新一代進(jìn)氣道噴射自然吸氣汽油機(jī)開發(fā)

平銀生 張小矛 宋文倡 徐 政 王延亮 殷 聞 阿苦伍各 周 舟

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司技術(shù)中心，上海 201804)

0 前言

近年來，燃油耗法規(guī)日趨嚴(yán)苛，預(yù)計(jì)到2020年整車新歐洲行駛工況(NEDC)燃油耗需達(dá)到百公里5．0 L。為了減少能源消耗和地球溫室效應(yīng)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，各大汽車公司都在致力開發(fā)小排量的經(jīng)濟(jì)節(jié)能型環(huán)保汽車發(fā)動機(jī)［1-3］。雖然小排量渦輪增壓缸內(nèi)直噴是目前汽油機(jī)開發(fā)的主流技術(shù)，但是對于家用普通轎車和混合動力轎車，進(jìn)氣道燃油噴射(PFI)自然吸氣汽油機(jī)仍能滿足這一市場需求，該類發(fā)動機(jī)具有成本低、質(zhì)量輕和熱負(fù)荷低等優(yōu)點(diǎn)。另外，從兼顧現(xiàn)有發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線、降低生產(chǎn)成本等方面考慮，提升自然吸氣PFI汽油機(jī)性能的這一課題也非常重要?；谝陨显?，上汽在現(xiàn)有1．5 L汽油機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)了新一代的汽油機(jī)，以滿足客戶需求。

1 開發(fā)目標(biāo)及主要技術(shù)規(guī)格

新一代PFI自然吸氣汽油機(jī)主要開發(fā)目標(biāo)是:(1)NEDC工況綜合油耗在原機(jī)基礎(chǔ)上降低5%，油耗在同類機(jī)型中處于領(lǐng)先水平;(2)升扭矩大于90 N·m，升功率大于52 kW，動力性在同類機(jī)處于先進(jìn)水平;(3)排放滿足歐6c法規(guī);(4)成本具有競爭性。為了降低油耗，新一代發(fā)動機(jī)通過優(yōu)化燃燒系統(tǒng)，采用阿特金森循環(huán)，并提高壓縮比，提高燃燒熱效率，降低燃油耗。通過降低摩擦損失，進(jìn)一步降低燃油耗。通過優(yōu)化進(jìn)、排氣歧管結(jié)構(gòu)尺寸，提升動力性。采用多孔噴油器，優(yōu)化噴霧特性，滿足排放法規(guī)要求。主要技術(shù)規(guī)格如表1所示。

表1 發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

2 燃燒系統(tǒng)開發(fā)

新一代發(fā)動機(jī)的燃燒系統(tǒng)如圖1所示，為了提高氣道滾流，增加缸內(nèi)油氣混合湍流動能，提高燃燒熱效率，新機(jī)型采用帶遮擋式(Masking)的燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了降低泵氣損失，采用阿特金森循環(huán)進(jìn)氣，優(yōu)化活塞頂部形狀，壓縮比提高到11．5，并且優(yōu)化進(jìn)、排氣歧管以保證發(fā)動機(jī)外特性。為了改善噴霧油束濕壁現(xiàn)象，優(yōu)化設(shè)計(jì)了噴油油束布置，減小冷起動排放。

圖1 新機(jī)型燃燒系統(tǒng)

2．1 氣門尺寸優(yōu)化

氣門尺寸是燃燒系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵尺寸，直接影響發(fā)動機(jī)的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，氣門直徑一般采用β值來評估，該值越大表示充氣潛力越大，該值受限于氣門與火花塞和缸套等零件距離的約束。β值計(jì)算公式如式(1)所示:

其中，n為單缸的進(jìn)或排氣門數(shù);dv為氣門座圈最小內(nèi)徑;B為缸徑。

圖2 進(jìn)、排氣門β值

新一代發(fā)動機(jī)通過增加進(jìn)氣門β值6．4%，排氣門β值增加16%，大幅提高了進(jìn)氣充氣效率，降低了泵氣損失，有利于提高扭矩、降低油耗。

2．2 氣道開發(fā)

新一代發(fā)動機(jī)采用遮擋式進(jìn)氣道的流量系數(shù)和滾流比，如圖3所示。通過優(yōu)化進(jìn)氣道，流量系數(shù)較原進(jìn)氣道雖然在低升程有所降低，但中高升程提升8%左右，滾流比在低升程大幅提高，中高升程滾流比基本一致。在氣道數(shù)據(jù)庫中，新進(jìn)氣道較原氣道的平均流量系數(shù)和滾流比均有提高。

排氣道流動阻力小有利于廢氣更順暢地排出燃燒室，減小泵氣損失，進(jìn)而改善油耗。減小原機(jī)型排氣道的流動阻力就是要提高其流量系數(shù)。如圖4所示，改進(jìn)排氣道形狀后比原排氣道更順暢。氣道吹風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果表明，新排氣道的平均流量系數(shù)較原排氣道提高10%左右。

圖3 新進(jìn)氣道與原氣道流動性能對比

如圖5所示，新一代發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)瞬態(tài)滾流較原燃燒系統(tǒng)高，圖6顯示由于滾流比更高，新機(jī)型在缸內(nèi)能形成更有規(guī)律的流場，有利于增強(qiáng)缸內(nèi)湍動能，提高燃燒熱效率。

2．3 氣體交換優(yōu)化

如圖7所示，在部分轉(zhuǎn)速2 000 r/min、平均有效壓力(BMEP)為0．2 MPa的工況下，由于采用阿特金森循環(huán)，新機(jī)型在進(jìn)氣過程進(jìn)氣門晚關(guān)，節(jié)氣門開度增加，泵氣損失較原機(jī)型大幅下降，由于壓縮比提高，新機(jī)膨脹功較原機(jī)增加，在相同的BMEP條件下，指示有效壓力(IMEP)降低，因此可減少噴油量，從而降低了4．3%的油耗，降幅明顯。

圖4 新排氣道與原排氣道流動性能對比

圖5 新燃燒系統(tǒng)與原機(jī)型缸內(nèi)瞬態(tài)滾流比對比

圖6 新燃燒系統(tǒng)與原機(jī)型缸內(nèi)流場對比

圖7 新機(jī)型p-V曲線與原機(jī)型對比

新機(jī)型雖然采用阿特金森循環(huán)能降低油耗，但是其中不足是充氣效率下降，導(dǎo)致扭矩降低，為了提升扭矩，圖8顯示了采用新的排氣歧管后大幅提高了中高速充氣效率，進(jìn)而可以顯著提升外特性扭矩;圖9所示，通過采用較長的4-2-1型式的排氣歧管，避免了各缸充氣效率干擾，同時增加了排氣的諧振效應(yīng)。

圖8 新機(jī)型優(yōu)化排氣歧管提升充氣效率

圖9 新機(jī)型與原機(jī)型排氣歧管對比

2．4 噴霧油束與氣道匹配

為了減少噴霧油束在氣道上的粘壁量，降低碳?xì)浠衔?HC)排放，優(yōu)化油束與氣道的匹配工作至關(guān)重要。圖10為新機(jī)型噴霧油束與氣道匹配，從主視圖看，油束主要落在氣道下側(cè)，從俯視圖看，油束落在氣道中間位置。如圖11所示，有些數(shù)據(jù)庫的同類機(jī)由于噴油霧化不佳，在噴油器出口容易產(chǎn)生滴油現(xiàn)象，新機(jī)型噴油器采用6孔，霧化質(zhì)量較好，不產(chǎn)生滴油現(xiàn)象。如圖12所示，隨著進(jìn)氣門升程打開，粘在氣道上的燃油濕壁量顯著減小，在噴油器出口的氣道處，新機(jī)型濕壁也較少，因此新機(jī)型油束與氣道匹配設(shè)計(jì)較合理。

圖10 新機(jī)型噴霧油束與氣道匹配

圖11 新機(jī)型噴霧油束情況

圖12 新機(jī)型噴霧油束與氣道在不同氣門時刻匹配

3 熱管理系統(tǒng)優(yōu)化

新一代發(fā)動機(jī)型在原機(jī)型上重新優(yōu)化了熱管理系統(tǒng)。相對于原機(jī)型，為了減小進(jìn)氣加熱，提高充氣效率，如圖13所示，新機(jī)型取消了缸蓋進(jìn)氣側(cè)水套，同時縮短了機(jī)體水套高度，從而減小了整體發(fā)動機(jī)水套容積。通過優(yōu)化水套設(shè)計(jì)，如圖14所示，新機(jī)型的缸蓋和機(jī)體的流速較原機(jī)均提高，這樣有利于冷卻，防止爆燃。由于減小了水套容積，如圖15所示，新機(jī)型較原機(jī)型縮短了8%的暖機(jī)時間，有利于降低油耗和冷起動排放。

圖13 新機(jī)型水套與原機(jī)型對比

圖14 新機(jī)型水套流速與原機(jī)型對比

圖15 新機(jī)型暖機(jī)時間與原機(jī)型對比

4 降低摩擦損失

減小發(fā)動機(jī)的摩擦損失對降低油耗至關(guān)重要，其中，活塞摩擦約占發(fā)動機(jī)總摩擦的30% ～40%，比例最高。新機(jī)型通過減小活塞環(huán)彈力，增加活塞涂層，降低了活塞組件10%的摩擦。圖16為新機(jī)型與原機(jī)型曲軸設(shè)計(jì)比較，新機(jī)型曲軸在經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后，總質(zhì)量減輕了1．19 kg，尺寸減小了11．3%，同時曲軸平衡率提升12%左右，達(dá)到了89%左右。新機(jī)型曲軸的連桿軸頸從48 mm減小到43 mm，連桿軸頸直徑的減小使得連桿大頭軸承摩擦功降低約25%左右。

圖16 新機(jī)型與原機(jī)型曲軸比較

新機(jī)型針對曲軸油封也進(jìn)行了減摩，通過橡膠彈簧油封配合聚四氟乙烯(PTFE)涂布材料，相對原機(jī)普通的PTFE減少了摩擦損失約10%。另外，如圖17所示，為了減小水泵的摩擦功，在滿足冷卻的前提下，減小了水泵的排量。

圖17 新機(jī)型與原機(jī)型水泵比較

對于配氣機(jī)構(gòu)，新機(jī)采用了蜂窩狀彈簧，氣門桿徑從6 mm減小到5 mm，質(zhì)量減輕，因此可以減小彈簧預(yù)緊力。另外，如圖18所示，通過優(yōu)化正時鏈導(dǎo)軌型線，減小了正時鏈彈力，進(jìn)一步降低了配氣機(jī)構(gòu)摩擦。

如圖19所示，通過活塞組件、曲軸、配氣機(jī)構(gòu)和水泵等大量的減摩措施，機(jī)械摩擦損失減小了8%，NEDC工況下油耗降低1．5%左右，降幅明顯。

圖18 新機(jī)型與原機(jī)型正時鏈及機(jī)油泵傳動系統(tǒng)比較

圖19 新機(jī)型與原機(jī)型摩擦損失比較

5 改善振動噪聲

新機(jī)型通過一些措施改進(jìn)了振動噪聲性能，首先改變機(jī)油泵傳動，如圖18所示，從鏈傳動改為皮帶傳動，套筒鏈改為靜音鏈，對前端蓋板進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，大幅降低了前端振動噪聲。另外通過降低轉(zhuǎn)速等措施，怠速噪聲降低了6%，外特性新機(jī)型噪聲降低了3%左右(圖20)，高速由于兼顧外特性扭矩，優(yōu)化了排氣歧管設(shè)計(jì)，噪聲略有升高，對于整車常用工況(低于4 000 r/min)，可以接受。

6 性能試驗(yàn)

通過前期大量的設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)分析優(yōu)化，如圖21所示，新機(jī)型外特性扭矩較原機(jī)型提高了4% ～10%，動力性滿足開發(fā)目標(biāo)。圖22表明，在2 000 r/min，BMEP為0．2 MPa的部分負(fù)荷工況下，油耗降低了7%左右，在數(shù)據(jù)庫中處于較有競爭性的位置。如圖23所示，在冷起動工況下，新一代發(fā)動機(jī)較原機(jī)型而言排氣熱流量提高34%，HC排放降低了56%，排放達(dá)到歐6c排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖20 新機(jī)型與原機(jī)型外特性噪聲比較

圖21 新機(jī)型與原機(jī)型扭矩比較

圖22 新機(jī)型與原機(jī)型油耗比較

7 結(jié)論

圖23 新機(jī)型與原機(jī)型冷起動排放比較

為滿足市場需求，上汽開發(fā)了新一代PFI汽油機(jī)。通過前期大量的CAE分析，新機(jī)型優(yōu)化了燃燒系統(tǒng)，包括遮擋式進(jìn)氣道和排氣道，通過采用阿特金森循環(huán)，提高壓縮比，提升了燃燒熱效率，降低了油耗。

通過氣體交換分析，增加了進(jìn)、排氣門直徑，優(yōu)化了進(jìn)、排氣歧管設(shè)計(jì)，提高了充氣效率，提升了扭矩和功率。采用了大量的降低摩擦損失措施，進(jìn)一步降低了油耗。通過優(yōu)化水套，縮短了暖機(jī)時間，改善了發(fā)動機(jī)熱管理。通過優(yōu)化曲軸設(shè)計(jì)和機(jī)油泵傳動，改善了振動噪聲。

新一代發(fā)動機(jī)在原機(jī)型的基礎(chǔ)上降低了5%的NEDC綜合工況油耗，動力性提升5%左右，排放滿足歐6c排放法規(guī)，噪聲、振動與平順性滿足要求。新一代汽油機(jī)在同類機(jī)中綜合性能處于領(lǐng)先水平。

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