新一代进气道喷射自然吸气汽油机开发

平银生 张小矛 宋文倡 徐 政 王延亮 殷 闻 阿苦伍各 周 舟

(上海汽车集团股份有限公司乘用车公司技术中心，上海 201804)

0 前言

近年来，燃油耗法规日趋严苛，预计到2020年整车新欧洲行驶工况(NEDC)燃油耗需达到百公里5．0 L。为了减少能源消耗和地球温室效应，保护生态环境，各大汽车公司都在致力开发小排量的经济节能型环保汽车发动机［1-3］。虽然小排量涡轮增压缸内直喷是目前汽油机开发的主流技术，但是对于家用普通轿车和混合动力轿车，进气道燃油喷射(PFI)自然吸气汽油机仍能满足这一市场需求，该类发动机具有成本低、质量轻和热负荷低等优点。另外，从兼顾现有发动机生产线、降低生产成本等方面考虑，提升自然吸气PFI汽油机性能的这一课题也非常重要。基于以上原因，上汽在现有1．5 L汽油机的基础上开发了新一代的汽油机，以满足客户需求。

1 开发目标及主要技术规格

新一代PFI自然吸气汽油机主要开发目标是:(1)NEDC工况综合油耗在原机基础上降低5%，油耗在同类机型中处于领先水平;(2)升扭矩大于90 N·m，升功率大于52 kW，动力性在同类机处于先进水平;(3)排放满足欧6c法规;(4)成本具有竞争性。为了降低油耗，新一代发动机通过优化燃烧系统，采用阿特金森循环，并提高压缩比，提高燃烧热效率，降低燃油耗。通过降低摩擦损失，进一步降低燃油耗。通过优化进、排气歧管结构尺寸，提升动力性。采用多孔喷油器，优化喷雾特性，满足排放法规要求。主要技术规格如表1所示。

表1 发动机主要参数

2 燃烧系统开发

新一代发动机的燃烧系统如图1所示，为了提高气道滚流，增加缸内油气混合湍流动能，提高燃烧热效率，新机型采用带遮挡式(Masking)的燃烧系统设计。为了降低泵气损失，采用阿特金森循环进气，优化活塞顶部形状，压缩比提高到11．5，并且优化进、排气歧管以保证发动机外特性。为了改善喷雾油束湿壁现象，优化设计了喷油油束布置，减小冷起动排放。

图1 新机型燃烧系统

2．1 气门尺寸优化

气门尺寸是燃烧系统开发的关键尺寸，直接影响发动机的动力性和燃油经济性，气门直径一般采用β值来评估，该值越大表示充气潜力越大，该值受限于气门与火花塞和缸套等零件距离的约束。β值计算公式如式(1)所示:

其中，n为单缸的进或排气门数;dv为气门座圈最小内径;B为缸径。

图2 进、排气门β值

新一代发动机通过增加进气门β值6．4%，排气门β值增加16%，大幅提高了进气充气效率，降低了泵气损失，有利于提高扭矩、降低油耗。

2．2 气道开发

新一代发动机采用遮挡式进气道的流量系数和滚流比，如图3所示。通过优化进气道，流量系数较原进气道虽然在低升程有所降低，但中高升程提升8%左右，滚流比在低升程大幅提高，中高升程滚流比基本一致。在气道数据库中，新进气道较原气道的平均流量系数和滚流比均有提高。

排气道流动阻力小有利于废气更顺畅地排出燃烧室，减小泵气损失，进而改善油耗。减小原机型排气道的流动阻力就是要提高其流量系数。如图4所示，改进排气道形状后比原排气道更顺畅。气道吹风试验结果表明，新排气道的平均流量系数较原排气道提高10%左右。

图3 新进气道与原气道流动性能对比

如图5所示，新一代发动机的缸内瞬态滚流较原燃烧系统高，图6显示由于滚流比更高，新机型在缸内能形成更有规律的流场，有利于增强缸内湍动能，提高燃烧热效率。

2．3 气体交换优化

如图7所示，在部分转速2 000 r/min、平均有效压力(BMEP)为0．2 MPa的工况下，由于采用阿特金森循环，新机型在进气过程进气门晚关，节气门开度增加，泵气损失较原机型大幅下降，由于压缩比提高，新机膨胀功较原机增加，在相同的BMEP条件下，指示有效压力(IMEP)降低，因此可减少喷油量，从而降低了4．3%的油耗，降幅明显。

图4 新排气道与原排气道流动性能对比

图5 新燃烧系统与原机型缸内瞬态滚流比对比

图6 新燃烧系统与原机型缸内流场对比

图7 新机型p-V曲线与原机型对比

新机型虽然采用阿特金森循环能降低油耗，但是其中不足是充气效率下降，导致扭矩降低，为了提升扭矩，图8显示了采用新的排气歧管后大幅提高了中高速充气效率，进而可以显著提升外特性扭矩;图9所示，通过采用较长的4-2-1型式的排气歧管，避免了各缸充气效率干扰，同时增加了排气的谐振效应。

图8 新机型优化排气歧管提升充气效率

图9 新机型与原机型排气歧管对比

2．4 喷雾油束与气道匹配

为了减少喷雾油束在气道上的粘壁量，降低碳氢化合物(HC)排放，优化油束与气道的匹配工作至关重要。图10为新机型喷雾油束与气道匹配，从主视图看，油束主要落在气道下侧，从俯视图看，油束落在气道中间位置。如图11所示，有些数据库的同类机由于喷油雾化不佳，在喷油器出口容易产生滴油现象，新机型喷油器采用6孔，雾化质量较好，不产生滴油现象。如图12所示，随着进气门升程打开，粘在气道上的燃油湿壁量显著减小，在喷油器出口的气道处，新机型湿壁也较少，因此新机型油束与气道匹配设计较合理。

图10 新机型喷雾油束与气道匹配

图11 新机型喷雾油束情况

图12 新机型喷雾油束与气道在不同气门时刻匹配

3 热管理系统优化

新一代发动机型在原机型上重新优化了热管理系统。相对于原机型，为了减小进气加热，提高充气效率，如图13所示，新机型取消了缸盖进气侧水套，同时缩短了机体水套高度，从而减小了整体发动机水套容积。通过优化水套设计，如图14所示，新机型的缸盖和机体的流速较原机均提高，这样有利于冷却，防止爆燃。由于减小了水套容积，如图15所示，新机型较原机型缩短了8%的暖机时间，有利于降低油耗和冷起动排放。

图13 新机型水套与原机型对比

图14 新机型水套流速与原机型对比

图15 新机型暖机时间与原机型对比

4 降低摩擦损失

减小发动机的摩擦损失对降低油耗至关重要，其中，活塞摩擦约占发动机总摩擦的30% ～40%，比例最高。新机型通过减小活塞环弹力，增加活塞涂层，降低了活塞组件10%的摩擦。图16为新机型与原机型曲轴设计比较，新机型曲轴在经过拓扑优化设计后，总质量减轻了1．19 kg，尺寸减小了11．3%，同时曲轴平衡率提升12%左右，达到了89%左右。新机型曲轴的连杆轴颈从48 mm减小到43 mm，连杆轴颈直径的减小使得连杆大头轴承摩擦功降低约25%左右。

图16 新机型与原机型曲轴比较

新机型针对曲轴油封也进行了减摩，通过橡胶弹簧油封配合聚四氟乙烯(PTFE)涂布材料，相对原机普通的PTFE减少了摩擦损失约10%。另外，如图17所示，为了减小水泵的摩擦功，在满足冷却的前提下，减小了水泵的排量。

图17 新机型与原机型水泵比较

对于配气机构，新机采用了蜂窝状弹簧，气门杆径从6 mm减小到5 mm，质量减轻，因此可以减小弹簧预紧力。另外，如图18所示，通过优化正时链导轨型线，减小了正时链弹力，进一步降低了配气机构摩擦。

如图19所示，通过活塞组件、曲轴、配气机构和水泵等大量的减摩措施，机械摩擦损失减小了8%，NEDC工况下油耗降低1．5%左右，降幅明显。

图18 新机型与原机型正时链及机油泵传动系统比较

图19 新机型与原机型摩擦损失比较

5 改善振动噪声

新机型通过一些措施改进了振动噪声性能，首先改变机油泵传动，如图18所示，从链传动改为皮带传动，套筒链改为静音链，对前端盖板进行了拓扑优化，大幅降低了前端振动噪声。另外通过降低转速等措施，怠速噪声降低了6%，外特性新机型噪声降低了3%左右(图20)，高速由于兼顾外特性扭矩，优化了排气歧管设计，噪声略有升高，对于整车常用工况(低于4 000 r/min)，可以接受。

6 性能试验

通过前期大量的设计和计算机辅助工程(CAE)分析优化，如图21所示，新机型外特性扭矩较原机型提高了4% ～10%，动力性满足开发目标。图22表明，在2 000 r/min，BMEP为0．2 MPa的部分负荷工况下，油耗降低了7%左右，在数据库中处于较有竞争性的位置。如图23所示，在冷起动工况下，新一代发动机较原机型而言排气热流量提高34%，HC排放降低了56%，排放达到欧6c排放标准。

图20 新机型与原机型外特性噪声比较

图21 新机型与原机型扭矩比较

图22 新机型与原机型油耗比较

7 结论

图23 新机型与原机型冷起动排放比较

为满足市场需求，上汽开发了新一代PFI汽油机。通过前期大量的CAE分析，新机型优化了燃烧系统，包括遮挡式进气道和排气道，通过采用阿特金森循环，提高压缩比，提升了燃烧热效率，降低了油耗。

通过气体交换分析，增加了进、排气门直径，优化了进、排气歧管设计，提高了充气效率，提升了扭矩和功率。采用了大量的降低摩擦损失措施，进一步降低了油耗。通过优化水套，缩短了暖机时间，改善了发动机热管理。通过优化曲轴设计和机油泵传动，改善了振动噪声。

新一代发动机在原机型的基础上降低了5%的NEDC综合工况油耗，动力性提升5%左右，排放满足欧6c排放法规，噪声、振动与平顺性满足要求。新一代汽油机在同类机中综合性能处于领先水平。

［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．