马自达汽车公司新型Skyactiv-G 1.5汽油机的开发

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0 前言

马自达汽车公司从开发第一代双座敞篷跑车(Roadster)起，就将追求“人车合一”作为产品开发理念。第四代新型汽车Roadster(图1)继续将“人车合一”设定为开发目标，并为保护环境，不断进行发动机技术创新，同时，对Skyactiv发动机技术进一步提高，使具备驾驶愉悦性等潜在优势的发动机技术得到发展。将良好的驾驶体验作为研发新技术的前提，马自达公司开发了Roadster新型Skyactiv-G 1.5车用汽油机(图2)，下面将介绍该发动机的各项性能与采用的技术。

图1 马自达公司的新型Roadster汽车

图2 配装于新型Roadster车的Skyactiv-G 1.5发动机

1 Skyactiv-G 1.5汽油机开发目标

新款汽油机将配装在Roadster跑车上，并要满足逐年收紧的排放法规限值。新款发动机按照Axela车用Skyactiv-G 1.5发动机技术规格，要利用高压缩比来改善燃油经济性，不断提高热效率并降低排放，为了使驾驶者感受到良好的驾驶性能，以实现强劲的动力性能为目标进行技术开发。

2 开发理念

发动机本体除了在致力于Skyactiv-G[1]开发中实现理想的燃烧方案外，为了实现轻松愉悦的驾驶体验，追求轻松起步、强劲动力等各方面性能，以及为了适应前置后驱车上前部、中部配装发动机的需求，实施了发动机的小型化、紧凑化和轻量化。

活塞顶部凹坑形状会对实现理想的燃烧方案产生直接影响，为实现滚流强化的进气道及燃烧室形状，对气缸进行小缸径设计，燃油喷射系统等沿用自Axela车上配装的Skyactiv-G 1.5相同的技术，表1列出了具体的发动机技术规格。

3 发动机性能

3.1 致力于提高发动机转速

为了保证发动机在高转速时仍能保持起动顺畅，并满足加速平稳的开发目标，需要将基础发动机的极限转速提高1 000 r/min，将新型Skyactiv-G 1.5的极限转速设定为7 500 r/min。随着发动机转速的提高，往复运动系统的惯性负荷也随之增加。因此，要提高曲轴的刚度，需要提高曲轴平衡度。要实现曲轴的高刚度化，选择采用钢材作为曲轴材料，使腹板形状最佳化，相比基础发动机曲轴刚度提高约16%，采用完全平衡重结构，使平衡重的布置最佳化，提高了曲轴平衡度，使之顺利达到7 500 r/min的转速。新款发动机以抑制共振频率为目标，也使平衡重周边(结构)形状得以最优化(图3)。

表1 Skyactiv-G 1.5 2款汽油机技术规格

图3 曲轴

3.2 加速响应性的研究

为实现适应于跑车的快速加速响应性，马自达汽车公司致力于降低主运动系统零件的惯性。除了要求飞轮有迅速的加速响应性外，还要求具有变速换档的操作感，故采用了新设计的整体飞轮(图4)。通过重新评估整个动力设备的减振(振动衰减)措施，降低飞轮惯量17%，减轻飞轮质量9%，使空转时的转速上升率提高150 r/s，从踩踏加速踏板到产生 0.1 G(重力加速度)的定时缩短10 ms，从而实现了轻快而灵敏的加速响应性(图5)。此外，活塞与连轩等往复运动系统零件在不增加质量的条件下，满足高转速要求，兼顾了多种条件的要求。

图4 飞轮

图5 响应性的改善

3.3 发动机扭矩特性

新型发动机除了要在日常工作范围内具备感观平衡的加速运转的扭矩特性外，还需要能够实现跑车所要求达到最高转速的加速性能，因此踩加速踏板的加速响应是最重要的。对于加速度的变化，使用对加速度微分的跳动度指标进行实车评价。设定了体感在持续加速的跳动度影响下的下限值。在满足该下限值之后，达到平稳加速特性目标(图6)。

图6 加速度概念

3.3.1基于进、排系统的研究

图7 关于排气歧管的发动机转速跳动效应

Skyactiv-G发动机排气系统的特征采用4-2-1排气歧管，前置消声器和主消声器的回流负压力波按照进气门与排气门的开、闭重叠期进行调整，进而控制发动机转速的方式[1]。为了实现前文所述的相比原发动机转速提高1 000 r/min的目标，以及设定维持达到最高输出功率点的发动机扭矩特性。考虑高转速的要求，调整了到排气歧管集合部的长度。具体做法是，考虑了排气凸轮转角的变化后，由于设定到排气歧管集合部的废气通道的长度为450 mm，就能按照转速4 500 r/min及6 000 r/min进行调节了。前置消声器与主消声器在车辆上的布置位置进行了最优化处理(图7)，以便分别按转速3 500 r/min及2 000 r/min进行调节。

由于排气歧管的调节点适应高转速，在低、中转速区域产生的体积效率出现降低的缺陷。通过使进、排气系统的阻力降至超低水平，消除了这些缺陷。关于进气系统，扩大节流阀内径，使吸气通道最狭窄部位断面积扩大了30%。关于排气系统，随着各部位直径扩大，以及适应于配装于后驱车辆的需求，将排气歧管做成了直通型(图8)。由于这些措施，使进气系统的进气阻力及排气系统的背压相比Axela车用Skyactiv-G 1.5发动机降低了25%。

图8 排气歧管形状的改进

3.3.2降低泵气损失

新型发动机开发了专用气缸盖，内置了在全转速及全负荷区域显示高平衡的气门开启角为249°CA的广角排气凸轮与扩大排气道的低背压排气系统(扩大的排气道回路布置在气缸盖上)。由于组合了广角排气凸轮与低背压的排气系统，抑制了高转速工况时的排气背压损失。同时，利用改善爆燃提高了效率，也减少了残余气体。

3.3.3降低机油阻力的研究

扩大了曲轴箱内各气缸间的机油流动面积，降低了高转速工况下的机油阻力。

3.3.4发动机扭矩曲线

为了实现发动机高转速，降低泵气损失及机械阻力，优化进、排气系统，充分地维持了中、低速范围的发动机扭矩，并实现了平稳加速达到最高转速的发动机扭矩曲线(图9)。

图9 节气门全开(WOT)时的性能(曲线)

3.4 发动机声音

为了在驾驶员施力于加速踏板时有适时的反馈，得到操控的声音反馈特性，完全消除了噪声，在低转速区域实现轻快感；在中等转速区域强调强劲动力的跳动感；在高转速区域，实现低噪声的发动机声音特性目标。

在低转速区域，通过强调有清脆的排气声音。作为4缸发动机的基本旋转次数及其倍音(高八度或十六度)成分的偶数次数，为了设定清脆的排气声音，使各气缸的燃烧压力波进干涉均等，采用了等长度的4-2-1排气歧管。此外，由于主消声器内管道及扩张室的共振，强调了低转速区域的发动机旋转的4次及6次的排气声压(130～250 Hz)。而且，为了抑制由于以100 Hz频率的车体机舱空间与排气声音共振而产生的噪声，在主消声器内设置了100 Hz的亥姆霍兹谐振器(图10)。由此，实现了低速区域的低噪声效果。

图10 主消声器结构

为了在中等转速区域营造出有强劲动力的感受，要对动力设备振动向车体的后部传递的差动装置的振动特性进行调整，营造出良好的振幅调节声音。为了利用中等转速区域与发动机转速的4次及6次相邻的50%成份干涉效应，以实现振幅调制声音的主观感受，将振动特性调谐到350 Hz。

从高转速区域来看，使用了原版Roadster车一直采用的感应音响增强器(ISE)[2]，营造出发动机4层清脆吸气声音，图11表示新型Roadster车上采用的ISE概况图。原版Roadster向发动机的上罩板内敞开，而新型Roadster车的上贯通隔板，采用了直接向机舱内敞开的布局。由于这种布置，司机踩踏加速踏板时，能够更直接地营造出高转速区域内发动机从300～400 Hz 4次成份的吸气声音。

图11 新型Roadster车上的ISE布置

图12 车内声压图

图12表示使用排气噪声、动力设备振动噪声、进气噪声，实现的新型Roadster车与Axela车配装1.5 L发动机的全开加速车内声压图。与类似于乘用车的Axela车的声音进行比较，实现了与跑车相当的从低转速到高转速运行的发动机声浪。

4 致力于发动机轻量化与小型化

4.1 利用发动机配装位置以实现轻量化

为实现发动机机体的轻量化，将配装于发动机后驱车上的发动机安装位置布置在动力设备变形处(图13)，并力求降低向车辆传递的振动能级。此外，实施了机体的加强筋配置及壁厚的优化，由4 mm降至2.5 mm，实施了与变速器连接形状的优化(图14)。由于采用了这些措施，气缸盖与气缸体减轻了约2 kg。

图13 发动机最优化安装位置

4.2 利用冷却系统管道布置以实现轻量化研究

在冷却系统的管道布置方面，为了将排水口布置在车辆前方，用最短的方案进行冷却水道连接，重新设计了机体及气缸盖，使冷却水的流动方向由配装于前驱车的U形流动变更为纵向流动，相比于原发动机的冷却管道系统减轻了0.8 kg(图15)。

此外，从开发初期起，生产部门与产品研发部门同时开展了详细的发动机形状研究，并行开展处理活动，通过主消声器壳体的薄壁化由1.2 mm降至1.0 mm，以及生产加工基准部位的变更平衡调整线等措施，相比配装于Axela车的Skyactiv-G 1.5发动机质量减少了17 kg。

图15 冷却系统的比较

4.3 对降低发动机高度的研究

图16 新型Roadster车用驾驶室布置

新型Roadster汽车精心考虑了驾驶员的乘坐体验，并进行驾驶室的设计，追求车与人的整体性。并且，为实现与跑车相适应的尺寸比例，驾驶员的就座位置比以往车辆降低了20 mm，为确保驾驶员的视野，需要降低28 mm的机罩高度(图16)。发动机比配装于Axela的车用Skyactiv-G 1.5发动机总高度降低了20 mm。为满足这一要求，进行了相关结构的变更，如扩大油盘与下部机体的宽度，进而降低发动机高度。旋转时发动机油容易形成倾斜，但是，使油盘形状最佳化，就能确保适当的油面结果表明，使发动机总高度降低了20 mm，即可实现发动机低重心化(图17)。

图17 发动机高度降低

5 结语

为开发符合于马自达公司第四代Roadster汽车要求的新型发动机，以配装于Axela车的Skyactiv-G 1.5汽油机为基本机型，重新设计了主运动系统、气缸盖、机体，进、排气系统，冷却系统等零部件。

通过有效开发Skyactiv-G 1.5汽油机系列的技术平台，力求缩短开发周期及实现投资的高效率化实现高的性价比，开发出了能够配装于Apho车型的双座敞蓬跑车，并实现了汽油机理想燃烧效率的专用发动机。