產(chǎn)品介紹

Opel Astra K轎車高效率汽油機(jī)

【德】 J.Sporleder M.Alt T.Johnen

Opel公司為新一代Astra轎車開發(fā)了新的發(fā)動機(jī)機(jī)型。與原機(jī)型相比，該3缸和4缸汽油機(jī)機(jī)型具有較小的活塞行程和安裝空間，并且特別重視改善全負(fù)荷燃油耗，并為1.0L和1.4L渦輪增壓機(jī)型選擇了適中的升功率表現(xiàn)。

汽油機(jī) 小型化 輕量化

1 緊湊型轎車

Opel公司的緊湊型轎車從1936年第1輛Kadett轎車開始就已開創(chuàng)了歷史，現(xiàn)在又新開發(fā)了第11代緊湊型Astra轎車。至今，哈勒(halle)工廠生產(chǎn)的Kadett和Astra轎車已超過2400萬輛，而最新一代的Astra轎車開創(chuàng)了Opel公司的新紀(jì)元，真正實現(xiàn)了產(chǎn)量上的飛躍。Astra轎車以全新的輕量化汽車結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，遵循了效率、網(wǎng)絡(luò)化和運(yùn)動型3個前提條件,搭載最新一代的發(fā)動機(jī)，并且能夠通過手機(jī)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。

新一代Astra轎車從外觀上就凸顯了其運(yùn)動型的設(shè)計，并且比原車型最多可減重200kg。新一代Astra轎車尺寸變得更小，但是所提供的空間和舒適性卻大大提高。

2 目標(biāo)值和開發(fā)任務(wù)

新一代Astra轎車采用的發(fā)動機(jī)也是全新開發(fā)的(圖1)，所有機(jī)型的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的開發(fā)目標(biāo)都是相同的，并且具有相同的基因：

圖1 新型Opel Astra轎車搭載最新一代發(fā)動機(jī)

(1) 最高的效率，由于這些機(jī)型具有低摩擦、高燃油利用率和合適的尺寸設(shè)計等優(yōu)點，對新一代Astra轎車的總效率起到了決定性的作用；

(2) 極好的加速響應(yīng)特性，在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)就已具有高的瞬態(tài)扭矩，從而獲得了非常好的靈活性和駕駛樂趣；

(3) 優(yōu)異的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，開發(fā)的目標(biāo)是要達(dá)到最高等級舒適性水平，而且要超過整個排量型譜的機(jī)型。

Opel和GM公司依靠在3缸和4缸汽油機(jī)領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗制定了極具競爭力的新型Opel Astra K型轎車發(fā)動機(jī)型譜的開發(fā)目標(biāo)，使發(fā)動機(jī)達(dá)到了體積小、燃油低，其動力性能卻能與較大排量的發(fā)動機(jī)比肩，甚至超過了用戶的期望，因此這種發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)系列必須進(jìn)行全新設(shè)計[1]。這款搭載于新款A(yù)stra K型轎車上的發(fā)動機(jī)在各方面都超過了原機(jī)型。

與原機(jī)型相比，新型發(fā)動機(jī)在降低排量和體積的情況下，仍能滿足開發(fā)目標(biāo)要求，并且考慮到全負(fù)荷燃油耗，對于1.0L和1.4L增壓機(jī)型選擇了170N·m或175N·m較為適中的升扭矩，以及較為合適的尺寸[2]。雖然在發(fā)動機(jī)型譜內(nèi)部調(diào)整了部分相反的開發(fā)目標(biāo)的優(yōu)先次序，但是上市的發(fā)動機(jī)仍然達(dá)到了出色的噪聲特性和動態(tài)性能。

3 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性

為了保證3缸發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能，新款A(yù)stra K型轎車在開發(fā)與之匹配的發(fā)動機(jī)時利用了Opel和GM公司全球開發(fā)團(tuán)隊的經(jīng)驗，不僅使3缸機(jī)具有與4缸機(jī)相似的噪聲品質(zhì)，而且使3缸機(jī)和4缸機(jī)在量產(chǎn)后也保證了其良好的噪聲特性[3]。

在整個開發(fā)過程期間，通過內(nèi)容廣泛的模擬，以及對各種零部件和整機(jī)的試驗研究，來提高噪聲-振動-平順性(NVH)，并考慮到了發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)，以及動力總成系統(tǒng)在汽車上的集成。

發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)在聲學(xué)上的設(shè)計使得新型發(fā)動機(jī)在空氣傳聲路徑和固體傳聲路徑上減少了噪聲源，從而避免了進(jìn)行后期座艙中發(fā)動機(jī)噪聲傳播路徑的優(yōu)化。這種低噪聲設(shè)計的發(fā)動機(jī)不僅集成于發(fā)動機(jī)艙中，擁有較大的自由度，而且聲學(xué)工程也受到較少的限制。

由于重視噪聲問題，因而不僅使得4缸機(jī)在噪聲性能方面是其等級中最好的，而且證實了3缸機(jī)的噪聲水平可低于4缸機(jī)(圖2)。

圖2 汽油機(jī)在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的平穩(wěn)低噪聲

優(yōu)化噪聲性能的主要措施是： (1) 配氣正時鏈條通過所應(yīng)用的鏈輪齒形針對降低噪聲輻射進(jìn)行了優(yōu)化，為了確保低的噪聲輻射，以及消除可聽得到的異常噪聲，對鏈條、張緊器和導(dǎo)軌的整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化；(2) 使高壓噴射系統(tǒng)擺脫聲學(xué)關(guān)系；(3) 采用主軸承框架底座使基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)具有非常高的剛度，并且通過優(yōu)化每個零部件減少噪聲輻射。

通過減少各種異常的發(fā)動機(jī)噪聲，再加之總的噪聲水平較低，新型發(fā)動機(jī)獲得了出眾的噪聲品質(zhì)。這些策略能使得發(fā)動機(jī)集成到整車上，在技術(shù)上容易實現(xiàn)并且有助于降低成本。

搭載于新款Opel Astra K轎車上的新型發(fā)動機(jī)使用者可以感受到低的NVH性能，以及精確的噪聲品質(zhì)。

4 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)

該機(jī)型1.0L和1.4L發(fā)動機(jī)采用壓鑄鋁氣缸體曲軸箱,而高升功率版的1.6L發(fā)動機(jī)則采用灰鑄鐵氣缸體曲軸箱，為了提高結(jié)構(gòu)剛度，都采用了壓鑄鋁主軸承框架底座。鋁氣缸體曲軸箱中鑲鑄了鋼氣缸套，其外圓面粗糙的毛坯表面使氣缸體與氣缸套之間能獲得非常好的形狀結(jié)合，而采用合適的熱處理方法則能減小變形。鋼氣缸套頂面被鋁材封住，以確保氣缸體頂面具有良好的可加工性，并且保證了對氣缸蓋火力面的密封功能。為了能將渦輪增壓發(fā)動機(jī)功率傳遞到動力總成系統(tǒng)中去，這些機(jī)型都使用了鍛鋼曲軸，其中3缸機(jī)曲軸具有6個平衡塊，而4缸機(jī)曲軸具有8個平衡塊，既能達(dá)到良好的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，又能獲得優(yōu)異的噪聲和振動特性。小型結(jié)構(gòu)系列3缸機(jī)和4缸機(jī)的基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)部件示于圖3。

圖3 具有主軸承框架底座的鋁壓鑄機(jī)體

鍛鋼曲軸與小的軸承間隙相組合，并在發(fā)動機(jī)寬廣的運(yùn)行溫度和運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)獲得了優(yōu)異的噪聲特性。新型的1.4L自然吸氣進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)因其燃燒壓力相對較低而配備了帶有4個平衡塊的鑄鐵曲軸，為了進(jìn)一步減輕質(zhì)量，曲軸在主軸承和連桿軸承范圍被鑄成空心的。

活塞頂面在燃燒開發(fā)過程中根據(jù)計算流體動力學(xué)(CFD)分析進(jìn)行造型設(shè)計。為了確保運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，進(jìn)行了許多有限元(FEM)分析模擬，而且還針對氣缸體的熱膨脹優(yōu)化了活塞結(jié)構(gòu)，以確?；钊到y(tǒng)的穩(wěn)定性。

在Astra轎車的所有發(fā)動機(jī)上，冷卻活塞的機(jī)油噴嘴都將其機(jī)油冷卻噴束對準(zhǔn)活塞底部，以確保高負(fù)荷時的潤滑，以及降低冷起動時的噪聲排放。對活塞環(huán)組的摩擦、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了優(yōu)化。第1道活塞環(huán)工作表面在出色的抗磨損可靠性的同時具有低的摩擦，從而降低了活塞環(huán)和氣缸套的磨損。粉末冶金連桿提供了至少與傳統(tǒng)鍛鋼連桿相同的強(qiáng)度性能，由于采取了許多較新的燒結(jié)工藝，加工費(fèi)用減少了，質(zhì)量又減輕了。

在包括1.4L排量在內(nèi)的所有發(fā)動機(jī)上，氣缸蓋應(yīng)用了水冷卻的整體式排氣歧管(圖4)，這樣不僅縮短了近發(fā)動機(jī)催化轉(zhuǎn)化器的加熱時間，而且也降低了廢氣渦輪增壓器的最高溫度，而1.6L渦輪增壓發(fā)動機(jī)仍繼續(xù)使用安裝在外面的排氣歧管，以便確認(rèn)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的尺寸。

圖4 具有滾輪搖臂氣門機(jī)構(gòu)和整體式排氣歧管的氣缸蓋

所有的渦輪增壓機(jī)型都裝備了噴油壓力為200MPa的缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)，噴油器位于氣缸中央，用于氣缸內(nèi)直接噴射的高壓燃油泵安裝在氣缸蓋上，并由進(jìn)氣凸輪軸末端的專用凸輪驅(qū)動，而排氣凸輪軸則驅(qū)動機(jī)械式真空泵。

低摩擦的液壓滾輪氣門壓桿操縱氣門機(jī)構(gòu)，并由帶有液壓張緊器的配氣正時鏈驅(qū)動。為了減小噪聲輻射，鏈條通過應(yīng)用低摩擦的鏈輪齒形設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。鏈條、鏈輪齒形設(shè)計、鏈條張緊器和導(dǎo)軌的整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)減小了總的噪聲輻射，并且消除了所有能聽見的不正常噪聲。在所有的機(jī)型上，2個獨(dú)立的凸輪軸相位調(diào)節(jié)器以60°～65°的配氣相位調(diào)節(jié)范圍為所有的行駛條件提供了最佳的配氣正時，從而盡可能達(dá)到最佳的燃油耗、噪聲特性、功率和廢氣排放。

為了進(jìn)一步改善所有機(jī)型的燃油耗和功率，機(jī)油由1個可變排量機(jī)油泵循環(huán)，其排量可由1個集成的電子控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，該閥可控制2種機(jī)油泵壓力等級，而且也能調(diào)節(jié)活塞冷卻機(jī)油噴嘴的功能。

Opel Astra K型轎車使用的各種汽油機(jī)機(jī)型的技術(shù)數(shù)據(jù)示于表1。僅在1.6L渦輪增壓機(jī)型上選用了較大的缸徑和缸心距，而1.0L和1.4L機(jī)型在缸徑74mm情況下都具有相同的81mm缸心距，不同的排量則由各自不同曲軸曲拐的行程來調(diào)節(jié)。

表1 Opel Astra轎車汽油機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)

① 為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

5 燃燒過程和混合氣準(zhǔn)備

缸徑較小的渦輪增壓機(jī)型的最佳混合氣準(zhǔn)備依靠位于氣缸中央的高壓噴油器來達(dá)到(圖5)，其中6孔噴油嘴在位置需求較小的情況下能獲得精確的燃油噴束，其混合氣準(zhǔn)備充分利用計算流體動力學(xué)(CFD)分析和光學(xué)發(fā)動機(jī)進(jìn)行開發(fā)。最高燃油壓力高達(dá)200MPa。對于改善混合氣準(zhǔn)備而言，聲學(xué)特性的優(yōu)化是1個開發(fā)重點。為了減少發(fā)動機(jī)運(yùn)行時的噪聲輻射，設(shè)計上就應(yīng)避免氣缸蓋與噴油系統(tǒng)的任何直接接觸，由橡膠件或用碳填充的特氟龍(聚四氟乙烯)密封墊的阻尼裝置使燃油系統(tǒng)不可避免的產(chǎn)生振動，并與發(fā)動機(jī)完全隔離。

圖5 各種汽油機(jī)機(jī)型的燃燒室、噴油和氣道

管路裝配組件除了燃油管之外還包括噴油器、電纜束和燃油壓力傳感器，作為完整的裝配組件能顯著減少發(fā)動機(jī)工廠的操作。這種一體式結(jié)構(gòu)使得在裝配之前可以在發(fā)動機(jī)工廠中進(jìn)行許多試驗，例如檢驗密封性。

6 渦輪增壓

1.0L、1.4L和1.6L排量的缸內(nèi)直噴式機(jī)型都采用渦輪增壓，因而具有出色的扭矩儲備和功率、卓越的行駛性能和良好的噪聲特性，使得Astra轎車的駕駛樂趣毫不遜色[4]。通過采用渦輪增壓器應(yīng)用可靠有效的技術(shù)達(dá)到了高要求的功率目標(biāo)，其開發(fā)重點在于迅速的扭矩建立和高效率，而這些設(shè)計要求都是通過采用壓力操縱式旁通閥的單級渦輪增壓器來實現(xiàn)的。集成在氣缸蓋中的排氣歧管使得廢氣溫度適中，因而渦輪葉輪和殼體可使用有利于降低成本的材料，當(dāng)然這種部件合適的溫度被充分利用來優(yōu)化高負(fù)荷運(yùn)行工況的燃油耗。圖6示出了3種機(jī)型的渦輪增壓器。

圖6 新型Astra 轎車汽油機(jī)的渦輪增壓器

由于進(jìn)行了內(nèi)容廣泛的模擬工作，因而能將硬件反復(fù)優(yōu)化的次數(shù)降到最低程度，這樣挑選出的渦輪增壓器就能達(dá)到卓越的加速響應(yīng)性能，例如僅需1.5s就能獲得90%的最大扭矩[5]。為了避免廢氣再循環(huán)期間產(chǎn)生噪聲現(xiàn)象，已開發(fā)出最佳的旁通系統(tǒng)流動回路。

7 功率和燃油耗

新款Opel Astra K型轎車上的汽油機(jī)特別適合于行駛阻力小的汽車，為了每種機(jī)型都能獲得良好的性價比和優(yōu)異的燃油耗，向消費(fèi)者提供了多種運(yùn)動型發(fā)動機(jī)。5門Astra運(yùn)動旅行車上帶有手動變速器的1.0L渦輪增壓機(jī)型的歐洲行駛循環(huán)CO2排放量僅為99g/km，而與Easytronic 3.0變速器組合排量降低到96g/km。1.6L渦輪增壓機(jī)型在具有優(yōu)異的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性的同時，能提供147kW的功率，并且每種機(jī)型都能確保非常好的駕駛樂趣。

這些發(fā)動機(jī)在進(jìn)行開發(fā)時都反復(fù)進(jìn)行過模擬，再將最有希望的結(jié)構(gòu)方案制成單缸試驗發(fā)動機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗，以驗證模擬階段的假設(shè)，而且還可以將結(jié)論再返回到模擬模型中進(jìn)行驗證。單缸試驗發(fā)動機(jī)在開發(fā)中的最大優(yōu)點在于只需調(diào)整匹配幾個參數(shù),例如缸徑、行程、燃燒室和凸輪等,與多缸機(jī)試驗相比，用于反復(fù)進(jìn)行預(yù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗的時間較短，花費(fèi)的成本也較少。到最后步驟才采用開發(fā)程序中適當(dāng)開發(fā)階段的3缸機(jī)或4缸機(jī)進(jìn)行最終的試驗工作，用來試驗各缸的氣體脈沖和諧振在進(jìn)排氣方面的相互作用，并分析評估活塞、氣缸套和燃燒室實際溫度的影響，以及證實發(fā)動機(jī)的摩擦。

圖7示出了新款Opel Astra K型轎車各種汽油機(jī)機(jī)型的功率和扭矩值，提供了可便于用戶選擇的較細(xì)的功率分級。

圖7 新款A(yù)stra轎車汽油機(jī)功率的良好分級

8 最高的性能指標(biāo)

圖8示出了在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況點(轉(zhuǎn)速2000r/min和平均有效壓力0.2MPa)上的標(biāo)準(zhǔn)化比燃油耗與FEV分布帶的比較。Opel Astra K款轎車上各種新型汽油機(jī)都達(dá)到了卓越的性能指標(biāo)。

圖8 汽油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況點的燃油耗(轉(zhuǎn)速2000r/min，平均有效壓力0.2MPa)

9 “柔性設(shè)備”發(fā)動機(jī)工廠

新款Opel Astra K型轎車的所有汽油機(jī)機(jī)型都

在匈牙利Szentgotthard工廠生產(chǎn)。該廠采用“Opel柔性設(shè)備”方式生產(chǎn)，能在同1條共用加工和裝配流水線上生產(chǎn)許多品種的汽油機(jī)和柴油機(jī)。Opel公司的這種策略具有很大的靈活性，并能靈活地對各種不同的市場需求作出快速的反應(yīng)，而且這些汽油機(jī)和柴油機(jī)在質(zhì)量、效率和成本方面都能達(dá)到最優(yōu)的程度。

10 展望

新款Opel Astra K型轎車搭載的新型汽油機(jī)機(jī)型達(dá)到了非常優(yōu)異的性能，Opel公司致力于進(jìn)一步開發(fā)其他的變型機(jī)和下一代發(fā)動機(jī)，將繼續(xù)加快開發(fā)新車型和傳動系統(tǒng)，并適時投放市場。

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范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2016,7(2)

何丹妮 編輯

2016-03-01)