捷豹路虎全新2.0發動機技術亮點(上)

◆文/北京 楊景槐

一、發動機概述

捷豹路虎全新2.0發動機也稱Ingenium I4 2.0L汽油發動機，它是Ingenium系列的第二款發動機，與Ingenium I4 2.0L柴油發動機擁有相同的結構和總體構造。該發動機已在位于英國伍爾弗漢普頓以及中國的發動機制造中心進行生產。該發動機系列250馬力(184kW，中等規格)、全鋁、2.0L(1997cm3)、直列四缸發動機，帶有單渦輪增壓器。該發動機也采用了鏈驅動雙頂置凸輪軸、16氣門和燃油直噴技術。強勁、精致和極其先進的設計取代了已獲成功的GTDi 2.0L汽油發動機。該發動機外觀如圖1所示，主要新技術部件位置如圖2所示。

圖1 Ingenium I4 2.0升汽油發動機外觀

圖2 Ingenium I4 2.0L汽油發動機新技術部件位置

其采用的創新的技術包括：可變冷卻液泵、電子節溫器、可變流量機油泵、連續可變氣門升程(CVVL)、集成排氣岐管和雙渦道渦輪增壓器、進氣與排氣系統均采用可變凸輪軸正時(VCT)、Bosch 燃油直噴系統可輸出高達200bar(1bar=105Pa)的燃油壓力。本文將對上述新技術分別加以介紹。

二、潤滑系統

1.可變流量機油泵

Ingenium I4 2.0L汽油發動機配備帶一體式真空泵的可變流量機油泵，該泵位于發動機油底殼中。機油泵部件分解圖如圖3所示。固定排量機油泵是造成寄生能量損耗的因素之一。這是由于這種機油泵大部分時間輸送的機油超過需求量，以確保發動機可以在較寬的工作范圍內安全運轉。泄壓閥能夠防止機油壓力過高。在高體積流量條件下，一些壓力機油未被充分利用便流回了儲油罐。可變流量機油泵為潤滑系統提供了根據發動機負載和轉速改變輸出體積的能力。來自泵的體積流量經過調節，以減少未被充分利用便流回儲罐的機油量，從而減少了發動機上的寄生負載并提供節油效益。

圖3 機油泵部件分解圖

流量調節示意圖如圖4所示。液壓控制通過向電磁閥返回油道壓力來實現。通過使電磁閥通電，可以電氣方式抵消該壓力。這將形成降低電磁閥中彈簧剛度的效應，從而向控制環施加更大的壓力，以進一步減小偏心率和輸出壓力。機油泵在所有發動機轉速和負荷下完全可變，并且可以不斷調整。

(1)低流量：機油壓力作用于控制環表面。當機油壓力大于控制彈簧力時，控制環順時針(抵住控制彈簧)移入葉片泵的中心，從而減小偏心率，并減少機油泵輸出。較低的壓力由發動機負荷、發動機轉速、機油溫度和其他工作參數決定，如圖4(A)。

(2)高流量：泵由電磁閥和泵控制環彈簧進行液壓控制。隨著泵轉速從零開始升高，在控制室上沒有機油壓力作用時，泵保持最大排量。在定義的設定點，電磁閥彈簧負載被發動機油道壓力克服，并將一些壓力轉移到控制環并抵消流量。隨著轉速升高，電磁閥將更多壓力轉移到控制室。繼續抵制偏心環和壓力，從而在所有速度下保持恒定的壓力。此功能無需電氣輸入，如圖4(B)。

圖4 機油泵流量調節

2.活塞冷卻機油噴射器(PCJ)

活塞冷卻機油噴射器為活塞和活塞銷提供冷卻和潤滑。可變流量機油泵通過汽缸缸體中的鉆孔向噴射器供應加壓的發動機機油。機油供應由一個活塞冷卻機油噴射器電磁閥控制，該電磁閥由PCM控制。該電磁閥可根據發動機轉速和負載打開和關閉機油供應。在冷啟動后以及預熱過程中，由于活塞冷卻噴嘴禁用，加熱過程得以改善。由于活塞散熱量減少，排放得以減少。活塞冷卻噴嘴可在整個發動機轉速和負荷范圍內，根據需要啟用和禁用。注意：活塞冷卻噴射器電磁閥是常開的，并由PCM電動關閉。如果電磁閥電路發生任何電氣故障，則意味著機油將會供應至活塞冷卻噴射器。

3.機油壓力和溫度傳感器

如圖5所示，機油壓力和溫度傳感器位于發動機右前部的機油濾清器殼體總成中。它直接連接至PCM并接收5V電源。該溫度傳感器是一個NTC型傳感器，該傳感器在-40～160℃的溫度范圍內工作。如果發生故障，則系統將會使用ECT 傳感器值。傳感器輸出PWM信號，如圖6所示，PWM信號同時將機油壓力和溫度信息傳輸給PCM。

圖5 機油壓力和溫度傳感器

圖6 機油壓力和溫度傳感器輸出信號

三、冷卻系統

1.可變冷卻液泵

可變冷卻液泵如圖7所示，它有一個導流罩，該導流罩可在葉輪上滑動以減少泵入汽缸缸體內的發動機冷卻液的流量。一個電磁閥與內部液壓泵協同工作，生成用于將導流罩移至五個不同位置中的一個位置的液壓壓力。泵葉輪的每次旋轉都會產生壓力，控制電磁閥可將此壓力轉移至導流罩總成或使其泄漏回冷卻液系統。泵內的壓力作用在殼體中的回位彈簧上。

共計有五個不同的流量。導流罩電磁閥由來自PCM的脈寬調制(PWM)信號控制。導流罩的位置由一個位置傳感器進行監測，在沒有來自PCM的信號的情況下，該電磁閥將斷電，導流罩在回位彈簧作用力的作用下恢復到默認位置，從而導致泵產生全流量。從0～100%流量的請求均可在大多數發動機轉速下實現，從而實現整個發動機熱管理策略。

冷卻液流速：0級等于無流量；1～3 級等于中間流量；4級等于全流量。

隨著冷卻液溫度上升，電磁閥占空比會降低，進而使得冷卻液流量降低。在以下液流頻譜的各端，觀察到以下導流罩位置和傳感器電壓：0級等于0%，冷卻液流等于100%，電磁閥占空比等于4V；4級等于100%，冷卻液流等于0%，電磁閥占空比等于1V。

可變冷卻液泵受到控制，以提供支持來自發動機系統的所有冷卻請求所需的最小流量。冷卻液流的級別由PCM持續改變：0級用于初始發動機冷啟動后的前幾分鐘；1級和2級用于發動機預熱階段，最高不超過75℃；2級、3級和4級用于溫度超過75℃之后(2級為發動機怠速，3～4級用于行駛條件下)。多種條件會影響冷卻液泵導流罩的位置。

圖7 可變冷卻液泵

2.電控節溫器

電控節溫器外觀如圖8所示，內部視圖如圖9所示。Ingenium I4 2.0L汽油發動機的目標運行溫度為85～100℃，除非負載增加，否則始終都會低于100℃。節溫器蠟式元件的打開溫度為105℃。因此，可以增大節溫器加熱器的占空比來幫助打開主蠟式節溫器，從而維持100℃目標溫度。當主節溫器打開，冷卻液在主冷卻液散熱器中循環時，冷卻液溫度將會降低。此時，節溫器加熱元件的占空比將提高，以保證在冷卻液溫度下降時，主節溫器保持打開。在不同的工況和溫度下，節溫器說明如表1。

表1 節溫器工作說明

圖8 電控節溫器外觀

圖9 電控節溫器內部視圖

3.熱管理

圖10 展示了不同發動機溫度與可變冷卻液泵、節溫器加熱元件和主節溫器操作之間的關系。

圖10 熱管理示意圖 (未完待續)