浅析车用发动机紧凑化布置设计

段昭，龙悦

(上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804)

0 引言

节能减排是当今汽车工业的重要任务，也是推动发动机技术进步和创新的重要动力，为了达到未来更加严格的排放标准要求。发动机小型化和轻量化是改善燃油经济性和减小对环境影响的有效方式，是节能减排的重要途径。同时，汽车造型频繁更新换代，整车配置不断升级，机舱内预留给发动机的布置空间有限。因此，对发动机整体布置提出了更高的要求，追求紧凑化、小外型是发动机概念和布置设计的新趋势[1]。

本文以某直列四缸横置汽油发动机作为研究对象，通过结构和原理分析，找出影响发动机长、宽、高三个方向尺寸的主要因素，提出了紧凑化设计优化方案。

1 发动机坐标定义

为便于研究分析，参照企业标准对发动机坐标系的定义。坐标原点为发动机曲轴中心线与第2和3缸之间中心平面(垂直于曲轴中心线)的交点。X轴为曲轴中心线，前端指向后端为正方向。Z轴为汽缸中心线方向，朝上为正方向。按照右手法则定义Y轴以及Y轴正方向，如图1所示。

图1 发动机坐标系定义

2 X轴向尺寸分析及优化方案

发动机X轴向作为动力输出方向，曲轴和凸轮轴等轴向有关联的零件是影响X轴向尺寸的主要因素。如图2所示，从发动机的结构分析，主要零件包括缸体、曲轴、链(或皮带)系统、附件轮系、凸轮轴、VVL(可变气门升程机构)、VVT(可变气门正时机构)、凸轮轴驱动的高压油泵和机械真空泵等。另外，布置在前端的悬置区域和缸盖后端的零件也是影响发动机X轴向尺寸的因素。

图2 发动机纵向剖视图

2.1 缸径和缸心距

缸径和缸心距是确定缸体X轴向尺寸的重要参数。概念设计阶段，根据发动机排量，确定缸径和冲程的关系(如式(1)所示)。

(1)

式中：S——发动机冲程(mm)；B——缸孔直径(mm)；V——发动机排量(mL)；n——发动机汽缸数。

对于高热效率的混动发动机，一般使用长冲程的设计方案[2]，与传统发动机相比，冲程缸径比S/B偏高，缸径偏小，这样有利于缩减整机X轴向尺寸。

缸心距是缸径与缸体鼻梁区厚度之和。缸套壁厚，相邻缸孔是否加工冷却水孔，以及水孔直径大小决定缸体鼻梁区厚度，如图3所示。为保证缸体结构强度和冷却效果，通过对标和CAE仿真分析，鼻梁区无开孔厚度一般6～8 mm，开孔或开槽厚度约7～12 mm。

图3 缸体冷却水孔示意图

2.2 链(皮带)系统布置

链(皮带)系统包括正时链(皮带)系统、机油泵链(皮带)、平衡轴链(皮带)等。其中正时链(皮带)包括凸轮轴链轮(皮带轮)、链条(皮带)、动轨、静轨、张紧器等。一般布置在缸体前端，布置时建议与缸体、缸盖前端外表面保留3～5 mm间隙。对于多层链条(皮带)布置，如机油泵链(皮带)、平衡轴链(皮带)一般布置在正时链(皮带)内侧(如图4所示)，发动机既紧凑又能提升NVH性能。

图4 链系统布置图

2.3 附件轮系布置

发动机的前端附件，分二种形式：传统带附件系统和混动专用无附件驱动系统(如图5所示)。传统带附件系统包括扭转减振器、水泵、发电机、空压机、机械转向泵等。布置时，皮带、扭转减振器、轮系靠近链条室罩盖，预留安全间隙3～5 mm即可。扭转减振器的位置决定轮系的X轴向空间，采用薄壁罩盖、窄前油封、缩小罩盖与链系统的布置间隙、优化扭转减振器的结构等方案，发动机不仅紧凑，而且附件零件驱动轴力臂短，提高可靠性。

图5 附件系统布置

对于无附件混动专用发动机，建议将扭转减振器布置在前罩盖内侧，这样无需安装前油封，既缩短了X轴向长度，而且减少泄漏点，避免漏油风险。

2.4 曲轴后端长度

控制曲轴后端长度，即优化后端轴承档的宽度，飞轮螺栓拧入深度引起的曲轴后端突出机体后端的尺寸，飞轮与机体后端的间隙。在发动机布置设计时，保证强度和功能的前提下，X轴向尺寸尽量设计较小，需要优化的项目见图6。

图6 曲轴后端布置图

2.5 外围件布置

除了曲轴，依附凸轮轴驱动的零部件布置也会影响X轴向尺寸。凸轮轴前端一般布置VVT，后端布置高压油泵、真空泵等。对于缸盖后端有布置空间的发动机，冷却系统(出水管、节温器、TMM等)、EGR系统倾向布置该区域。优化以上零部件布置，是紧凑型发动机设计的重要措施。

横置发动机悬置支撑点也是影响X轴向尺寸的因素之一。发动机前盖集成悬置支撑特征，并将安装法兰面作倾斜设计，可减小该类型发动机在此处的长度，倾斜角度越大，X轴向尺寸缩减越多，如图7所示。

图7 横置发动机悬置支撑

3 Y轴向尺寸分析及优化方案

影响Y轴向尺寸的主要零部件有缸体、缸盖和外围附件。

3.1 缸体

分析图8缸体模型，缸径、缸套壁厚、水套、缸盖螺栓布置、缸体进排气面壁厚以及曲轴连杆包络等，均影响Y轴向尺寸。对于S/B偏大混动发动机，冲程增大，导致曲轴连杆包络截面变大(图8尺寸y)。

图8 缸体模型

3.2 缸盖

缸盖Y轴向最大尺寸指的是进气面至排气面的距离，配气机构、水套和气道的布置是影响缸盖Y向的主要因素。缸盖总成作紧凑型设计，需要从优化缸盖水套、气道、气门夹角、气门间距、气门升程、气门长度、气门弹簧长度、摇臂和挺柱布置位置等方案进行评估。挺柱布置在进排气门内侧(靠近缸孔中心)，如图9(c)所示，对减小Y轴向尺寸有利，但会增加Z向尺寸。如果布置在进排气门外侧(远离缸孔中心)，如图9(d)， Y轴向尺寸就增大，Z轴向尺寸可减小。

图9 配气机构布置图

3.3 进排气系统及外围件

Y轴向是发动机进排气面方向，大部分附件和进排气系统的布置均会影响Y轴向尺寸。附件如发电机、起动机、空压机、各类泵等。选择体积较小的附件，少用转接支架，是较好的解决方案。采用缸盖集成进排气道设计方案、小惯量涡轮增压器等方案可优化Y轴向布置。

根据变速箱结构，减小发动机与变速箱拼合面的外轮廓也是Y轴向紧凑型设计的一项途径。

4 Z向尺寸分析及优化方案

为满足整车外观造型布置，保证安全碰撞要求，发动机舱盖面高度会被压缩，尺寸减小，呈下降趋势，进而限制了发动机高度的设计空间。因此，控制发动机Z轴向高度是整车布置的重要条件，为了便于分析，将发动机Z轴向高度作分解，见图10。

图10 发动机高度分解图

4.1 缸体高度

缸体高度即曲轴中心线至缸体顶面的距离。它是发动机Z轴向尺寸的关键参数，决定着连杆长度。根据曲柄连杆机构运动规律，由解析几何计算连杆长度与缸体高度的关系：

(2)

式中：L——连杆长度(mm)；H——缸体高度(mm)；S——发动机冲程(mm)；t——缸垫厚度(mm)；δ——压缩余隙(mm)；h——活塞压缩高(mm)；a——曲轴偏置量(mm)；b——活塞销偏心量(mm)。

由公式(2)可以得知，缸体高度越高，连杆长度就越长。如2.1节所述，对于高热效率的混动发动机，一般使用长冲程的设计方案，S/B值比传统发动机偏大，缸体高度和连杆长度较传统发动机都会增加，也会导致发动机Z轴向高度增加，进而使整车前舱布置空间不足。为保证整车布置，缸体高度和连杆长度不宜增加过多；因此长冲程发动机与短高度缸体之间存在设计矛盾，而且也会改变曲柄连杆比λ。λ值将偏大，会使二阶惯性力增大，活塞侧向力增大，发动机NVH性能较差，摩擦功也会增加，建议值1/3～1/4，在控制发动机高度的要求下，λ取0.33[3]。

(3)

图11(a)是用CATIA软件设计的某直列四缸长冲程混动专用发动机概念设计方案(运动件骨架线)。

图11 活塞连杆与缸套概念模型

由于冲程缸径比S/B较大，为了保证连杆包络与缸套底部间隙满足布置要求，缸体高度需加高，整机高度也会增加，这样不利于动力总成在前舱布置。如果要保证动力总成在整车前舱的布置，必须要控制发动机的高度，缸体的高度必然压缩，这样可能导致连杆包络与缸套发生干涉，如图11(b)所示。

根据公式(2)和图11(a)模型分析，实现紧凑化发动机设计，解决此处干涉问题，可以从以下方面进行优化：①适当降低活塞压缩高，对标的混动发动机最小压缩高可达24～27 mm；②保证连杆强度前提下，缩小杆身截面“工”字型宽度W，减小杆身变截面倾斜角α，甚至设计为0度角(如图12所示)；③缸套底部切割(如图13所示)，该设计方案已有主机厂实施，但切割区域不宜太深，特别是镶铸铁缸套的铸铝缸体，加工难度较大，设计时需考虑工艺可行性；④保证活塞安全导向前提下，适当减小缸套有效长度。但缸套长度不宜过小，活塞导向距离减小，发动机NVH性能也会下降；⑤合理减小活塞裙部导向长度(即活塞销孔中心至缸套下底面的距离)，根据咨询公司和供应商经验，导向长度L1≥15%B(B为缸孔直径)；⑥减小曲轴偏置量；⑦减小活塞销偏心量。其中优化途径⑥和途径⑦，连杆布置靠近缸孔中心，连杆包络在主推力面和副推力面处与缸套的间隙差值较小，相对均衡。不过相对较大曲轴偏置量和较大活塞销偏心量方案，发动机摩擦功会增大，需权衡考虑。

图12 连杆优化方案图

图13 缸套底部切割图示

4.2 缸盖高度

缸盖高度即缸盖下底面至凸轮轴中心平面的距离，它受配气机构布置的影响，紧凑化设计参照本文3.2节说明。

4.3 曲柄连杆包络高度

曲轴连杆运动包络高度即曲轴中心线至曲柄连杆包络下底面的距离。包络外边界主要是曲轴平衡块包络和连杆大头运动包络组成。布置要求曲轴包络Z轴正方向不允许与活塞和缸体干涉，Z轴负方向与挡油板和最大机油液面保留安全距离，保证不搅油。减小连杆轴颈和曲轴平衡块直径，有利于压缩运动件包络的高度。

图14 曲柄连杆机构布置图

4.4 储油高度

储油高度即曲柄连杆包络下平面至油底壳下底面的距离。为了避免运动件搅油，要求机油在最大加注量条件下，机油液面与运动件包络距离不小于10 mm[4]。保证发动机吸油能力情况下，油底壳设计成“浅盆”型较好，避免“深坑”型，推荐图15(a)方案。

图15 油底壳示意图

4.5 缸盖顶部高度

缸盖顶部高度即凸轮轴中心线至发动机最高点的距离。顶端主要布置凸轮轴罩盖、呼吸系统、VVL、点火系统等，整车行人保护面是发动机顶部布置边界，一般前低后高，见图16。发动机最高零件建议布置在机舱的后方(靠近驾驶室)，缸盖顶部零部件与行人保护面作随型布置。优化发动机在整车的布置倾角β，也利于缸盖顶部零件的布置。

图16 缸盖顶部布置图

5 整车前舱布置

以前进后排横置发动机的前舱布置为例，车用发动机在机舱布置环境如图17所示，动力总成必须满足前后左右上下布置要求。发动机X轴向与纵梁需保留20 mm安全间隙，同时还要考虑动力总成装配时举升的空间要求。Y轴向需保证散热和避免排气热辐射危害。Z轴向对混动长冲程发动机布置要求更高，离地间隙和与行人保护面的间隙必须满足法规要求。因此整车总布置更需求紧凑型发动机。

图17 前舱布置图

6 结论

无论是传统发动机，还是混动发动机，紧凑型发动机开发不仅有利于整车布置，而且对减重减摩，降本增效，节能减排都有较大的贡献。车用发动机开发可以从以下方面考虑：

(1) 在概念设计阶段需结合布置边界，从XYZ轴三个方向综合分析，确定合理的发动机基本结构参数。

(2) 在布置阶段，零部件、系统和整机需采用有利减小整机长宽高(XYZ轴)的设计方案，控制发动机本体外型尺寸。

(3) 利用发动机前舱空间，布置最优动力总成位置及倾角，在整车布置环境下实现紧凑型设计。