捷豹路虎全新2.0发动机技术亮点(上)

◆文/北京 杨景槐

一、发动机概述

捷豹路虎全新2.0发动机也称Ingenium I4 2.0L汽油发动机，它是Ingenium系列的第二款发动机，与Ingenium I4 2.0L柴油发动机拥有相同的结构和总体构造。该发动机已在位于英国伍尔弗汉普顿以及中国的发动机制造中心进行生产。该发动机系列250马力(184kW，中等规格)、全铝、2.0L(1997cm³)、直列四缸发动机，带有单涡轮增压器。该发动机也采用了链驱动双顶置凸轮轴、16气门和燃油直喷技术。强劲、精致和极其先进的设计取代了已获成功的GTDi 2.0L汽油发动机。该发动机外观如图1所示，主要新技术部件位置如图2所示。

图1 Ingenium I4 2.0升汽油发动机外观

图2 Ingenium I4 2.0L汽油发动机新技术部件位置

其采用的创新的技术包括：可变冷却液泵、电子节温器、可变流量机油泵、连续可变气门升程(CVVL)、集成排气岐管和双涡道涡轮增压器、进气与排气系统均采用可变凸轮轴正时(VCT)、Bosch 燃油直喷系统可输出高达200bar(1bar=105Pa)的燃油压力。本文将对上述新技术分别加以介绍。

二、润滑系统

1.可变流量机油泵

Ingenium I4 2.0L汽油发动机配备带一体式真空泵的可变流量机油泵，该泵位于发动机油底壳中。机油泵部件分解图如图3所示。固定排量机油泵是造成寄生能量损耗的因素之一。这是由于这种机油泵大部分时间输送的机油超过需求量，以确保发动机可以在较宽的工作范围内安全运转。泄压阀能够防止机油压力过高。在高体积流量条件下，一些压力机油未被充分利用便流回了储油罐。可变流量机油泵为润滑系统提供了根据发动机负载和转速改变输出体积的能力。来自泵的体积流量经过调节，以减少未被充分利用便流回储罐的机油量，从而减少了发动机上的寄生负载并提供节油效益。

图3 机油泵部件分解图

流量调节示意图如图4所示。液压控制通过向电磁阀返回油道压力来实现。通过使电磁阀通电，可以电气方式抵消该压力。这将形成降低电磁阀中弹簧刚度的效应，从而向控制环施加更大的压力，以进一步减小偏心率和输出压力。机油泵在所有发动机转速和负荷下完全可变，并且可以不断调整。

(1)低流量：机油压力作用于控制环表面。当机油压力大于控制弹簧力时，控制环顺时针(抵住控制弹簧)移入叶片泵的中心，从而减小偏心率，并减少机油泵输出。较低的压力由发动机负荷、发动机转速、机油温度和其他工作参数决定，如图4(A)。

(2)高流量：泵由电磁阀和泵控制环弹簧进行液压控制。随着泵转速从零开始升高，在控制室上没有机油压力作用时，泵保持最大排量。在定义的设定点，电磁阀弹簧负载被发动机油道压力克服，并将一些压力转移到控制环并抵消流量。随着转速升高，电磁阀将更多压力转移到控制室。继续抵制偏心环和压力，从而在所有速度下保持恒定的压力。此功能无需电气输入，如图4(B)。

图4 机油泵流量调节

2.活塞冷却机油喷射器(PCJ)

活塞冷却机油喷射器为活塞和活塞销提供冷却和润滑。可变流量机油泵通过汽缸缸体中的钻孔向喷射器供应加压的发动机机油。机油供应由一个活塞冷却机油喷射器电磁阀控制，该电磁阀由PCM控制。该电磁阀可根据发动机转速和负载打开和关闭机油供应。在冷启动后以及预热过程中，由于活塞冷却喷嘴禁用，加热过程得以改善。由于活塞散热量减少，排放得以减少。活塞冷却喷嘴可在整个发动机转速和负荷范围内，根据需要启用和禁用。注意：活塞冷却喷射器电磁阀是常开的，并由PCM电动关闭。如果电磁阀电路发生任何电气故障，则意味着机油将会供应至活塞冷却喷射器。

3.机油压力和温度传感器

如图5所示，机油压力和温度传感器位于发动机右前部的机油滤清器壳体总成中。它直接连接至PCM并接收5V电源。该温度传感器是一个NTC型传感器，该传感器在-40～160℃的温度范围内工作。如果发生故障，则系统将会使用ECT 传感器值。传感器输出PWM信号，如图6所示，PWM信号同时将机油压力和温度信息传输给PCM。

图5 机油压力和温度传感器

图6 机油压力和温度传感器输出信号

三、冷却系统

1.可变冷却液泵

可变冷却液泵如图7所示，它有一个导流罩，该导流罩可在叶轮上滑动以减少泵入汽缸缸体内的发动机冷却液的流量。一个电磁阀与内部液压泵协同工作，生成用于将导流罩移至五个不同位置中的一个位置的液压压力。泵叶轮的每次旋转都会产生压力，控制电磁阀可将此压力转移至导流罩总成或使其泄漏回冷却液系统。泵内的压力作用在壳体中的回位弹簧上。

共计有五个不同的流量。导流罩电磁阀由来自PCM的脉宽调制(PWM)信号控制。导流罩的位置由一个位置传感器进行监测，在没有来自PCM的信号的情况下，该电磁阀将断电，导流罩在回位弹簧作用力的作用下恢复到默认位置，从而导致泵产生全流量。从0～100%流量的请求均可在大多数发动机转速下实现，从而实现整个发动机热管理策略。

冷却液流速：0级等于无流量；1～3 级等于中间流量；4级等于全流量。

随着冷却液温度上升，电磁阀占空比会降低，进而使得冷却液流量降低。在以下液流频谱的各端，观察到以下导流罩位置和传感器电压：0级等于0%，冷却液流等于100%，电磁阀占空比等于4V；4级等于100%，冷却液流等于0%，电磁阀占空比等于1V。

可变冷却液泵受到控制，以提供支持来自发动机系统的所有冷却请求所需的最小流量。冷却液流的级别由PCM持续改变：0级用于初始发动机冷启动后的前几分钟；1级和2级用于发动机预热阶段，最高不超过75℃；2级、3级和4级用于温度超过75℃之后(2级为发动机怠速，3～4级用于行驶条件下)。多种条件会影响冷却液泵导流罩的位置。

图7 可变冷却液泵

2.电控节温器

电控节温器外观如图8所示，内部视图如图9所示。Ingenium I4 2.0L汽油发动机的目标运行温度为85～100℃，除非负载增加，否则始终都会低于100℃。节温器蜡式元件的打开温度为105℃。因此，可以增大节温器加热器的占空比来帮助打开主蜡式节温器，从而维持100℃目标温度。当主节温器打开，冷却液在主冷却液散热器中循环时，冷却液温度将会降低。此时，节温器加热元件的占空比将提高，以保证在冷却液温度下降时，主节温器保持打开。在不同的工况和温度下，节温器说明如表1。

表1 节温器工作说明

图8 电控节温器外观

图9 电控节温器内部视图

3.热管理

图10 展示了不同发动机温度与可变冷却液泵、节温器加热元件和主节温器操作之间的关系。

图10 热管理示意图 (未完待续)