【日】松田征二 坂井貴行 手島克哉

三菱公司為新型ECLIPSE CROSS運(yùn)動(dòng)型多功能汽車（SUV）開發(fā)了1款全新的小型發(fā)動(dòng)機(jī)。通過應(yīng)用直接噴射，以及其他降低排放與燃油耗的技術(shù)，新款4B40型發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了駕駛性能與環(huán)保性能的進(jìn)一步優(yōu)化。關(guān)鍵詞：熱力發(fā)動(dòng)機(jī);直接噴射;渦輪增壓;顆粒濾清器

0 前言

社會(huì)各界對(duì)汽車的要求與日俱增，不僅需要滿足各國(guó)的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)和排放法規(guī)，同時(shí)也應(yīng)為駕駛?cè)藛T提供愉悅的駕駛體驗(yàn)。由三菱公司推出的全新ECLIPSE CROSS運(yùn)動(dòng)型多功能汽車（SUV），以大扭矩下的高響應(yīng)性作為技術(shù)特點(diǎn)，從而使駕駛?cè)藛T充分體驗(yàn)到新一代SUV的駕駛樂趣。研究人員為該車型專門開發(fā)了兼顧出色環(huán)保性能和優(yōu)越駕駛性能的1.5 L 小型渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。本文就該款4B40型發(fā)動(dòng)機(jī)及其所采用的主要技術(shù)進(jìn)行了介紹。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)概要

新款4B40型發(fā)動(dòng)機(jī)（圖1）的主要開發(fā)目標(biāo)及其所采用的技術(shù)如下：

（1）相比原2.4 L 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，大幅提高了扭矩性能并降低了燃油耗，同時(shí)采用了小型渦輪增壓系統(tǒng)。

（2）為克服直接噴射系統(tǒng)存在的排氣及噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）等問題，采用了進(jìn)氣道噴射的方式。

（3）為改善渦輪遲滯現(xiàn)象，研究人員為其配備了新一代小型渦輪增壓器及電動(dòng)廢氣門執(zhí)行器（WGA）。

（4）為了滿足歐洲排放法規(guī)要求，研究人員為其配備了性能優(yōu)越的汽油機(jī)顆粒過濾器（GPF）系統(tǒng)。

表1為4B40型發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)。表2為發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)目標(biāo)及采用的相關(guān)技術(shù)。圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性曲線對(duì)比。圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性改善效果示意圖。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)介紹

2.1 兼用PI方式的DI系統(tǒng)

4B40型發(fā)動(dòng)機(jī)采用1款結(jié)合了PI方式的DI系統(tǒng)（圖4）。通過DI系統(tǒng)，可在氣缸內(nèi)形成最佳混合氣，研究人員為其選用了具有6個(gè)噴孔的多孔噴射器（側(cè)噴）。DI系統(tǒng)的噴射壓力為4～20 MPa。兼用PI方式的DI系統(tǒng)的噴射模式如圖5所示。發(fā)動(dòng)機(jī)DI系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)行工況范圍內(nèi)都使用PI方式來噴射燃油，而在高負(fù)荷工況區(qū)域，為實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)冷卻，則會(huì)同時(shí)使用DI方式。發(fā)動(dòng)機(jī)在低速高負(fù)荷領(lǐng)域會(huì)使用DI 系統(tǒng)進(jìn)行2次噴射，通過降低噴霧貫穿距，減少燃燒室壁的燃油附著量，從而達(dá)到抑制顆粒物排放的目的。

2.1.1 降低排放效果

DI系統(tǒng)由于采用了高壓噴射的方式，因此在細(xì)化噴霧顆粒方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，而在冷態(tài)工況及噴油量較多的高負(fù)荷工況，燃燒室壁附著的燃油會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散燃燒現(xiàn)象，成為顆粒物生成的主要原因，此時(shí)與PI方式相配合，可以抑制顆粒物的生成。

2.1.2 燃油經(jīng)濟(jì)性改善效果

DI系統(tǒng)可直接向缸內(nèi)噴射高壓燃油，但為此需要較高的噴射壓力，從而需要配備驅(qū)動(dòng)噴射泵及高壓燃油系統(tǒng)，因此電力消耗會(huì)成為燃油經(jīng)濟(jì)性惡化的主要原因。在低負(fù)荷工況領(lǐng)域，僅通過PI方式進(jìn)行噴射，可以降低這一損失。

2.1.3 降低DI噴油器容量

在確保整機(jī)性能的基礎(chǔ)上，研究人員還必須兼顧最大噴油量和最小噴油量。因此，采用具有優(yōu)異的精細(xì)噴射控制能力的PI方式，可同時(shí)擴(kuò)大整個(gè)噴射系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，并使其具有最大流量。

2.1.4 降低噪聲

在DI方式中，為產(chǎn)生較高的燃油壓力，需要驅(qū)動(dòng)高壓泵，而高壓泵及噴油器在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生噪聲。因此，在低負(fù)荷工況區(qū)域中，通常僅采用PI方式，可有效降低此類工作噪聲。

2.1.5 清潔進(jìn)氣閥周邊效果

通過利用PI方式，可以清潔進(jìn)氣閥和進(jìn)氣道，防止氣缸內(nèi)出現(xiàn)積炭現(xiàn)象，同時(shí)確保燃料及潤(rùn)滑油性能的高度穩(wěn)定。

2.2 改良進(jìn)氣道

為確保低速工況下的性能，1項(xiàng)重要的工作是緩和增壓時(shí)的敲缸現(xiàn)象。為了改善燃燒過程，研究人員采用了可強(qiáng)化滾流并能促進(jìn)缸內(nèi)混合氣流動(dòng)的進(jìn)氣道（圖6）。作為強(qiáng)化滾流的手段，利用直進(jìn)氣道增加正向滾流，在此基礎(chǔ)上，研究人員又利用氣道下端邊緣減少了逆向滾流。在各曲軸轉(zhuǎn)角處滾流比分析結(jié)果（圖7）中，給出了進(jìn)氣行程（上止點(diǎn)后105 °CA）和壓縮行程（上止點(diǎn)前110 °CA）中缸內(nèi)氣體流動(dòng)的分析結(jié)果（圖8）。在進(jìn)氣行程中，通過強(qiáng)化滾流，使噴霧在氣缸中心旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，抑制了燃油在燃燒室內(nèi)壁發(fā)生附著。在壓縮行程中，由于活塞頂部采用了較為平坦的設(shè)計(jì)方案，可以使生成的滾流維持到壓縮行程的上止點(diǎn)附近。滾流持續(xù)到點(diǎn)火前消失，由此可以提高紊流強(qiáng)度，從而達(dá)到提高燃燒速度的目的。

2.3 改進(jìn)增壓技術(shù)

為了改善中低速工況下的扭矩，研究人員為4B40型發(fā)動(dòng)機(jī)配備了小型渦輪增壓器。在此基礎(chǔ)上，研究人員采用斜流渦輪，改善了渦輪遲滯現(xiàn)象（圖9）。另外，通過采用電動(dòng)WGA，大幅改善了對(duì)增壓的控制能力，實(shí)現(xiàn)了線性加速。作為提高增壓器響應(yīng)性控制力的具體案例，為迅速改善怠速至中等轉(zhuǎn)速工況下的增壓響應(yīng)性，研究人員將廢氣閥設(shè)在了閉口附近。同時(shí)，通過關(guān)閉油門可以降低泵氣損失，并降低燃油耗。

2.4 排氣歧管內(nèi)置式氣缸蓋

如圖10所示，研究人員通過在氣缸蓋內(nèi)設(shè)置排氣歧管，并在外圍設(shè)置冷卻水套，可以降低高負(fù)荷工況下的渦輪入口溫度，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化增壓效果，以此改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

2.5 抑制敲缸現(xiàn)象

為了抑制敲缸現(xiàn)象，研究人員改良了DI方式及進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了氣缸內(nèi)部氣體流動(dòng)過程，同時(shí)在燃燒室內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)化冷卻，這些方法對(duì)于抑制敲缸現(xiàn)象都非常有效。

此外，研究人員還采用了在內(nèi)部設(shè)置冷卻水道的活塞及機(jī)油噴嘴，氣門挺柱傘部為中空結(jié)構(gòu)，同時(shí)選用了可實(shí)現(xiàn)自然吸氣的排氣閥（圖11和圖12）。通過采用上述技術(shù)，充分提高了混合氣燃燒速度。

3 面向歐洲歐六d-TEMP排放法規(guī)采用的措施

相比全球統(tǒng)一的輕型車測(cè)試循環(huán)（WLTC），歐六d-TEMP排放法規(guī)增加了針對(duì)高負(fù)荷工況的要求，并利用實(shí)際行駛污染物排放（RDE）試驗(yàn)法，大幅提高了對(duì)排放穩(wěn)定性的要求。同時(shí)，對(duì)直噴汽油機(jī)而言，歐六d-TEMP排放法規(guī)還增加了對(duì)排放顆粒數(shù)（PN）的相關(guān)要求。為了應(yīng)對(duì)上述排放法規(guī)，三菱公司的研究人員在車輛底部安裝了GPF（圖13）。為防止GPF中顆粒物（PM）堆積導(dǎo)致壓力損耗增大及溫度過度升高的現(xiàn)象，GPF需要在合適的條件下進(jìn)行再生。

如圖14所示，研究人員需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庵械腜N量，以及炭煙模型預(yù)測(cè)PM堆積量。當(dāng)預(yù)測(cè)值超出閾值后，系統(tǒng)就會(huì)控制GPF內(nèi)的溫度及氧濃度，進(jìn)行GPF再生。

4 總結(jié)

研究人員通過采用以燃油直接噴射方式和改良?xì)獾罏榇淼南冗M(jìn)技術(shù)，并配備WGA的小型渦輪增壓器，實(shí)現(xiàn)了新一代SUV所需要的全扭矩駕駛功能及高環(huán)保性能。該發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的主要技術(shù)如下。

（1）研究人員通過采用DI+PI的方式，使4B40型發(fā)動(dòng)機(jī)性能得以充分發(fā)揮，并降低了PN，同時(shí)提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。另外，通過采用PI方式，可以對(duì)進(jìn)氣閥周邊進(jìn)行凈化，由此確保了燃料等介質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性。

（2）研究人員通過采用帶斜流渦輪的小型渦輪增壓器，在中低轉(zhuǎn)速及高扭矩的工況下，改善了增壓遲滯現(xiàn)象。通過采用電動(dòng)WGA，擴(kuò)大了最大扭矩范圍，提高了增壓系統(tǒng)響應(yīng)性。

（3）為滿足歐六d-TEMP排放法規(guī)，研究人員在催化器后段采用了GPF，通過對(duì)再生控制過程中各關(guān)鍵要素的機(jī)能進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放系統(tǒng)的有效控制。

今后，排放法規(guī)還會(huì)更加嚴(yán)格，車輛的環(huán)保性能仍須進(jìn)一步改善。進(jìn)一步的開發(fā)目標(biāo)主要包括降低廢氣排放，提高燃油經(jīng)濟(jì)性等。因此，車輛的駕駛樂趣與其制約因素將長(zhǎng)期共存，是未來的重要研究課題。研究人員通過技術(shù)優(yōu)化，可進(jìn)一步提高整車燃燒效率，改善節(jié)油技術(shù)，滿足環(huán)保要求，并使車型產(chǎn)品具有更高的駕駛愉悅性。

張冬梅 譯自 自動(dòng)車技術(shù)，2019（9）

伍賽特 編輯

（收稿時(shí)間：2020-12-04）