8 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型決定，這些發(fā)動(dòng)機(jī)采用了相當(dāng)于渦輪增壓器熱質(zhì)量的排氣系統(tǒng)。

圖17 設(shè)置在氣缸蓋罩上用于捕捉油霧的渦旋室結(jié)構(gòu)

圖 18 幾種 NMOG+NOx的減排措施和FTP-75測(cè)驗(yàn)時(shí)的效果

圖19所示為在冷起動(dòng)時(shí)(1 500 r/min，快怠速負(fù)荷，水溫25℃)燃燒波動(dòng)和碳煙量與點(diǎn)火正時(shí)的關(guān)系。高滾流形成的混合氣均勻性和提高的湍流動(dòng)能也有穩(wěn)定延遲燃燒的效果。相比于常規(guī)的1．8 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在大尺度延遲燃燒時(shí)更為穩(wěn)定。此外，在低溫情況下，燃油沒(méi)有直接噴射到活塞頂面，所以也能降低碳煙。將點(diǎn)火正時(shí)設(shè)定為比1．8 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)延遲12°CA，即使排氣系統(tǒng)中渦輪增壓器會(huì)增加熱質(zhì)量，還是可以確保催化器溫度上升所需的熱排氣(圖20)。

圖19 IMEP變化率和碳煙量與點(diǎn)火正時(shí)推遲的關(guān)系(轉(zhuǎn)速1 500 r/min，水溫為25℃，快速怠速臺(tái)架試驗(yàn)時(shí))

圖20 冷起動(dòng)后排廢氣溫度和催化器溫度的變化過(guò)程

圖21所示為催化器的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)說(shuō)明。最新的催化器能夠激活其自身的早期點(diǎn)火。這種催化器由載體和最近開(kāi)發(fā)的催化涂層組成，前者能在很小的熱量下升溫，后者即使在低溫下也具有可靠的還原性能。該載體具有55%的孔隙率，比常規(guī)載體高27%～35%，這可以使熱質(zhì)量降低30%～38%。最近開(kāi)發(fā)的催化涂層中的鉑系金屬［5-6］分散性更好，它能增強(qiáng)鉑系金屬的反應(yīng)活性。因此，該催化劑能在催化器溫度約30℃的情況下，比常規(guī)催化器的溫度低，卻能達(dá)到相同的還原水平(圖22)。

圖21 催化器結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)說(shuō)明

圖22 采用新開(kāi)發(fā)的催化器提高了HC和NOx的還原率(試件尺寸:直徑25．4 mm，長(zhǎng)度30 mm;老化條件:980℃和 20 h，模型氣體:空燃比 14．6+/－0．9，振動(dòng)頻率1 Hz，空間速度100 000 L/h)

6 振動(dòng)和噪聲減少

在1臺(tái)小型化發(fā)動(dòng)機(jī)上，要同時(shí)實(shí)現(xiàn)高輸出、輕量化結(jié)構(gòu)、降低噪聲和振動(dòng)是頗具挑戰(zhàn)的。新開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)采用軸頸直徑較小的長(zhǎng)行程曲軸有助于確保低摩擦和高熱效率。采用獨(dú)立的曲軸軸承蓋，這種軸承支承系統(tǒng)有助實(shí)現(xiàn)更輕的質(zhì)量。利用本田公司自己開(kāi)發(fā)的工具對(duì)各種部件的形狀進(jìn)行優(yōu)化，以處理振動(dòng)和噪聲問(wèn)題。通過(guò)修改曲軸的形狀實(shí)現(xiàn)了剛性更高的結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)修改曲軸皮帶輪的規(guī)格，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)。如重新設(shè)計(jì)獨(dú)立軸承蓋的形狀(圖23)。對(duì)不同軸頸的軸承蓋作了改進(jìn)，旨在減少它對(duì)振動(dòng)傳遞的影響。采用這種方式使之具有足夠的剛性，使之在降低質(zhì)量的同時(shí)減少振動(dòng)。

此外，快速燃燒和使用直噴系統(tǒng)對(duì)研發(fā)提出了另外一個(gè)挑戰(zhàn)——高頻輻射噪聲。通過(guò)優(yōu)化鏈條箱零件的表面形狀，以及在那些會(huì)產(chǎn)生噪聲輻射的零件上采用氨基甲酸酯隔層。新開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)在同類(lèi)機(jī)型中實(shí)現(xiàn)了最低的噪聲輻射(圖24)。

圖23 為減振、降噪和輕量化而優(yōu)化的軸承蓋

圖24 新型小型化1．5 L增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在聲壓與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩關(guān)系圖上的位置(輻射噪聲水平為轉(zhuǎn)速3 000～5 000 r/min全負(fù)荷的平均值)

7 輕量化結(jié)構(gòu)

降低發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量還會(huì)對(duì)車(chē)輛的燃油耗產(chǎn)生重大影響。通過(guò)研究降低發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，其質(zhì)量相比同等輸出功率的常規(guī)自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)減輕了約30 kg。下面介紹采用的具體技術(shù)。

7．1 排氣門(mén)

發(fā)動(dòng)機(jī)零部件要在因增壓導(dǎo)致熱量上升情況下保持可靠耐用十分重要。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用充鈉的中空頭部排氣門(mén)。為了確保氣門(mén)頭部的熱量有效地向下端傳遞，并防止排氣門(mén)和附近的結(jié)構(gòu)過(guò)熱，充鈉一直延伸到了氣門(mén)頭部(傳統(tǒng)氣門(mén)只在閥桿中充鈉)。這有助于降低氣門(mén)的溫度。其結(jié)果是在不改變1．5 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)材料的情況下，氣門(mén)材料更耐用且質(zhì)量減輕18%(圖25，圖26)。

圖25 充鈉排氣門(mén)橫截面

圖26 排氣門(mén)的溫度和強(qiáng)度(最大功率點(diǎn))

7．2 加強(qiáng)工字梁桿身區(qū)的連桿強(qiáng)度

為了承受增壓產(chǎn)生的高氣缸燃燒壓力，連桿的工字梁桿身區(qū)域采用了新鍛造技術(shù)［7］，并采用適應(yīng)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的局部加強(qiáng)鍛壓法工藝。過(guò)程由兩步鍛造工藝組成的。第一步鍛壓為正常的熱鍛，桿身工字梁的橫截面鍛函比最終設(shè)計(jì)尺寸稍大。第二步鍛壓為冷鍛，鍛壓過(guò)程僅在桿身梁區(qū)施壓，采用非常精確的模具進(jìn)行沖壓控制，使連桿能夠承受高負(fù)荷。這一效果相當(dāng)于連桿抗彎強(qiáng)度增加了約30%。增加強(qiáng)度的典型措施通常是替換連桿材料，或者使用某種類(lèi)型的熱處理工藝，如回火。與此相反，本發(fā)動(dòng)機(jī)使用的連桿僅在工字梁區(qū)得到了加強(qiáng)，大小端的材料硬度則與常規(guī)材料的相同。這就能在提高連桿強(qiáng)度和減重15%的同時(shí)，使得大小端在的機(jī)加工過(guò)程中較為容易操作(圖27)。圖28為不同連桿的比較。

圖27 加強(qiáng)工字梁區(qū)的連桿

7．3 輕量化的中冷器連接

傳統(tǒng)上，中冷器前后的管子都采用鋁材來(lái)制造，但新開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)改為采用吹塑成型的PP-GF15樹(shù)脂。將丙烯酸橡膠(ACM)軟管做成波紋管的形狀，因而縮短了總長(zhǎng)度，并有助于吸收管子的振動(dòng)。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，這種管子的成本更低，質(zhì)量可減輕20%(圖29)。

8 車(chē)輛性能

由于1．5 L小型化的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用了上述改善燃油經(jīng)濟(jì)性和減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的措施，配裝該發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)輛達(dá)到了表3中所列的性能。

圖28 不同連桿的比較

圖29 采用輕質(zhì)材料的中冷器連接管

表3 車(chē)輛性能

9 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)良好的行駛性能和環(huán)保理念，開(kāi)發(fā)了一種1．5 L小型化渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)旨在用來(lái)替代1．8～2．4 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)。采用高滾流氣道、淺盆形活塞和多孔噴油器與長(zhǎng)行程結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了快速燃燒和均勻的混合氣。雙VTC和小渦輪增壓器的應(yīng)用增強(qiáng)了低端扭矩，能使用戶(hù)在使用普通汽油的情況下獲得駕駛的樂(lè)趣。該發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到的性能指標(biāo)如下:

(1)最大輸出功率130 kW，比1．8 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的功率提高了21%。同時(shí)，扭矩增加了26%，而最大扭矩時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降了2 600 r/min。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)的最小比油耗是220 g/(kW·h)，最大熱效率為38%。

(3)能達(dá)到LEV3-SULEV30排放標(biāo)準(zhǔn)。

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閆紅梅 譯自 SAE Paper 2016-01-1020

朱炳全 校

虞 展 編輯

①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

2016-11-07)