現(xiàn)代-起亞公司小排量SmartStream發(fā)動機

W.S.CHOI J.H.LEE B.H.MIN C.YU

摘要：SmartStream G1.0發(fā)動機是現(xiàn)代汽車集團第3代SmartStream發(fā)動機，具有1.0 L排量，以Kappa系列機型為基礎(chǔ)，并滿足當今CO2排放法規(guī)的要求。介紹了這種新機型的設計理念和技術(shù)亮點，如雙氣門口噴射、冷卻廢氣再循環(huán)，以及中間位置具有鎖定裝置的可變凸輪軸相位調(diào)節(jié)器。

關(guān)鍵詞：雙氣道噴射;多點燃噴射;排放

0?前言

2008年現(xiàn)代汽車首次推出1.2 L排量的直列4缸Kappa自然吸氣發(fā)動機，并加大發(fā)動機排量，來滿足各種不同車型和市場的要求[1.3]。之后，現(xiàn)代汽車開發(fā)了1.4 L排量的Kappa發(fā)動機，作為Gamma發(fā)動機的替代機型，并在2011年開發(fā)了1.0 L排量的直列4缸發(fā)動機?，F(xiàn)代汽車在該發(fā)動機的生命循環(huán)期間進行了較小的技術(shù)改進，如改進氣門傳動機構(gòu)和降低摩擦。采用雙氣道噴射（DPI）的新一代小排量SmartStream發(fā)動機（圖1）按照全新的結(jié)構(gòu)方式開發(fā)，可以改善燃油耗和降低廢氣排放。2016年，現(xiàn)代公司在1.0 L發(fā)動機上就已采用了冷卻廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)。現(xiàn)在EGR系統(tǒng)也被用于SmartStream發(fā)動機系列更小排量的機型上。此外，SmartStream發(fā)動機還集成了一些新技術(shù)。

1?開發(fā)目標

當前，Kappa多點燃油噴射（MPI）發(fā)動機的開發(fā)目標是在相對較低的轉(zhuǎn)速時達到最大扭矩及適度的最高速度，以便在實際使用中獲得良好的行駛體驗。對于具有較高關(guān)注度的最高速度而言，需要使用可變進氣系統(tǒng)。對于發(fā)動機功率而言，G1.0 L和G1.2 L的DPI發(fā)動機采用了當前Kappa發(fā)動機的設計理念，同時采用更高的壓縮比工作。因此，除了提高總熱效率之外，保持全負荷發(fā)動機功率是最重要的開發(fā)目標之一。另1個開發(fā)目標是避免在高轉(zhuǎn)速時為保護零部件而加濃混合氣，以便最終在整個運行范圍內(nèi)使混合氣達到過量空氣系數(shù)λ=1的目標。

通過采用較高的壓縮比提高熱效率，新機型除了采用外部冷卻EGR系統(tǒng)之外，需要重新設計冷卻系統(tǒng)，以補償采用較高壓縮比而降低的抗爆性。為了減小節(jié)流運行時的泵吸損失，研究人員已換用了中間位置具有鎖定裝置的凸輪軸相位調(diào)節(jié)。先進的分層燃燒過程降低了運動件中的摩擦，同時整體式排氣歧管降低了原始排放和廢氣溫度。由于采取了以上措施，高轉(zhuǎn)速時的燃油耗顯著降低了。表1列出了小排量SmartStream.DPI發(fā)動機的技術(shù)參數(shù)。

2?帶有整體式排氣歧管的氣缸蓋

圖2表明，排氣歧管集成在氣缸蓋中的催化轉(zhuǎn)化器達到的起燃溫度時間比常規(guī)單獨排氣歧管縮短了20%。因為大部分碳氫化合物（HC）和氮氧化物（NOx）排放是在廢氣催化轉(zhuǎn)化器低溫時的早期加熱階段中形成的，發(fā)動機的快速加熱能降低廢氣排放。這種系統(tǒng)的另1個優(yōu)點是能降低廢氣溫度，而且能減少發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速和高負荷時為保護零部件而采取的混合氣加濃情況。這種型式的氣缸蓋僅用于第2代4缸發(fā)動機，在直列4缸發(fā)動機上會因換氣時單個氣缸之間廢氣的干擾導致全負荷時的功率降低，而且在較低的發(fā)動機轉(zhuǎn)速時這種影響會明顯加劇。為了降低在直列4缸SmartStream.G1.2 L發(fā)動機上使用這種帶有整體式排氣歧管氣缸蓋時的廢氣排放，整個廢氣管路和氣缸蓋中的冷卻系統(tǒng)需要重新設計，另外，在G1.0 L和G1.2 L發(fā)動機上采用DPI的解決方案也克服了發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時因較高的壓縮比所引起的功率降低。

3?雙氣門噴射

噴油器通常位于進氣道中氣道隔板之前，因為在每個進氣道中必須噴射2個分開的燃油噴束，但這樣就限制了隔板長度和噴油器頂端與燃燒室之間的設計自由度。如果該間距太大的話，就會增加燃油潤濕進氣道壁面的概率。為了避免壁面的潤濕，研究人員采用了較細長的噴束形狀，降低了因較小油滴相撞和合并形成較大油滴的危險，但這同時卻會導致進氣門上部因潤濕和蒸發(fā)減少，從而削弱了充量冷卻的效果。

SmartStream發(fā)動機使用的DPI彌補了基于單個噴油器系統(tǒng)的缺點，這樣就能不受氣道隔板長度限制地減小噴油器頂端至燃燒室的距離。由于只需要較短的貫穿深度，就能應用較寬的扇形噴束形狀。與僅使用單個噴油器的系統(tǒng)相比，油滴尺寸（SMD）減小了25%。較高的燃油蒸發(fā)速率會導致較晚的噴油時刻，并加強了氣缸充量的冷卻效果，這樣就能獲得較高的容積換氣效率和良好的抗爆性。

經(jīng)研究表明，在噴油終了后進氣門關(guān)閉前150～200 °CA（曲軸轉(zhuǎn)角）時，進氣道壁面燃油膜相對較少（圖3），而如果噴油太晚，燃油膜就會大大增加，因為晚噴射的燃油會抵達氣缸套壁面。

在200 °CA前噴油結(jié)束后，大部分燃油在進氣門打開時進行噴射。在中等負荷時，在改變噴油終了情況后，排放沒有變化，除非因氣門開啟噴射（OVI）而使顆粒數(shù)（PN）排放和比燃油耗顯著增加（圖3（b））。在較高負荷時會隨著噴油結(jié)束推遲，使得燃油效率持續(xù)改善，其原因是在進氣門打開的情況下進行噴油時的氣缸溫度較低，需要提高點火效率。據(jù)此，在高負荷和節(jié)氣門全開的條件下，在PN并未迅速增加的運行范圍內(nèi)的最佳噴油結(jié)束時間則要盡可能的晚，而在中等負荷范圍內(nèi)的設計策略不被限制在這個范圍內(nèi)，因為在OVI情況下，燃油效率的改善效果一般。

4?排氣波反射的調(diào)整

在發(fā)動機處于低轉(zhuǎn)速工況時，通常進氣門早關(guān)會使更多的新鮮空氣充量進入氣缸，這種策略導致在換氣期間與排氣門打開的重疊時間增大。在這種情況下，全負荷時的殘余廢氣量會受到反射壓力波的影響。圖4示出了不同消聲器位置時廢氣壓力相對于曲軸轉(zhuǎn)角的模擬曲線，可清楚地看到增加中間消聲器會加大氣門重疊期間的背壓。無中間消聲器或者中間消聲器與排氣門的距離較大，能減小反射廢氣壓力波的干擾。3缸SmartStream.DPI發(fā)動機通過取消中間消聲器或優(yōu)化安裝位置就能使低轉(zhuǎn)速時的功率改善3%。

盡管新發(fā)動機的壓縮比較高，但是仍能達到性能目標，低轉(zhuǎn)速扭矩保持在與當前發(fā)動機相同的水平上，其中DPI和重新設計的進排氣系統(tǒng)起著重要的作用。

5?外部冷卻EGR

在汽油機上，采用EGR系統(tǒng)是降低燃油耗的有效措施。2016年，現(xiàn)代汽車在Kappa.1.0 L發(fā)動機上首次使用冷卻EGR，這種EGR系統(tǒng)已安裝在1.2 L機型上。新系統(tǒng)中EGR廢氣是在三元催化轉(zhuǎn)化器前從排氣總管取出的，而在之前的系統(tǒng)中則是在催化轉(zhuǎn)化器后抽取的（圖5），將EGR調(diào)節(jié)閥前后的壓力差最大化，減輕了在較高負荷范圍內(nèi)和進氣歧管中壓力較高的情況下的EGR的調(diào)節(jié)量。此外，原始排放中的未燃HC被再次利用，從而能降低燃油耗。與原發(fā)動機相比，新發(fā)動機提高了點火線圈產(chǎn)生的能量，即使在外部冷卻EGR的情況下也能確保穩(wěn)定著火和燃燒。

點火能量（30 mJ或80 mJ）對燃燒穩(wěn)定性的影響示于圖6。該圖示出了在各種不同點火火花能量時燃燒持期的分布。與燃燒掉5%燃油質(zhì)量份額（MBF5）相對應，燃燒持續(xù)期被定義為燃燒掉90%與10%燃油質(zhì)量份額時的曲軸轉(zhuǎn)角差。這些曲線是在運行條件保持不變的情況下，通過對幾千個相互連接的燃燒循環(huán)進行統(tǒng)計學評估的結(jié)果。在所有的試驗情況下得到的都是向右上傾斜的橢圓形，因此最開始迅速的火焰?zhèn)鞑ィㄓ肕BF5早期的曲軸轉(zhuǎn)角表述）與較短的燃燒持續(xù)期之間存在著統(tǒng)計學關(guān)聯(lián)，其中點火線圈的能量并不起作用。當然，用于燃燒掉5%與50%燃油質(zhì)量份額和較高點火線圈能量情況下的燃燒持續(xù)期分散帶有些窄，并且燃燒重心的曲軸轉(zhuǎn)角在上止點后8 °CA附近，因為對于給定的空氣和燃油供應燃燒重心為8 °CA的循環(huán)是平均指示壓力最高的循環(huán)，為具有80 mJ能量的點火線圈提供了更好的平均燃油耗。

惰性氣體降低了燃燒速度，并加大了各個循環(huán)之間的功率偏差。如果氣缸充量中的惰性氣體份額超過一定限值的話，就會出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒或著火中斷等現(xiàn)象。為了確保發(fā)動機可靠運行，必須限制EGR率，以防止不穩(wěn)定燃燒。高能點火線圈能改善采用外部EGR運行條件下燃燒的一致性，這樣就能擴大上述限值，并最多能降低1%的燃油耗。

圖7表明EGR系統(tǒng)適用于大多數(shù)行駛狀況，并使中高負荷區(qū)域燃油耗得到了較明顯的改善，同時顯著提高了抗爆性。在非常高的負荷范圍內(nèi)，全負荷時進排氣歧管之間只有非常小的壓差，這樣使得EGR率降低，由此所達到的燃油耗改善也受到了制約。

6?中間位置具有鎖定裝置的進氣

降低低負荷范圍內(nèi)的燃油耗同樣也是重要的課題，其中降低泵吸損失效果最為明顯。使用EGR或許能提高進氣歧管中的壓力，但在低負荷時，EGR調(diào)節(jié)閥前后的壓力差較大，其細微偏差也會引起EGR流量的顯著變化。而當EGR流量太大時，燃燒速度會降低，會導致不完全燃燒或著火中斷等現(xiàn)象，從而使各個循環(huán)之間出現(xiàn)非常大的燃燒偏差，因此，在低負荷范圍內(nèi)不能使用EGR系統(tǒng)來解決泵吸損失的問題。

降低泵吸損失的另1個可能性是使用凸輪軸相位調(diào)節(jié)器推遲進氣門關(guān)閉的時間。在推遲進氣的情況下，壓縮行程期間一部分新鮮空氣充量將會返回到進氣歧管，以維持進氣歧管中的壓力，而僅有少部分的新鮮空氣充量保留在氣缸中。在具有固定氣門開啟持續(xù)時間的系統(tǒng)中或者在常規(guī)的凸輪軸調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，通常采用延長進氣凸輪的持續(xù)時間，或是推遲基準凸輪的調(diào)節(jié)，進氣門才能達到晚關(guān)的目的。在這2種情況下，提高進氣歧管中的壓力使惰性氣體進入氣缸，但這會使具有長的固定氣門開啟時間的進氣凸輪在低轉(zhuǎn)速時的節(jié)氣門全開且功率較小。因此，在這2種情況下，有效壓縮比小導致起動性能較差。為了解決這種弊病，SmartStream.G1.0 L和G1.2 L發(fā)動機裝備了中間位置具有鎖定裝置的凸輪軸調(diào)節(jié)器的CVVT系統(tǒng)來控制進氣門（圖8）。因為CVVT系統(tǒng)能調(diào)晚和調(diào)早進氣凸輪，因而能推遲進氣終了而不損壞起動性能，并實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的功率保持。

在平均有效壓力低于0.4 MPa的2個不同運行工況點（Pt1和Pt2），通過減小泵吸損失達到的降低燃油耗在1.0%～2.6%之間。通過冷卻EGR與中間位置具有鎖定裝置的凸輪軸調(diào)節(jié)器的CVVT系統(tǒng)的組合，能在發(fā)動機運行特性曲線場中很大的范圍內(nèi)改善燃油耗。

7?降低摩擦

降低機械摩擦是改進新款1.0 L和1.2 L發(fā)動機時的難點之一（圖9）。在1.0 L發(fā)動機上采用帶有液壓氣門間隙補償器的滾輪搖臂機構(gòu)替代機械式間隙調(diào)整的氣門機構(gòu)。2款發(fā)動機都使用了具有兩級壓力的可調(diào)式機油泵，以降低低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的機油壓力。低機油壓力能在發(fā)動機低于3 500 r/min轉(zhuǎn)速下的降低總摩擦和改善實際行駛運行中的燃油耗。為了降低運動部件的機械摩擦，在活塞裙部、活塞環(huán)和主軸承上具有不同的涂層，同樣凸輪軸軸頸的直徑也針對降低摩擦進行了優(yōu)化，此外還使用新型的輕載機油（SAE 0W20），以這樣的方式就能降低發(fā)動機冷熱態(tài)運行時的摩擦。通過所有這些措施，與第1代Kappa.MPI發(fā)動機相比，總機械摩擦降低了約20%。

8?熱管理的開發(fā)

為了提高抗爆性和降低廢氣溫度，研究人員改進了氣缸蓋中的冷卻液流動路線。在Kappa發(fā)動機上縱向設計的冷卻液流動路線會使燃燒室表面產(chǎn)生不一致的溫度分布，從而導致各個氣缸的爆燃特性不同。新設計的橫向冷卻液流動路線使系統(tǒng)能在中高負荷條件下進行點火時刻的預調(diào)節(jié)和降低廢氣溫度。模擬計算（圖10）表明，冷卻液從排氣至進氣的流動方向產(chǎn)生了環(huán)繞排氣門座和火花塞的明顯強烈流動，調(diào)早點火時刻和良好的冷卻效果有助于減少加濃混合氣。這一方面保護了零部件，另一方面又能在全球統(tǒng)一的輕型車測試循環(huán)（WLTC）試驗中獲得良好的燃油耗表現(xiàn)。

整體式熱管理（ITM）模塊能有效地控制冷卻液流動，從而改善燃油耗和各種不同運行條件下的發(fā)動機功率。整體式熱管理模塊由1個電動旋轉(zhuǎn)閥組成，它能通過預調(diào)節(jié)策略控制流向采暖設備、散熱器和EGR冷卻器的冷卻液流量（圖11）。因為在發(fā)動機完全預熱之前就已使用EGR了，在冷卻液溫度較低時，流至散熱器和采暖設備的冷卻液流量被限制在低水平，以支持更快地預熱發(fā)動機，并將一定流量的冷卻液分流到EGR冷卻器。在發(fā)動機預熱后熱管理模塊開始控制發(fā)動機溫度，例如熱管理模塊加大流向散熱器的冷卻液流量，以降低發(fā)動機溫度并迅速地提高抗爆性。在外部環(huán)境溫度較低的情況下，就能利用最大采暖等級以改善車廂內(nèi)的供暖能力。

9?總結(jié)

在SmartStream.G1.0 L和G1.2 L發(fā)動機上，應用了多種新技術(shù)以改善燃油耗和發(fā)動機功率。在中高負荷時，冷卻EGR與高能點火和雙氣門噴射相結(jié)合明顯降低了燃油耗。在低負荷范圍內(nèi)則通過高的壓縮比、更低的摩擦損失，以及安裝中間位置具有鎖定裝置的凸輪軸相位調(diào)節(jié)器予以改善。新設計的氣缸蓋采用冷卻液橫向流動，從而能調(diào)早點火時刻，而集成到氣缸蓋中的排氣歧管能明顯地降低廢氣溫度，從而為滿足歐7排放標準做好了準備。在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上進行新歐洲行駛程序（NEDC）和全球統(tǒng)一的輕型車測試程序（WLTP）試驗時，CO2排放比原機型降低10%以上。這種模塊化的發(fā)動機結(jié)構(gòu)能利用整個發(fā)動機系列中的通用件和相同的技術(shù)，并以這種方式優(yōu)化開發(fā)費用和品質(zhì)控制，從而降低成本。現(xiàn)代汽車計劃在A級和B級車上使用這種新發(fā)動機。

參考文獻

[1]BYOUNG HYOUK M.The new Hyundai.Kia’s Smartstream 1.5L turbo GDI engine[C]. 28. Aachener Kolloquium Fahrzeug.?und Motorentechnik， Aachen， 2019.

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