發動機小型化技術發展

发动机小型化技术发展

减小发动机排量并采用废气涡轮增压技术实现发动机小型化是现代车用发动机的一个重要发展方向，特别是汽油机完全有可能在获得良好行驶动力性能的同时降低燃油耗和CO2排放量为了展示创新发动机小型化方案的可行性及其核心技术，马勒公司开发出了一台1.2L小型化汽油机，其全负荷性能指标使发动机小型化的效果达到50%，同时新欧洲行驶循环(NEFZ)的燃油耗和CO2排放量具有降低30%的潜力

在进一步严格HC、CO和NOx排放限值的同时，降低CO2排放量是对未来发动机和汽车开发者的巨大挑战出于环境保护的需要，欧洲议会提出了到2010年轿车的CO2排放量降{氏到90g/km的目标，这无论是在汽车还是发动机技术上都是有相当大的难度，因此欧洲汽车制造商协会(ACEA)只承诺到2012年轿车的CO2排放量降低到120g/km的目标(图1)但是，无论如何都必须朝着减轻整车重量和实现发动机小型化的方向努力

图2示出的现代柴油机和汽油机CO2排放量的统计结果表明，即使是新欧洲行驶循环(NEFZ) CO2排放量达到120g/km，对于搭载排量大于1.4l的自然吸气汽油机轿车来讲也是难以达到的然而，如果自然吸气汽油机排量缩小到1.4L的话，其所可能达到的扭矩和功率将被限制在大约160Nm和80kW，那么随着汽车尺寸和重量的增加，汽车的动力性能将变差为了缓和CO2排放量与燃油耗和汽车动力性之间的目标冲突，就汽油机而言，减小排量并采用废气涡轮增压技术来实现发动机小型化是众所周知被认可的解决方案多年来，世界汽车和发动机制造商都在努力实施这种方案，并已经在功率相同的情况下，自然吸气发动机的排量大约可减小25%，同时燃油耗最多能降低15%现在，基于汽油直接喷射技术的发展，在行驶功率相同的情况下，发动机小型化可以超过35%，同时能够改善燃油耗20%以上如果发动机小型化技术方案要进一步创新和提高，其低转速范围内的扭矩特性和瞬态响应性能是创新的小型化方案及其能否被用户认可的关键因素开发目标废气涡轮增压系统、汽油直接喷射和可变气门正时作为核心技术始终是开发小型化发动机的关键获得良好效率的基本前提条件是热力学优化以及减少摩擦和减轻发动机重量对于应用在发动机上的系统和零部件，包括以下将要介绍的创新的零部件而言，重要的是其成本和实现批量生产的解决方案马勒公司的小型化汽油机方案采用排量为1.2L的3缸发动机，并具有单级或两级废气涡轮增压由表1所列举出的该机全负荷特性和燃油耗的目标值可以看出，排量1.2L的小型汽油机，单级增压时的升功率和最大平均有效压力已分别达到75kW/L和2.2MPa,而采用两级增压时更分别高达120kW/L和3.0MPa，强化程度已达到相当高的水平具有如此优异全负荷扭矩和功率值的小型汽油机用于净重大约为1600kg的轿车上，其行驶动力性能相当于搭载了2.4L排量的自然吸气汽油机，这样发动机的小型化率就能够达到50%，而新欧洲行驶循环(NEFZ)的燃油耗和CO2排放量大约可降低30%该机在整个发动机特性曲线场内以=1均质混合气运转，能使整车排放满足欧V法规限值

基础发动机表2列出了该发动机最重要的结构参数1.气缸盖对于该发动机的热力工作过程设计而言，气缸盖是一个关键部件，其上布置有进气门、排气门、燃烧室、喷油嘴、火花塞以及进、排气道气缸盖结构设计的主要目标是要具有性能优良的燃烧室形状和最佳的冷却效果图3示出了该发动机的燃烧室，缸径83mm，每缸有4个气门，设计得十分紧凑，具有较小的表面积为了实现汽油直接喷射，选择了喷油嘴位于燃烧室中央的油束主导系统(Spray guided)(主要是为了实现均质运转)，而火花塞(M10)稍微偏移气缸中央位置对高增压发动机来说，这样的结构布置型式就能采用相对较高的压缩比=9.75

但是，选择这样的燃烧室形状对气缸盖的冷却提出了较高的要求，以便将燃烧室中和燃烧室附近的热负荷保持在较低的水平，从而保护喷油嘴，并将爆震倾向降低到最低程度这是通过气缸盖采用横流式冷却，并优化冷却水套结构设计来达到的气缸盖是由A356铝合金采用Coscast工艺方法铸造而成的这种铸造方法能够使几何形状较为复杂的构件在铸造工艺所能达到的公差下获得较小的壁厚，从而以较轻的重量为有效的冷却提供非常有利的前提条件进气道进行机加工，并选用了整体式涡流调节阀图4示出了气缸盖及其几何形状复杂的冷却水套泥芯冷却水套、进气道和气门尺寸都是借助于计算流体力学(CFD)和GT-Power模拟计算进行设计的2.气缸体和曲轴箱对于气缸体和曲轴箱结构设计而言，有两个目标特别重要：一是在具有高强度和气缸变形小(减小摩擦的前提条件)的同时零件重量要轻；二是要达到最佳的热平衡和最佳的冷却效果与气缸盖一样，铝气缸体也是由A356铝合金采用Coscast方法铸造而成的为了获得高的强度，气缸体(图5)设计成封闭式顶面结构，并具有准整体式气缸工作表面(马勒镍硅(Nikasil)涂层)，以获得良好的热传导为了减小气缸的变形和减轻零件重量，气缸盖、上缸体(气缸体)和下缸体(主轴承座框架底座)用拉杆螺栓连接(图5)，其拧紧力矩必须确保在任何运转工况下这三大结构件始终处于压应力状态，而所有的工作载荷均由拉杆螺栓来承担在设计下缸体时放弃了主轴承座钢镶件结构，而在其铸件中集成了一个兼作机油通道的钢镶座气缸盖采用多层钢片密封垫作为密封件，这对于这种升功率大、爆发压力(14MPa)高的高增压发动机来说是必需的，它具有十分良好的运转可靠性3.庙柄连杆机构在该发动机的设计中将高爆发压力、低磨损和低摩擦损失放在很重要的地位图6示出了该机的整个曲柄连杆机构，其中包括曲轴传动机构、凸轮轴传动机构、气门传动机构和质量平衡机构等其中，曲轴传动机构包括：1.重量优化的马勒锻造活塞；2.马勒活塞环组，包括两个压缩环(物理蒸汽沉淀(PVD)涂层矩形球面环和鼻形斜面环)干口一个刮油环；C(Diamond Like Carbon类金刚石石墨)涂层活塞肖；4.模锻马勒钢连杆；5.钢曲轴连杆轴承因同样需要具有高的承载能力采用热喷涂曲轴轴承采用厚壁轴瓦(4mm)，以便尽量减少温度对轴承间隙的影响在该机开发过程中，对活塞和活塞环的组合进行了广泛的试验，以期获得更多的减少摩擦的潜力气门机构是双顶置凸轮轴结构型式，由一条8mm宽的低噪声链条传动，并采用独立的进排气相位调节器和液压挺柱，重量轻，磨损小，摩擦损失低为了减轻重量采用了装配式凸轮轴(钢凸轮)

，并通过滚子摇臂驱动气门进排气门采用了专门设计的中空式轻型结构，重量轻，只需要较小的弹簧力，降低了气门机构摩擦，而且由于气门落座冲击较小，减小了气门与气门座圈之间的磨损此外，这种中空式轻型结构气门内部具有较大的空腔，其中充满了钠，比传统气门具有明显高的散热能力，能够承受更高的热负荷，因此用于增压直喷式稀薄燃烧混合气汽油机乃至全负荷运转具有明显的优越性此外，考虑到在将来必要时应用可变气门升程机构，在气缸盖和气门机构的设计上已留有余地直列式3缸发动机存在不平衡的旋转惯性力矩以及1阶和2阶往复惯性力矩，因此其运转平稳性没有直列式4缸发动机好为了在重量、结构空间和摩擦等方面以尽可能少的附加消耗来改善这种发动机的质量不平衡状况，已经选用了一种由两块小质量组成的平衡机构，它们通过塑料齿轮由曲轴来传动4.冷却和机油供应 冷却系统的主要设计目标是尽可能精确地控制冷却，以优化燃烧和降低摩擦与磨损，因此该发动机的冷却系统将流往气缸盖和气缸体的冷却水流彼此分开，并采用电动水泵通过电子控制阀和集成在气缸盖垫片中的温度传感器，根据发动机运转工况的需要来分配冷却水流量在设计机油供应和发动机润滑系统时，最重要的是要摩擦损失少、重量轻，并且占用的空间小活塞通过一条单独的油道直接用未经滤清的机油来冷却，这样在润滑系统中就不会出现明显的机油压力损失同时，操纵凸轮轴相位调节器的机油供应与润滑凸轮轴轴承的机油是分开的，以确保凸轮轴相位调节器正常而精确的控制功能为了减轻重量，采用了全塑料机油滤清器总成、整体式的铝制机油冷却器和用Coscast工艺铸造的机油泵体增压系统、进气系统和废气再循环首先，为发动机选择了单级或两级废气涡轮增压两种不同的增压方案这两种增压系统都是借助于GT-Power软件进行完整的换气模拟计算来设计的开发的重点是两级增压系统，它能够实现表1中所列出的高功率和高扭矩指标以及最佳的瞬态响应特性如图7所示，这种两级增压系统由两只串联布置的废气涡轮增压器、调节阀和整体式增压空气中冷器与废气再循环(EGR)装置组成图8示出了所选用的增压器的压气机特性曲线场

采用小废气涡轮增压器的高压级在发动机低转速工况时运转，而此时采用大废气涡轮增压器的低压级在增压压力中并不占明显的份额为了获得最大的增压空气量，两只涡轮的废气放气阀都是关闭的随着发动机转速的提高，在全负荷和n2500r/min时小增压器达到其最高转速，此时其涡轮的废气放气阀和其压气机的旁通阀都打开，增压压力的供应全部由大增压器来承担最高增压压力可达到0.28MPa(绝对压力)高压级的涡轮壳与铸钢排气歧管做成一体，并且所有的零件都是按照最高废气温度1050℃设计的单级增压系统采用的可变截面废气涡轮增压器是在用于柴油机的标准规格基础进行二次开发的为了将废气温度降低到零件所能承受的850℃，在接近全负荷范围内单级增压系统所采用的水冷铝排气歧管和冷却EGR发挥了很大的作用进气系统的设计目标是重量轻、结构紧凑、流动损失小，并具有良好的响应特性为此，将空气滤清、空气量计量、节气门和空气分配一并集成为一个系统，并且两种增压方案都包含有增压空气中冷器为了获得良好的响应特性和低的流动损失采用单今节气门，并在空气滤清器后面设置了一个亥姆霍兹谐振消声器，而在增压器压气机进口前安装了一个缝隙式消声器，以降低噪声辐射辅助和附加设备在为发动机选择和设计辅助与附加设备时应优先考虑降低传动损失，此外为了实现前面所述的冷却系统的仔细优化，冷却水泵采用电传动同时，为了进一步降低汽车行驶中的燃油消耗，在传动系统中集成了一个组合式起动机发电机替代标准的发电机，用于电起动(轻度混合动力)