高功率發動機的設計
——第一部分:結構、冷卻和適用性

【奧】 W．Sch?ffmann H．Sorger F．Zieher M．E．Hammer

1 用于汽油機和柴油機的高效強化方案

汽油機和柴油機以降低燃油耗為目標的方案和以極限功率為目標的方案之間存在著極大的差異，其中都采用了增壓和缸內直接噴射［1-2］。高效方案的難點在于氣門機構的可變性、廢氣再循環(EGR)，以及采用了更多的米勒循環或阿特金森循環加長膨脹行程，而部分負荷效率與高升功率的組合則需要應用可變壓縮比。鑒于發動機模塊化結構，安裝在常規的基礎發動機結構之上的可轉換系統是具有一定吸引力的。

可變氣門機構對于柴油機也具有越來越重要的作用，從而在排氣側提供了提高廢氣溫度的可能性，在進氣側則提供了限制必需的爆發壓力的可能性。

與加大排量的高功率方案相比，運動型轎車的頂級機動性目標是在提高工作效率的同時，兼備高動力性能與良好的駕駛靈活性。

2 模塊化發動機組合部件

目前，增壓汽油機機型的升功率覆蓋了約70～100 kW的范圍，而高達200 kW的升功率機型正在開發之中，其爆發壓力要求提高到15 MPa。最高功率的機型在特定的轉速范圍下，被設計成固定壓縮比和固定氣門升程，并在燃油耗方面有所折中。

目前，柴油機覆蓋了小于80 kW的寬廣的升功率范圍，而高功率機型的開發則達到了90～100 kW。用于量產轎車的超過100 kW升功率的柴油機仍待討論。在峰值壓力必需在大于等于22 MPa的情況下，就會對成本和摩擦損失形成挑戰。

表1列出了汽油機功率變型的技術規格，表2列出了具有高成本效益的單缸排量0．5 L的4缸柴油機的技術概況。用于汽油機和柴油機的功率變型各被設計成5個等級。

表1 汽油機功率變型的技術規格

表2 單缸排量0．5 L柴油機功率變型的技術概況

3 增壓方案

表1中功率變型的區別主要表現在增壓機組復雜性的不同。高達130 kW升功率的汽油機變型都采用傳統的廢氣放氣閥控制的廢氣渦輪增壓器，而柴油機變型至約70 kW升功率采用單級可變渦輪幾何截面增壓器，采用兩級順序串聯渦輪增壓則可覆蓋80～90 kW的升功率范圍。

應用電動增壓器(e-SC)能在瞬態運行和低轉速范圍內與渦輪增壓器協調調節到高負荷范圍，這樣一方面能將單級渦輪增壓技術應用擴展到更高的升功率，另一方面能通過與兩級渦輪增壓組合，在及時滿足加速響應特性的同時實現高的升功率。

圖1示出了高功率汽油機變型的渦輪增壓器機組和增壓空氣冷卻器的示意圖，應用了具有單級渦輪和兩級壓氣機的2個渦輪增壓器，目前尚處于開發階段。在開發方案中，2個渦輪增壓器的壓氣機側集成了1個電機，可供選擇。而作為升功率大于100 kW的高功率柴油機上的增壓方案，則借助于壓氣機的類似兩級壓縮，或者兩級渦輪增壓與e-SC的方案。

圖1 升功率為200 kW的汽油機變型的增壓機組方案及示范機型

4 模塊化部件結構

模塊化部件結構型式能使1個發動機系列中的所有變型機都具有明顯的成本優勢。無論是汽油機還是柴油機，對于最高功率的變型機有時候采用特殊的方案更具目標導向性，可使量產的發動機機型不會增加其他負擔。

鑒于未來發動機的燃油耗要求，采取了多種措施降低機械損失，包括:(1)曲軸-活塞中心線偏移量;(2)采用長的連桿桿身(L/r＞3．3);(3)減小氣缸套變形和中心架珩磨;(4)氣門機構采用低摩擦的滾輪搖臂和液壓挺柱;(5)減小主軸承直徑;(6)可開關的活塞冷卻機油噴嘴(氣缸體曲軸箱中具有分開的機油通道);(7)分開式機油循環回路(分開式冷卻);(8)鏈或皮帶傳動機油泵，壓力和體積流量可調。

其他的附加措施也能在生產和裝配方面以很小的變化在現有的生產中實現，如:電子控制節溫器、滾動軸承質量平衡軸、減小摩擦的涂層(例如活塞環和活塞銷)、凸輪軸滾動軸承(第一道軸承)和可調式高功率水泵(密封件，葉輪)。

在所有的功率變型中，這些提高效率的組合措施是進一步降低燃油耗的基礎。

5 氣缸體曲軸箱

AVL公司已為汽油機和柴油機系列同時開發了用于18 MPa爆發壓力的壓鑄氣缸體曲軸箱，能夠覆蓋發動機系列中的高升功率。最高功率發動機采用帶泥芯的重力鑄造工藝制造的高強度鑄鐵結構或鋁氣缸體曲軸箱。鋁氣缸體曲軸箱能明顯改善材料性能，并與氣缸工作表面涂層相結合，為高功率機型提供了最大的潛力。用于小型化方案的薄壁鑄件既具有高的負荷承載能力，又具有競爭力優勢的總質量和良好的振動-噪聲-平順性(NVH)特性。用于爆發壓力高達23 MPa的2．0 L柴油機的蠕墨鑄鐵(CGI)薄壁鑄造方案的發動機質量僅比頂面封閉的鋁氣缸體曲軸箱增加了10 kg。在采用模塊化組合部件的同時，在1個發動機系列中鋁和CGI鑄鐵深裙型氣缸體曲軸箱盡可能采用可互換的統一裝配方案(圖2)。

圖2 用于高功率汽油機的鋁氣缸體曲軸箱和用于柴油機的蠕墨鑄鐵薄壁氣缸體曲軸箱示意圖

6 氣缸蓋

具有緊湊結構的氣缸蓋、分開式壓鑄凸輪軸模塊的模塊化氣缸蓋和氣門機構的結構型式，由于具有相同的氣缸蓋高度(圖3)，因而允許汽油機和柴油機采用統一的主要加工工序。除了節省成本和減輕質量之外，這種結構型式具有應用不同可變氣門機構系統的靈活性。

在高功率變型機上，大量進入冷卻系統的熱量可能限制了應用整體式排氣歧管的可能性，但是采用陶瓷涂層的局部隔熱排氣管道為高功率變型汽油機和柴油機提供了新的可能。

用于高升功率的氣缸蓋必須能夠在最小的冷卻液容積、壓力損失和冷卻液流量情況下對處于臨界狀態的氣門座“鼻梁”、噴油器和火花塞進行有效的冷卻。從頂面向下流動的高效冷卻方案(圖3)包括排氣門之間的高效冷卻噴嘴，其中還試驗了適合于量產的氣門座圈冷卻。氣缸蓋的材料對于其長久使用壽命具有決定性的意義，而用于中等升功率的鋁硅合金鑄鐵是1種久經考驗的材料，而鋁銅基合金鑄鐵材料也顯示出了其使用壽命的潛力。

在系列機型中應用的氣門機構可變性，在中等功率等級的汽油機上包括進排氣側氣門升程的轉換與進排氣兩側凸輪軸相位調節器(DVVT)相結合，而在最高功率等級汽油機上，由于額定轉速高達8 000 r/min，則采用固定氣門升程和進排氣2側凸輪軸DVVT。柴油機方面，進排氣側氣門升程轉換用于最高功率等級機型，以及考慮使用排氣相位調節(VVT)。

圖3 汽油機變型的模塊化氣缸蓋及其冷卻方案

7 高功率發動機的適用性——使用方式

為了在量產中確保最高功率發動機的可靠性，現行適用性程序的匹配是具有目標導向作用的。AVL公司設計的適用性規劃(DVP)將試驗性和適用性目標結合起來，稱為“AVL-負荷矩陣(AVL-LM)”方式。這種方式是將零部件和故障方式(失效模式)與持續運行程序連接起來，憑借AVL-LM在1個4級過程中所必需的試驗及其運轉時間系統分析、標定和目標值、試驗程序和負荷分析，最后進行評價和優化。

根據標定的不同，可獲得不同的汽車使用參數。圖4(a)示出了賽車和運動型多用途汽車(SUV)應用場合的高功率等級汽車典型使用狀況，其中圖4(b)顯示的賽車賽道使用情況值得關注，因為對于SUV而言，在高速公路以及在山區或壞路面掛車行駛時的負荷較大。

圖4 SUV和賽車用戶使用范圍參數和賽道賽車的負荷分布示意圖

8 試驗程序和評估

高功率發動機氣缸蓋的評估是通過峰值壓力和氣門座“鼻梁”的熱機械疲勞考察高循環疲勞，測量參數是加速因數和相對累積故障(RAD)。為了確保賽車和SUV的應用，超過22 000 km的賽道試驗以相對RAD 1．3倍的參數值提供當量故障份額(圖5(b))，而且持續運行約300 h熱沖擊也是十分重要的保障。

熱機械疲勞(圖5(b))表明了SUV用途有較高的熱機械故障，而賽車的賽道負荷所發生的故障相當于150 000 km的行駛里程。若考慮到熱慣性的影響，就必須修改300 h熱沖擊持續運行方式，從而在氣門座“鼻梁”處就能在時間小于15 s的情況下達到1個數值，并通過優化試驗或延長運行時間就能推斷出在保障方面存在的缺陷。

9 結語和展望

確定了汽油機和柴油機在具有一般功率和平均有效壓力的燃油耗導向方案與極限功率導向方案之間所存在的極大差異。與傳統的強調排量的高功率動力裝置相比，運動型轎車的頂級機動性目標是在提高效率的同時，將高性能與靈活的駕駛性相結合。應用計算機輔助工程工具支持方案選擇和優化開發過程。為了確保量產中高功率發動機的可靠性，要求進行現行的適用性程序匹配，在這方面AVL公司在開發中運用了DVP。這種規劃將試驗任務(如正面加載和性能試驗)與確認內容(在試驗臺和汽車上的持續運行檢驗)結合起來，而負荷矩陣方式是在考慮到用戶和使用狀況情況下確認規劃的目標基礎。

圖5 賽車和SUV因高循環疲勞和熱機械疲勞時氣缸蓋的相對累積故障

［1］Sorger H，Howlett M．F，Schnider W，u．a．Herausforderung CO2aggressives downsizing am dieselantrieb-Motorkonzeptdefinition［C］．31．Internationales Wiener Motorensymposlum，2010．

［2］Fraidl G，Dreisbach R，Kapus P，u．a．Diesel versus otto:synergie oder wettbewerb［C］．35．Internationales Wiener Motorensymposium，2014．