高功率發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)
——第一部分:結(jié)構(gòu)、冷卻和適用性

【奧】 W．Sch?ffmann H．Sorger F．Zieher M．E．Hammer

1 用于汽油機(jī)和柴油機(jī)的高效強(qiáng)化方案

汽油機(jī)和柴油機(jī)以降低燃油耗為目標(biāo)的方案和以極限功率為目標(biāo)的方案之間存在著極大的差異，其中都采用了增壓和缸內(nèi)直接噴射［1-2］。高效方案的難點(diǎn)在于氣門機(jī)構(gòu)的可變性、廢氣再循環(huán)(EGR)，以及采用了更多的米勒循環(huán)或阿特金森循環(huán)加長膨脹行程，而部分負(fù)荷效率與高升功率的組合則需要應(yīng)用可變壓縮比。鑒于發(fā)動(dòng)機(jī)模塊化結(jié)構(gòu)，安裝在常規(guī)的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)之上的可轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是具有一定吸引力的。

可變氣門機(jī)構(gòu)對于柴油機(jī)也具有越來越重要的作用，從而在排氣側(cè)提供了提高廢氣溫度的可能性，在進(jìn)氣側(cè)則提供了限制必需的爆發(fā)壓力的可能性。

與加大排量的高功率方案相比，運(yùn)動(dòng)型轎車的頂級機(jī)動(dòng)性目標(biāo)是在提高工作效率的同時(shí)，兼?zhèn)涓邉?dòng)力性能與良好的駕駛靈活性。

2 模塊化發(fā)動(dòng)機(jī)組合部件

目前，增壓汽油機(jī)機(jī)型的升功率覆蓋了約70～100 kW的范圍，而高達(dá)200 kW的升功率機(jī)型正在開發(fā)之中，其爆發(fā)壓力要求提高到15 MPa。最高功率的機(jī)型在特定的轉(zhuǎn)速范圍下，被設(shè)計(jì)成固定壓縮比和固定氣門升程，并在燃油耗方面有所折中。

目前，柴油機(jī)覆蓋了小于80 kW的寬廣的升功率范圍，而高功率機(jī)型的開發(fā)則達(dá)到了90～100 kW。用于量產(chǎn)轎車的超過100 kW升功率的柴油機(jī)仍待討論。在峰值壓力必需在大于等于22 MPa的情況下，就會(huì)對成本和摩擦損失形成挑戰(zhàn)。

表1列出了汽油機(jī)功率變型的技術(shù)規(guī)格，表2列出了具有高成本效益的單缸排量0．5 L的4缸柴油機(jī)的技術(shù)概況。用于汽油機(jī)和柴油機(jī)的功率變型各被設(shè)計(jì)成5個(gè)等級。

表1 汽油機(jī)功率變型的技術(shù)規(guī)格

表2 單缸排量0．5 L柴油機(jī)功率變型的技術(shù)概況

3 增壓方案

表1中功率變型的區(qū)別主要表現(xiàn)在增壓機(jī)組復(fù)雜性的不同。高達(dá)130 kW升功率的汽油機(jī)變型都采用傳統(tǒng)的廢氣放氣閥控制的廢氣渦輪增壓器，而柴油機(jī)變型至約70 kW升功率采用單級可變渦輪幾何截面增壓器，采用兩級順序串聯(lián)渦輪增壓則可覆蓋80～90 kW的升功率范圍。

應(yīng)用電動(dòng)增壓器(e-SC)能在瞬態(tài)運(yùn)行和低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)與渦輪增壓器協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)到高負(fù)荷范圍，這樣一方面能將單級渦輪增壓技術(shù)應(yīng)用擴(kuò)展到更高的升功率，另一方面能通過與兩級渦輪增壓組合，在及時(shí)滿足加速響應(yīng)特性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的升功率。

圖1示出了高功率汽油機(jī)變型的渦輪增壓器機(jī)組和增壓空氣冷卻器的示意圖，應(yīng)用了具有單級渦輪和兩級壓氣機(jī)的2個(gè)渦輪增壓器，目前尚處于開發(fā)階段。在開發(fā)方案中，2個(gè)渦輪增壓器的壓氣機(jī)側(cè)集成了1個(gè)電機(jī)，可供選擇。而作為升功率大于100 kW的高功率柴油機(jī)上的增壓方案，則借助于壓氣機(jī)的類似兩級壓縮，或者兩級渦輪增壓與e-SC的方案。

圖1 升功率為200 kW的汽油機(jī)變型的增壓機(jī)組方案及示范機(jī)型

4 模塊化部件結(jié)構(gòu)

模塊化部件結(jié)構(gòu)型式能使1個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系列中的所有變型機(jī)都具有明顯的成本優(yōu)勢。無論是汽油機(jī)還是柴油機(jī)，對于最高功率的變型機(jī)有時(shí)候采用特殊的方案更具目標(biāo)導(dǎo)向性，可使量產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型不會(huì)增加其他負(fù)擔(dān)。

鑒于未來發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油耗要求，采取了多種措施降低機(jī)械損失，包括:(1)曲軸-活塞中心線偏移量;(2)采用長的連桿桿身(L/r＞3．3);(3)減小氣缸套變形和中心架珩磨;(4)氣門機(jī)構(gòu)采用低摩擦的滾輪搖臂和液壓挺柱;(5)減小主軸承直徑;(6)可開關(guān)的活塞冷卻機(jī)油噴嘴(氣缸體曲軸箱中具有分開的機(jī)油通道);(7)分開式機(jī)油循環(huán)回路(分開式冷卻);(8)鏈或皮帶傳動(dòng)機(jī)油泵，壓力和體積流量可調(diào)。

其他的附加措施也能在生產(chǎn)和裝配方面以很小的變化在現(xiàn)有的生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)，如:電子控制節(jié)溫器、滾動(dòng)軸承質(zhì)量平衡軸、減小摩擦的涂層(例如活塞環(huán)和活塞銷)、凸輪軸滾動(dòng)軸承(第一道軸承)和可調(diào)式高功率水泵(密封件，葉輪)。

在所有的功率變型中，這些提高效率的組合措施是進(jìn)一步降低燃油耗的基礎(chǔ)。

5 氣缸體曲軸箱

AVL公司已為汽油機(jī)和柴油機(jī)系列同時(shí)開發(fā)了用于18 MPa爆發(fā)壓力的壓鑄氣缸體曲軸箱，能夠覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)系列中的高升功率。最高功率發(fā)動(dòng)機(jī)采用帶泥芯的重力鑄造工藝制造的高強(qiáng)度鑄鐵結(jié)構(gòu)或鋁氣缸體曲軸箱。鋁氣缸體曲軸箱能明顯改善材料性能，并與氣缸工作表面涂層相結(jié)合，為高功率機(jī)型提供了最大的潛力。用于小型化方案的薄壁鑄件既具有高的負(fù)荷承載能力，又具有競爭力優(yōu)勢的總質(zhì)量和良好的振動(dòng)-噪聲-平順性(NVH)特性。用于爆發(fā)壓力高達(dá)23 MPa的2．0 L柴油機(jī)的蠕墨鑄鐵(CGI)薄壁鑄造方案的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量僅比頂面封閉的鋁氣缸體曲軸箱增加了10 kg。在采用模塊化組合部件的同時(shí)，在1個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系列中鋁和CGI鑄鐵深裙型氣缸體曲軸箱盡可能采用可互換的統(tǒng)一裝配方案(圖2)。

圖2 用于高功率汽油機(jī)的鋁氣缸體曲軸箱和用于柴油機(jī)的蠕墨鑄鐵薄壁氣缸體曲軸箱示意圖

6 氣缸蓋

具有緊湊結(jié)構(gòu)的氣缸蓋、分開式壓鑄凸輪軸模塊的模塊化氣缸蓋和氣門機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式，由于具有相同的氣缸蓋高度(圖3)，因而允許汽油機(jī)和柴油機(jī)采用統(tǒng)一的主要加工工序。除了節(jié)省成本和減輕質(zhì)量之外，這種結(jié)構(gòu)型式具有應(yīng)用不同可變氣門機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的靈活性。

在高功率變型機(jī)上，大量進(jìn)入冷卻系統(tǒng)的熱量可能限制了應(yīng)用整體式排氣歧管的可能性，但是采用陶瓷涂層的局部隔熱排氣管道為高功率變型汽油機(jī)和柴油機(jī)提供了新的可能。

用于高升功率的氣缸蓋必須能夠在最小的冷卻液容積、壓力損失和冷卻液流量情況下對處于臨界狀態(tài)的氣門座“鼻梁”、噴油器和火花塞進(jìn)行有效的冷卻。從頂面向下流動(dòng)的高效冷卻方案(圖3)包括排氣門之間的高效冷卻噴嘴，其中還試驗(yàn)了適合于量產(chǎn)的氣門座圈冷卻。氣缸蓋的材料對于其長久使用壽命具有決定性的意義，而用于中等升功率的鋁硅合金鑄鐵是1種久經(jīng)考驗(yàn)的材料，而鋁銅基合金鑄鐵材料也顯示出了其使用壽命的潛力。

在系列機(jī)型中應(yīng)用的氣門機(jī)構(gòu)可變性，在中等功率等級的汽油機(jī)上包括進(jìn)排氣側(cè)氣門升程的轉(zhuǎn)換與進(jìn)排氣兩側(cè)凸輪軸相位調(diào)節(jié)器(DVVT)相結(jié)合，而在最高功率等級汽油機(jī)上，由于額定轉(zhuǎn)速高達(dá)8 000 r/min，則采用固定氣門升程和進(jìn)排氣2側(cè)凸輪軸DVVT。柴油機(jī)方面，進(jìn)排氣側(cè)氣門升程轉(zhuǎn)換用于最高功率等級機(jī)型，以及考慮使用排氣相位調(diào)節(jié)(VVT)。

圖3 汽油機(jī)變型的模塊化氣缸蓋及其冷卻方案

7 高功率發(fā)動(dòng)機(jī)的適用性——使用方式

為了在量產(chǎn)中確保最高功率發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，現(xiàn)行適用性程序的匹配是具有目標(biāo)導(dǎo)向作用的。AVL公司設(shè)計(jì)的適用性規(guī)劃(DVP)將試驗(yàn)性和適用性目標(biāo)結(jié)合起來，稱為“AVL-負(fù)荷矩陣(AVL-LM)”方式。這種方式是將零部件和故障方式(失效模式)與持續(xù)運(yùn)行程序連接起來，憑借AVL-LM在1個(gè)4級過程中所必需的試驗(yàn)及其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間系統(tǒng)分析、標(biāo)定和目標(biāo)值、試驗(yàn)程序和負(fù)荷分析，最后進(jìn)行評價(jià)和優(yōu)化。

根據(jù)標(biāo)定的不同，可獲得不同的汽車使用參數(shù)。圖4(a)示出了賽車和運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(SUV)應(yīng)用場合的高功率等級汽車典型使用狀況，其中圖4(b)顯示的賽車賽道使用情況值得關(guān)注，因?yàn)閷τ赟UV而言，在高速公路以及在山區(qū)或壞路面掛車行駛時(shí)的負(fù)荷較大。

圖4 SUV和賽車用戶使用范圍參數(shù)和賽道賽車的負(fù)荷分布示意圖

8 試驗(yàn)程序和評估

高功率發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的評估是通過峰值壓力和氣門座“鼻梁”的熱機(jī)械疲勞考察高循環(huán)疲勞，測量參數(shù)是加速因數(shù)和相對累積故障(RAD)。為了確保賽車和SUV的應(yīng)用，超過22 000 km的賽道試驗(yàn)以相對RAD 1．3倍的參數(shù)值提供當(dāng)量故障份額(圖5(b))，而且持續(xù)運(yùn)行約300 h熱沖擊也是十分重要的保障。

熱機(jī)械疲勞(圖5(b))表明了SUV用途有較高的熱機(jī)械故障，而賽車的賽道負(fù)荷所發(fā)生的故障相當(dāng)于150 000 km的行駛里程。若考慮到熱慣性的影響，就必須修改300 h熱沖擊持續(xù)運(yùn)行方式，從而在氣門座“鼻梁”處就能在時(shí)間小于15 s的情況下達(dá)到1個(gè)數(shù)值，并通過優(yōu)化試驗(yàn)或延長運(yùn)行時(shí)間就能推斷出在保障方面存在的缺陷。

9 結(jié)語和展望

確定了汽油機(jī)和柴油機(jī)在具有一般功率和平均有效壓力的燃油耗導(dǎo)向方案與極限功率導(dǎo)向方案之間所存在的極大差異。與傳統(tǒng)的強(qiáng)調(diào)排量的高功率動(dòng)力裝置相比，運(yùn)動(dòng)型轎車的頂級機(jī)動(dòng)性目標(biāo)是在提高效率的同時(shí)，將高性能與靈活的駕駛性相結(jié)合。應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工程工具支持方案選擇和優(yōu)化開發(fā)過程。為了確保量產(chǎn)中高功率發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，要求進(jìn)行現(xiàn)行的適用性程序匹配，在這方面AVL公司在開發(fā)中運(yùn)用了DVP。這種規(guī)劃將試驗(yàn)任務(wù)(如正面加載和性能試驗(yàn))與確認(rèn)內(nèi)容(在試驗(yàn)臺和汽車上的持續(xù)運(yùn)行檢驗(yàn))結(jié)合起來，而負(fù)荷矩陣方式是在考慮到用戶和使用狀況情況下確認(rèn)規(guī)劃的目標(biāo)基礎(chǔ)。

圖5 賽車和SUV因高循環(huán)疲勞和熱機(jī)械疲勞時(shí)氣缸蓋的相對累積故障

［1］Sorger H，Howlett M．F，Schnider W，u．a(chǎn)．Herausforderung CO2aggressives downsizing am dieselantrieb-Motorkonzeptdefinition［C］．31．Internationales Wiener Motorensymposlum，2010．

［2］Fraidl G，Dreisbach R，Kapus P，u．a(chǎn)．Diesel versus otto:synergie oder wettbewerb［C］．35．Internationales Wiener Motorensymposium，2014．