采用进、排气门正时控制系统的新1.6 L 4缸直接喷射涡轮增压汽油机的开发

【日】 Shimizu M Yageta K Matsui Y Yoshida T

0 前言

新1.6 L 4缸汽油机的开发目标如下：（1）达到顶级水平的发动机输出功率和扭矩，（2）实现较低的燃油耗，（3）满足美国低排放车第2阶段-超低排放车（LEV2-ULEV）和欧5排放的要求[1]。为了达到上述开发目标，除了缸心距和气缸体上端面高度等核心尺寸与现有的MR20DE发动机的保持相同之外，其他部件都进行了重新设计。该新型发动机的基本设计要素如下：（1）采用壁面引导活塞顶凹坑的汽油直接喷射系统与涡轮增压器相结合的技术策略，（2）采用双连续可变气门正时控制（CVTC）系统，（3）减少摩擦损失，（4）选择最佳的发动机排量。由于采取了上述设计要素，该汽油机以较高的水平达到了开发目标。

1 发动机主要技术规格和性能

表1给出了MR16DDT 发动机的主要技术规格，其外观如图1 所示。MR16DDT 汽油机采用了能缩短燃烧室与催化器距离的排气后处理装置，以便更快地激活催化剂，从而减少冷起动排放。图2示出了该汽油机的输出性能曲线。如图2 所示，MR16DDT 汽油机的最大功率为140 k W，在2 000～5 200 r/min的宽广转速范围内，能达到240 N·m的最大扭矩。上述数值表明，MR16DDT 汽油机能提供顶级发动机水平的动力性能。表2汇总了该汽油机所用技术特点及其对性能的影响。图3和图4为该汽油机燃油经济性与其他机型的比较。

表1 发动机主要技术规格

表2 MR16DDT汽油机的主要机械结构特点

2 专用技术

2.1 燃烧

2.1.1 燃烧概念（图5）

采用广角喷油束和活塞顶凹坑实现壁面引导分层燃烧，它能在冷态运转条件下较快地发挥催化活性。为了保持良好的均匀燃烧稳定性，可依靠压缩冲程后期的强气流来改善滚流。此外，通过优化广角喷油束的贵穿距和喷射正时减少颗粒（PM）排放量，并提高机油的稀释品量。另外，通过增加内部废气再循环（EGR）率，并依靠双CVTC 系统与减少泵气损失的组合，使燃烧效率得到提高。

2.1.2 气缸盖进气道

气缸盖进气道的设计理念是要通过增强滚流来改善均匀空-燃混合气的形成，同时要尽量减少对进气效率的不利影响（图6，图7）。

气缸盖进气道的设计理念如下：（1）直气道改善进气效率；（2）机加工的翻滚边缘使气道下侧气流平滑分层，并增强滚流；（3）喉管部位使强滚流进一步增强，同时尽量减少对进气效率的不利影响。

2.1.3 油束喷射目标

选用广角燃油喷射模式来改善均匀空-燃混合气的形成。最佳燃油喷射模式是通过计算流体动力学（CFD）的计算，并利用混合气均匀度作为性能指标来确定的（图8，图9）。

2.1.4 活塞

活塞顶部形状是基于要形成均匀空-燃混合气的考虑而选定的，采用较小的壁面引导凹坑来改善滚流运动，并使燃烧室的面积与体积之比最小。燃烧稳定性和废气排放性能是通过CFD 计算来评估的（图10，图11）。降低活塞温度是为了减少爆燃，机油从活塞底部喷人活塞冷却油道（图12）。

3 减少机械靡擦

采用下列减摩技术来提高MR16DDT 汽油机的基本性能。

3.1 气缸孔圆度加工工艺

采用一种与目前MR 型汽油机相同的仿真头加工工艺，加工必须在气缸盖与机体像发动机实际装配时一样紧密结合的情况下进行。采用刺状气缸套能增加与铝机体的接触面积，从而改善燃烧室的冷却。此外，由于气缸套的热量比现有气缸套降低了约50%，且气缸套与机体贴附得较紧，从而减少了气缸孔的变形（图13，图14）。

上述技术具有以下优点：（1）活塞环张力的显著减小降低了运动件之间的摩擦，同时还能减少润滑油的消耗；（2）抗爆燃性能的提高使燃烧更好，并且燃油耗较低；（3）气缸体刚性较好，质量较轻。

3.2 其他减靡技术

除了上述改进措施之外，还对造成机械摩擦的其他多个部件作了如下改进：（1）关于气门挺柱，在凸轮轴凸轮接触的挺柱表面涂敷一种无氢DLC 涂层；（2）关于气门弹簧与座圈，采用蜂窝型气门弹簧以减小弹簧和座圈的尺寸及减轻质量（图15）；（3）关于凸轮轴，凸轮采用细小研磨颗粒的豪微级抛光工艺，以使表面粗糙度达到镜面抛光级；（4）关于正时链和机油泵链，导柱接触面的表面粗糙度比目前MR 型汽油机有进一步改善；（5）关于链导轮，采用一种桥式PTFE 导轮；（6）气缸体采用偏置气缸技术；（7）第1道活塞环和油环均采用物理汽相沉积涂层；（8）高压燃油泵应用滚子挺柱。

4 双CVTC和单涡壳涡轮增压器

由于采用双CVTC 系统和单涡壳涡轮增压器，该汽油机实现了低燃油耗、低排放、高功率和大扭矩之间的最佳折衷。

4.1 高功率和大扭矩输出

利用双CVTC 有效地清扫排气，能使更多新鲜空气进人燃烧室。这种扫气效果提高了容积效率，并能增加进人增压器涡轮的废气能量。因此，该汽油机仅采用单涡壳涡轮增压器，也能在2 000 r/min的低转速工况下达到大扭矩。

此外，由于单涡壳涡轮增压器减少了泵气损失，因而能提高功率输出（图16）。

4.2 低燃油耗

该双CVTC 系统允许采用较高的内部EGR率，而单涡壳涡轮增压器是通过扩大通道面积来降低排气气流阻力，以达到减少低泵气损失的目的。这些措施降低了燃油耗（图17）。

4.3 低废气排放

紧凑型薄壁铸造的不锈钢排气歧管具有较低的热质量，它能较快地发挥催化剂活性，可降低冷起动工况的排放。

排气歧管出口设有1个隔板，以减少废气更迭时产生的干扰（图18）。

尽管单涡壳涡轮增压器尺寸较小，但它具有能汇合排气歧管下游4股排气流的较大开口面积。因此，可以利用二次燃烧效应使催化剂温度较快地上升（图19）。

4.4 高精度气门正时控制

气门正时控制精确度的提高及机油供油回路的改进减少了控制的超调量，因而增强了抵抗发动机转速和机油温度变化的能力（图20）。此外，对气门正时控制设置了直接的机油供给回路，以降低机油压力损失，使得机油泵输出量减少约20%（图20，图21）。

5 结语

除了汽油直接喷射系统、单涡壳涡轮增压器和双CVTC系统等主要系统外，新型MR16DDT 汽油机还采用了多种减摩技术，使其在低燃油耗和高动力输出方面达到了顶级水平的发动机性能。此外，涡轮增压器与双CVTC 系统相结合，使得汽油机在中、低转速范围内提高扫气效果的情况下达到了最大的容积效率，并改善了常规涡轮增压器的弱点——节流响应。该汽油机的扭矩特性具有充分的潜力，可以按用户的需求来选择变速齿轮的速比。因此，配装MR16DDT 汽油机的Juke车型已作为加速性能优异的轿车在全球市场赢得了良好的声誉。

此外，新型 MR16DDT 汽油机达到了美国LEV2-ULEV 和欧5 排放要求的低尾气排放水平，并满足了环保性要求。目前，改进该汽油机性能的工作仍在努力进行，以进一步满足日益多样化的客户期望和市场需求。