高功率发动机的设计——第一部分:结构、冷却和适用性

【奥】 W．Schöffmann H．Sorger F．Zieher M．E．Hammer

1 用于汽油机和柴油机的高效强化方案

汽油机和柴油机以降低燃油耗为目标的方案和以极限功率为目标的方案之间存在着极大的差异，其中都采用了增压和缸内直接喷射［1-2］。高效方案的难点在于气门机构的可变性、废气再循环(EGR)，以及采用了更多的米勒循环或阿特金森循环加长膨胀行程，而部分负荷效率与高升功率的组合则需要应用可变压缩比。鉴于发动机模块化结构，安装在常规的基础发动机结构之上的可转换系统是具有一定吸引力的。

可变气门机构对于柴油机也具有越来越重要的作用，从而在排气侧提供了提高废气温度的可能性，在进气侧则提供了限制必需的爆发压力的可能性。

与加大排量的高功率方案相比，运动型轿车的顶级机动性目标是在提高工作效率的同时，兼备高动力性能与良好的驾驶灵活性。

2 模块化发动机组合部件

目前，增压汽油机机型的升功率覆盖了约70～100 kW的范围，而高达200 kW的升功率机型正在开发之中，其爆发压力要求提高到15 MPa。最高功率的机型在特定的转速范围下，被设计成固定压缩比和固定气门升程，并在燃油耗方面有所折中。

目前，柴油机覆盖了小于80 kW的宽广的升功率范围，而高功率机型的开发则达到了90～100 kW。用于量产轿车的超过100 kW升功率的柴油机仍待讨论。在峰值压力必需在大于等于22 MPa的情况下，就会对成本和摩擦损失形成挑战。

表1列出了汽油机功率变型的技术规格，表2列出了具有高成本效益的单缸排量0．5 L的4缸柴油机的技术概况。用于汽油机和柴油机的功率变型各被设计成5个等级。

表1 汽油机功率变型的技术规格

表2 单缸排量0．5 L柴油机功率变型的技术概况

3 增压方案

表1中功率变型的区别主要表现在增压机组复杂性的不同。高达130 kW升功率的汽油机变型都采用传统的废气放气阀控制的废气涡轮增压器，而柴油机变型至约70 kW升功率采用单级可变涡轮几何截面增压器，采用两级顺序串联涡轮增压则可覆盖80～90 kW的升功率范围。

应用电动增压器(e-SC)能在瞬态运行和低转速范围内与涡轮增压器协调调节到高负荷范围，这样一方面能将单级涡轮增压技术应用扩展到更高的升功率，另一方面能通过与两级涡轮增压组合，在及时满足加速响应特性的同时实现高的升功率。

图1示出了高功率汽油机变型的涡轮增压器机组和增压空气冷却器的示意图，应用了具有单级涡轮和两级压气机的2个涡轮增压器，目前尚处于开发阶段。在开发方案中，2个涡轮增压器的压气机侧集成了1个电机，可供选择。而作为升功率大于100 kW的高功率柴油机上的增压方案，则借助于压气机的类似两级压缩，或者两级涡轮增压与e-SC的方案。

图1 升功率为200 kW的汽油机变型的增压机组方案及示范机型

4 模块化部件结构

模块化部件结构型式能使1个发动机系列中的所有变型机都具有明显的成本优势。无论是汽油机还是柴油机，对于最高功率的变型机有时候采用特殊的方案更具目标导向性，可使量产的发动机机型不会增加其他负担。

鉴于未来发动机的燃油耗要求，采取了多种措施降低机械损失，包括:(1)曲轴-活塞中心线偏移量;(2)采用长的连杆杆身(L/r＞3．3);(3)减小气缸套变形和中心架珩磨;(4)气门机构采用低摩擦的滚轮摇臂和液压挺柱;(5)减小主轴承直径;(6)可开关的活塞冷却机油喷嘴(气缸体曲轴箱中具有分开的机油通道);(7)分开式机油循环回路(分开式冷却);(8)链或皮带传动机油泵，压力和体积流量可调。

其他的附加措施也能在生产和装配方面以很小的变化在现有的生产中实现，如:电子控制节温器、滚动轴承质量平衡轴、减小摩擦的涂层(例如活塞环和活塞销)、凸轮轴滚动轴承(第一道轴承)和可调式高功率水泵(密封件，叶轮)。

在所有的功率变型中，这些提高效率的组合措施是进一步降低燃油耗的基础。

5 气缸体曲轴箱

AVL公司已为汽油机和柴油机系列同时开发了用于18 MPa爆发压力的压铸气缸体曲轴箱，能够覆盖发动机系列中的高升功率。最高功率发动机采用带泥芯的重力铸造工艺制造的高强度铸铁结构或铝气缸体曲轴箱。铝气缸体曲轴箱能明显改善材料性能，并与气缸工作表面涂层相结合，为高功率机型提供了最大的潜力。用于小型化方案的薄壁铸件既具有高的负荷承载能力，又具有竞争力优势的总质量和良好的振动-噪声-平顺性(NVH)特性。用于爆发压力高达23 MPa的2．0 L柴油机的蠕墨铸铁(CGI)薄壁铸造方案的发动机质量仅比顶面封闭的铝气缸体曲轴箱增加了10 kg。在采用模块化组合部件的同时，在1个发动机系列中铝和CGI铸铁深裙型气缸体曲轴箱尽可能采用可互换的统一装配方案(图2)。

图2 用于高功率汽油机的铝气缸体曲轴箱和用于柴油机的蠕墨铸铁薄壁气缸体曲轴箱示意图

6 气缸盖

具有紧凑结构的气缸盖、分开式压铸凸轮轴模块的模块化气缸盖和气门机构的结构型式，由于具有相同的气缸盖高度(图3)，因而允许汽油机和柴油机采用统一的主要加工工序。除了节省成本和减轻质量之外，这种结构型式具有应用不同可变气门机构系统的灵活性。

在高功率变型机上，大量进入冷却系统的热量可能限制了应用整体式排气歧管的可能性，但是采用陶瓷涂层的局部隔热排气管道为高功率变型汽油机和柴油机提供了新的可能。

用于高升功率的气缸盖必须能够在最小的冷却液容积、压力损失和冷却液流量情况下对处于临界状态的气门座“鼻梁”、喷油器和火花塞进行有效的冷却。从顶面向下流动的高效冷却方案(图3)包括排气门之间的高效冷却喷嘴，其中还试验了适合于量产的气门座圈冷却。气缸盖的材料对于其长久使用寿命具有决定性的意义，而用于中等升功率的铝硅合金铸铁是1种久经考验的材料，而铝铜基合金铸铁材料也显示出了其使用寿命的潜力。

在系列机型中应用的气门机构可变性，在中等功率等级的汽油机上包括进排气侧气门升程的转换与进排气两侧凸轮轴相位调节器(DVVT)相结合，而在最高功率等级汽油机上，由于额定转速高达8 000 r/min，则采用固定气门升程和进排气2侧凸轮轴DVVT。柴油机方面，进排气侧气门升程转换用于最高功率等级机型，以及考虑使用排气相位调节(VVT)。

图3 汽油机变型的模块化气缸盖及其冷却方案

7 高功率发动机的适用性——使用方式

为了在量产中确保最高功率发动机的可靠性，现行适用性程序的匹配是具有目标导向作用的。AVL公司设计的适用性规划(DVP)将试验性和适用性目标结合起来，称为“AVL-负荷矩阵(AVL-LM)”方式。这种方式是将零部件和故障方式(失效模式)与持续运行程序连接起来，凭借AVL-LM在1个4级过程中所必需的试验及其运转时间系统分析、标定和目标值、试验程序和负荷分析，最后进行评价和优化。

根据标定的不同，可获得不同的汽车使用参数。图4(a)示出了赛车和运动型多用途汽车(SUV)应用场合的高功率等级汽车典型使用状况，其中图4(b)显示的赛车赛道使用情况值得关注，因为对于SUV而言，在高速公路以及在山区或坏路面挂车行驶时的负荷较大。

图4 SUV和赛车用户使用范围参数和赛道赛车的负荷分布示意图

8 试验程序和评估

高功率发动机气缸盖的评估是通过峰值压力和气门座“鼻梁”的热机械疲劳考察高循环疲劳，测量参数是加速因数和相对累积故障(RAD)。为了确保赛车和SUV的应用，超过22 000 km的赛道试验以相对RAD 1．3倍的参数值提供当量故障份额(图5(b))，而且持续运行约300 h热冲击也是十分重要的保障。

热机械疲劳(图5(b))表明了SUV用途有较高的热机械故障，而赛车的赛道负荷所发生的故障相当于150 000 km的行驶里程。若考虑到热惯性的影响，就必须修改300 h热冲击持续运行方式，从而在气门座“鼻梁”处就能在时间小于15 s的情况下达到1个数值，并通过优化试验或延长运行时间就能推断出在保障方面存在的缺陷。

9 结语和展望

确定了汽油机和柴油机在具有一般功率和平均有效压力的燃油耗导向方案与极限功率导向方案之间所存在的极大差异。与传统的强调排量的高功率动力装置相比，运动型轿车的顶级机动性目标是在提高效率的同时，将高性能与灵活的驾驶性相结合。应用计算机辅助工程工具支持方案选择和优化开发过程。为了确保量产中高功率发动机的可靠性，要求进行现行的适用性程序匹配，在这方面AVL公司在开发中运用了DVP。这种规划将试验任务(如正面加载和性能试验)与确认内容(在试验台和汽车上的持续运行检验)结合起来，而负荷矩阵方式是在考虑到用户和使用状况情况下确认规划的目标基础。

图5 赛车和SUV因高循环疲劳和热机械疲劳时气缸盖的相对累积故障

［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．