上汽第3代藍芯2.0T發動機先進技術解析

朱國華 王 旻 邢東仕 樹向君

(上汽汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201805)

0 前言

為了滿足國內汽車市場對高性能發動機的需求，上海汽車集團股份有限公司乘用車分公司(以下簡稱“公司”)從2005年開始重點培育發動機自主研發能力。公司從引進、吸收到自主開發，完全掌握了發動機開發技術，并建立了完善的發動機開發體系。在2014年推出第2代藍芯2.0T發動機后，公司本著“上市一代，研發一代”的技術理念，已開始研發第3代2.0T發動機技術。歷經5年，完成了全新的2.0T發動機研發項目。

第3代藍芯2.0T發動機的研發主要考慮以下因素：(1)滿足全球更加嚴苛的環保和燃油耗法規要求；(2)滿足公司車型平臺要求，開發縱置車型和橫置車型；(3)進一步降低發動機外形尺寸和總質量；(4)提高低速響應性，滿足客戶實際的動力需求；(5)滿足整車噪聲-振動-平順性(NVH)的品質要求。基于上述研發要求，第3代2.0T發動機各系統采用了全新設計，運用了較多的發動機先進技術。

1 發動機主要技術的研發

第3代2.0T發動機如圖1所示，采用直列4缸、缸內直噴、渦輪增壓設計，其主要技術規格如表1所示。

表1 第3代2.0T發動機的主要技術規格

2 發動機先進技術配置

如圖2和圖3所示，為了滿足各方面需求，第3代藍芯2.0T發動機技術在主要系統中采用了許多先進設計技術。

圖2 發動機燃燒系統所采用的主要技術

圖3 發動機運動系統所采用的主要技術

2.1 發動機本體

為了降低發動機的總質量和制造成本，發動機氣缸體采用鋁合金高壓鑄造工藝，相對于鑄鐵缸體，新發動機缸體總質量降低約30%。水套為開式布局，底部采用波浪形設計，可以提高缸體溫度的均勻性、降低缸蓋螺栓對缸孔的影響。同時，發動機缸間增加機加工水孔，以降低缸套溫度，避免缸套壁面結焦的產生和熱疲勞失效。圖4為第3代藍芯2.0T發動機的缸體結構圖。

圖4 缸體結構

該系列發動機的缸套采用“蘑菇頭”狀設計，可以顯著提高缸套和鑄鋁本體的結合強度和導熱率，從而提高缸體總成的耐久性。缸體內壁采用螺傘珩磨形式，通過加大網紋夾角，可有效減少缸壁上細小顆粒狀雜質和機油附著，從而減少缸套磨損和機油消耗[1]，同時也能減少活塞的摩擦力。

隨著國家第6階段排放法規和實際行駛污染物排放(RDE)循環的實施，發動機大負荷加濃區域受到的限制越來越高。為了提高發動機暖機速度和加快三元催化器的到達起燃溫度，氣缸蓋采用了集成排氣歧管形式，如圖5所示。在缸內燃燒溫度不變情況下，通過IEM缸蓋對排氣進行冷卻，可以在不進行混合氣加濃的情況下將排氣溫度降低到可接受水平，從而改善整車在高負荷工況下的顆粒物(PM)排放[2]；同時IEM氣缸蓋縮短了排氣道長度，有利于增壓器的快速響應。

圖5 IEM氣缸蓋

2.2 進排氣系統

圖6 為了提高進氣道滾流比采用的設計

對于直噴汽油機而言，為了實現更好的混合氣均勻性，提高滾流比是有效的解決手段。如圖6所示，為了提高滾流比，研發人員對GL31系列發動機進氣道進行了專門設計，采用進氣道下側“魚肚形”下沉，進氣道鑄造面與座圈底孔采用銳邊過渡，以減小座圈上側截面和增加擋氣屏特征[3]。這些措施將GL31系列發動機的滾流比相對于上一代發動機提高了1倍。

如圖7所示，GL31系列發動機的排氣道設計采用了成熟4-1形結構，通過對排氣道優化、結合小慣量渦輪和電子執行器控制的廢氣旁通閥，發動機的低速扭矩和增壓器響應速度都得到了大幅改善。該系列發動機在轉速1 500 r/min時達到了最大扭矩點.相對于上一代發動機增壓器的響應性提高了3倍。

圖7 增壓器外形響應性提升對比

2.3 配氣系統

為了滿足發動機的性能和經濟性要求，針對GL31系列發動機的配氣系統，研發人員采用了中置VVT技術，以及兩級可變VVL技術。中置VVT技術可以實現更快的響應速度，從而最大限度降低泵氣損失，并實現米勒循環。通過采用兩級可變VVL技術，可以使1款發動機調校出2種動力版本，兼顧發動機的動力性和經濟性，節油率可達到4%。

2.3.1 中置VVT技術

傳統側置VVT技術由于機油控制閥和調相器之間的油路較長，會導致相位調節速度受到限制。高壓縮比米勒循環發動機則需要通過更快的相位調節速度在瞬態工況下避免發動機爆燃[4]。GL31發動機采用了中置VVT技術，可以提高1倍的響應速度。如圖8所示，中置VVT技術的特點主要有兩點：(1)控制油路大幅縮短，有利于減少機油損失，降低機油需求，并提高響應速度；(2)開壓電路(OCV)閥體自帶單向閥，有利于調相器油腔的保壓，提高調解速度。中置VVT技術將凸輪軸相位調節速度提高50%，最快每秒達到270°。

圖8 側置VVT技術向中置VVT技術的演變

2.3.2 兩級可變升程技術

如圖9所示，可變升程技術分為連續可變升程技術和階段式可變升程技術。雖然連續可變升程技術可以實現升程連續可變，理論上可實時滿足發動機最佳需求。但是由于連續可變升程技術結構復雜，對加工精度和控制技術有很高要求[5]，且調節時對外界環境要求比較高，所以至今應用連續可變升程技術的發動機較少。GL3發動機采用了具有較高可靠性的滑移式兩級可變升程技術，通過在凸輪軸上設計2種升程的凸輪套筒，電磁閥根據發動機控制單元(ECU)指令驅動銷子伸出，從而實現2種升程凸輪的切換。

圖9 兩級可變升程結構

兩級可變升程技術可以讓GL31發動機在部分負荷工況下運行在深度米勒循環工況，即保持較大的節氣門開度，降低泵氣損失。在大負荷工況下使用高升程從而提高進氣量，滿足大功率和高扭矩需求。高低升程切換時間只需0.07 s，因此在實際駕駛中通常不會出現針對動力遲滯的抱怨。

2.4 曲軸連桿系統

在曲軸系統中，主軸頸對摩擦功影響較大。如圖10所示，為了降低摩擦功，曲軸材料采用鍛鋼材料，并結合計算機輔助設計技術，對曲柄臂進行了細致優化，從而使主軸頸直徑降低到48 mm，達到行業領先水平。為了兼顧曲軸自量和運轉平衡率，曲軸采用了8個平衡塊，且為了減少發動機長度，平衡塊采用非對稱設計，在第1平衡塊處作減薄處理。主軸頸和連桿軸頸均采用圓角滾壓工藝強化，疲勞強度提高1倍以上。在軸承跑合面區域采用中頻淬火，以提高耐磨性。

圖10 曲軸輪廊和主軸承直徑對標

活塞和連桿的結構設計如圖11所示。由于GL31發動機的壓縮比達到11.5，對活塞強度和高溫特性的要求都比較高，因此該活塞采用高強度鋁硅合金進行制造。為了配合燃燒，活塞整體設計復雜，頂面采用鑄造和機加工聯合成型，可以最大限度降低活塞成本。活塞第1環槽采用鑄鐵材料，以保證在高負荷下第1氣環可以正常自由旋轉工作。活塞銷采用喇叭口的等強度設計理念，可以降低往復慣性力。連桿選用整體鍛造形式，大頭采用激光割槽脹斷技術。通過計算機輔助，對連桿桿身和大頭進行了輕量化優化設計，活塞和連桿的整體質量比上一代減輕了30%左右。連桿小頭采用“笑臉形”油槽，可以保證連桿與活塞銷的充分潤滑，降低摩擦功，并防止活塞銷卡滯。

圖11 活塞連桿設計細節

2.5 平衡軸系統

GL31系列發動機的一階往復慣性力自身可實現平衡，但二階往復慣性力無法實現自身平衡。在設計過程中，應盡量減少GL31系列發動機的往復慣性力，如喇叭口活塞銷設計，活塞裙部非對稱設計，連桿小頭楔形設計等措施。通過采用上述措施，GL31系列發動機的二階往復慣性力得到了降低，如圖12所示。

圖12 發動機往復慣性力的對比

為了降低二階往復慣性力帶來的低階次振動激勵及對整車NVH表現的影響，GL31系列發動機采用了蘭徹斯特式平衡軸模塊，如圖13所示。平衡軸模塊位于油底殼內，固定在缸體上，通過布置在曲軸第6曲柄臂上的齒圈驅動。為了降低嚙合噪聲，平衡軸加速齒輪和同步齒輪采用樹脂材料，從而實現整機的噪聲基本不受影響。

圖13 平衡軸系統

2.6 燃油噴射系統

相比上一代2.0T發動機，GL31系列發動機采用了噴油壓力高達35 MPa的高壓燃油直噴技術，如圖14所示。結合精確的短時脈沖控制，可以實現高精度噴射和多次噴射技術，大幅度降低有害燃燒產物[6]。噴油器油孔通過激光技術實現精確打孔，在35 MPa的壓力下使油滴達到6 μm量級。

借助計算機輔助工程(CAE)對濕壁進行仿真分析和油束干涉仿真分析，通過評估缸套油膜最大值、缸套油泵平均值、活塞油膜最大值、活塞油膜平均值和點火時刻當量比的分布，最終確定采用6孔油束，結合二次噴射技術解決了燃油稀釋的問題。

圖14 燃油噴射系統

2.7 冷卻潤滑系統

為了實現快速暖機和水溫自由控制，冷卻系統采用了電子可開關式水泵和電子節溫器。通過優化水泵的控制策略，可以實現發動機在低溫環境下的快速暖機，同時結合電子節溫器控制，可以實現在全工況下按圖15所示進行最佳水溫控制，以達到最低燃油耗效果。

圖15 冷卻系統設計和最佳水溫邁譜圖

為滿足發動機低速工況的潤滑要求，傳統定排量機油泵的排量一般較大，導致在發動機高速運行階段機油大量泄掉，造成摩擦功損失。GL31系列發動機采用二級可變排量機油泵，以實現多階段排量控制，機油泵供油量貼近發動機需求量,從而降低了摩擦功損失[7]。如圖16所示，根據臺架試驗實測數據，二級可變排量泵相對于定排量泵可節油1.3%左右。

2.8 油氣分離系統

如圖17所示，油氣分離系統采用強制通風系統，分為3個通道：(1)全負荷通道；(2)部分負荷通道；(3)新鮮空氣通道。全負荷通道和新鮮空氣通道使用同一通道，通過不同壓力變化，實現2個單向閥的開通，從而實現分時復用。部分負荷通道通過缸蓋鑄造成型，徹底避免低溫結冰風險。為了避免結冰，全負荷通道采用了水加熱技術，從而避免了冬季低溫高速行車的結冰堵塞風險。

圖16 二級變排量泵供油與發動機機油的需求關系

圖17 油氣分離系統

為了提高油氣分離系統的分離效率，GL31系列發動機采用了兩級分離系統。如圖18所示，在缸體上首先進行預分離，預分離腔容積約為0.5 L，采用擴容及迷宮原理將油氣分離出來。預分離腔可以避免飛濺機油進入油氣分離器總成，并將部分大顆粒油滴分離出來，提高兩級分離部分的分離效率[8]。通過兩級分離，可以滿足機油消耗率小于1.0 g/h的要求。

圖18 預分離腔的分離效果分析

3 低摩擦設計

發動機在正常工作時，各旋轉運動零件或往復運動零件運行時產生摩擦是不可避免的，但是摩擦功大小對發動機的性能和油耗有非常重要的影響。GL31系列發動機在設計之初就已充分考慮到低摩擦設計方案，典型設計如下：(1)缸體主軸承孔采用偏置設計，偏置量8 mm，在低速和高速范圍均有效平衡活塞主推力側和副推力側受力，降低與缸套的摩擦損失。(2)減小曲軸系統軸承副的尺寸，并通過帶涂層軸瓦以降低摩擦功。曲軸主軸直徑經優化后，達到行業最小直徑48 mm的水平。(3)降低整機的機油消耗量，從而降低機油泵排量，減少耗功。如通過軸瓦分組裝配來降低軸承間隙，減少曲軸軸承的機油消耗量；缸體缸蓋供油油路尺寸進行細致設計，降低軸承、液壓挺柱等部件的機油消耗量；改善調相器系統的機油泄漏率，降低機油消耗量等。(4)活塞環使用低彈力設計，活塞環，活塞銷和活塞裙部采用減摩涂層。(5)正時鏈系統采用輕量化套筒鏈，上導軌采用非接觸設計，整體布置優化，減少鏈系統與導軌的摩擦損失。(6)氣門驅動采用滾子搖臂，并采用拉-拉布置，利用其自定心特性，降低摩擦力；進氣側采用窄搖臂設計，配合鋼制凸輪淬火，進一步減少摩擦功。(7)采用新開發的低粘度機油0W-20。

如圖19所示，在采用眾多低摩擦設計后，根據摩擦功試驗結果，可以看出GL31系列發動機的摩擦功已經接近行業領先水平。

圖19 基于AVL公司數據對GL31系列發動機的摩擦功評估

4 NVH優化設計

隨著汽車用戶對NVH要求的提高，研發人員需要將發動機的NVH要求貫穿到整個發動機開發過程中。在前期燃燒開發階段，即對燃燒壓力升高率提出要求，以減少燃燒噪聲；借用CAE手段對各個結構件進行多輪優化以提高整體模態，同時避開共振頻率以達到較高NVH要求。另外，如圖20所示，針對無法避免的NVH噪聲問題，選用了大量的NVH專用材料，以提高整機的NVH吸噪效果。

圖20 NVH專用材料

通過NVH設計優化和材料選擇，GL31發動機的NVH水平達到行業領先水平，如圖21所示。

圖21 GL31發動機與其他2.0T發動機的NVH結果對比

5 總結

得益于大量先進技術的應用，GL31系列發動機作為上汽集團第3代藍芯產品，相對于上一代產品，功率和扭矩得到提升，燃油耗降低了10%，低速扭矩響應得到大幅度提升，可滿足目前最為嚴苛的國家第6階段燃油耗和環保法規。GL31系列發動機采用的大量先進技術主要有以下特點：(1)高壓鑄鋁缸體達到了輕量化設計，采用“蘑菇頭”形缸套和“波浪”形水套可增加缸套結合度并減少缸套變形，通過采用螺傘珩磨以減小摩擦力；(2)缸蓋集成排氣歧管以提高暖機和增加響應速度；(3)采用高滾流比氣道和擋氣屏設計使滾流比達到了2.5，保證了混合氣均勻性；(4)采用小慣量電子渦輪增壓器，發動機在轉速1 500 r/min時刻達到最大扭矩，相對于上一代機型提高了3倍；(5)采用中置VVT技術，凸輪軸的調節速度提高了50%，達到了每秒270°；(6)自主開發的智能VVL技術可兼顧高功率和經濟性2種動力需求，使發動機形成2個功率版本；(7)全平衡塊曲軸和樹脂齒輪平衡軸系統為發動機帶來了優良的NVH特性；(8)采用鑄鐵環式活塞提高活塞疲勞性能，同時采用DLC涂層降低摩擦功；(9)采用噴油壓力高達35 MPa的燃油噴射系統，可以使油滴霧化達到6 μm量級；(10)采用可開關式水泵和電控節溫器，可保證發動機實時處于最佳工作水溫狀態；(11)采用兩級變量機油泵可以根據發動機需求提供合理機油量；(12)采用兩級分離油氣分離系統，可以滿足機油消耗率小于1 g/h；(13)針對NVH要求，采用大量專用設計和材料，提高了NVH效果。綜上所述，GL31系列發動機具有性能優異、響應快速、尺寸短小和總質量輕的特點，將會成為上汽集團未來車型的重要動力來源，后續將會陸續搭載于大型運動型多用途汽車(SUV)、多用途汽車(MPV)和B級轎車等多款車型上。