马自达汽车公司的新型Skyactiv-G 汽油机

【日】 Tsuyoshi G Ritarou I Masahisa Y Masami N

0 前言

马自达汽车公司预测，到2020 年，内燃机在汽车动力装置中仍将占主导地位。在这一背景下，应该优先提高内燃机的效率，因为这能对环保型汽车产生最大的市场效果。

马自达汽车公司认同这样的观点：无论是汽油机，还是柴油机，在通往理想内燃机的道路上追求着相同的开发目标。为使这2类发动机更接近这一目标，该公司已对2种发动机进行了取长补短，并进一步提高两者的强化程度（图1）。为此，新开发了2种发动机，即2.0 L Skyactiv-G 自然吸气汽油机和2.2 L Skyactiv-D 增压柴油机。将来，这2 种机型有可能投放欧洲市场。

1 Skyactiv-G 汽油机的开发目标

与柴油机相比，汽油机在压缩比和节流损失方面存在缺陷，因此，为使汽油机接近理想的燃烧方案，首先必须改善上述情况，并进一步扩展其机械损失方面的优势。

在这一背景下，马自达汽车公司确定了Skyactiv-G 汽油机的总体技术目标。与目前马自达汽车公司的进气道燃油喷射（PFI）汽油机相比，在新欧洲行驶循环（NEDC）中，燃油耗降低了15%，而在整个转速范围内功率提高了15%。为了达到上述指标，Skyactiv-G 汽油机制定了如下技术目标：（1）将压缩比提高到14.0；（2）为了能达到极高的压缩比，采用自然吸气机型；（3）虽然采用高压缩比ε＝14.0，但不延长燃烧持效期；（4）减少节流损失20%；（5）减少机械损失30%；（6）提高充气效率10%。

2 高压缩比汽油机面临的挑战

开发高压缩比汽油机遇到2 个前所未有的困难：（1）在高负荷时爆燃倾向增大，必须调晚点火定时，这将会降低发动机的扭矩；（2）在环境温度较高和辛烷值较低的情况下，提前着火的危险性增大。因此，最重要的任务是要防止出现非正常燃烧（爆燃，提前点火）。

3 爆燃引起的功率损失

图2示出了在开发初期采用的传统技术，以及当压缩比ε从11.2提高到14.0时缸内直接喷射汽油机的功率损失。此时，1 500 r/min时的点火定时不得不被明显推迟，导致扭矩损失7%，而这一扭矩损失仍比马自达汽车公司最初预计的少，而且即使当压缩比ε提高到15.0时，扭矩特性曲线也仅略有下降（图2）。燃烧分析表明，由于压缩比的提高，在点火前出现较弱的放热反应（低温氧化），从而导致了扭矩的下降。综上所述，马自达汽车公司得出结论：当爆燃问题解决后，也能确保高压缩比汽油机获得高扭矩。

高压缩比时汽油机爆燃倾向增大是由于气缸中气体温度和压力升高的缘故。图3示出了数值模拟的结果，以图说明这2个参数的影响。进气过程终了时，气缸中较低的气体温度能够补偿因高压缩比恶化而产生的爆燃倾向。

如果气缸中的起始温度（进气门关闭时的气体温度）降低35 K，则压缩比ε就能从11.2 提高到14.0，而1 500 r/min时的爆燃倾向不会恶化。对降低气缸中起始温度起关键作用的是燃油气化热的缸内冷却作用，以及热残余废气量的减少。

总之，只要采取上述措施，无论是充气效率，还是爆燃倾向，都可以获得显著改善。此外，快速燃烧也能有效降低爆燃倾向，以下介绍与此有关的措施。

4 快速燃烧降低爆燃倾向

开发初始阶段，曾应用过传统的平顶活塞，为了提高压缩比，简单地将活塞顶抬高成梯形，然而这样的做法导致了热效率较低，因为最初的火焰前锋碰到活塞是极为不利的，因此冷却损失增大，而且阻碍了火焰按常规有序地扩展。首先，在活塞顶上挖1个半球形凹坑，这有利于火焰前锋的扩展（图4）。经过改进后，1 500 r/min时的主燃烧持效期（混合气燃烧10%～90%（质量分数））缩短了1°CA，同时爆燃倾向也减小了，从而使扭矩提高约2%。

为了进一步改善燃烧过程，对进气道的进气角度和进气门阀杆与阀盘之间过渡圆弧处的锥角进行了优化，而且与现有的马自达2.0 L 汽油机相比，气缸直径从87.5 mm 缩小到83.5 mm，从而使燃烧持效期再缩短2°CA，扭矩又提高了4%。

5 燃油气化热降低爆燃倾向

为了通过燃油气化热有效地降低气体温度，将1 500 r/min时的燃油压力提高到10 MPa，并应用了6孔喷油嘴（多孔喷油嘴），同时优化油束贵穿度和喷射角。缸内温度分析表明，由于采用多孔喷油嘴进行分段喷射，获得了良好的温度分布，而且起始温度降低了6 K。这些效果能够减小爆燃倾向，从而使扭矩提高3.5%。

复自小径，别至一山，俗名鹅鼻山。……山顶有石如屋大，中开，插一碑于其中，文皆为风雨所剥，隐约就碑，可见缺画，如禹庙没字碑之类。不知此石果岑石欤？非始皇之力，不能插也。或云大篆，或云小篆，皆不可考。

6 充气效率和抗爆燃性能的改善

马自达汽车公司竭力改善扫除热残余废气的效果，以提高充气效率，从而在高压缩比汽油机上能同时利用良好的抗爆燃性能来提高发动机扭矩。在使用现有的4-1 排气歧管的情况下，残余废气的份额占6.7%。若要将残余废气的份额降至3.9%，则须把缸内起始温度降低18 K，它可使充气效率提高9%。从图3可知，起始温度降幅的效果等同于压缩比减小1.5的效果，因此，这种方案能提高发动机扭矩目标值。

为了获得高的扫气效果，优化排气系统是最为有效的措施。如果在进、排气门重叠期间强烈的废气压力波精确地抵达下一个气缸，热残余废气量就会增加，从而增大了爆燃倾向。为了即使在2 000 r/min以上转速时也能避免出现这一现象，采用了较长的4-2-1排气歧管。

为了获得良好的扫气效果，需要在气门重叠期间形成稀薄低压压力波。通过排气系统的适当设计及其相匹配的气门重叠相位，能够在宽广的转速范围内获得良好的扫气效果（图5），从而使抗爆燃性能和充气效率分别改善9%，发动机扭矩再提高7.5%（图4）。

图6示出了2.0 L Skyactiv-G 汽油机的扭矩特性曲线，及其缸内温度和燃烧持续期经过改善后的效果，与传统的2.0 L PFI汽油机相比，在整个转速范围内，发动机扭矩提高了15%以上，而与压缩比ε为11.2 的缸内直接喷射机型相比，扭矩改善了10%。

7 抗提前点火的稳定性

特别是在不利的环境条件下，高压缩比汽油机必须避免出现提前点火等非正常燃烧的现象，因此要开发一种高品质的调节系统，以防止提前点火。开发中应特别注思以下几点：（1）环境条件（进气温度和湿度、冷却液温度、因积炭使压缩比提高、辛烷值等）；（2）影响参数（喷油规律、进气门关闭时刻等）的有效性。马自达汽车公司制定了一种调节策略，它能在所有可预料到的环境条件下相对于发生提前点火保持足够大的安全裕度。

假如某些状态迫使实施提前点火，那么，Skyactiv-G 汽油机功能强大的调节系统就能通过离子流的变化而识别出燃烧模式的轻微变化，然后加浓空燃比，并改变进气门关闭时刻，以阻止继续发生提前点火。

8 排气后处理装置的开发

应用了较长的4-2-1排气系统之后，催化转化器的预热并不比传统较短的4-1排气系统和近发动机催化转化器快，因而延长了废气开始净化时间。此外，未燃碳氢化合物（HC）份额也随着压缩比而增加，因此，鉴于未来更为严格的废气排放法规，必须开发一种更有效的技术。因为未燃HC 首先排出，因而在催化转化器达到其工作温度之前，重要的是要使其迅速加温，直到HC排放减少。

为了减少预热阶段的HC 排放，马自达汽车公司将起动时的燃油压力从0.43 MPa提高到6 MPa，从而将冷机阶段的HC排放水平降低了50%。为使催化转化器迅速加温，有效的方法是通过晚点火提高废气温度。当然，点火太晚会导致燃烧不稳定，因此，应限制废气温度的提高。在Skyactiv-G 汽油机上，缸内燃油直接喷射在火花塞附近形成了理想的空燃混合气，能够实现稀薄的分层燃烧。这样的效果及因高压缩比而具有高的燃烧稳定性明显缓和了晚点火与燃烧稳定性之间的目标冲突（图7）。因此，即使采用较长的4-2-1排气歧管，马自达汽车公司仍达到了催化转化器的快速加温和稳定燃烧。上述的废气净化系统甚至满足了美国标准部分零排放车辆的严格要求。

9 降低燃油耗

图8示出了Skyactiv-G 技术对在NEDC 中降低燃油耗作出的贡献。对于中级轿车而言，与现有的2.0 L PFI汽油机相比，燃油耗共降低了15%。

10 提高压缩比和降低节流损失的效果

在试验研究初期，采用ε＝13.0 以上的压缩比并未达到进一步降低燃油耗的目的，其原因是平的活塞顶靠近火花塞，阻碍了初始火焰的扩展。马自达汽车公司采取半球形活塞顶凹坑与强滚流相结合的措施，使得火焰能良好地扩展，这就有效地减少了全负荷时的扭矩损失。另一方面，由于初始火焰在活塞顶面附近的热传导减少，冷却损失也同时降低，再因缸径缩小又进一步降低了冷却损失，使得热效率明显提高。

节流损失的明显降低也要归因于压缩比的提高。降低节流损失的传统方法是将推迟进气门关闭时刻与外部废气再循环相结合，由于此时燃烧的稳定性差，因而节流损失的降低非常有限。但是，在Skyactiv-G 汽油机上，因提高了压缩比，即使进气门关闭时刻推迟，仍能确保足够有效的压缩和内部废气再循环。虽然因进气门在110°CA 时关闭，提高了内部废气再循环，以及借助于可变气门机构加大了气门重叠，但最终仍获得了与传统PFI汽油机相同的燃烧稳定性（图9（a）），从而能使节流损失降低约20%（图9（b））。

11 降低机械损失

与现有马自达汽车公司的2.0 L PFI汽油机相比，Skyactiv-G 汽油机的机械损失降低了30%。图10示出了发动机零部件优化对降低机械损失作出的贡献：（1）关于曲轴、活塞及连杆（图10（a）），主轴颈直径从52 mm 减小到47 mm，活塞环张力减小了38%；（2）关于气门机构及正时链条（图10（b）），应用滚轮摇臂，通过优化凸轮廓线降低气门升程力，采用刚度高的直导轨降低链条摩擦，采用载荷分布均匀的链张紧器减小链条张力；（3）关于机油泵（图10（c）），简化机油管路降低压力损失，将液压部件所需的机油压力减小到最低程度以使泄流较少，采用压力可变的电动调节式机油泵降低部分负荷时的机油压力；（4）关于水泵（图10（d）），降低冷却液管路中的阻力，采用高效率水泵和塑料水泵传动轮。

12 结语

Skyactiv-G汽油机是马自达汽车公司新一代动力总成的首台汽油机机型，其燃油耗降低了15%，因在整个转速范围内其扭矩比现有的PFI汽油机提高了15%，故功率明显提高。同时降低了成本及减轻了质量。

自然吸气汽油机采用14.0的高压缩比设计方案是技术的制高点，它使发动机能够获得卓越的总效率。为了克服至今阻碍采用高压缩比的困难，已采取了许多技术措施。

马自达汽车公司推出了2.0 L Skyactiv-G汽油机，它满足了欧洲用户对于进一步提高动力性能、环保性和经济性等各方面的要求，因此，马自达汽车公司能够为未来新一代轿车提供一种具有竞争力的动力装置。