小排量清潔柴油機SKYACTIVD 1.5的開發

【日】　　　　平林千典　大西毅　　白井裕久　　佐藤雅昭　森永真一　志茂大輔

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【日】平林千典大西毅白井裕久佐藤雅昭森永真一志茂大輔

隨著超低壓縮比和高效率增壓成為關鍵推進器的燃燒新概念，SKYACTIV-D 2.2柴油機不僅實現了充足的扭矩，而且達到了最高水平的低油耗，不用氮氧化物催化劑就可以滿足最新的排放法規。為了將重要的研發成果提供給更多的用戶，在繼承了小排量發動機燃燒理念及其宗旨的前提下重新開發了SKYACTIV-D 1.5柴油機。該機已經安裝到新型Demio轎車上，介紹該新型發動機的開發理念，以及突破了小排量和結構緊湊化所帶來的種種制約。

小排量超低壓縮比高效率增壓清潔柴油機

0　前言

排量為2.2 L的新一代清潔柴油機SKYACTIV-D 2.2(以下簡稱2.2 L)實現了駕駛性能、油耗和環保性能等綜合高水平。為了將研發成果提供給更多的客戶，重新開發了排氣量更小的1.5 L清潔柴油機SKYACTIV-D 1.5(以下簡稱1.5 L)。 本文將介紹該新型柴油機的開發理念及所采用的新技術。

1　開發理念

馬自達公司的目標是開發內燃機極限[1]。如圖1所示，從汽油機和柴油機2個方面進行研發，盡量使制約熱效率的7項因素接近理想狀態。在柴油機方面重點研發的是SKYACTIV-D的燃燒理念。在已經開發成功的2.2 L柴油機中超低壓縮比和高效率增壓是2項關鍵技術，改善了各項控制因素的狀態[2]。沿用該燃燒理念達到了扭矩充沛和輕松駕駛，并取得了優越的燃油經濟性和燃燒的平穩性，在不采用氮氧化物(NOx)催化器的情況下就可以滿足日本國內2009年的排放法規(后新長期法規)，以及歐洲的歐6法規，真正實現了清潔排放。

在1.5 L柴油機的研發過程中繼承了2.2 L柴油機中使用的燃燒理念[3]。但是，由于排量小和結構緊湊，自然法則和空間自由度的制約非常苛刻。具體地說就是要求的噴油量小，隨之而產生的問題是燃油噴霧的自著火性能降低，通過燃燒室壁面散逸的熱損失惡化，結構方面由于比熱容積增大、暖機性能惡化，排氣系統方面因為面積/體積比增大，造成氧化催化器(DOC)進口氣體溫度降低等。如圖2所示，為了解決這些問題，在1.5 L柴油機中最新研發成功了一系列突破性的新技術。同時，通過采用上述新技術，圖1中所示的決定熱效率的各項控制因子的狀態得到了進一步改善。

圖1　SKYACTIV-D 2.2/1.5發動機燃燒概念的發展歷程

關于這些技術的細節將在后面介紹。1.5 L柴油機的主要技術規格見表1，系統概要如圖3所示。

圖2　SKYACTIV-D 2.2/1.5小排量發動機的制約因素和技術突破

項目參數發動機SKYACTIV-D2.2SKYACTIV-D1.5發動機類型直列4缸直列4缸排量/mL21881498缸徑/mm8676行程/mm94.282.6壓縮比1414.8燃油系統共軌系統G3壓電晶體(最大噴射壓力200MPa)共軌系統G3電磁閥型(最大噴射壓力200MPa)噴嘴類型10孔1112cm3/min10孔 短孔、長型油嘴600cm3/min活塞燃燒室形狀傳統、蛋形階梯、蛋形增壓系統串行順序2級增壓帶可變渦輪截面(VTG)增壓帶轉速傳感器EGR系統高壓帶和不帶冷卻系統高壓 不帶冷卻和低壓帶冷卻系統后處理系統DOC+柴油機顆粒捕集器(DPF)最大扭矩/(N·m)420(2000r/min)220/250/270(1600～2500r/min)最大功率/kW129(4500r/min)77(4000r/min)排 放歐6和日本國內后長期排放法規(PNLT)

圖3　SKYACTIV-D 1.5柴油機系統

2　性能參數

1.5 L柴油機繼承了2.2 L柴油機的燃燒理念，實現了決定熱效率的各項控制因子的狀態進一步改善[4]。因此，1.5 L柴油機也可以提供SKYACTRIV-D柴油機的相同價值。

2.1輸出性能

如圖4所示，1.5 L柴油機從1 500～2 500 r/min寬闊的轉速范圍內可以實現250 N·m的大扭矩。在高轉速范圍內，最高輸出功率為77 kW，并且轉速在5 200 r/min內都可以實現線性扭矩特性。如圖5所示，從使用轉速范圍開始，線性且直到高轉速范圍都可以輕松地進行加速。產品性能的絕對值雖然有所差異，但1.5 L柴油機扭矩特性和加速特性都繼承了2.2 L柴油機的特性[5]。

圖4　2種發動機的扭矩和功率表現情況

2.2燃油經濟性和排放性能

近日，由中國水利水電科學研究院主編修訂的水利行業標準《水利工程代碼編制規范》（SL 213—2012）出版發行。

如圖6所示，相對于1.5 L柴油機，比油耗達到了和2.2 L同樣的轎車柴油機的最高水平值。另外，在不使用NOx后處理系統的前提下可以滿足日本國內的后長期排放法規和歐6法規，柴油機的排放性能也是一脈相承。

圖5　2種發動機的加速特性

(a)

(b)圖6　2種發動機的燃油經濟性曲線

3　突破性的新技術

1.5 L柴油機繼承SKYACTIV-D燃燒理念，克服小排量和結構緊湊化所造成的各種制約，以及進一步改善決定熱效率的各項控制因子的狀態，成功突破了以下的新技術。

3.1超低壓縮比燃燒的繼承及機械阻力再降低

圖7　2種發動機燃油著火性的技術比較

SKYACTIV-D燃燒理念的要點是超低壓縮比。但是在小排量發動機中，在無負荷運轉條件下由于噴油量少，小直徑燃燒室中燃油噴霧容易和氣缸壁面產生干擾。因此，燃油的自著火性能降低。其解決辦法是重新調整技術構成和功能分配，如圖7所示。一方面繼續沿用噴油時間間隔短、噴油量少和多次噴油的技術措施，形成濃混合氣。另一方面將VTG增壓器的噴嘴葉片實行精密控制，比一般的使用范圍稍微縮小一點，在無負荷范圍內加大增壓效果，從而獲得內部EGR增量。因此，在2.2 L柴油機中為了提高內部EGR，采用切換式排氣閥IDEVA的功能。此外，改變了進氣閥定時，將壓縮比提升到14.8，這些就保證了1.5 L和2.2 L柴油機具有相同的著火性能。

保持最小的壓縮比上升，SKYACTIV-D柴油機燃燒概念的最大特征是繼承了13.5 MPa下的低最高燃燒壓力燃燒，再加上改變了活塞環，并將配氣機構等滑動部位更改為摩擦學的最佳形狀等，1.5 L柴油機的摩擦平均有效壓力(FMEP)超過了2.2 L柴油機，如圖8所示。

圖8　2種發動機機械摩擦的比較

3.2高效率增壓—EGR—進排氣系統

SKYACTIV-D發動機燃燒理念的另一個重要特點是高效率增壓?？諝夂虴GR氣體同時進行增壓，可以實現高比熱下的低溫燃燒，同時實現高的熱效率和清潔排放。在1.5 L發動機中，由于采用了帶轉速傳感器的小型VG增壓器，而且高壓回路和低壓回路并用EGR系統，實現了高效率增壓。

圖9　低壓EGR對燃油經濟性和排放的效果

在低壓EGR系統中，主要會存在EGR流路中伴隨著氣體交換而產生的響應延遲，以及EGR氣體中的水蒸氣冷卻而產生的冷凝水問題。在1.5 L發動機中采用了高性能、水冷和中冷一體式樹脂進氣歧管解決了這些問題。

如圖10所示，與2.2 L發動機的分置式和空冷中冷器系統相比，氣體流路的路程大幅度縮短，確保了氣體交換的響應性。同時，與兩級增壓變更為單級增壓的方案相結合，配合以小型緊湊的發動機駕駛室，真正實現了小空間化和輕量化。關于耐冷凝水問題，采用冷卻效率控制性很強的水冷式中冷器，在控制EGR氣體過度冷卻的同時，將已經產生了的少量冷凝水采用圖3中所示的吸氣機構，強制性以噴霧狀吸入發動機氣缸內。

圖10　2種發動機采用中冷系統的緊湊結構

在1.5 L發動機中，由于采用小型可變截面渦輪增壓器，在重視中低速工況的同時，利用轉速傳感器感知增壓器的轉速來控制燃燒，因而可能將轉速極限提高到120 000 r/min(圖11)。這樣，雖然是單級增壓，也可以在5 200 r/min的高轉速范圍內都可以實現線性扭矩特性(圖4)。

圖11　增壓器轉速和增壓壓力

3.3高擴散噴霧和燃燒室低冷卻損失的燃燒系統

為了抑制因排氣量減小，從燃燒室壁面產生過大的熱損失，研發了可以抑制燃料噴霧附著到燃燒室壁面及與火焰接觸的噴霧混合氣形成的技術，最新采用了可控制噴霧射程的強擴散噴霧的噴油器。

實現強擴散噴霧的手段是通過縮短噴孔長度，特別是在冷卻損失較大的輕負荷工況時，在噴油壓力低、噴油量少和多次噴油的條件下可以將在噴油孔內產生的湍流能量在噴霧中直接噴射出去。這樣實現了能夠控制射程的強分散型噴霧。另外，在冷卻損失的影響比較小的高負荷工況下，特別是在噴油壓力比較高的條件下，仍和以前一樣可以得到大的噴霧射程(圖12)。

圖12　噴霧特性的改進

在2.2 L發動機中，由于采用的蛋形燃燒室壁面的作用，由噴油的動能形成了強烈的縱向渦流運動，因此促進了燃油和空氣的混合，能夠實現清潔燃燒的蛋形燃燒室概念在1.5 L發動機中繼承采用了。在此基礎上，隨著排氣量減少，冷卻損失更加惡化。在膨脹行程初期產生冷卻損失的主要原因是在唇部產生的逆向擠流，為了減弱這種逆向擠流，開發了最新帶階梯的蛋形燃燒室。

圖13　2種發動機的階梯蛋形活塞頂概念

采用強分散噴霧和階梯蛋形燃燒室，在冷卻損失影響很大的輕負荷條件下進行了計算流體動力學(CFD)燃燒解析，結果如圖14所示。

圖14　活塞頂和噴霧概念的CFD結果

在圖14的上部，由于采用多次、小噴油量和擴散度很大的噴霧，成功地抑制了噴霧混合氣和燃燒室壁面的接觸。而圖14的下半部可以確認，在膨脹行程初期，唇部和氣缸頭之間產生的逆向擠流也明顯地降低了。

在輕負荷和中等負荷條件下，通過發動機驗證試驗的結果如圖15所示。高分散度噴霧和階梯蛋形燃燒室組合中實現了在輕負荷工況下大幅度地降低燃油耗，并在中等負荷工況下也可以有效地降低燃油耗。這時，煙度幾乎沒有增加，總碳氫(THC)也有效地降低了。

圖15　關于活塞頂和燃燒概念的發動機試驗結果

3.4通過多次噴油控制噴油量和控制燃燒

前面介紹的強擴散噴霧在小噴油量、多次噴油的情況下是有效的。但是，隨著排量減小，要求的噴油量的絕對值隨之減小，因此產生了噴油量控制精度相對降低的問題。一般而言，進行多次噴射時，因為受到前一次噴油終了時產生的壓力脈動的影響，并且隨著噴油時間間隔的變化，后一次噴油量會隨之產生變化。對于因為噴油壓力—噴射量指示值—噴油間隔等條件的變化都必須對噴油量進行特殊控制，即對噴油量偏差進行修正。

為了提高多次噴油時各次噴油量的修正控制的精度，在1.5 L 和2.2 L柴油機中沒有采用修正型譜進行控制，而是開發了1種新的模型控制法——將燃油壓力的脈動抽象成數學公式，將噴油量的偏差表示成相對于噴油間隔的衰減的和。模型數學公式中的振幅和相位等參數與噴油壓力及噴油量等同處理，在任何條件下都可以預測噴油量的偏差，如圖16所示。

圖16　噴油量偏差模型的結果

如圖17所示，為了確保高精度的噴油量控制特性，在1.5 L柴油機中，通過多次噴油進行燃燒控制。在2.2 L柴油機中，采用已經完成的燃燒控制方案為基礎，減少各次噴油的噴油量，減小加速的幅度、增加次數以適應小排氣量。此外，隨著動態工況和環境條件變化產生外界干擾時，通過已經開發成功新的控制軟件，可以預測每次循環中氣缸內的溫度、壓力和燃氣成分等狀態。根據氣缸內實際參數，利用數學模型計算出必要的引導噴射的發熱量，從而求出必要的引導噴油量。這樣，即使在動態工況下或環境條件發生了變化也可以將燃油經濟性和排放特性的惡化程度控制在最小的范圍之內，而且可以控制燃燒噪聲，實現優良的燃燒平穩性。

圖17　多次噴油控制策略

3.5冷卻液控制系統

圖18　發動機冷卻液控制系統

圖19　發動機暖機曲線

隨著排氣量減小，結構方面會使比熱容量增大，暖機性能惡化。排氣系統方面，隨著面積/體積比增大，為了解決DOC進口氣體溫度下降，在1.5 L發動機中，采用了新的冷卻水控制系統，即采用馬達驅動的專用閥更換了發動機冷卻水回路如圖18所示。在冷機狀態，停止向氣缸體、潤滑油冷卻器和自動變速箱潤滑油(ATF)冷卻器供水，只向氣缸頭供給最少量水流。通過發動機試驗，驗證結果如圖19所示。限制了冷卻水路以后已經確認了，在發動機冷起動以后200秒時，冷卻水溫、氣缸套壁面溫度和DOC進口的排氣溫度都能夠取得15℃的暖機效果。此外，在暖機以后，與傳統的機械式恒溫器相比較，可以實現穩定目標值水溫。

4　結語

SKYACTIV-D 1.5柴油機不僅克服了因為排量減小和緊湊化設計所帶來的各種困難的制約，而且，進一步改善了決定熱效率的各種控制因素的狀態。因此，作為SKYACTIV-D產品系列在行駛性能、燃油經濟性、排放和低噪聲等在更高的水平上得到了統一。這是1款值得稱道的小排量清潔柴油機。

[1] 森永ほか.SKYACTIV-Dエンジンの紹介[J].マツダ技報，2012，30： 9-13.

[2] T.Sakono， et al. automobile and engine technology[C]. 20th aachen colloquium， 2001： 943-965.

[3] 人見.[G].第21回內燃機関シンポジウム講演論文集，2010： 1-23.

[4] S K Kim， et al. [C]. 8th COMODIA， Paper No.EC1-2， 2012.

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2015-09-30)