馬自達(dá)汽車公司新型Skyactiv-G 1.5汽油機(jī)的開發(fā)

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0 前言

馬自達(dá)汽車公司從開發(fā)第一代雙座敞篷跑車(Roadster)起，就將追求“人車合一”作為產(chǎn)品開發(fā)理念。第四代新型汽車Roadster(圖1)繼續(xù)將“人車合一”設(shè)定為開發(fā)目標(biāo)，并為保護(hù)環(huán)境，不斷進(jìn)行發(fā)動機(jī)技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)，對Skyactiv發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)一步提高，使具備駕駛愉悅性等潛在優(yōu)勢的發(fā)動機(jī)技術(shù)得到發(fā)展。將良好的駕駛體驗(yàn)作為研發(fā)新技術(shù)的前提，馬自達(dá)公司開發(fā)了Roadster新型Skyactiv-G 1.5車用汽油機(jī)(圖2)，下面將介紹該發(fā)動機(jī)的各項(xiàng)性能與采用的技術(shù)。

圖1 馬自達(dá)公司的新型Roadster汽車

圖2 配裝于新型Roadster車的Skyactiv-G 1.5發(fā)動機(jī)

1 Skyactiv-G 1.5汽油機(jī)開發(fā)目標(biāo)

新款汽油機(jī)將配裝在Roadster跑車上，并要滿足逐年收緊的排放法規(guī)限值。新款發(fā)動機(jī)按照Axela車用Skyactiv-G 1.5發(fā)動機(jī)技術(shù)規(guī)格，要利用高壓縮比來改善燃油經(jīng)濟(jì)性，不斷提高熱效率并降低排放，為了使駕駛者感受到良好的駕駛性能，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁的動力性能為目標(biāo)進(jìn)行技術(shù)開發(fā)。

2 開發(fā)理念

發(fā)動機(jī)本體除了在致力于Skyactiv-G[1]開發(fā)中實(shí)現(xiàn)理想的燃燒方案外，為了實(shí)現(xiàn)輕松愉悅的駕駛體驗(yàn)，追求輕松起步、強(qiáng)勁動力等各方面性能，以及為了適應(yīng)前置后驅(qū)車上前部、中部配裝發(fā)動機(jī)的需求，實(shí)施了發(fā)動機(jī)的小型化、緊湊化和輕量化。

活塞頂部凹坑形狀會對實(shí)現(xiàn)理想的燃燒方案產(chǎn)生直接影響，為實(shí)現(xiàn)滾流強(qiáng)化的進(jìn)氣道及燃燒室形狀，對氣缸進(jìn)行小缸徑設(shè)計(jì)，燃油噴射系統(tǒng)等沿用自Axela車上配裝的Skyactiv-G 1.5相同的技術(shù)，表1列出了具體的發(fā)動機(jī)技術(shù)規(guī)格。

3 發(fā)動機(jī)性能

3.1 致力于提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速

為了保證發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)仍能保持起動順暢，并滿足加速平穩(wěn)的開發(fā)目標(biāo)，需要將基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)的極限轉(zhuǎn)速提高1 000 r/min，將新型Skyactiv-G 1.5的極限轉(zhuǎn)速設(shè)定為7 500 r/min。隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，往復(fù)運(yùn)動系統(tǒng)的慣性負(fù)荷也隨之增加。因此，要提高曲軸的剛度，需要提高曲軸平衡度。要實(shí)現(xiàn)曲軸的高剛度化，選擇采用鋼材作為曲軸材料，使腹板形狀最佳化，相比基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)曲軸剛度提高約16%，采用完全平衡重結(jié)構(gòu)，使平衡重的布置最佳化，提高了曲軸平衡度，使之順利達(dá)到7 500 r/min的轉(zhuǎn)速。新款發(fā)動機(jī)以抑制共振頻率為目標(biāo)，也使平衡重周邊(結(jié)構(gòu))形狀得以最優(yōu)化(圖3)。

表1 Skyactiv-G 1.5 2款汽油機(jī)技術(shù)規(guī)格

圖3 曲軸

3.2 加速響應(yīng)性的研究

為實(shí)現(xiàn)適應(yīng)于跑車的快速加速響應(yīng)性，馬自達(dá)汽車公司致力于降低主運(yùn)動系統(tǒng)零件的慣性。除了要求飛輪有迅速的加速響應(yīng)性外，還要求具有變速換檔的操作感，故采用了新設(shè)計(jì)的整體飛輪(圖4)。通過重新評估整個(gè)動力設(shè)備的減振(振動衰減)措施，降低飛輪慣量17%，減輕飛輪質(zhì)量9%，使空轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速上升率提高150 r/s，從踩踏加速踏板到產(chǎn)生 0.1 G(重力加速度)的定時(shí)縮短10 ms，從而實(shí)現(xiàn)了輕快而靈敏的加速響應(yīng)性(圖5)。此外，活塞與連軒等往復(fù)運(yùn)動系統(tǒng)零件在不增加質(zhì)量的條件下，滿足高轉(zhuǎn)速要求，兼顧了多種條件的要求。

圖4 飛輪

圖5 響應(yīng)性的改善

3.3 發(fā)動機(jī)扭矩特性

新型發(fā)動機(jī)除了要在日常工作范圍內(nèi)具備感觀平衡的加速運(yùn)轉(zhuǎn)的扭矩特性外，還需要能夠?qū)崿F(xiàn)跑車所要求達(dá)到最高轉(zhuǎn)速的加速性能，因此踩加速踏板的加速響應(yīng)是最重要的。對于加速度的變化，使用對加速度微分的跳動度指標(biāo)進(jìn)行實(shí)車評價(jià)。設(shè)定了體感在持續(xù)加速的跳動度影響下的下限值。在滿足該下限值之后，達(dá)到平穩(wěn)加速特性目標(biāo)(圖6)。

圖6 加速度概念

3.3.1基于進(jìn)、排系統(tǒng)的研究

圖7 關(guān)于排氣歧管的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速跳動效應(yīng)

Skyactiv-G發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的特征采用4-2-1排氣歧管，前置消聲器和主消聲器的回流負(fù)壓力波按照進(jìn)氣門與排氣門的開、閉重疊期進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的方式[1]。為了實(shí)現(xiàn)前文所述的相比原發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高1 000 r/min的目標(biāo)，以及設(shè)定維持達(dá)到最高輸出功率點(diǎn)的發(fā)動機(jī)扭矩特性。考慮高轉(zhuǎn)速的要求，調(diào)整了到排氣歧管集合部的長度。具體做法是，考慮了排氣凸輪轉(zhuǎn)角的變化后，由于設(shè)定到排氣歧管集合部的廢氣通道的長度為450 mm，就能按照轉(zhuǎn)速4 500 r/min及6 000 r/min進(jìn)行調(diào)節(jié)了。前置消聲器與主消聲器在車輛上的布置位置進(jìn)行了最優(yōu)化處理(圖7)，以便分別按轉(zhuǎn)速3 500 r/min及2 000 r/min進(jìn)行調(diào)節(jié)。

由于排氣歧管的調(diào)節(jié)點(diǎn)適應(yīng)高轉(zhuǎn)速，在低、中轉(zhuǎn)速區(qū)域產(chǎn)生的體積效率出現(xiàn)降低的缺陷。通過使進(jìn)、排氣系統(tǒng)的阻力降至超低水平，消除了這些缺陷。關(guān)于進(jìn)氣系統(tǒng)，擴(kuò)大節(jié)流閥內(nèi)徑，使吸氣通道最狹窄部位斷面積擴(kuò)大了30%。關(guān)于排氣系統(tǒng)，隨著各部位直徑擴(kuò)大，以及適應(yīng)于配裝于后驅(qū)車輛的需求，將排氣歧管做成了直通型(圖8)。由于這些措施，使進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣阻力及排氣系統(tǒng)的背壓相比Axela車用Skyactiv-G 1.5發(fā)動機(jī)降低了25%。

圖8 排氣歧管形狀的改進(jìn)

3.3.2降低泵氣損失

新型發(fā)動機(jī)開發(fā)了專用氣缸蓋，內(nèi)置了在全轉(zhuǎn)速及全負(fù)荷區(qū)域顯示高平衡的氣門開啟角為249°CA的廣角排氣凸輪與擴(kuò)大排氣道的低背壓排氣系統(tǒng)(擴(kuò)大的排氣道回路布置在氣缸蓋上)。由于組合了廣角排氣凸輪與低背壓的排氣系統(tǒng)，抑制了高轉(zhuǎn)速工況時(shí)的排氣背壓損失。同時(shí)，利用改善爆燃提高了效率，也減少了殘余氣體。

3.3.3降低機(jī)油阻力的研究

擴(kuò)大了曲軸箱內(nèi)各氣缸間的機(jī)油流動面積，降低了高轉(zhuǎn)速工況下的機(jī)油阻力。

3.3.4發(fā)動機(jī)扭矩曲線

為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速，降低泵氣損失及機(jī)械阻力，優(yōu)化進(jìn)、排氣系統(tǒng)，充分地維持了中、低速范圍的發(fā)動機(jī)扭矩，并實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)加速達(dá)到最高轉(zhuǎn)速的發(fā)動機(jī)扭矩曲線(圖9)。

圖9 節(jié)氣門全開(WOT)時(shí)的性能(曲線)

3.4 發(fā)動機(jī)聲音

為了在駕駛員施力于加速踏板時(shí)有適時(shí)的反饋，得到操控的聲音反饋特性，完全消除了噪聲，在低轉(zhuǎn)速區(qū)域?qū)崿F(xiàn)輕快感；在中等轉(zhuǎn)速區(qū)域強(qiáng)調(diào)強(qiáng)勁動力的跳動感；在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，實(shí)現(xiàn)低噪聲的發(fā)動機(jī)聲音特性目標(biāo)。

在低轉(zhuǎn)速區(qū)域，通過強(qiáng)調(diào)有清脆的排氣聲音。作為4缸發(fā)動機(jī)的基本旋轉(zhuǎn)次數(shù)及其倍音(高八度或十六度)成分的偶數(shù)次數(shù)，為了設(shè)定清脆的排氣聲音，使各氣缸的燃燒壓力波進(jìn)干涉均等，采用了等長度的4-2-1排氣歧管。此外，由于主消聲器內(nèi)管道及擴(kuò)張室的共振，強(qiáng)調(diào)了低轉(zhuǎn)速區(qū)域的發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)的4次及6次的排氣聲壓(130～250 Hz)。而且，為了抑制由于以100 Hz頻率的車體機(jī)艙空間與排氣聲音共振而產(chǎn)生的噪聲，在主消聲器內(nèi)設(shè)置了100 Hz的亥姆霍茲諧振器(圖10)。由此，實(shí)現(xiàn)了低速區(qū)域的低噪聲效果。

圖10 主消聲器結(jié)構(gòu)

為了在中等轉(zhuǎn)速區(qū)域營造出有強(qiáng)勁動力的感受，要對動力設(shè)備振動向車體的后部傳遞的差動裝置的振動特性進(jìn)行調(diào)整，營造出良好的振幅調(diào)節(jié)聲音。為了利用中等轉(zhuǎn)速區(qū)域與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的4次及6次相鄰的50%成份干涉效應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制聲音的主觀感受，將振動特性調(diào)諧到350 Hz。

從高轉(zhuǎn)速區(qū)域來看，使用了原版Roadster車一直采用的感應(yīng)音響增強(qiáng)器(ISE)[2]，營造出發(fā)動機(jī)4層清脆吸氣聲音，圖11表示新型Roadster車上采用的ISE概況圖。原版Roadster向發(fā)動機(jī)的上罩板內(nèi)敞開，而新型Roadster車的上貫通隔板，采用了直接向機(jī)艙內(nèi)敞開的布局。由于這種布置，司機(jī)踩踏加速踏板時(shí)，能夠更直接地營造出高轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)發(fā)動機(jī)從300～400 Hz 4次成份的吸氣聲音。

圖11 新型Roadster車上的ISE布置

圖12 車內(nèi)聲壓圖

圖12表示使用排氣噪聲、動力設(shè)備振動噪聲、進(jìn)氣噪聲，實(shí)現(xiàn)的新型Roadster車與Axela車配裝1.5 L發(fā)動機(jī)的全開加速車內(nèi)聲壓圖。與類似于乘用車的Axela車的聲音進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)了與跑車相當(dāng)?shù)膹牡娃D(zhuǎn)速到高轉(zhuǎn)速運(yùn)行的發(fā)動機(jī)聲浪。

4 致力于發(fā)動機(jī)輕量化與小型化

4.1 利用發(fā)動機(jī)配裝位置以實(shí)現(xiàn)輕量化

為實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)機(jī)體的輕量化，將配裝于發(fā)動機(jī)后驅(qū)車上的發(fā)動機(jī)安裝位置布置在動力設(shè)備變形處(圖13)，并力求降低向車輛傳遞的振動能級。此外，實(shí)施了機(jī)體的加強(qiáng)筋配置及壁厚的優(yōu)化，由4 mm降至2.5 mm，實(shí)施了與變速器連接形狀的優(yōu)化(圖14)。由于采用了這些措施，氣缸蓋與氣缸體減輕了約2 kg。

圖13 發(fā)動機(jī)最優(yōu)化安裝位置

4.2 利用冷卻系統(tǒng)管道布置以實(shí)現(xiàn)輕量化研究

在冷卻系統(tǒng)的管道布置方面，為了將排水口布置在車輛前方，用最短的方案進(jìn)行冷卻水道連接，重新設(shè)計(jì)了機(jī)體及氣缸蓋，使冷卻水的流動方向由配裝于前驅(qū)車的U形流動變更為縱向流動，相比于原發(fā)動機(jī)的冷卻管道系統(tǒng)減輕了0.8 kg(圖15)。

此外，從開發(fā)初期起，生產(chǎn)部門與產(chǎn)品研發(fā)部門同時(shí)開展了詳細(xì)的發(fā)動機(jī)形狀研究，并行開展處理活動，通過主消聲器殼體的薄壁化由1.2 mm降至1.0 mm，以及生產(chǎn)加工基準(zhǔn)部位的變更平衡調(diào)整線等措施，相比配裝于Axela車的Skyactiv-G 1.5發(fā)動機(jī)質(zhì)量減少了17 kg。

圖15 冷卻系統(tǒng)的比較

4.3 對降低發(fā)動機(jī)高度的研究

圖16 新型Roadster車用駕駛室布置

新型Roadster汽車精心考慮了駕駛員的乘坐體驗(yàn)，并進(jìn)行駕駛室的設(shè)計(jì)，追求車與人的整體性。并且，為實(shí)現(xiàn)與跑車相適應(yīng)的尺寸比例，駕駛員的就座位置比以往車輛降低了20 mm，為確保駕駛員的視野，需要降低28 mm的機(jī)罩高度(圖16)。發(fā)動機(jī)比配裝于Axela的車用Skyactiv-G 1.5發(fā)動機(jī)總高度降低了20 mm。為滿足這一要求，進(jìn)行了相關(guān)結(jié)構(gòu)的變更，如擴(kuò)大油盤與下部機(jī)體的寬度，進(jìn)而降低發(fā)動機(jī)高度。旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)動機(jī)油容易形成傾斜，但是，使油盤形狀最佳化，就能確保適當(dāng)?shù)挠兔娼Y(jié)果表明，使發(fā)動機(jī)總高度降低了20 mm，即可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)低重心化(圖17)。

圖17 發(fā)動機(jī)高度降低

5 結(jié)語

為開發(fā)符合于馬自達(dá)公司第四代Roadster汽車要求的新型發(fā)動機(jī)，以配裝于Axela車的Skyactiv-G 1.5汽油機(jī)為基本機(jī)型，重新設(shè)計(jì)了主運(yùn)動系統(tǒng)、氣缸蓋、機(jī)體，進(jìn)、排氣系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)等零部件。

通過有效開發(fā)Skyactiv-G 1.5汽油機(jī)系列的技術(shù)平臺，力求縮短開發(fā)周期及實(shí)現(xiàn)投資的高效率化實(shí)現(xiàn)高的性價(jià)比，開發(fā)出了能夠配裝于Apho車型的雙座敞蓬跑車，并實(shí)現(xiàn)了汽油機(jī)理想燃燒效率的專用發(fā)動機(jī)。