Hyundai-Kia公司新型1.0 L 3缸汽油機

【韓】 Lee S Gu Y Kim T 【德】 Hahn J

1 在Hyundai集團未來小型車中的重要角色

氣候變化，特別是人類活動對此所產生的負面影響已成為當今全球討論的焦點。包括汽車運輸、鐵路運輸、航空運輸和船舶運輸在內的交通運輸領域的二氧化碳（CO2）排放量占全球CO2總排放量的20%以上。Hyundai-Kia公司正面臨排放法規要求降低溫室氣體及其他有害物排放的挑戰。

由于上述原因，以及能源價格的不斷上漲，提高了人們對緊湊型汽車的興趣。直列Kappa（κ）系列汽油機中的新型1.0 L 3 缸汽油機是Hyundai-Kia公司長遠產品策略的組成部分，它將高功率與燃油耗效率相結合。所選擇的3缸機方案經過極其仔細的細節優化，能夠滿足高的聲學性能要求。從產品開發初期，就考慮了周邊地區機型的技術規格。這種由派生機型支持并十分經濟的κ系列汽油機將在集團未來小型車中承擔重要的角色。

2 氣缸數的確定

在開始研發新型1.0 L汽油機時，曾考慮采用4缸機方案。此外，市場上也有3缸汽油機產品，并曾報道過開發2缸汽油機的消息。在為這一排量等級的汽油機選擇氣缸數時，一方面要考慮成本，另一方面要挖掘它們改善效率的潛力。在方案研究中，對選擇氣缸數的基本要素進行了討論（表1）。3 缸機在燃油耗和功率跨度方面的優勢面臨聲學性能的挑戰，在優化曲軸或曲軸箱等零件時，可以考慮實際情況。

幾十年前，這種被用作摩托車動力裝置的2 缸機在小型車輛上曾起過一定的作用。與3 缸機相比，2缸機結構在噪聲-振動-平順性（NVH）性能方面仍具有相當的競爭力，但由于其自身存在一階自由慣性力，必須采取諸如平衡軸等附加措施，而這會導致成本、質量及功率損失等方面的缺陷，從而部分抵消其基本結構方案特有的潛力。此外，如果要滿足各種汽車提出的聲學要求，那么，為了消除低頻燃燒噪聲，就必須采用外形尺寸明顯更大更長的進、排氣系統，這在摩托車的應用場合已眾所周知。結構設計前的預研進一步表明，發電機、空調壓縮機和起動機的集成明顯限制了主觀想象中2缸機在組裝方面的優勢。

表1 汽油機氣缸數的確定

在對所有規范，特別是聲學品質、燃油耗、制造成本及發動機質量等進行全面評估后，3缸機被證實是新型κ-1.0 L汽油機的最佳方案。

3 汽油機主要技術規格

新型κ-1.0 L 3缸汽油機采用了雙頂置凸輪軸和4 氣門技術，能實現最佳的功率、效率和聲學性能，其主要技術規格歸納于表2，發動機的結構設計將在以下章節中介紹。

表2 汽油機主要技術規格

4 氣缸體曲軸箱

氣缸體曲軸箱采用開放式頂板結構，并用鋁壓鑄工藝方法制造，與灰鑄鐵曲軸箱相比，發動機質量減輕12 kg。為了優化機體長度和減輕質量，氣缸之間彼此相連，其間的“鼻梁”寬度為7.5 mm。為了改善鑄造時彼此之間的結合牢固度，鑲鑄灰鑄鐵氣缸套的外表面圓周上有0.7 mm 高的類似加強筋的結構，這種鑲鑄灰鑄鐵氣缸套不僅具有高的耐磨損性，而且能使氣缸工作表面變形小，從而有利于降低機油消耗量和防止曲軸箱漏氣。

曲軸箱采用從曲軸中心線剖分的半裙式結構，而主軸承蓋被設計成梯形框架，這種氣缸體曲軸箱結構型式能在發動機質量和NVH 性能之間獲得最佳的折衷。在開發初始階段，氣缸體曲軸箱和油底殼都已借助于有限元法（FEM）對剛度和噪聲輻射進行了優化。

5 曲柄連桿機構和活塞組

鑒于3缸機方案特有的聲學性能挑戰，同時考慮到曲軸摩擦占發動機摩擦的絕大部分，因而對曲軸予以特別重視。借助于多體模擬計算，減輕球墨鑄鐵曲軸的質量并優化其平衡重的設計。在這方面，首先必須在曲軸垂直振動和扭轉振動之間達到最佳的折衷，曲軸的疲勞強度已借助于計算機分析、拉伸和扭轉試驗，以及耐久運轉試驗得到驗證。Hyundai-Kia公司生產的緊湊型4缸汽油機采取曲軸中心線偏移改善燃油耗的方法已眾所周知，新型3缸汽油機也采用了這種設計措施（圖1）。在給定的邊界條件下，經過仔細的計算機模擬，確定曲軸中心線的最佳偏移量為11 mm。經點火運轉的發動機試驗證實，低轉速范圍內的燃油耗降低了1%。通過在FEM 模型上應用6σ設計方法，漲裂連桿已被設計成該排量等級中最輕的連桿，且沒有損害其疲勞強度（圖2）。將活塞壓縮高度縮短到僅24.7 mm，并減小活塞銷孔間距和夾層長度，使活塞質量減輕到161 g。活塞和連桿的改進使燃油耗降低了約0.5%。活塞和刮油環工作表面的涂層使活塞環的預張力降低了30%以上，從而使燃油耗又下降了0.6%。由于軸瓦經過多次幾何設計優化，機油泄漏量明顯減少，結果機油泵泵油量減少了13%，燃油耗降低了0.4%。

6 氣缸蓋

為了確保熱機械強度，氣缸蓋采用鋁合金（Al-Si6Cu4）由低壓鑄造而成，緊接著進行T7 熱處理。屋頂形燃燒室與高滾流進氣道相結合，獲得了穩定的燃燒和較低的碳氫化合物（HC）原始排放（圖3）。在燃燒室內，通過將火花塞布置在燃燒室中心，使火焰傳播途徑較短，并獲得相當于10%氣缸直徑的最佳擠流高度，從而實現了高品質的燃燒。為了將燃燒室表面積減至最小，使壁面散熱損失減少，從而提高熱效率，將進、排氣門總夾角設計成33.2°。

7 氣門及配氣機構

新型κ-3缸汽油機是全球第1臺采用進、排氣凸輪軸相位能連續可調（雙CVVT）技術的1.0 L 級汽油機。這種技術不僅能使燃油耗降低3%，而且能通過優化運行工況點降低泵吸損失，從而明顯改善全負荷的特性曲線。此外，通過有針對性地調節氣缸中的殘余廢氣，成功實現內部廢氣再循環，明顯降低了氮氧化物（NOx）和HC 原始排放，這直接對催化轉化器涂層的消耗有益。與4缸機不同，κ系列的新型3缸汽油機為了減輕運動質量，同時出于經濟性方面的原因，采用有間隙的杯形挺柱來操縱氣門（圖4），這種無需維護的杯形挺柱工作表面涂有類金剛石碳（DLC）涂層以降低滑動摩擦，這種極其有效的措施在低轉速時能降低0.3%燃油耗。此外，通過優化壁厚，傳動件的質量減輕了20%。將蜂窩形彈簧與減小的彈簧力和彈簧頂盤相結合，能使氣門機構的摩擦降低10%。與齒形皮帶相比，κ-1.0 L 3缸汽油機采用免維護的滾柱鏈條配氣機構，能使汽油機結構長度縮短10 mm。

8 進氣歧管和排氣歧管

為了保持具有2種功率變型，κ-1.0 L 3缸汽油機配備了固定長度和可變長度2 種規格的進氣歧管。這2種進氣歧管均由塑料制成，以減輕質量和降低成本。為了確保發動機在中等轉速時獲得大扭矩，固定進氣歧管的長度相應調整到可變進氣歧管的長度。經過模擬和試驗驗證，最終確定進氣歧管的長度為451 mm。進氣管路的形狀優化使額定功率提高了1.5 k W，而進氣歧管的可變性提高了最低轉速時的扭矩，并使額定功率提高約10 k W。排氣歧管改成鑄件，與不銹鋼排氣歧管相比，成本節省30%。高的硅含量阻止了排氣歧管過度的高溫氧化，能在寬廣的特性曲線場范圍內放棄混合氣加濃的做法以保護零件。為了縮短冷起動后的催化轉化滯后時間（快速起燃），三效催化轉化器被直接連接在排氣歧管上。新型的鈀-銠催化轉化器可使HC或NOx有效地被氧化還原，這種新型汽油機配裝于目標車型后能滿足現行的歐5排放標準。

9 運行策略

新型3缸汽油機的所有變型機型均可結合使用自動起動-停車系統，這樣可節油約3%。由發動機電控系統對離合器和變速桿位置、車輪轉速、蓄電池充電狀況、外界溫度和接通的電器狀況等諸多參數作出評價，然后決定發動機停機或再次起動。帶有自動起動-停車系統的汽車配裝了大功率的起動機和較大容量的蓄電池。此外，所有汽車都為發電機配備了主動調節系統，交流發電機管理系統根據行駛狀況控制發電機，這樣能節油約1.5%。

10 發動機和整車聲學性能的優化

通過各方面的工作來滿足3缸機的高聲學性能要求，其中部分已反映在上述基本型發動機的設計之中。因此，噪聲總體上的變化不僅要將噪聲的產生減少到最低程度，而且還要優化噪聲在固體和空氣中的傳播途徑。為了抑制噪聲和振動的產生，除了減輕零件的質量之外，還仔細優化了凸輪斜面范圍內的廓線，以限制特別是在怠速運轉中可感覺到的刺激。同樣，為了抑制噴油器的“滴答”聲，還修改了燃油分配管的形狀和容積。借助于計算機模擬，對曲軸箱和梯形主軸承蓋框架底座結構進行優化，并將輔助裝置直接安裝在曲軸箱上，從而獲得了高的總體剛度（圖5）。對基本型發動機的所有外圍件，如氣門罩蓋、發動機前罩蓋，以及進、排氣系統等進行設計優化，改善了噪聲輻射。

11 LPG 和汽油交替運行的雙燃料機型

隨著對降低CO2排放量要求的提高及燃油價格的波動，對LPG 發動機的需求量呈上升趨勢，而為LPG 車加氣的公共設施分布不均，因此，只能按照雙燃料發動機方案要求進行設計，這樣既能使用汽油，又能使用LPG，以確保在任何狀況下都能安全運行。出于這一原因，Hyundai-Kia公司已開發出新型的1.0 L LPG 機型。通過應用LPG 噴射，使κ-1.0 L雙燃料發動機獲得了盡可能高的容積效率，而LPG是被分缸單獨噴人進氣道的。

與帶有汽化器的機型相比，這種LPG 機型在使用LPG 運行時，既達到了相同的功率值，也使CO2排放量減少了5%以上。在以所謂的“跛行模式”運行（應急功能）時，則由傳統的汽油噴油器承擔燃油的供應。氣門和氣門座采用特殊材料制成，以應對LPG 運行對基本型發動機機械部件的特殊挑戰，即使是為了防止過度磨損，第1道活塞環也采用物理汽相沉積涂層予以保護。

12 性能試驗結果

由于在這種排量等級中，部分機型首次應用了現代技術，例如雙CVVT或可變進氣歧管，新型κ-1.0 L 3缸汽油機在整個轉速范圍內所達到的全負荷功率值是迄今自然吸氣發動機必須用較大排量才可能達到的水平。采用相同的技術，并進行了極其仔細的優化，特別是在發動機機械方面，使κ-汽油機的部分負荷燃油耗成為同類機型（λ＝1和無EGR）中新的最佳值，以發動機轉速2 000 r/min和平均有效壓力0.2 MPa的運轉工況點為例，部分負荷燃油耗為375 g/（k W·h）。強化試驗及由此衍生的優化聲學性能的改進措施已使噪聲品質改善了約2～3 dB。同時，也采取了一些優化發動機加強筋及降低發動機質量的措施。新型1.0 L 3缸汽油機因基本型發動機完全采用鋁合金制成，附件也實施了輕量化，其凈質量僅為71.4 kg，從而達到了競爭機型中的最低值（圖6）。

13 結語

在新型κ-1.0 L 3缸汽油機的開發過程中，通過多學科的共同努力，使該機型達到了理想的功率和效率值。應用可變進氣歧管使新型發動機的功率達到60 k W，并能提供94 N·m 的最大扭矩（圖7）。3缸機方案獨特的優點，以及應用所選擇的技術（自動起動-停車系統等），并對所有部件進行仔細的優化，都對高效的汽車動力裝置作出了貢獻。通過對3缸機方案所特有的挑戰進行堅持不懈的工作，滿足了高舒適性的要求。新型Kia Picanto轎車的CO2排放為95 g/km，搭載雙燃料機型的車型CO2排放為90 g/km，成為1.0 L排量汽車動力裝置領域內新的最低值（圖8）。作為后續機型，2011 年已開始研發兼容乙醇燃料的機型，而且1.0 L 3缸汽油機的增壓機型也正在開發之中。技術人員將在持續提高機動性方面不斷努力，以體現出Hyundai集團的技術水平。