车用汽油机技术动态回顾

【日】 河口邦史 安田竜一 岩本朗

0 前言

近年来,由世界各国制定并执行的改善燃油耗及废气排放法规的限值已被进一步收紧,车用发动机性能仍需进一步提升。在该背景下,各生产商竞相发布了提高发动机效率且降低排放的技术。此外,混合动力车型所用的发动机也同样得以发布,以此改善整车热效率。

在欧洲,最为严苛的燃油耗法规已经开始执行,并从2020年起将逐步强化CO2排放法规。就尾气排放法规而言,以往仅按规定工况进行测试,但从2017年起已执行了实际行驶排放物(RDE)法规,旨在降低实际道路行驶工况下的废气排放量。由此,尾气排放法规执行范围已被沿用到了实际道路行驶工况领域。在美国加利福尼亚州等地已开始执行的零污染排放车辆(ZEV)法规从2018年起得以逐步强化,对引进纯电动汽车(BEV)及插电式混合动力汽车等车型进行了技术改良。

本文以2018年在日本国内市场上销售的新型汽油机产品及与汽油机密切相关的研发成果为示例,介绍了汽油机的新技术及其研发现状,描述了日本国内汽油机的市场发展趋势及前景。

1 日本汽油机市场

1.1 市场概况

2018年日本国内市场的新车销售量(指已注册车辆及轻型汽车的总量)为527万辆,相比2017年增长了0.7%。轻型汽车的销售比例占新车销售总量的36.5%。

目前,日本国内正在持续优化汽油机的热效率,并发布了能有效实现可变压缩比及压缩着火的新款汽油机。

1.2 各汽车生产商动态

表1示出了2018年日本各汽车制造商上市销售及发布的新型汽油机。

(1)丰田公司

2016年,丰田公司发布了名为“丰田新全球架构(TNGA)”的新型动力系统概念,决定根据既定的燃烧特性,推进发动机模块化技术的发展,同时扩展新型发动机型谱。

继2017年已上市销售的2.5 L 自然吸气发动机之后,丰田公司于2018年已将2.0 L自然吸气M20AFKS/FXS型发动机(图1)投放至市场。发动机的基本结构要素,如行程缸径比、压缩比、气门夹角与2.5 L汽油机实现通用。此外,通过控制缸径与湍流能等参数,该机型的燃烧特性也可应用于2.5 L 汽油机。新型发动机同样引进了激光包覆气门座等可与2.5 L 汽油机通用的技术,以改善热效率。该款2.0 L 汽油机在世界范围内首次采用激光硬化活塞环槽,以降低机械阻力。该发动机配装在普通燃油车型上时,最高热效率达40%,升功率为62.5 k W。当其配装于混合动力汽车时,最高热效率可达41%,升功率约为50 k W。该款发动机已配装于Lexus UX 车型和销往欧洲市场的AURIS车型上[1]。

(2)日产公司

日产公司在Infinti QX50车型上配装了世界首款采用可变压缩比涡轮增压器的KR20DDET 型发动机(图2)。在通常情况下,如果只提高压缩比,热效率会有所提高,不过在高负荷工况下会发生爆燃现象,从而导致输出功率降低。该款发动机充分利用多连杆式可变压缩比机构(图3),根据负荷变化,可连续地改变压缩比。压缩比调节范围为8～14,兼顾了高热效率与高功率性能。同时,该机型也采用了其他先进技术,进排气系统都装备了VVT 机构,喷油系统同时采用PFI及

缸内直喷系统,涡轮增压系统采用WGV 装置。同时,该机型配置了排气歧管一体式缸盖。为降低机械阻力,该机型还采用了水流控制阀、可变油压系统、气缸壁镜面涂覆和偏移曲轴等机构[2]。

表1 2018年日本各汽车制造商销售及发布的主要新型汽油机

图1 丰田公司M20A-FKS型汽油机

图2 日产公司KR20DDET 型汽油机

图3 日产公司的多连杆式可变压缩比机构

(3)本田公司

本田公司发布了热效率可达40%以上的新型2.0 L汽油机(图4),并将其配装于新款Accord车型上。作为混合动力汽车用动力装置,该款发动机采用了可实现较高热效率的技术参数。新型发动机将压缩比由原来的13.0提高到了13.5。此外,通过采用大流量EGR系统,以改善泵气损失并增强其抗爆燃性。该机型还应用了其他的抗爆燃技术,诸如对进气门实施镜面级加工,在排气门轴中填充钠以防止排气门温度升高。为降低机械阻力,该机型通过提高温度自动调节器阀门的开启温度,以提高润滑油的温度,进而降低润滑油黏度。

图4 本田公司Accord HEV 车型上配装的2.0 L发动机

(4)斯巴鲁公司

斯巴鲁公司发布了2.4 L 水平对置4缸涡轮增压FA24型汽油机(图5)及2.5 L 水平对置4缸自然吸气FB25型发动机(图6)。

图5 斯巴鲁公司的FA24型汽油机

图6 斯巴鲁公司的FB25型汽油机

FA24型汽油机配装在Ascent车上。该机型为已进入市场的2.0 L涡轮增压FA20 DIT 型汽油机的派生机型,通过扩大气缸直径以增加其排量。该机型利用以强滚流运动为研发目标的进气道形状与活塞形状,增强了由于缸径加大而相应降低的气体动能,通过气缸盖部件所采用的抗爆燃策略,调整其造型使冷却水主动流往进气门座。此外,该机型采用了WGV以降低排气压力,在采取抗爆燃策略的同时,相应降低了泵气损失。

FB25型汽油机配装在Forester车型上,由于引进了主动EGR 装置,同时采取了改善泵气损失及抗爆燃的策略,从而改善了热效率。为了在引进EGR 装置的同时确保着火性能,广泛采用了可有效强化缸内气体流动的技术。例如,可强化滚流运动的进气道形状采用纵向滚流生成器(TGV)。针对燃烧室形状,优化了活塞顶面形状的设计方案,并通过空气导向的方式,以此维持较强的气流运动。对于热管理系统,主动对其进行了水流控制。利用水流控制阀,通过切换冷却水通道,兼顾了短期升温过程,以及通过降低高负荷工况下的水温,从而实现对燃油经济性及输出功率的改善。

(5)铃木公司

铃木公司在新款车型上配装了1.5 L 直列4 缸K15B型汽油机(图7)。缸心距相比传统型发动机有所缩短,从而实现轻量化。此外,假定其会在越野等恶劣路面情况下使用,在辅助传动皮带上安装了护罩,并采用了长喷油嘴喷油器。相比传统的PFI,可将喷油器布置在接近燃烧室的位置。

图7 铃木公司的K15B型汽油机

(6)三菱公司

三菱公司新开发了1.5 L 直列4缸涡轮增压4B40型发动机(图8),并于2018年3月上市销售。为改善燃烧过程,燃油喷射系统采用了PFI与缸内直喷技术,配气机构配装了VVT 机构。发动机本体采用了排气歧管一体式气缸盖,涡轮增压器则采用了WGV 装置。

图8 三菱公司的4B40型汽油机

(7)马自达公司

马自达公司在新型MAZDA3车上配装了世界上首款采用SPCCI燃烧方式的SKYACTIV-X 型汽油机(图9)。在压缩行程中,在即将实现压缩着火时,提高几何压缩比,通过火花点火产生的火焰锋面压力而实现压缩着火。

图9 马自达公司SKYACTIV-X 型汽油机

如需改善热效率,应不断提高压缩比和比热比。作为提高比热比的方法,可引入过量空气,以此实现稀薄燃烧。目前,确保燃料着火性能,以及由此产生氮氧化物(NOx)的问题仍有待解决。通过对喷油参数的精准控制及对缸内气体流动过程的管理,形成燃烧所需的混合气,从而实现SPCCI过程。为促成稳定的稀薄燃烧,可采用高压燃油喷射技术和具有高响应性的空气供应系统,以及应用气缸压力传感器(CPS)。

2 北美汽油机市场

2.1 市场概要

2018年,北美市场的乘用车销售量比2017年增加约0.3%,总量达到1 717万辆。随着企业平均燃油消耗量(CAFE)标准法规的强化,以及怠速停止机构的逐步推广,各汽车制造商也在致力于降低燃油耗。在小型发动机领域,北美汽车制造商为提高抗爆燃性并有效改善燃油经济性,采用了排气歧管一体式气缸盖。

2.2 各汽车制造商动态

表2列出了2018年北美市场上销售及发布的主要新型汽油机。

(1)Ford公司

Ford公司在2018年销售的新款Focus车型上配装了1.0 L 直列3缸涡轮增压Eco Boost型汽油机和1.5 L 直列3缸涡轮增压Eco Boost型汽油机。这2款发动机都采用了停缸技术。停缸技术在结构上通过采用液压间隙调节器(HLA),以使气门停止运动。此外,上述2款发动机均采用排气歧管一体式气缸盖。就采用的其他技术而言,2款发动机各有不同。1.0 L 汽油机上采用了25 MPa的缸内直喷系统及汽油机颗粒捕集(GPF)系统。而1.5 L 汽油机则更注重改善燃烧及减轻整机负荷。以降低颗粒数(PN)为目标,1.5 L 汽油机采用了可实现PFI的喷油器,构成兼有PFI与直喷功能的燃油喷射系统。将1.5 L 汽油机与1.0 L 汽油机的缸径和行程相对比,长行程结构的1.5 L汽油机以降低阻力为目标,采用了偏移曲柄轴[3]。

(2)GM 公司

GM 公司新开发的4.2 L V 型8缸涡轮增压汽油机(图10)与2.0 L直列4缸涡轮增压汽油机(图11)已成功投放了市场。

4.2 L V8涡轮增压汽油机配装在Cadillac CT6-V车型上,气缸体以2.54 MPa的平均有效压力(BMEP)作为目标参数设计而成。为实现有效冷却,在气缸间布设有循环流通冷却水的水道。该机型采用了排气歧管一体式气缸盖,在V 形的倾斜机体内布置有2个双涡轮增压器及排气系统。为了降低PN 及缩短压缩燃烧持续期,采用了喷油压力为35 MPa的缸内直喷系统。

2.0 L 直列4缸涡轮增压发动机已配装到Cadillac XT4和CT6车型上。该款发动机是GM 公司Ecotec发动机系列的第8代机型。气门驱动机构采用了能实现切换的凸轮机构的三级动力装置。如需提升发动机的转速及负荷,该机型可切换至气门升程量较大的4气缸工作状态,如需降低燃油耗则切换至气门升程量较小的4气缸或2气缸工作状态。另外,出于低速工况下输出较高扭矩的设计目标,喷油系统采用的喷油压力为35 MPa。

表2 2018年北美主要汽车制造商销售及发布的新型汽油机

图10 GM 公司4.2 L V 型8缸涡轮增压汽油机

图11 GM 公司2.0 L直列4缸涡轮增压汽油机

3 欧洲汽油机市场

3.1 市场概况

2018年欧洲市场的新车销售量为1 560万辆,创下了自2007年以来的历史新高。

从2017年9月起,欧洲规定新上市的车型必须履行国际标准试验法,即全球统一轻型车试验规范(WLTP),并须取得CO2排放限值的认证。自2018年9月起,WLTP规范被沿用至量产车型,全部车型需遵循WLTP规范以取得认证。

此外,随着PN 法规和RDE法规限值的收紧,以改善燃烧为目标,汽车厂商采用35 MPa级的高压缸内直喷系统,或者选用PFI与缸内直喷相结合的喷油系统,并逐步推广应用GPF。

3.2 各汽车生产商发展动态

表3列出了2018年欧洲市场上销售及发布的主要新型汽油机。

(1)BMW 公司

BMW 公司发布了新型3.0 L 直列6缸涡轮增压汽油机和2.0 L直列4缸涡轮增压汽油机,并已配装于2019年春季上市的Z4车型上。针对陆续生产的3缸、4缸及6缸汽油机,BMW 公司采用了模块化结构,使缸径、行程等每个气缸的基本结构实现通用化。对于新开发的汽油机,BMW 公司重点把握降低成本,提高生产效率,以及推广燃油耗改善技术,并进一步推进零部件的通用化。BMW 公司推出的6缸发动机首次采用了排气歧管一体式气缸盖,与双涡轮增压器实现连接。配气机构采用了可变升程机构(VALVETRONIC)和可变气门正时机构(Double-VANOS)。燃油喷射系统采用喷油压力为35 MPa的缸内直喷系统,旨在满足PN法规要求,并改善燃烧过程。冷却系统由于采用了电动水流控制阀,能独立控制通往缸体及缸盖的冷却水,并实现循环流动。通过缩短缸壁的预热时间,发动机能从起动开始即逐步降低活塞滑动阻力。为降低摩擦阻力,在加工过程中对缸壁进行珩磨加工。此外,为实现低排放,新机型按标准配装了GPF装置[4-5]。

(2)FCA 公司

图12 FCA 公司FireFly 1.0 L直列3缸涡轮增压汽油机

表3 2018年欧洲汽车制造商销售及发布的新型汽油机

图13 FCA 公司的FireFly 1.3 L直列4缸涡轮增压汽油机

2018年7月,FCA 公司在FIAT 500X 车型上配装了新开发的Fire Fly 1.0 L 直列3缸涡轮增压汽油机(图12)及1.3 L直列4缸涡轮增压汽油机(图13)。这2款发动机将单缸排量设定为0.33 L,形成了模块化结构,构成了气缸数不同的优化设计体系。FCA 公司历来均采用被称为“电磁液压进气系统(MultiAir)”的独特液压式配气机构,其具备连续调节可变气门开闭正时及气门升程量的功能。新型的1.0 L 及1.3 L 汽油机采用了Multi Air的改进版配气机构。此机构除了保持原有功能之外,还可单独地控制气门的开启正时及关闭正时,通过有效地内置EGR 系统,优化了高负荷工况下的抗爆燃性能。此外,由于对Multi Air配气机构与长行程结构进行组合运用,以及采用喷油压力为20 MPa的直喷系统,可有效实现阿特金森循环,从而改善热效率。此外,为降低废气排放,该机型配装了GPF装置。

FCA 公司在Jeep Wrangler 车型上配装了新型2.0 L 直列4缸涡轮增压汽油机(图14),并将该款汽油机组合成为轻度混合动力系统。该机型在排气歧管一体式气缸盖上配装了双涡轮增压器,通过组合EGR 冷却器与喷油压力为29 MPa的直喷系统,以改善燃油耗。此外,该机型的节气门及涡轮增压器分别采用了独立的冷却回路[6]。

(3)Renault公司

Renault公司相继推出了1.0 L直列3缸涡轮增压汽油机及1.8 L直列4缸涡轮增压汽油机。

图14 FCA 公司2.0 L直列4缸涡轮增压汽油机

1.0 L直列3缸涡轮增压HR10DDT 型汽油机是于2017年发布的1.3 L直列4缸涡轮增压HR13DDT型汽油机的派生机型。该机型技术特点与HR13DDT型汽油机相似,是由Renault公司、Daimler公司与日产公司联合开发的[7]。该3缸发动机与4缸发动机均采用模块化结构,缸径85 mm,单缸排量0.33 L,具有较好的模块通用性。进气系统的设计也与4缸发动机一样,均采用模块化结构,仅通过最小限度的调整,即可面向相同车型而实现配装。燃油喷射系统采用了喷油压力为25 MPa的直喷系统,同时为降低排放而配装了GPF装置。

新型1.8 L 直列4 缸涡轮增压汽油机已配装于2018年上市销售的Megane R.S 车型上。Renault公司的相关研发人员也参与了新机型的开发过程。该发动机输出功率为205 k W,配装有直喷系统、双涡轮增压器。与其他由Renault公司所研发的发动机一样,为降低缸内阻力,对气门挺杆采用了类金刚石碳(DLC)涂覆处理,对气缸壁进行了镜面涂覆处理。

4 汽油机技术研发动向

4.1 产业、学校、政府的联合研究体制

在日本国内实施的国家战略级创新及创新设计(SIP)计划中,对于“燃烧技术优化”课题研究有了最新研究成果。目前,乘用车的汽油机及柴油机的最高有效热效率均已超过50%。超稀薄燃烧技术是在汽油机领域得以引进的先进技术。通过应用超稀薄燃烧技术,可改善指示热效率,降低机械损失以改善有效热效率。

此外,在上述研究活动中,针对各种现象的说明及模型化也取得了显著进展。基于车用发动机的燃油喷雾、点火、火焰传播、颗粒物生成、壁面冷却、爆燃、润滑、磨损、热胶粘等缸内现象,研究人员开发出了名为“HINOCA”的车用发动机三维燃烧分析软件,建立了0维及1维模型,其有望成为今后车用内燃机技术研究组织(AICE)大力推进的开发模型库。

4.2 燃烧技术

日本、欧洲的汽车制造商已逐步采用了高负荷工况下的抗爆燃技术。BMW 等公司正致力于通过喷射水以实现缸内冷却技术的商业化。另外,据相关报告称,有汽车厂商已开发了在压缩上止点附近采用副燃烧室的快速燃烧技术。