小排量清洁柴油机SKYACTIVD 1.5的开发

【日】　　　　平林千典　大西毅　　白井裕久　　佐藤雅昭　森永真一　志茂大辅



【日】平林千典大西毅白井裕久佐藤雅昭森永真一志茂大辅

随着超低压缩比和高效率增压成为关键推进器的燃烧新概念，SKYACTIV-D 2.2柴油机不仅实现了充足的扭矩，而且达到了最高水平的低油耗，不用氮氧化物催化剂就可以满足最新的排放法规。为了将重要的研发成果提供给更多的用户，在继承了小排量发动机燃烧理念及其宗旨的前提下重新开发了SKYACTIV-D 1.5柴油机。该机已经安装到新型Demio轿车上，介绍该新型发动机的开发理念，以及突破了小排量和结构紧凑化所带来的种种制约。

小排量超低压缩比高效率增压清洁柴油机

0　前言

排量为2.2 L的新一代清洁柴油机SKYACTIV-D 2.2(以下简称2.2 L)实现了驾驶性能、油耗和环保性能等综合高水平。为了将研发成果提供给更多的客户，重新开发了排气量更小的1.5 L清洁柴油机SKYACTIV-D 1.5(以下简称1.5 L)。 本文将介绍该新型柴油机的开发理念及所采用的新技术。

1　开发理念

马自达公司的目标是开发内燃机极限[1]。如图1所示，从汽油机和柴油机2个方面进行研发，尽量使制约热效率的7项因素接近理想状态。在柴油机方面重点研发的是SKYACTIV-D的燃烧理念。在已经开发成功的2.2 L柴油机中超低压缩比和高效率增压是2项关键技术，改善了各项控制因素的状态[2]。沿用该燃烧理念达到了扭矩充沛和轻松驾驶，并取得了优越的燃油经济性和燃烧的平稳性，在不采用氮氧化物(NOx)催化器的情况下就可以满足日本国内2009年的排放法规(后新长期法规)，以及欧洲的欧6法规，真正实现了清洁排放。

在1.5 L柴油机的研发过程中继承了2.2 L柴油机中使用的燃烧理念[3]。但是，由于排量小和结构紧凑，自然法则和空间自由度的制约非常苛刻。具体地说就是要求的喷油量小，随之而产生的问题是燃油喷雾的自着火性能降低，通过燃烧室壁面散逸的热损失恶化，结构方面由于比热容积增大、暖机性能恶化，排气系统方面因为面积/体积比增大，造成氧化催化器(DOC)进口气体温度降低等。如图2所示，为了解决这些问题，在1.5 L柴油机中最新研发成功了一系列突破性的新技术。同时，通过采用上述新技术，图1中所示的决定热效率的各项控制因子的状态得到了进一步改善。

图1　SKYACTIV-D 2.2/1.5发动机燃烧概念的发展历程

关于这些技术的细节将在后面介绍。1.5 L柴油机的主要技术规格见表1，系统概要如图3所示。

图2　SKYACTIV-D 2.2/1.5小排量发动机的制约因素和技术突破

项目参数发动机SKYACTIV-D2.2SKYACTIV-D1.5发动机类型直列4缸直列4缸排量/mL21881498缸径/mm8676行程/mm94.282.6压缩比1414.8燃油系统共轨系统G3压电晶体(最大喷射压力200MPa)共轨系统G3电磁阀型(最大喷射压力200MPa)喷嘴类型10孔1112cm3/min10孔 短孔、长型油嘴600cm3/min活塞燃烧室形状传统、蛋形阶梯、蛋形增压系统串行顺序2级增压带可变涡轮截面(VTG)增压带转速传感器EGR系统高压带和不带冷却系统高压 不带冷却和低压带冷却系统后处理系统DOC+柴油机颗粒捕集器(DPF)最大扭矩/(N·m)420(2000r/min)220/250/270(1600～2500r/min)最大功率/kW129(4500r/min)77(4000r/min)排 放欧6和日本国内后长期排放法规(PNLT)

图3　SKYACTIV-D 1.5柴油机系统

2　性能参数

1.5 L柴油机继承了2.2 L柴油机的燃烧理念，实现了决定热效率的各项控制因子的状态进一步改善[4]。因此，1.5 L柴油机也可以提供SKYACTRIV-D柴油机的相同价值。

2.1输出性能

如图4所示，1.5 L柴油机从1 500～2 500 r/min宽阔的转速范围内可以实现250 N·m的大扭矩。在高转速范围内，最高输出功率为77 kW，并且转速在5 200 r/min内都可以实现线性扭矩特性。如图5所示，从使用转速范围开始，线性且直到高转速范围都可以轻松地进行加速。产品性能的绝对值虽然有所差异，但1.5 L柴油机扭矩特性和加速特性都继承了2.2 L柴油机的特性[5]。

图4　2种发动机的扭矩和功率表现情况

2.2燃油经济性和排放性能

近日，由中国水利水电科学研究院主编修订的水利行业标准《水利工程代码编制规范》（SL 213—2012）出版发行。

如图6所示，相对于1.5 L柴油机，比油耗达到了和2.2 L同样的轿车柴油机的最高水平值。另外，在不使用NOx后处理系统的前提下可以满足日本国内的后长期排放法规和欧6法规，柴油机的排放性能也是一脉相承。

图5　2种发动机的加速特性

(a)

(b)图6　2种发动机的燃油经济性曲线

3　突破性的新技术

1.5 L柴油机继承SKYACTIV-D燃烧理念，克服小排量和结构紧凑化所造成的各种制约，以及进一步改善决定热效率的各项控制因子的状态，成功突破了以下的新技术。

3.1超低压缩比燃烧的继承及机械阻力再降低

图7　2种发动机燃油着火性的技术比较

SKYACTIV-D燃烧理念的要点是超低压缩比。但是在小排量发动机中，在无负荷运转条件下由于喷油量少，小直径燃烧室中燃油喷雾容易和气缸壁面产生干扰。因此，燃油的自着火性能降低。其解决办法是重新调整技术构成和功能分配，如图7所示。一方面继续沿用喷油时间间隔短、喷油量少和多次喷油的技术措施，形成浓混合气。另一方面将VTG增压器的喷嘴叶片实行精密控制，比一般的使用范围稍微缩小一点，在无负荷范围内加大增压效果，从而获得内部EGR增量。因此，在2.2 L柴油机中为了提高内部EGR，采用切换式排气阀IDEVA的功能。此外，改变了进气阀定时，将压缩比提升到14.8，这些就保证了1.5 L和2.2 L柴油机具有相同的着火性能。

保持最小的压缩比上升，SKYACTIV-D柴油机燃烧概念的最大特征是继承了13.5 MPa下的低最高燃烧压力燃烧，再加上改变了活塞环，并将配气机构等滑动部位更改为摩擦学的最佳形状等，1.5 L柴油机的摩擦平均有效压力(FMEP)超过了2.2 L柴油机，如图8所示。

图8　2种发动机机械摩擦的比较

3.2高效率增压—EGR—进排气系统

SKYACTIV-D发动机燃烧理念的另一个重要特点是高效率增压。空气和EGR气体同时进行增压，可以实现高比热下的低温燃烧，同时实现高的热效率和清洁排放。在1.5 L发动机中，由于采用了带转速传感器的小型VG增压器，而且高压回路和低压回路并用EGR系统，实现了高效率增压。

图9　低压EGR对燃油经济性和排放的效果

在低压EGR系统中，主要会存在EGR流路中伴随着气体交换而产生的响应延迟，以及EGR气体中的水蒸气冷却而产生的冷凝水问题。在1.5 L发动机中采用了高性能、水冷和中冷一体式树脂进气歧管解决了这些问题。

如图10所示，与2.2 L发动机的分置式和空冷中冷器系统相比，气体流路的路程大幅度缩短，确保了气体交换的响应性。同时，与两级增压变更为单级增压的方案相结合，配合以小型紧凑的发动机驾驶室，真正实现了小空间化和轻量化。关于耐冷凝水问题，采用冷却效率控制性很强的水冷式中冷器，在控制EGR气体过度冷却的同时，将已经产生了的少量冷凝水采用图3中所示的吸气机构，强制性以喷雾状吸入发动机气缸内。

图10　2种发动机采用中冷系统的紧凑结构

在1.5 L发动机中，由于采用小型可变截面涡轮增压器，在重视中低速工况的同时，利用转速传感器感知增压器的转速来控制燃烧，因而可能将转速极限提高到120 000 r/min(图11)。这样，虽然是单级增压，也可以在5 200 r/min的高转速范围内都可以实现线性扭矩特性(图4)。

图11　增压器转速和增压压力

3.3高扩散喷雾和燃烧室低冷却损失的燃烧系统

为了抑制因排气量减小，从燃烧室壁面产生过大的热损失，研发了可以抑制燃料喷雾附着到燃烧室壁面及与火焰接触的喷雾混合气形成的技术，最新采用了可控制喷雾射程的强扩散喷雾的喷油器。

实现强扩散喷雾的手段是通过缩短喷孔长度，特别是在冷却损失较大的轻负荷工况时，在喷油压力低、喷油量少和多次喷油的条件下可以将在喷油孔内产生的湍流能量在喷雾中直接喷射出去。这样实现了能够控制射程的强分散型喷雾。另外，在冷却损失的影响比较小的高负荷工况下，特别是在喷油压力比较高的条件下，仍和以前一样可以得到大的喷雾射程(图12)。

图12　喷雾特性的改进

在2.2 L发动机中，由于采用的蛋形燃烧室壁面的作用，由喷油的动能形成了强烈的纵向涡流运动，因此促进了燃油和空气的混合，能够实现清洁燃烧的蛋形燃烧室概念在1.5 L发动机中继承采用了。在此基础上，随着排气量减少，冷却损失更加恶化。在膨胀行程初期产生冷却损失的主要原因是在唇部产生的逆向挤流，为了减弱这种逆向挤流，开发了最新带阶梯的蛋形燃烧室。

图13　2种发动机的阶梯蛋形活塞顶概念

采用强分散喷雾和阶梯蛋形燃烧室，在冷却损失影响很大的轻负荷条件下进行了计算流体动力学(CFD)燃烧解析，结果如图14所示。

图14　活塞顶和喷雾概念的CFD结果

在图14的上部，由于采用多次、小喷油量和扩散度很大的喷雾，成功地抑制了喷雾混合气和燃烧室壁面的接触。而图14的下半部可以确认，在膨胀行程初期，唇部和气缸头之间产生的逆向挤流也明显地降低了。

在轻负荷和中等负荷条件下，通过发动机验证试验的结果如图15所示。高分散度喷雾和阶梯蛋形燃烧室组合中实现了在轻负荷工况下大幅度地降低燃油耗，并在中等负荷工况下也可以有效地降低燃油耗。这时，烟度几乎没有增加，总碳氢(THC)也有效地降低了。

图15　关于活塞顶和燃烧概念的发动机试验结果

3.4通过多次喷油控制喷油量和控制燃烧

前面介绍的强扩散喷雾在小喷油量、多次喷油的情况下是有效的。但是，随着排量减小，要求的喷油量的绝对值随之减小，因此产生了喷油量控制精度相对降低的问题。一般而言，进行多次喷射时，因为受到前一次喷油终了时产生的压力脉动的影响，并且随着喷油时间间隔的变化，后一次喷油量会随之产生变化。对于因为喷油压力—喷射量指示值—喷油间隔等条件的变化都必须对喷油量进行特殊控制，即对喷油量偏差进行修正。

为了提高多次喷油时各次喷油量的修正控制的精度，在1.5 L 和2.2 L柴油机中没有采用修正型谱进行控制，而是开发了1种新的模型控制法——将燃油压力的脉动抽象成数学公式，将喷油量的偏差表示成相对于喷油间隔的衰减的和。模型数学公式中的振幅和相位等参数与喷油压力及喷油量等同处理，在任何条件下都可以预测喷油量的偏差，如图16所示。

图16　喷油量偏差模型的结果

如图17所示，为了确保高精度的喷油量控制特性，在1.5 L柴油机中，通过多次喷油进行燃烧控制。在2.2 L柴油机中，采用已经完成的燃烧控制方案为基础，减少各次喷油的喷油量，减小加速的幅度、增加次数以适应小排气量。此外，随着动态工况和环境条件变化产生外界干扰时，通过已经开发成功新的控制软件，可以预测每次循环中气缸内的温度、压力和燃气成分等状态。根据气缸内实际参数，利用数学模型计算出必要的引导喷射的发热量，从而求出必要的引导喷油量。这样，即使在动态工况下或环境条件发生了变化也可以将燃油经济性和排放特性的恶化程度控制在最小的范围之内，而且可以控制燃烧噪声，实现优良的燃烧平稳性。

图17　多次喷油控制策略

3.5冷却液控制系统

图18　发动机冷却液控制系统

图19　发动机暖机曲线

随着排气量减小，结构方面会使比热容量增大，暖机性能恶化。排气系统方面，随着面积/体积比增大，为了解决DOC进口气体温度下降，在1.5 L发动机中，采用了新的冷却水控制系统，即采用马达驱动的专用阀更换了发动机冷却水回路如图18所示。在冷机状态，停止向气缸体、润滑油冷却器和自动变速箱润滑油(ATF)冷却器供水，只向气缸头供给最少量水流。通过发动机试验，验证结果如图19所示。限制了冷却水路以后已经确认了，在发动机冷起动以后200秒时，冷却水温、气缸套壁面温度和DOC进口的排气温度都能够取得15℃的暖机效果。此外，在暖机以后，与传统的机械式恒温器相比较，可以实现稳定目标值水温。

4　结语

SKYACTIV-D 1.5柴油机不仅克服了因为排量减小和紧凑化设计所带来的各种困难的制约，而且，进一步改善了决定热效率的各种控制因素的状态。因此，作为SKYACTIV-D产品系列在行驶性能、燃油经济性、排放和低噪声等在更高的水平上得到了统一。这是1款值得称道的小排量清洁柴油机。

[1] 森永ほか.SKYACTIV-Dエンジンの绍介[J].マツダ技報，2012，30： 9-13.

[2] T.Sakono， et al. automobile and engine technology[C]. 20th aachen colloquium， 2001： 943-965.

[3] 人見.[G].第21回内燃機関シンポジウム講演論文集，2010： 1-23.

[4] S K Kim， et al. [C]. 8th COMODIA， Paper No.EC1-2， 2012.

[5] H Sahara， et al. [C]. 7th IFAC symposium on advances in automotive control， 2013： 95-100.

2015-09-30)