新一代進氣道噴射自然吸氣汽油機開發

平銀生 張小矛 宋文倡 徐 政 王延亮 殷 聞 阿苦伍各 周 舟

(上海汽車集團股份有限公司乘用車公司技術中心，上海 201804)

0 前言

近年來，燃油耗法規日趨嚴苛，預計到2020年整車新歐洲行駛工況(NEDC)燃油耗需達到百公里5．0 L。為了減少能源消耗和地球溫室效應，保護生態環境，各大汽車公司都在致力開發小排量的經濟節能型環保汽車發動機［1-3］。雖然小排量渦輪增壓缸內直噴是目前汽油機開發的主流技術，但是對于家用普通轎車和混合動力轎車，進氣道燃油噴射(PFI)自然吸氣汽油機仍能滿足這一市場需求，該類發動機具有成本低、質量輕和熱負荷低等優點。另外，從兼顧現有發動機生產線、降低生產成本等方面考慮，提升自然吸氣PFI汽油機性能的這一課題也非常重要。基于以上原因，上汽在現有1．5 L汽油機的基礎上開發了新一代的汽油機，以滿足客戶需求。

1 開發目標及主要技術規格

新一代PFI自然吸氣汽油機主要開發目標是:(1)NEDC工況綜合油耗在原機基礎上降低5%，油耗在同類機型中處于領先水平;(2)升扭矩大于90 N·m，升功率大于52 kW，動力性在同類機處于先進水平;(3)排放滿足歐6c法規;(4)成本具有競爭性。為了降低油耗，新一代發動機通過優化燃燒系統，采用阿特金森循環，并提高壓縮比，提高燃燒熱效率，降低燃油耗。通過降低摩擦損失，進一步降低燃油耗。通過優化進、排氣歧管結構尺寸，提升動力性。采用多孔噴油器，優化噴霧特性，滿足排放法規要求。主要技術規格如表1所示。

表1 發動機主要參數

2 燃燒系統開發

新一代發動機的燃燒系統如圖1所示，為了提高氣道滾流，增加缸內油氣混合湍流動能，提高燃燒熱效率，新機型采用帶遮擋式(Masking)的燃燒系統設計。為了降低泵氣損失，采用阿特金森循環進氣，優化活塞頂部形狀，壓縮比提高到11．5，并且優化進、排氣歧管以保證發動機外特性。為了改善噴霧油束濕壁現象，優化設計了噴油油束布置，減小冷起動排放。

圖1 新機型燃燒系統

2．1 氣門尺寸優化

氣門尺寸是燃燒系統開發的關鍵尺寸，直接影響發動機的動力性和燃油經濟性，氣門直徑一般采用β值來評估，該值越大表示充氣潛力越大，該值受限于氣門與火花塞和缸套等零件距離的約束。β值計算公式如式(1)所示:

其中，n為單缸的進或排氣門數;dv為氣門座圈最小內徑;B為缸徑。

圖2 進、排氣門β值

新一代發動機通過增加進氣門β值6．4%，排氣門β值增加16%，大幅提高了進氣充氣效率，降低了泵氣損失，有利于提高扭矩、降低油耗。

2．2 氣道開發

新一代發動機采用遮擋式進氣道的流量系數和滾流比，如圖3所示。通過優化進氣道，流量系數較原進氣道雖然在低升程有所降低，但中高升程提升8%左右，滾流比在低升程大幅提高，中高升程滾流比基本一致。在氣道數據庫中，新進氣道較原氣道的平均流量系數和滾流比均有提高。

排氣道流動阻力小有利于廢氣更順暢地排出燃燒室，減小泵氣損失，進而改善油耗。減小原機型排氣道的流動阻力就是要提高其流量系數。如圖4所示，改進排氣道形狀后比原排氣道更順暢。氣道吹風試驗結果表明，新排氣道的平均流量系數較原排氣道提高10%左右。

圖3 新進氣道與原氣道流動性能對比

如圖5所示，新一代發動機的缸內瞬態滾流較原燃燒系統高，圖6顯示由于滾流比更高，新機型在缸內能形成更有規律的流場，有利于增強缸內湍動能，提高燃燒熱效率。

2．3 氣體交換優化

如圖7所示，在部分轉速2 000 r/min、平均有效壓力(BMEP)為0．2 MPa的工況下，由于采用阿特金森循環，新機型在進氣過程進氣門晚關，節氣門開度增加，泵氣損失較原機型大幅下降，由于壓縮比提高，新機膨脹功較原機增加，在相同的BMEP條件下，指示有效壓力(IMEP)降低，因此可減少噴油量，從而降低了4．3%的油耗，降幅明顯。

圖4 新排氣道與原排氣道流動性能對比

圖5 新燃燒系統與原機型缸內瞬態滾流比對比

圖6 新燃燒系統與原機型缸內流場對比

圖7 新機型p-V曲線與原機型對比

新機型雖然采用阿特金森循環能降低油耗，但是其中不足是充氣效率下降，導致扭矩降低，為了提升扭矩，圖8顯示了采用新的排氣歧管后大幅提高了中高速充氣效率，進而可以顯著提升外特性扭矩;圖9所示，通過采用較長的4-2-1型式的排氣歧管，避免了各缸充氣效率干擾，同時增加了排氣的諧振效應。

圖8 新機型優化排氣歧管提升充氣效率

圖9 新機型與原機型排氣歧管對比

2．4 噴霧油束與氣道匹配

為了減少噴霧油束在氣道上的粘壁量，降低碳氫化合物(HC)排放，優化油束與氣道的匹配工作至關重要。圖10為新機型噴霧油束與氣道匹配，從主視圖看，油束主要落在氣道下側，從俯視圖看，油束落在氣道中間位置。如圖11所示，有些數據庫的同類機由于噴油霧化不佳，在噴油器出口容易產生滴油現象，新機型噴油器采用6孔，霧化質量較好，不產生滴油現象。如圖12所示，隨著進氣門升程打開，粘在氣道上的燃油濕壁量顯著減小，在噴油器出口的氣道處，新機型濕壁也較少，因此新機型油束與氣道匹配設計較合理。

圖10 新機型噴霧油束與氣道匹配

圖11 新機型噴霧油束情況

圖12 新機型噴霧油束與氣道在不同氣門時刻匹配

3 熱管理系統優化

新一代發動機型在原機型上重新優化了熱管理系統。相對于原機型，為了減小進氣加熱，提高充氣效率，如圖13所示，新機型取消了缸蓋進氣側水套，同時縮短了機體水套高度，從而減小了整體發動機水套容積。通過優化水套設計，如圖14所示，新機型的缸蓋和機體的流速較原機均提高，這樣有利于冷卻，防止爆燃。由于減小了水套容積，如圖15所示，新機型較原機型縮短了8%的暖機時間，有利于降低油耗和冷起動排放。

圖13 新機型水套與原機型對比

圖14 新機型水套流速與原機型對比

圖15 新機型暖機時間與原機型對比

4 降低摩擦損失

減小發動機的摩擦損失對降低油耗至關重要，其中，活塞摩擦約占發動機總摩擦的30% ～40%，比例最高。新機型通過減小活塞環彈力，增加活塞涂層，降低了活塞組件10%的摩擦。圖16為新機型與原機型曲軸設計比較，新機型曲軸在經過拓撲優化設計后，總質量減輕了1．19 kg，尺寸減小了11．3%，同時曲軸平衡率提升12%左右，達到了89%左右。新機型曲軸的連桿軸頸從48 mm減小到43 mm，連桿軸頸直徑的減小使得連桿大頭軸承摩擦功降低約25%左右。

圖16 新機型與原機型曲軸比較

新機型針對曲軸油封也進行了減摩，通過橡膠彈簧油封配合聚四氟乙烯(PTFE)涂布材料，相對原機普通的PTFE減少了摩擦損失約10%。另外，如圖17所示，為了減小水泵的摩擦功，在滿足冷卻的前提下，減小了水泵的排量。

圖17 新機型與原機型水泵比較

對于配氣機構，新機采用了蜂窩狀彈簧，氣門桿徑從6 mm減小到5 mm，質量減輕，因此可以減小彈簧預緊力。另外，如圖18所示，通過優化正時鏈導軌型線，減小了正時鏈彈力，進一步降低了配氣機構摩擦。

如圖19所示，通過活塞組件、曲軸、配氣機構和水泵等大量的減摩措施，機械摩擦損失減小了8%，NEDC工況下油耗降低1．5%左右，降幅明顯。

圖18 新機型與原機型正時鏈及機油泵傳動系統比較

圖19 新機型與原機型摩擦損失比較

5 改善振動噪聲

新機型通過一些措施改進了振動噪聲性能，首先改變機油泵傳動，如圖18所示，從鏈傳動改為皮帶傳動，套筒鏈改為靜音鏈，對前端蓋板進行了拓撲優化，大幅降低了前端振動噪聲。另外通過降低轉速等措施，怠速噪聲降低了6%，外特性新機型噪聲降低了3%左右(圖20)，高速由于兼顧外特性扭矩，優化了排氣歧管設計，噪聲略有升高，對于整車常用工況(低于4 000 r/min)，可以接受。

6 性能試驗

通過前期大量的設計和計算機輔助工程(CAE)分析優化，如圖21所示，新機型外特性扭矩較原機型提高了4% ～10%，動力性滿足開發目標。圖22表明，在2 000 r/min，BMEP為0．2 MPa的部分負荷工況下，油耗降低了7%左右，在數據庫中處于較有競爭性的位置。如圖23所示，在冷起動工況下，新一代發動機較原機型而言排氣熱流量提高34%，HC排放降低了56%，排放達到歐6c排放標準。

圖20 新機型與原機型外特性噪聲比較

圖21 新機型與原機型扭矩比較

圖22 新機型與原機型油耗比較

7 結論

圖23 新機型與原機型冷起動排放比較

為滿足市場需求，上汽開發了新一代PFI汽油機。通過前期大量的CAE分析，新機型優化了燃燒系統，包括遮擋式進氣道和排氣道，通過采用阿特金森循環，提高壓縮比，提升了燃燒熱效率，降低了油耗。

通過氣體交換分析，增加了進、排氣門直徑，優化了進、排氣歧管設計，提高了充氣效率，提升了扭矩和功率。采用了大量的降低摩擦損失措施，進一步降低了油耗。通過優化水套，縮短了暖機時間，改善了發動機熱管理。通過優化曲軸設計和機油泵傳動，改善了振動噪聲。

新一代發動機在原機型的基礎上降低了5%的NEDC綜合工況油耗，動力性提升5%左右，排放滿足歐6c排放法規，噪聲、振動與平順性滿足要求。新一代汽油機在同類機中綜合性能處于領先水平。

［1］Yukinori O，Shunsuke F，Shinji M．The new PRIUSpowertrain:the new 1．8L ESTEC 2ZR-FXE engine with the new generation hybrid system［C］．International Wiener Motor Symposium，2016.

［2］Hwang I，Lee H，Park H，et al．Hyundai-Kia’s highly innovative1．6 L GDI engine for hybrid vehicle［C］．International Wiener Motor Symposium，2016.

［3］Eichler FD，Demmelbauer-ebner W，Theobald J，et al．The new EA211 TSI evo from Volkswagen［C］．25thAachen Colloquium Automotive and Engine Technology，2016．