日系汽油機(jī)產(chǎn)品技術(shù)特征研究

李建群 宮艷峰

（中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司 研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130011）

主題詞：汽油機(jī) 戰(zhàn)略 節(jié)能技術(shù) 產(chǎn)品平臺(tái)

1 前言

自誕生以來(lái)，汽油機(jī)的熱效率和動(dòng)力性就在不斷的提升，圖1所示是內(nèi)燃機(jī)熱效率的發(fā)展史[1]。在內(nèi)燃機(jī)進(jìn)步的過(guò)程中，歐、美、日三個(gè)不同的先進(jìn)汽油機(jī)研發(fā)地區(qū)形成了各自不同的產(chǎn)品和技術(shù)特征。尤其是隨著混合動(dòng)力和電動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)組合就變得更加多樣化。本文將分析日本主要汽車企業(yè)的汽油機(jī)產(chǎn)品平臺(tái)和技術(shù)特征，為內(nèi)燃機(jī)工作者的產(chǎn)品開發(fā)提供技術(shù)參考。

圖1 汽油機(jī)熱效率發(fā)展史[1]

2 豐田公司汽油機(jī)產(chǎn)品技術(shù)特征分析

2011年，豐田將“時(shí)刻追求領(lǐng)先于時(shí)代的創(chuàng)新技術(shù)，秉持與地球環(huán)境友好相處的意識(shí)”寫進(jìn)了豐田全球愿景，揭示了豐田成功的根本原因，那就是不斷的技術(shù)創(chuàng)新和對(duì)極致品質(zhì)的不懈追求。2012年，豐田宣布啟動(dòng)TNGA戰(zhàn)略，旨在全面提升產(chǎn)品吸引力，并同時(shí)降低生產(chǎn)成本[2]。

在TNGA構(gòu)架下，豐田計(jì)劃在2016～2021年的5年時(shí)間內(nèi)共推出17款汽油機(jī)、10款變速箱和10款混合動(dòng)力系統(tǒng)，計(jì)劃到2021年覆蓋到豐田全球年銷量的約60%，其動(dòng)力總成平臺(tái)規(guī)劃如圖2所示。

2.1 TNGA構(gòu)架下的汽油機(jī)主要技術(shù)特征

TNGA構(gòu)架下的汽油機(jī)普遍采用了高動(dòng)力性和低油耗技術(shù)，比如激光熔覆座圈技術(shù)可以同時(shí)兼顧氣道的高滾流和高流量系數(shù)，對(duì)提高動(dòng)力性，改善油耗都有重要作用。還有阿特金森循環(huán)燃燒技術(shù)（ATK）、冷卻廢氣再循環(huán)（EGR）、電動(dòng)可變氣門正時(shí)（VVT）、缸內(nèi)/氣道雙噴射系統(tǒng)、高能點(diǎn)火系統(tǒng)以及電動(dòng)水泵和低摩擦技術(shù)等，如圖3所示。

圖2 TNGA構(gòu)架下的動(dòng)力總成規(guī)劃[2]

圖3 TNGA構(gòu)架下的汽油機(jī)基本技術(shù)[2]

2.2 燃燒系統(tǒng)特征

在TNGA構(gòu)架下，豐田先后推出了2.5 L和2.0 L自然吸氣汽油機(jī)。豐田要把汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)也作為一個(gè)平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一，為達(dá)到一定的輸出功率，在熱效率和成本之間進(jìn)行平衡。作為一款傳統(tǒng)汽油機(jī)，TN?GA構(gòu)架下的汽油機(jī)的熱效率可以達(dá)到40%，同時(shí)，作為一款自然吸氣汽油機(jī)，升功率達(dá)到了63 kW，兼顧高熱效率和高動(dòng)力輸出性能。

為達(dá)到更高的熱效率，需要燃燒系統(tǒng)進(jìn)行3個(gè)方面的加強(qiáng)，增強(qiáng)滾流加快燃燒，降低摩擦損失以及降低面容比來(lái)降低傳熱損失[3]。

圖4 S/D對(duì)燃燒的影響效果[3]

在增強(qiáng)滾流方面，豐田在TNGA汽油機(jī)上采用了很多有效的措施。首先進(jìn)行了沖程缸徑比（S/D）的優(yōu)化，如圖4所示。最終獲得1.2的最優(yōu)值。針對(duì)得出的結(jié)論，TNGA平臺(tái)下的汽油機(jī)都采用1.2。

為達(dá)到TNGA發(fā)動(dòng)機(jī)高速燃燒，豐田2.0L汽油機(jī)的氣門夾角增大了，從31°增大到41°，同時(shí)采用更大的氣門，提高了進(jìn)氣流速，這樣缸內(nèi)的滾流也增強(qiáng)了，以達(dá)到提高燃燒速度的目的，見圖5所示。

圖5 氣門夾角對(duì)滾流的影響效果[3]

此外，豐田采用了獨(dú)有的激光熔覆氣門座圈，它完美平衡了增強(qiáng)滾流和增大進(jìn)氣流量的矛盾。這項(xiàng)工藝技術(shù)用激光把金屬粉末熔融，與座圈的基體材料融合為一體，這也是TNGA非常獨(dú)特的技術(shù)。圖6揭示了氣道形狀與座圈的配合要求以及加工工藝。

圖6 激光熔覆氣門座圈技術(shù)[3]

為減低摩擦損失，豐田采用了激光紋理技術(shù)活塞裙，使用激光在活塞群部加工形成網(wǎng)紋溝槽結(jié)構(gòu)，以便生成適合的油膜，提高潤(rùn)滑效果。豐田還采用了連續(xù)可變機(jī)油泵，機(jī)油泵的流量可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，任何行駛狀態(tài)下都可以獲得最適度的機(jī)油量，豐田研發(fā)人員也對(duì)主油道內(nèi)油壓進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)這些措施大幅降低了發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的摩擦損失。

豐田對(duì)運(yùn)動(dòng)件的軸徑也進(jìn)行了全面優(yōu)化，采用了大量的電動(dòng)化附件，取消了前端輪系，同時(shí)采用0W-20的低粘度機(jī)油等低摩擦改善方案。

2.3 供油系統(tǒng)特征

雙噴射技術(shù)在亞太地區(qū)的韓國(guó)和日本企業(yè)中應(yīng)用居多。豐田的D-4S雙噴射技術(shù)將豐田傳統(tǒng)汽油機(jī)

圖7 雙噴射系統(tǒng)[4]

2.4 輕量化技術(shù)特征

輕量化方面，TNGA汽油機(jī)幾乎是做到了極致，豐田采用了高強(qiáng)度鋼作為連桿材料，配合楔形加工技術(shù)，采用高強(qiáng)度鋼的連桿減重28%。豐田研發(fā)人員進(jìn)一步對(duì)曲軸剛性、配重塊形狀進(jìn)行了優(yōu)化，在滿足高速運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)減重12%。缸體長(zhǎng)度也進(jìn)一步縮短，汽油機(jī)缸體結(jié)構(gòu)更加緊湊。

全新TNGA架構(gòu)的汽油機(jī)產(chǎn)品將會(huì)以商品力取勝，采用TNGA架構(gòu)的汽油機(jī)可進(jìn)一步降低成本，這也將為豐田未來(lái)的產(chǎn)品提供更具優(yōu)勢(shì)的競(jìng)爭(zhēng)力。

3 本田公司汽油機(jī)產(chǎn)品技術(shù)特征分析

本田公司2012年發(fā)布了新一代動(dòng)力總成“地球夢(mèng)技術(shù)”，如圖8所示。2013年提出VTEC TURBO概念，VTEC是本田的兩段式可變氣門升程技術(shù)，TURBO是渦輪增壓技術(shù)。地球夢(mèng)技術(shù)的5款自然吸氣汽油機(jī)都升級(jí)到了增壓直噴機(jī)型[5]。0.66 L汽油機(jī)優(yōu)化了缸徑和沖程，1.5 L系列增加了雙頂置凸輪軸（DOHC），2.0 L汽油機(jī)配置DOHC，并可用于插電式混合動(dòng)力車型。VTEC TURBO系列汽油機(jī)2015年開始投放市場(chǎng)。技術(shù)推向了新高度。豐田的TNGA汽油機(jī)采用了第4代D-4S雙噴射系統(tǒng)，為提高噴霧靈活性，重新設(shè)計(jì)了錐形多孔直噴噴油器，如圖7所示，貫穿距比第一代縮短35%，有效改善了燃油濕壁問(wèn)題[4]，改善了汽油機(jī)HC和PN排放，對(duì)節(jié)能也有很大幫助。

圖8 本田公司汽油機(jī)型譜[5]

本田VTEC TURBO系列汽油機(jī)的三款主要機(jī)型參數(shù)如表1所示[6]。

表1 VTEC TURBO汽油機(jī)參數(shù)[6]

3.1 燃燒系統(tǒng)技術(shù)特征

VTEC TURBO汽油機(jī)均采用高滾流氣道、淺盤型活塞燃燒室和多孔噴油器。豐田公司增壓機(jī)型與自然吸氣機(jī)型的氣道結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖9所示，增壓汽油機(jī)的進(jìn)氣量受增壓器影響較大，所以氣道可以采用滾流比較高的“跳臺(tái)式”結(jié)構(gòu)，自然吸氣汽油機(jī)氣道首先要保證流量系數(shù)，所以采用較為平滑的結(jié)構(gòu)。

VTEC TURBO汽油機(jī)使用高滾流氣道，燃燒速度更快。圖10是豐田新一代增壓機(jī)型與自然吸氣機(jī)型瞬時(shí)放熱率的對(duì)比情況，增壓機(jī)型最大瞬時(shí)放熱率是自然吸氣機(jī)型的2.5倍，燃燒持續(xù)期較自然吸氣機(jī)型更短。雖然增壓機(jī)型的點(diǎn)火時(shí)刻比自然吸氣晚，但是二者的燃燒結(jié)束時(shí)刻接近。

圖9 氣道對(duì)比圖[6]

汽油機(jī)燃燒室內(nèi)機(jī)油顆粒是造成低速早燃的重要因素，VTEC TURBO系列汽油機(jī)的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)采取了特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以降低曲軸箱通風(fēng)中的機(jī)油蒸發(fā)物含量。本田公司同時(shí)研究了機(jī)油中Ca含量對(duì)低速早燃的影響，如圖11所示，降低機(jī)油中的Ca含量和曲軸箱通風(fēng)中的機(jī)油蒸發(fā)物含量，可有效降低低速早燃的發(fā)生頻率。

圖10 放熱率對(duì)比[5]

圖11 機(jī)油Ca含量對(duì)低速早燃頻率的影響[5]

3.2 渦輪增壓技術(shù)特征

VTEC TURBO系列汽油機(jī)均采用電動(dòng)廢氣旁通閥渦輪增壓器，1.0 L汽油機(jī)的渦輪增壓器最高耐受排氣溫度為950℃，1.5 L和2.0 L汽油機(jī)渦輪增壓器最高耐受排氣溫度為1 000℃。三款汽油機(jī)都是采用集成式排氣歧管。三款渦輪增壓器參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 渦輪增壓器技術(shù)參數(shù)[5-6]

3.3 其它技術(shù)特征

為了防止早燃對(duì)汽油機(jī)造成的損害，VTEC TUR?BO系列汽油機(jī)連桿采用全新的鍛造工藝，連桿強(qiáng)度和連桿重量同時(shí)得到改善，改進(jìn)方式及效果如圖12所示。

圖12 新鍛造工藝連桿[5]

4 日產(chǎn)公司汽油機(jī)產(chǎn)品技術(shù)特征分析

日產(chǎn)動(dòng)力系統(tǒng)可分為兩個(gè)發(fā)展方向，一是純電動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)零CO2、零污染物排放，二是提高搭載汽油機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)效率，可以分為兩種策略:一種是采用epower串聯(lián)式等混合動(dòng)力系統(tǒng)，使汽油機(jī)持續(xù)工作在高效率區(qū)，提高動(dòng)力系統(tǒng)效率；另一種則是采用有效的技術(shù)手段提高汽油機(jī)的熱效率。

圖13為日產(chǎn)汽油機(jī)產(chǎn)品線[7]，有HR、MR、QR、TB、VQ、VR、VK和即將投產(chǎn)的KR共8個(gè)系列，覆蓋1.2 L-6.0 L排量。其中VR30DDTT是以VQ37VHR自然吸氣汽油機(jī)為基礎(chǔ)研制的新機(jī)型，參數(shù)對(duì)比如表3。

圖13 日產(chǎn)汽油機(jī)產(chǎn)品線[7]

表3 VR30DDTT、VQ37VHR參數(shù)對(duì)比[7]

VR30DDTT取消了可變正時(shí)升程系統(tǒng)，采用了電動(dòng)VVT和增壓缸內(nèi)直噴技術(shù)。下面就電動(dòng)VVT技術(shù)、燃油缸內(nèi)直噴系統(tǒng)和全球首次實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的可變壓縮比技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

4.1 電動(dòng)VVT技術(shù)

電動(dòng)VVT系統(tǒng)由E-電動(dòng)機(jī)、VVT驅(qū)動(dòng)鏈輪和控制單元構(gòu)成，圖14為電動(dòng)VVT系統(tǒng)示意圖。其切換速度比普通的液壓方式快3倍左右，響應(yīng)速度更快、控制更精確、可實(shí)現(xiàn)的正時(shí)可變范圍更大，且在啟動(dòng)的第一個(gè)循環(huán)就可使氣門正時(shí)處于最優(yōu)。

圖14 電動(dòng)VVT系統(tǒng)示意圖[7]

4.2 燃油缸內(nèi)直噴系統(tǒng)

日產(chǎn)的燃油缸內(nèi)直噴系統(tǒng)可在避免燃油濕壁的同時(shí)形成均勻的混合氣以提高熱效率。采用了最大噴油壓力20 MPa的6孔噴油器，并以PN排放及缸內(nèi)滾流強(qiáng)度為評(píng)價(jià)參數(shù)，優(yōu)化噴油時(shí)刻和燃油噴霧與缸壁的夾角。夾角增大引起的機(jī)油稀釋率增加及燃油濕壁問(wèn)題可通過(guò)采用3次噴射來(lái)解決，圖15為不同噴油策略時(shí)的機(jī)油稀釋率。

圖15 不同噴射策略時(shí)的機(jī)油稀釋率[7]

4.3 可變壓縮比技術(shù)

增加壓縮比是提高汽油機(jī)熱效率的重要手段，但會(huì)加劇爆震傾向，動(dòng)力性受限。全球首次量產(chǎn)的日產(chǎn)VCR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)壓縮比8～14的連續(xù)可變[8]，解決了固定壓縮比時(shí)熱效率和動(dòng)力性不能兼顧的問(wèn)題。

圖16 Multi-link連桿結(jié)構(gòu)示意圖[8]

圖16 為可變壓縮比連桿結(jié)構(gòu)（Multi-link）示意圖，通過(guò)改變VCR執(zhí)行機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度，改變上止點(diǎn)時(shí)活塞的位移，從而實(shí)現(xiàn)壓縮比8～14的連續(xù)可變。上止點(diǎn)時(shí)U-link基本處于垂直狀態(tài)，受到的軸向力很小，相比于傳統(tǒng)偏置式曲柄連桿結(jié)構(gòu)可以減小摩擦。并且Multi-link連桿機(jī)構(gòu)離高溫高應(yīng)力的燃燒室較遠(yuǎn)，多數(shù)零件不處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)，可靠耐久性好。

圖17為采用VCR技術(shù)時(shí)，不同工況對(duì)應(yīng)的壓縮比。大壓縮比應(yīng)用于低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷區(qū)域，可有效的提高熱效率、降低油耗。在高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷區(qū)域則采用小壓縮比規(guī)避爆震問(wèn)題，并通過(guò)提高進(jìn)氣壓力提高動(dòng)力性[9]。

圖17 不同運(yùn)行工況時(shí)的壓縮比[9]

圖18 為采用VCR技術(shù)的2.0T汽油機(jī)與3.5L V6 NA汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比情況。1 200 r/min的比油耗可降低50 g/kW·h以上10%。

圖18 2.0L VC-T與V6 NA經(jīng)濟(jì)性對(duì)比[8]

5 馬自達(dá)公司汽油機(jī)產(chǎn)品技術(shù)特征分析

日本馬自達(dá)公司于2011年推出了全新概念的SKYACTIV-G（創(chuàng)馳藍(lán)天）汽油機(jī)，它憑借著全球量產(chǎn)汽油機(jī)最高的壓縮比、高熱效率、高可靠性、高油品適應(yīng)性等，成為該公司新一代動(dòng)力機(jī)型[10]。

當(dāng)前在中國(guó)銷售的SKYACTIV-G汽油機(jī)主要有2.0 L和2.5 L兩種，如表4所示?？紤]到油品的不同，國(guó)內(nèi)的壓縮比從14降到13，采用92號(hào)汽油，2.0 L汽油機(jī)最大功率116 kW，最大扭矩202 N·m，工信部綜合油耗6.3 L/100km，2.5 L汽油機(jī)最大功率141 kW，最大扭矩252 N·m，工信部綜合油耗7.2 L/100km。

表4 馬自達(dá)在中國(guó)量產(chǎn)汽油機(jī)主要參數(shù)

原產(chǎn)的SKYACTIV-G采取了14的壓縮比，燃油消耗比當(dāng)時(shí)的PFI汽油機(jī)降低了15%，中低速扭矩提高了15%。壓縮比提高后，壓縮沖程上止點(diǎn)附近的溫度會(huì)升高，容易引發(fā)爆震。為此降低活塞到上止點(diǎn)時(shí)的混合氣溫度，而減少上止點(diǎn)時(shí)氣缸內(nèi)的殘余混合氣溫度對(duì)于降低壓縮上止點(diǎn)的高溫氣體溫度非常重要[11]。如果將殘留氣體從8%減少至4%，則壓縮比可以從11提高到14，而上止點(diǎn)時(shí)混合氣體溫度基本保持不變，見圖19[12]。

圖19 不同壓縮比下，尾氣殘余量與上止點(diǎn)溫度的關(guān)系[12]

為了達(dá)到超低的油耗，同時(shí)保證其動(dòng)力性，SKY?ACTIV-G采取的技術(shù)革新手段主要有以下幾種。

5.1 4-2-1排氣系統(tǒng)減少殘留氣體

普通車輛在排氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生廢氣干擾和回流的現(xiàn)象，這樣對(duì)缸內(nèi)氣體的溫度有影響，容易產(chǎn)生爆燃，也會(huì)導(dǎo)致氣缸內(nèi)混入廢氣。在4-2-1的排氣系統(tǒng)（長(zhǎng)排氣管）中，高壓波需要很長(zhǎng)時(shí)間才能到達(dá)其他氣缸，在發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是不利的，這種長(zhǎng)排氣管可在幾乎全部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)減少缸內(nèi)殘余氣體(圖20)，另外，為了提高低轉(zhuǎn)速的扭矩，通常需要配置超過(guò)600 mm的長(zhǎng)排氣管，為節(jié)省布置空間，而采用圈型排氣管。

5.2 有效改善燃燒

燃燒時(shí)間縮短是另一個(gè)避免爆震的手段。未混合氣體在高溫下暴露的時(shí)間縮短，有利于在爆震發(fā)生前完成正常燃燒。SKYACTIV-G主要采取了增強(qiáng)空氣流動(dòng)，加大噴射壓力的缸內(nèi)直噴技術(shù)，改善噴射性能，產(chǎn)生更均勻、流動(dòng)更強(qiáng)的6孔高壓噴油器；為避免在燃料初期火焰接觸活塞頭，采用了燃燒更加均勻的凹孔活塞設(shè)計(jì)。

圖20 短排氣歧管與4-2-1長(zhǎng)排氣歧管的對(duì)比[12]

5.3 改善泵氣損失、摩擦損失和輕量化設(shè)計(jì)

SKYACTIV-G采用的“Dual S-VT雙可變氣門正時(shí)控制系統(tǒng)”，通過(guò)精確地控制進(jìn)排氣門的開閉時(shí)機(jī)，可最大化改善進(jìn)排氣效率，提升汽油機(jī)性能，起到比渦輪增壓更為綜合而實(shí)用的效果。同時(shí)，在改善摩擦損失和輕量化設(shè)計(jì)方面，也采取了很多措施，例如采用滾輪從動(dòng)件(節(jié)氣門摩擦力減少50%以上)、采用電控可變油壓小型油泵(燃油泵送損失減少約45%)、連桿主軸頸曲軸小型化(直徑減少6%，寬度減少8%)、活塞和活塞銷輕量化(減少20%)、減少活塞環(huán)張力(減少37%))、連桿輕量化(減少15%)等。

為了更進(jìn)一步提高燃油熱效率，馬自達(dá)公司計(jì)劃于2019年量產(chǎn)推出SKYACTIV-X，這款汽油機(jī)獨(dú)創(chuàng)的“SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）火花塞點(diǎn)火控制壓燃點(diǎn)火”技術(shù)，將在全球范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)壓燃點(diǎn)火技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。它有效地結(jié)合了柴油機(jī)與汽油機(jī)的特點(diǎn)，兼具卓越的環(huán)保性能與出色的輸出動(dòng)力性能，是馬自達(dá)獨(dú)立研發(fā)的全新內(nèi)燃機(jī)。

6 斯巴魯公司汽油機(jī)產(chǎn)品技術(shù)特征分析

斯巴魯，隸屬于富士重工的汽車品牌，1966年開發(fā)了水平對(duì)置汽油機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的特征是采用水平對(duì)置活塞布置，大大降低重心，該發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性、精確響應(yīng)和低轉(zhuǎn)速區(qū)域充沛的扭矩輸出是其動(dòng)力性優(yōu)秀的特征，斯巴魯通過(guò)持續(xù)改善和提升，成就了斯巴魯非凡的操控表現(xiàn)并傳遞出特有的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。

斯巴魯發(fā)動(dòng)機(jī)因汽缸和活塞平均分布在曲軸兩側(cè)，因而其重心較低（見圖21），使活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的橫向震動(dòng)容易被發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架吸收。顯而易見這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)布置使其運(yùn)動(dòng)平衡性變得更好。在曲軸方面也取消了直列式汽油機(jī)必須的配重設(shè)計(jì)，因而曲軸重量下降，有助于轉(zhuǎn)速的提升[13]。

圖21 斯巴魯水平對(duì)置汽油機(jī)[13]

6.1 FB20汽油機(jī)特征

2010年斯巴魯公司推出了第三代水平對(duì)置汽油機(jī)—FB系列汽油機(jī)。FB系列汽油機(jī)有FB20和FB25兩種機(jī)型，排量分別是2.0 L和2.5 L排量。

FB20系列汽油機(jī)采用氣道噴射，缸徑和行程為84 mm×90 mm。FB系列汽油機(jī)凸輪軸驅(qū)動(dòng)方式為鏈條驅(qū)動(dòng)。進(jìn)、排氣凸輪的間距從126 mm縮至104 mm，進(jìn)、排氣閥門的相對(duì)角度由原來(lái)的41°減少至27°，這樣的設(shè)計(jì)使燃燒室的形狀將更緊湊，以獲得更佳的空氣壓縮效果，并加快燃燒速度[14]。

FB20系列汽油機(jī)采用了TGV（Tumble Generation Valve，TGV，滾流生成閥，俗稱蝴蝶閥）技術(shù)，該技術(shù)可在低轉(zhuǎn)速區(qū)關(guān)閉進(jìn)氣口下半部分來(lái)，以此提高進(jìn)氣流速并促進(jìn)產(chǎn)生滾流。多種調(diào)節(jié)方式可以使進(jìn)氣量控制更加精準(zhǔn)。汽油機(jī)在高轉(zhuǎn)速工況時(shí)，蝴蝶閥打開，以滿足進(jìn)氣量的需求；汽油機(jī)怠速時(shí)，蝴蝶閥關(guān)閉，減少進(jìn)氣量，以控制廢氣排出量。此外，此閥門的開閉還會(huì)在進(jìn)氣管內(nèi)產(chǎn)生渦流，以提高進(jìn)入氣缸內(nèi)氣體的燃燒效率。

FB20系列汽油機(jī)采用AVCS（Active Valve Con?trol System）動(dòng)態(tài)氣門控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用中間鎖止機(jī)構(gòu)，可以主動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣門的開閉和升程。

6.2 FA20汽油機(jī)特征

2012年，斯巴魯公司在FB20系列汽油機(jī)基礎(chǔ)上又衍生開發(fā)出FA20系列汽油機(jī)。相比FB20系列汽油機(jī)，F(xiàn)A20系列汽油機(jī)采用中冷EGR技術(shù)、雙噴射系統(tǒng)和4-2-1結(jié)構(gòu)排氣歧管。

FA系列汽油機(jī)與FB系列汽油機(jī)的主要參數(shù)對(duì)比如表5所示。FA系列汽油機(jī)的沖程從90 mm縮短至86 mm，以滿足汽油機(jī)達(dá)到更高轉(zhuǎn)速的需求。壓縮比提升至12.5，以獲得更高的熱效率。汽油機(jī)的額定功率達(dá)到148 kW，最大扭矩達(dá)到205 N·m。

為了滿足高轉(zhuǎn)速(＞7 000 r/min)的要求，F(xiàn)A系列汽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件經(jīng)過(guò)了重新設(shè)計(jì)。新的結(jié)構(gòu)如圖22所示，曲軸軸頸由FB系列的48 mm加粗到了50 mm。此外，增加了曲柄銷與主軸頸之間的重疊面積，以保證在較高速度下有足夠的強(qiáng)度和剛度。

表5 FA系列與FB系列汽油機(jī)對(duì)比[13]

圖22 FA20運(yùn)動(dòng)部件[13]

燃油供給系統(tǒng)是FA20汽油機(jī)較大的亮點(diǎn)。它采用了雙噴射技術(shù)（缸內(nèi)直噴+氣道噴射），這套缸內(nèi)直噴系統(tǒng)應(yīng)用的是豐田公司的D-4S燃油直噴系統(tǒng)（圖23）。D-4S系統(tǒng)每個(gè)氣缸設(shè)計(jì)有兩個(gè)噴油嘴，一個(gè)安置在傳統(tǒng)的進(jìn)氣歧管處，另一個(gè)布置在缸體內(nèi)，兩者可以確保汽油機(jī)在低負(fù)荷和高負(fù)荷工況下?lián)碛谐錾膭?dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。低壓噴射系統(tǒng)的壓力是400 kPa，高壓噴射系統(tǒng)的壓力是20 MPa。高壓泵裝有降低燃料油壓力的減震器和在發(fā)生燃油壓力異常時(shí)使用的補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。為確保燃油噴射精度，使用油壓傳感器進(jìn)一步控制燃油波動(dòng)。

圖23 D-4S供油系統(tǒng)[13]

FA20汽油機(jī)的燃燒室布置如圖24所示。缸內(nèi)直噴的燃油供給管路采用無(wú)回路設(shè)計(jì)。氣道噴射的噴油器安裝在進(jìn)氣歧管上，這種布置增加了進(jìn)氣歧管濕壁的可能性。為了解決這一問(wèn)題，采用了長(zhǎng)噴油嘴，使噴油點(diǎn)靠近燃燒室。同時(shí)，為了確保車輛碰撞安全性能，采用了較短的主體噴油器。

圖24 FA20汽油機(jī)燃燒室布置[13]

為了實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出，F(xiàn)A20汽油機(jī)的排氣歧管采用了4-2-1的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖25所示，同時(shí)增加排氣管直徑以降低排氣阻力。

圖25 FA20汽油機(jī)排氣系統(tǒng)[13]

FA20汽油機(jī)結(jié)構(gòu)十分緊湊，低重心、長(zhǎng)度短、震動(dòng)低是相比于傳統(tǒng)型汽油機(jī)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。該汽油機(jī)匹配斯巴魯BRZ整車，NEDC循環(huán)下的CO2排放為159 g/km。

7 三菱公司汽油機(jī)產(chǎn)品技術(shù)特征分析

三菱汽油機(jī)可分為1.5ATK、4B1、4J1和6G7 4個(gè)系列，其中1.5ATK為1.5 L混合動(dòng)力用汽油機(jī)，采用阿特金森循環(huán)。4B1系列有1.6 L、1.8 L、2.0 L三種排量，搭載于翼神、勁炫兩款車型。4J1系列為2.0 L、2.4 L兩種排量，為4B1系列上的升級(jí)之作，搭載于歐藍(lán)德。6G7系列目前搭載于帕杰羅，為V6汽油機(jī)，有3.0 L、3.5 L、3.8 L三種排量。

三菱全系列汽油機(jī)一直以來(lái)采用的關(guān)鍵技術(shù)就是MIVEC（Mitsubishi Innovative Valve timing Electron?ic Control system），即可變氣門正時(shí)和升程技術(shù)。MI?VEC技術(shù)通過(guò)改變凸輪軸相位和凸輪型線改變氣門正時(shí)和氣門升程，連續(xù)可變的配氣相位和氣門升程可確保汽油機(jī)在不同的工況下獲得最佳的進(jìn)氣狀態(tài)，提高動(dòng)力性、降低油耗和污染物排放[15]。

8 結(jié)論及啟示

（1）以豐田和本田的為代表的日系整車企業(yè)都會(huì)提前3到5年確定好汽油機(jī)產(chǎn)品的平臺(tái)規(guī)劃和發(fā)展戰(zhàn)略。并努力推動(dòng)實(shí)施，這有效的保證了產(chǎn)品平臺(tái)升級(jí)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。豐田的TNGA戰(zhàn)略和本田的VTEC TURBO概念就是其中典型的代表。

（2）精益化設(shè)計(jì)是日系汽油機(jī)產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵內(nèi)容之一，這也是日系汽油機(jī)產(chǎn)品差異化較大的重要原因。如日產(chǎn)的可變壓縮比技術(shù)和馬自達(dá)的創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)都屬于企業(yè)獨(dú)有的產(chǎn)品技術(shù)。斯巴魯?shù)乃綄?duì)置汽油機(jī)技術(shù)也屬于小眾化的產(chǎn)品技術(shù)。

（3）在核心技術(shù)開發(fā)方面，日系汽油產(chǎn)品和體現(xiàn)了較大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，中間鎖止的可變氣門相位技術(shù)，缸內(nèi)直噴與氣道噴射相結(jié)合的雙噴射系統(tǒng)，廢氣再循環(huán)技術(shù)都屬于日系汽油機(jī)的首創(chuàng)應(yīng)用。