日系汽油機產品技術特征研究

李建群 宮艷峰

（中國第一汽車集團有限公司 研發總院，長春 130011）

主題詞：汽油機 戰略 節能技術 產品平臺

1 前言

自誕生以來，汽油機的熱效率和動力性就在不斷的提升，圖1所示是內燃機熱效率的發展史[1]。在內燃機進步的過程中，歐、美、日三個不同的先進汽油機研發地區形成了各自不同的產品和技術特征。尤其是隨著混合動力和電動化技術的發展，內燃機的技術組合就變得更加多樣化。本文將分析日本主要汽車企業的汽油機產品平臺和技術特征，為內燃機工作者的產品開發提供技術參考。

圖1 汽油機熱效率發展史[1]

2 豐田公司汽油機產品技術特征分析

2011年，豐田將“時刻追求領先于時代的創新技術，秉持與地球環境友好相處的意識”寫進了豐田全球愿景，揭示了豐田成功的根本原因，那就是不斷的技術創新和對極致品質的不懈追求。2012年，豐田宣布啟動TNGA戰略，旨在全面提升產品吸引力，并同時降低生產成本[2]。

在TNGA構架下，豐田計劃在2016～2021年的5年時間內共推出17款汽油機、10款變速箱和10款混合動力系統，計劃到2021年覆蓋到豐田全球年銷量的約60%，其動力總成平臺規劃如圖2所示。

2.1 TNGA構架下的汽油機主要技術特征

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

圖2 TNGA構架下的動力總成規劃[2]

圖3 TNGA構架下的汽油機基本技術[2]

2.2 燃燒系統特征

在TNGA構架下，豐田先后推出了2.5 L和2.0 L自然吸氣汽油機。豐田要把汽油機燃燒系統也作為一個平臺進行統一，為達到一定的輸出功率，在熱效率和成本之間進行平衡。作為一款傳統汽油機，TN?GA構架下的汽油機的熱效率可以達到40%，同時，作為一款自然吸氣汽油機，升功率達到了63 kW，兼顧高熱效率和高動力輸出性能。

為達到更高的熱效率，需要燃燒系統進行3個方面的加強，增強滾流加快燃燒，降低摩擦損失以及降低面容比來降低傳熱損失[3]。

圖4 S/D對燃燒的影響效果[3]

在增強滾流方面，豐田在TNGA汽油機上采用了很多有效的措施。首先進行了沖程缸徑比（S/D）的優化，如圖4所示。最終獲得1.2的最優值。針對得出的結論，TNGA平臺下的汽油機都采用1.2。

為達到TNGA發動機高速燃燒，豐田2.0L汽油機的氣門夾角增大了，從31°增大到41°，同時采用更大的氣門，提高了進氣流速，這樣缸內的滾流也增強了，以達到提高燃燒速度的目的，見圖5所示。

圖5 氣門夾角對滾流的影響效果[3]

此外，豐田采用了獨有的激光熔覆氣門座圈，它完美平衡了增強滾流和增大進氣流量的矛盾。這項工藝技術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非常獨特的技術。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[3]

為減低摩擦損失，豐田采用了激光紋理技術活塞裙，使用激光在活塞群部加工形成網紋溝槽結構，以便生成適合的油膜，提高潤滑效果。豐田還采用了連續可變機油泵，機油泵的流量可根據需求進行調節，任何行駛狀態下都可以獲得最適度的機油量，豐田研發人員也對主油道內油壓進行了優化，通過這些措施大幅降低了發動機活塞的摩擦損失。

豐田對運動件的軸徑也進行了全面優化，采用了大量的電動化附件，取消了前端輪系，同時采用0W-20的低粘度機油等低摩擦改善方案。

2.3 供油系統特征

雙噴射技術在亞太地區的韓國和日本企業中應用居多。豐田的D-4S雙噴射技術將豐田傳統汽油機

圖7 雙噴射系統[4]

2.4 輕量化技術特征

輕量化方面，TNGA汽油機幾乎是做到了極致，豐田采用了高強度鋼作為連桿材料，配合楔形加工技術，采用高強度鋼的連桿減重28%。豐田研發人員進一步對曲軸剛性、配重塊形狀進行了優化，在滿足高速運轉的同時減重12%。缸體長度也進一步縮短，汽油機缸體結構更加緊湊。

全新TNGA架構的汽油機產品將會以商品力取勝，采用TNGA架構的汽油機可進一步降低成本，這也將為豐田未來的產品提供更具優勢的競爭力。

3 本田公司汽油機產品技術特征分析

本田公司2012年發布了新一代動力總成“地球夢技術”，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，TURBO是渦輪增壓技術。地球夢技術的5款自然吸氣汽油機都升級到了增壓直噴機型[5]。0.66 L汽油機優化了缸徑和沖程，1.5 L系列增加了雙頂置凸輪軸（DOHC），2.0 L汽油機配置DOHC，并可用于插電式混合動力車型。VTEC TURBO系列汽油機2015年開始投放市場。技術推向了新高度。豐田的TNGA汽油機采用了第4代D-4S雙噴射系統，為提高噴霧靈活性，重新設計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題[4]，改善了汽油機HC和PN排放，對節能也有很大幫助。

圖8 本田公司汽油機型譜[5]

本田VTEC TURBO系列汽油機的三款主要機型參數如表1所示[6]。

表1 VTEC TURBO汽油機參數[6]

3.1 燃燒系統技術特征

VTEC TURBO汽油機均采用高滾流氣道、淺盤型活塞燃燒室和多孔噴油器。豐田公司增壓機型與自然吸氣機型的氣道結構對比如圖9所示，增壓汽油機的進氣量受增壓器影響較大，所以氣道可以采用滾流比較高的“跳臺式”結構，自然吸氣汽油機氣道首先要保證流量系數，所以采用較為平滑的結構。

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

圖9 氣道對比圖[6]

汽油機燃燒室內機油顆粒是造成低速早燃的重要因素，VTEC TURBO系列汽油機的曲軸箱通風系統采取了特殊的結構設計，以降低曲軸箱通風中的機油蒸發物含量。本田公司同時研究了機油中Ca含量對低速早燃的影響，如圖11所示，降低機油中的Ca含量和曲軸箱通風中的機油蒸發物含量，可有效降低低速早燃的發生頻率。

圖10 放熱率對比[5]

圖11 機油Ca含量對低速早燃頻率的影響[5]

3.2 渦輪增壓技術特征

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

表2 渦輪增壓器技術參數[5-6]

3.3 其它技術特征

為了防止早燃對汽油機造成的損害，VTEC TUR?BO系列汽油機連桿采用全新的鍛造工藝，連桿強度和連桿重量同時得到改善，改進方式及效果如圖12所示。

圖12 新鍛造工藝連桿[5]

4 日產公司汽油機產品技術特征分析

日產動力系統可分為兩個發展方向，一是純電動化，實現零CO2、零污染物排放，二是提高搭載汽油機的動力系統效率，可以分為兩種策略:一種是采用epower串聯式等混合動力系統，使汽油機持續工作在高效率區，提高動力系統效率；另一種則是采用有效的技術手段提高汽油機的熱效率。

圖13為日產汽油機產品線[7]，有HR、MR、QR、TB、VQ、VR、VK和即將投產的KR共8個系列，覆蓋1.2 L-6.0 L排量。其中VR30DDTT是以VQ37VHR自然吸氣汽油機為基礎研制的新機型，參數對比如表3。

圖13 日產汽油機產品線[7]

表3 VR30DDTT、VQ37VHR參數對比[7]

VR30DDTT取消了可變正時升程系統，采用了電動VVT和增壓缸內直噴技術。下面就電動VVT技術、燃油缸內直噴系統和全球首次實現量產的可變壓縮比技術進行簡要分析。

4.1 電動VVT技術

電動VVT系統由E-電動機、VVT驅動鏈輪和控制單元構成，圖14為電動VVT系統示意圖。其切換速度比普通的液壓方式快3倍左右，響應速度更快、控制更精確、可實現的正時可變范圍更大，且在啟動的第一個循環就可使氣門正時處于最優。

圖14 電動VVT系統示意圖[7]

4.2 燃油缸內直噴系統

日產的燃油缸內直噴系統可在避免燃油濕壁的同時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排放及缸內滾流強度為評價參數，優化噴油時刻和燃油噴霧與缸壁的夾角。夾角增大引起的機油稀釋率增加及燃油濕壁問題可通過采用3次噴射來解決，圖15為不同噴油策略時的機油稀釋率。

圖15 不同噴射策略時的機油稀釋率[7]

4.3 可變壓縮比技術

增加壓縮比是提高汽油機熱效率的重要手段，但會加劇爆震傾向，動力性受限。全球首次量產的日產VCR技術可以實現壓縮比8～14的連續可變[8]，解決了固定壓縮比時熱效率和動力性不能兼顧的問題。

圖16 Multi-link連桿結構示意圖[8]

圖16 為可變壓縮比連桿結構（Multi-link）示意圖，通過改變VCR執行機構的旋轉角度，改變上止點時活塞的位移，從而實現壓縮比8～14的連續可變。上止點時U-link基本處于垂直狀態，受到的軸向力很小，相比于傳統偏置式曲柄連桿結構可以減小摩擦。并且Multi-link連桿機構離高溫高應力的燃燒室較遠，多數零件不處于高速運轉區，可靠耐久性好。

圖17為采用VCR技術時，不同工況對應的壓縮比。大壓縮比應用于低轉速小負荷區域，可有效的提高熱效率、降低油耗。在高轉速大負荷區域則采用小壓縮比規避爆震問題，并通過提高進氣壓力提高動力性[9]。

圖17 不同運行工況時的壓縮比[9]

圖18 為采用VCR技術的2.0T汽油機與3.5L V6 NA汽油機經濟性對比情況。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經濟性對比[8]

5 馬自達公司汽油機產品技術特征分析

日本馬自達公司于2011年推出了全新概念的SKYACTIV-G（創馳藍天）汽油機，它憑借著全球量產汽油機最高的壓縮比、高熱效率、高可靠性、高油品適應性等，成為該公司新一代動力機型[10]。

當前在中國銷售的SKYACTIV-G汽油機主要有2.0 L和2.5 L兩種，如表4所示。考慮到油品的不同，國內的壓縮比從14降到13，采用92號汽油，2.0 L汽油機最大功率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 馬自達在中國量產汽油機主要參數

原產的SKYACTIV-G采取了14的壓縮比，燃油消耗比當時的PFI汽油機降低了15%，中低速扭矩提高了15%。壓縮比提高后，壓縮沖程上止點附近的溫度會升高，容易引發爆震。為此降低活塞到上止點時的混合氣溫度，而減少上止點時氣缸內的殘余混合氣溫度對于降低壓縮上止點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，而上止點時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溫度的關系[12]

為了達到超低的油耗，同時保證其動力性，SKY?ACTIV-G采取的技術革新手段主要有以下幾種。

5.1 4-2-1排氣系統減少殘留氣體

普通車輛在排氣時會產生廢氣干擾和回流的現象，這樣對缸內氣體的溫度有影響，容易產生爆燃，也會導致氣缸內混入廢氣。在4-2-1的排氣系統（長排氣管）中，高壓波需要很長時間才能到達其他氣缸，在發動機低速運轉時是不利的，這種長排氣管可在幾乎全部轉速范圍內減少缸內殘余氣體(圖20)，另外，為了提高低轉速的扭矩，通常需要配置超過600 mm的長排氣管，為節省布置空間，而采用圈型排氣管。

5.2 有效改善燃燒

燃燒時間縮短是另一個避免爆震的手段。未混合氣體在高溫下暴露的時間縮短，有利于在爆震發生前完成正常燃燒。SKYACTIV-G主要采取了增強空氣流動，加大噴射壓力的缸內直噴技術，改善噴射性能，產生更均勻、流動更強的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計。

圖20 短排氣歧管與4-2-1長排氣歧管的對比[12]

5.3 改善泵氣損失、摩擦損失和輕量化設計

SKYACTIV-G采用的“Dual S-VT雙可變氣門正時控制系統”，通過精確地控制進排氣門的開閉時機，可最大化改善進排氣效率，提升汽油機性能，起到比渦輪增壓更為綜合而實用的效果。同時，在改善摩擦損失和輕量化設計方面，也采取了很多措施，例如采用滾輪從動件(節氣門摩擦力減少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%)、減少活塞環張力(減少37%))、連桿輕量化(減少15%)等。

為了更進一步提高燃油熱效率，馬自達公司計劃于2019年量產推出SKYACTIV-X，這款汽油機獨創的“SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）火花塞點火控制壓燃點火”技術，將在全球范圍內首次實現汽油機壓燃點火技術的實際應用。它有效地結合了柴油機與汽油機的特點，兼具卓越的環保性能與出色的輸出動力性能，是馬自達獨立研發的全新內燃機。

6 斯巴魯公司汽油機產品技術特征分析

斯巴魯，隸屬于富士重工的汽車品牌，1966年開發了水平對置汽油機，該發動機的特征是采用水平對置活塞布置，大大降低重心，該發動機的加速性、精確響應和低轉速區域充沛的扭矩輸出是其動力性優秀的特征，斯巴魯通過持續改善和提升，成就了斯巴魯非凡的操控表現并傳遞出特有的運動體驗。

斯巴魯發動機因汽缸和活塞平均分布在曲軸兩側，因而其重心較低（見圖21），使活塞往復運動產生的橫向震動容易被發動機懸置支架吸收。顯而易見這樣的發動機布置使其運動平衡性變得更好。在曲軸方面也取消了直列式汽油機必須的配重設計，因而曲軸重量下降，有助于轉速的提升[13]。

圖21 斯巴魯水平對置汽油機[13]

6.1 FB20汽油機特征

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

FB20系列汽油機采用氣道噴射，缸徑和行程為84 mm×90 mm。FB系列汽油機凸輪軸驅動方式為鏈條驅動。進、排氣凸輪的間距從126 mm縮至104 mm，進、排氣閥門的相對角度由原來的41°減少至27°，這樣的設計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系列汽油機采用了TGV（Tumble Generation Valve，TGV，滾流生成閥，俗稱蝴蝶閥）技術，該技術可在低轉速區關閉進氣口下半部分來，以此提高進氣流速并促進產生滾流。多種調節方式可以使進氣量控制更加精準。汽油機在高轉速工況時，蝴蝶閥打開，以滿足進氣量的需求；汽油機怠速時，蝴蝶閥關閉，減少進氣量，以控制廢氣排出量。此外，此閥門的開閉還會在進氣管內產生渦流，以提高進入氣缸內氣體的燃燒效率。

FB20系列汽油機采用AVCS（Active Valve Con?trol System）動態氣門控制系統，該系統采用中間鎖止機構，可以主動調節進氣門的開閉和升程。

6.2 FA20汽油機特征

2012年，斯巴魯公司在FB20系列汽油機基礎上又衍生開發出FA20系列汽油機。相比FB20系列汽油機，FA20系列汽油機采用中冷EGR技術、雙噴射系統和4-2-1結構排氣歧管。

FA系列汽油機與FB系列汽油機的主要參數對比如表5所示。FA系列汽油機的沖程從90 mm縮短至86 mm，以滿足汽油機達到更高轉速的需求。壓縮比提升至12.5，以獲得更高的熱效率。汽油機的額定功率達到148 kW，最大扭矩達到205 N·m。

為了滿足高轉速(＞7 000 r/min)的要求，FA系列汽油機的運動部件經過了重新設計。新的結構如圖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度和剛度。

表5 FA系列與FB系列汽油機對比[13]

圖22 FA20運動部件[13]

燃油供給系統是FA20汽油機較大的亮點。它采用了雙噴射技術（缸內直噴+氣道噴射），這套缸內直噴系統應用的是豐田公司的D-4S燃油直噴系統（圖23）。D-4S系統每個氣缸設計有兩個噴油嘴，一個安置在傳統的進氣歧管處，另一個布置在缸體內，兩者可以確保汽油機在低負荷和高負荷工況下擁有出色的動力性和燃油經濟性。低壓噴射系統的壓力是400 kPa，高壓噴射系統的壓力是20 MPa。高壓泵裝有降低燃料油壓力的減震器和在發生燃油壓力異常時使用的補償機構。為確保燃油噴射精度，使用油壓傳感器進一步控制燃油波動。

圖23 D-4S供油系統[13]

FA20汽油機的燃燒室布置如圖24所示。缸內直噴的燃油供給管路采用無回路設計。氣道噴射的噴油器安裝在進氣歧管上，這種布置增加了進氣歧管濕壁的可能性。為了解決這一問題，采用了長噴油嘴，使噴油點靠近燃燒室。同時，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汽油機燃燒室布置[13]

為了實現更高的功率輸出，FA20汽油機的排氣歧管采用了4-2-1的設計結構，如圖25所示，同時增加排氣管直徑以降低排氣阻力。

圖25 FA20汽油機排氣系統[13]

FA20汽油機結構十分緊湊，低重心、長度短、震動低是相比于傳統型汽油機的絕對優勢。該汽油機匹配斯巴魯BRZ整車，NEDC循環下的CO2排放為159 g/km。

7 三菱公司汽油機產品技術特征分析

三菱汽油機可分為1.5ATK、4B1、4J1和6G7 4個系列，其中1.5ATK為1.5 L混合動力用汽油機，采用阿特金森循環。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系列上的升級之作，搭載于歐藍德。6G7系列目前搭載于帕杰羅，為V6汽油機，有3.0 L、3.5 L、3.8 L三種排量。

三菱全系列汽油機一直以來采用的關鍵技術就是MIVEC（Mitsubishi Innovative Valve timing Electron?ic Control system），即可變氣門正時和升程技術。MI?VEC技術通過改變凸輪軸相位和凸輪型線改變氣門正時和氣門升程，連續可變的配氣相位和氣門升程可確保汽油機在不同的工況下獲得最佳的進氣狀態，提高動力性、降低油耗和污染物排放[15]。

8 結論及啟示

（1）以豐田和本田的為代表的日系整車企業都會提前3到5年確定好汽油機產品的平臺規劃和發展戰略。并努力推動實施，這有效的保證了產品平臺升級的穩定性和產品的市場競爭力。豐田的TNGA戰略和本田的VTEC TURBO概念就是其中典型的代表。

（2）精益化設計是日系汽油機產品技術開發的關鍵內容之一，這也是日系汽油機產品差異化較大的重要原因。如日產的可變壓縮比技術和馬自達的創馳藍天技術都屬于企業獨有的產品技術。斯巴魯的水平對置汽油機技術也屬于小眾化的產品技術。

（3）在核心技術開發方面，日系汽油產品和體現了較大的競爭優勢，中間鎖止的可變氣門相位技術，缸內直噴與氣道噴射相結合的雙噴射系統，廢氣再循環技術都屬于日系汽油機的首創應用。