采用進、排氣門正時控制系統的新1.6 L 4缸直接噴射渦輪增壓汽油機的開發

【日】 Shimizu M Yageta K Matsui Y Yoshida T

0 前言

新1.6 L 4缸汽油機的開發目標如下：（1）達到頂級水平的發動機輸出功率和扭矩，（2）實現較低的燃油耗，（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]。為了達到上述開發目標，除了缸心距和氣缸體上端面高度等核心尺寸與現有的MR20DE發動機的保持相同之外，其他部件都進行了重新設計。該新型發動機的基本設計要素如下：（1）采用壁面引導活塞頂凹坑的汽油直接噴射系統與渦輪增壓器相結合的技術策略，（2）采用雙連續可變氣門正時控制（CVTC）系統，（3）減少摩擦損失，（4）選擇最佳的發動機排量。由于采取了上述設計要素，該汽油機以較高的水平達到了開發目標。

1 發動機主要技術規格和性能

表1給出了MR16DDT 發動機的主要技術規格，其外觀如圖1 所示。MR16DDT 汽油機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示出了該汽油機的輸出性能曲線。如圖2 所示，MR16DDT 汽油機的最大功率為140 k W，在2 000～5 200 r/min的寬廣轉速范圍內，能達到240 N·m的最大扭矩。上述數值表明，MR16DDT 汽油機能提供頂級發動機水平的動力性能。表2匯總了該汽油機所用技術特點及其對性能的影響。圖3和圖4為該汽油機燃油經濟性與其他機型的比較。

表1 發動機主要技術規格

表2 MR16DDT汽油機的主要機械結構特點

2 專用技術

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壁面引導分層燃燒，它能在冷態運轉條件下較快地發揮催化活性。為了保持良好的均勻燃燒穩定性，可依靠壓縮沖程后期的強氣流來改善滾流。此外，通過優化廣角噴油束的貴穿距和噴射正時減少顆粒（PM）排放量，并提高機油的稀釋品量。另外，通過增加內部廢氣再循環（EGR）率，并依靠雙CVTC 系統與減少泵氣損失的組合，使燃燒效率得到提高。

2.1.2 氣缸蓋進氣道

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

氣缸蓋進氣道的設計理念如下：（1）直氣道改善進氣效率；（2）機加工的翻滾邊緣使氣道下側氣流平滑分層，并增強滾流；（3）喉管部位使強滾流進一步增強，同時盡量減少對進氣效率的不利影響。

2.1.3 油束噴射目標

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（CFD）的計算，并利用混合氣均勻度作為性能指標來確定的（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，機油從活塞底部噴人活塞冷卻油道（圖12）。

3 減少機械靡擦

采用下列減摩技術來提高MR16DDT 汽油機的基本性能。

3.1 氣缸孔圓度加工工藝

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

上述技術具有以下優點：（1）活塞環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，質量較輕。

3.2 其他減靡技術

除了上述改進措施之外，還對造成機械摩擦的其他多個部件作了如下改進：（1）關于氣門挺柱，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量（圖15）；（3）關于凸輪軸，凸輪采用細小研磨顆粒的豪微級拋光工藝，以使表面粗糙度達到鏡面拋光級；（4）關于正時鏈和機油泵鏈，導柱接觸面的表面粗糙度比目前MR 型汽油機有進一步改善；（5）關于鏈導輪，采用一種橋式PTFE 導輪；（6）氣缸體采用偏置氣缸技術；（7）第1道活塞環和油環均采用物理汽相沉積涂層；（8）高壓燃油泵應用滾子挺柱。

4 雙CVTC和單渦殼渦輪增壓器

由于采用雙CVTC 系統和單渦殼渦輪增壓器，該汽油機實現了低燃油耗、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人燃燒室。這種掃氣效果提高了容積效率，并能增加進人增壓器渦輪的廢氣能量。因此，該汽油機僅采用單渦殼渦輪增壓器，也能在2 000 r/min的低轉速工況下達到大扭矩。

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 系統允許采用較高的內部EGR率，而單渦殼渦輪增壓器是通過擴大通道面積來降低排氣氣流阻力，以達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量，它能較快地發揮催化劑活性，可降低冷起動工況的排放。

排氣歧管出口設有1個隔板，以減少廢氣更迭時產生的干擾（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油供油回路的改進減少了控制的超調量，因而增強了抵抗發動機轉速和機油溫度變化的能力（圖20）。此外，對氣門正時控制設置了直接的機油供給回路，以降低機油壓力損失，使得機油泵輸出量減少約20%（圖20，圖21）。

5 結語

除了汽油直接噴射系統、單渦殼渦輪增壓器和雙CVTC系統等主要系統外，新型MR16DDT 汽油機還采用了多種減摩技術，使其在低燃油耗和高動力輸出方面達到了頂級水平的發動機性能。此外，渦輪增壓器與雙CVTC 系統相結合，使得汽油機在中、低轉速范圍內提高掃氣效果的情況下達到了最大的容積效率，并改善了常規渦輪增壓器的弱點——節流響應。該汽油機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 汽油機的Juke車型已作為加速性能優異的轎車在全球市場贏得了良好的聲譽。

此外，新型 MR16DDT 汽油機達到了美國LEV2-ULEV 和歐5 排放要求的低尾氣排放水平，并滿足了環保性要求。目前，改進該汽油機性能的工作仍在努力進行，以進一步滿足日益多樣化的客戶期望和市場需求。