采用進(jìn)、排氣門正時控制系統(tǒng)的新1.6 L 4缸直接噴射渦輪增壓汽油機(jī)的開發(fā)

【日】 Shimizu M Yageta K Matsui Y Yoshida T

0 前言

新1.6 L 4缸汽油機(jī)的開發(fā)目標(biāo)如下：（1）達(dá)到頂級水平的發(fā)動機(jī)輸出功率和扭矩，（2）實現(xiàn)較低的燃油耗，（3）滿足美國低排放車第2階段-超低排放車（LEV2-ULEV）和歐5排放的要求[1]。為了達(dá)到上述開發(fā)目標(biāo)，除了缸心距和氣缸體上端面高度等核心尺寸與現(xiàn)有的MR20DE發(fā)動機(jī)的保持相同之外，其他部件都進(jìn)行了重新設(shè)計。該新型發(fā)動機(jī)的基本設(shè)計要素如下：（1）采用壁面引導(dǎo)活塞頂凹坑的汽油直接噴射系統(tǒng)與渦輪增壓器相結(jié)合的技術(shù)策略，（2）采用雙連續(xù)可變氣門正時控制（CVTC）系統(tǒng)，（3）減少摩擦損失，（4）選擇最佳的發(fā)動機(jī)排量。由于采取了上述設(shè)計要素，該汽油機(jī)以較高的水平達(dá)到了開發(fā)目標(biāo)。

1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)規(guī)格和性能

表1給出了MR16DDT 發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格，其外觀如圖1 所示。MR16DDT 汽油機(jī)采用了能縮短燃燒室與催化器距離的排氣后處理裝置，以便更快地激活催化劑，從而減少冷起動排放。圖2示出了該汽油機(jī)的輸出性能曲線。如圖2 所示，MR16DDT 汽油機(jī)的最大功率為140 k W，在2 000～5 200 r/min的寬廣轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，能達(dá)到240 N·m的最大扭矩。上述數(shù)值表明，MR16DDT 汽油機(jī)能提供頂級發(fā)動機(jī)水平的動力性能。表2匯總了該汽油機(jī)所用技術(shù)特點及其對性能的影響。圖3和圖4為該汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性與其他機(jī)型的比較。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

表2 MR16DDT汽油機(jī)的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)特點

2 專用技術(shù)

2.1 燃燒

2.1.1 燃燒概念（圖5）

采用廣角噴油束和活塞頂凹坑實現(xiàn)壁面引導(dǎo)分層燃燒，它能在冷態(tài)運轉(zhuǎn)條件下較快地發(fā)揮催化活性。為了保持良好的均勻燃燒穩(wěn)定性，可依靠壓縮沖程后期的強(qiáng)氣流來改善滾流。此外，通過優(yōu)化廣角噴油束的貴穿距和噴射正時減少顆粒（PM）排放量，并提高機(jī)油的稀釋品量。另外，通過增加內(nèi)部廢氣再循環(huán)（EGR）率，并依靠雙CVTC 系統(tǒng)與減少泵氣損失的組合，使燃燒效率得到提高。

2.1.2 氣缸蓋進(jìn)氣道

氣缸蓋進(jìn)氣道的設(shè)計理念是要通過增強(qiáng)滾流來改善均勻空-燃混合氣的形成，同時要盡量減少對進(jìn)氣效率的不利影響（圖6，圖7）。

氣缸蓋進(jìn)氣道的設(shè)計理念如下：（1）直氣道改善進(jìn)氣效率；（2）機(jī)加工的翻滾邊緣使氣道下側(cè)氣流平滑分層，并增強(qiáng)滾流；（3）喉管部位使強(qiáng)滾流進(jìn)一步增強(qiáng)，同時盡量減少對進(jìn)氣效率的不利影響。

2.1.3 油束噴射目標(biāo)

選用廣角燃油噴射模式來改善均勻空-燃混合氣的形成。最佳燃油噴射模式是通過計算流體動力學(xué)（CFD）的計算，并利用混合氣均勻度作為性能指標(biāo)來確定的（圖8，圖9）。

2.1.4 活塞

活塞頂部形狀是基于要形成均勻空-燃混合氣的考慮而選定的，采用較小的壁面引導(dǎo)凹坑來改善滾流運動，并使燃燒室的面積與體積之比最小。燃燒穩(wěn)定性和廢氣排放性能是通過CFD 計算來評估的（圖10，圖11）。降低活塞溫度是為了減少爆燃，機(jī)油從活塞底部噴人活塞冷卻油道（圖12）。

3 減少機(jī)械靡擦

采用下列減摩技術(shù)來提高M(jìn)R16DDT 汽油機(jī)的基本性能。

3.1 氣缸孔圓度加工工藝

采用一種與目前MR 型汽油機(jī)相同的仿真頭加工工藝，加工必須在氣缸蓋與機(jī)體像發(fā)動機(jī)實際裝配時一樣緊密結(jié)合的情況下進(jìn)行。采用刺狀氣缸套能增加與鋁機(jī)體的接觸面積，從而改善燃燒室的冷卻。此外，由于氣缸套的熱量比現(xiàn)有氣缸套降低了約50%，且氣缸套與機(jī)體貼附得較緊，從而減少了氣缸孔的變形（圖13，圖14）。

上述技術(shù)具有以下優(yōu)點：（1）活塞環(huán)張力的顯著減小降低了運動件之間的摩擦，同時還能減少潤滑油的消耗；（2）抗爆燃性能的提高使燃燒更好，并且燃油耗較低；（3）氣缸體剛性較好，質(zhì)量較輕。

3.2 其他減靡技術(shù)

除了上述改進(jìn)措施之外，還對造成機(jī)械摩擦的其他多個部件作了如下改進(jìn)：（1）關(guān)于氣門挺柱，在凸輪軸凸輪接觸的挺柱表面涂敷一種無氫DLC 涂層；（2）關(guān)于氣門彈簧與座圈，采用蜂窩型氣門彈簧以減小彈簧和座圈的尺寸及減輕質(zhì)量（圖15）；（3）關(guān)于凸輪軸，凸輪采用細(xì)小研磨顆粒的豪微級拋光工藝，以使表面粗糙度達(dá)到鏡面拋光級；（4）關(guān)于正時鏈和機(jī)油泵鏈，導(dǎo)柱接觸面的表面粗糙度比目前MR 型汽油機(jī)有進(jìn)一步改善；（5）關(guān)于鏈導(dǎo)輪，采用一種橋式PTFE 導(dǎo)輪；（6）氣缸體采用偏置氣缸技術(shù)；（7）第1道活塞環(huán)和油環(huán)均采用物理汽相沉積涂層；（8）高壓燃油泵應(yīng)用滾子挺柱。

4 雙CVTC和單渦殼渦輪增壓器

由于采用雙CVTC 系統(tǒng)和單渦殼渦輪增壓器，該汽油機(jī)實現(xiàn)了低燃油耗、低排放、高功率和大扭矩之間的最佳折衷。

4.1 高功率和大扭矩輸出

利用雙CVTC 有效地清掃排氣，能使更多新鮮空氣進(jìn)人燃燒室。這種掃氣效果提高了容積效率，并能增加進(jìn)人增壓器渦輪的廢氣能量。因此，該汽油機(jī)僅采用單渦殼渦輪增壓器，也能在2 000 r/min的低轉(zhuǎn)速工況下達(dá)到大扭矩。

此外，由于單渦殼渦輪增壓器減少了泵氣損失，因而能提高功率輸出（圖16）。

4.2 低燃油耗

該雙CVTC 系統(tǒng)允許采用較高的內(nèi)部EGR率，而單渦殼渦輪增壓器是通過擴(kuò)大通道面積來降低排氣氣流阻力，以達(dá)到減少低泵氣損失的目的。這些措施降低了燃油耗（圖17）。

4.3 低廢氣排放

緊湊型薄壁鑄造的不銹鋼排氣歧管具有較低的熱質(zhì)量，它能較快地發(fā)揮催化劑活性，可降低冷起動工況的排放。

排氣歧管出口設(shè)有1個隔板，以減少廢氣更迭時產(chǎn)生的干擾（圖18）。

盡管單渦殼渦輪增壓器尺寸較小，但它具有能匯合排氣歧管下游4股排氣流的較大開口面積。因此，可以利用二次燃燒效應(yīng)使催化劑溫度較快地上升（圖19）。

4.4 高精度氣門正時控制

氣門正時控制精確度的提高及機(jī)油供油回路的改進(jìn)減少了控制的超調(diào)量，因而增強(qiáng)了抵抗發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)油溫度變化的能力（圖20）。此外，對氣門正時控制設(shè)置了直接的機(jī)油供給回路，以降低機(jī)油壓力損失，使得機(jī)油泵輸出量減少約20%（圖20，圖21）。

5 結(jié)語

除了汽油直接噴射系統(tǒng)、單渦殼渦輪增壓器和雙CVTC系統(tǒng)等主要系統(tǒng)外，新型MR16DDT 汽油機(jī)還采用了多種減摩技術(shù)，使其在低燃油耗和高動力輸出方面達(dá)到了頂級水平的發(fā)動機(jī)性能。此外，渦輪增壓器與雙CVTC 系統(tǒng)相結(jié)合，使得汽油機(jī)在中、低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提高掃氣效果的情況下達(dá)到了最大的容積效率，并改善了常規(guī)渦輪增壓器的弱點——節(jié)流響應(yīng)。該汽油機(jī)的扭矩特性具有充分的潛力，可以按用戶的需求來選擇變速齒輪的速比。因此，配裝MR16DDT 汽油機(jī)的Juke車型已作為加速性能優(yōu)異的轎車在全球市場贏得了良好的聲譽(yù)。

此外，新型 MR16DDT 汽油機(jī)達(dá)到了美國LEV2-ULEV 和歐5 排放要求的低尾氣排放水平，并滿足了環(huán)保性要求。目前，改進(jìn)該汽油機(jī)性能的工作仍在努力進(jìn)行，以進(jìn)一步滿足日益多樣化的客戶期望和市場需求。