W.S.CHOI J.H.LEE B.H.MIN C.YU

摘要：SmartStream G1.0發(fā)動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代汽車(chē)集團(tuán)第3代SmartStream發(fā)動(dòng)機(jī)，具有1.0 L排量，以Kappa系列機(jī)型為基礎(chǔ)，并滿足當(dāng)今CO2排放法規(guī)的要求。介紹了這種新機(jī)型的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)亮點(diǎn)，如雙氣門(mén)口噴射、冷卻廢氣再循環(huán)，以及中間位置具有鎖定裝置的可變凸輪軸相位調(diào)節(jié)器。

關(guān)鍵詞：雙氣道噴射;多點(diǎn)燃噴射;排放

0?前言

2008年現(xiàn)代汽車(chē)首次推出1.2 L排量的直列4缸Kappa自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，并加大發(fā)動(dòng)機(jī)排量，來(lái)滿足各種不同車(chē)型和市場(chǎng)的要求[1.3]。之后，現(xiàn)代汽車(chē)開(kāi)發(fā)了1.4 L排量的Kappa發(fā)動(dòng)機(jī)，作為Gamma發(fā)動(dòng)機(jī)的替代機(jī)型，并在2011年開(kāi)發(fā)了1.0 L排量的直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)代汽車(chē)在該發(fā)動(dòng)機(jī)的生命循環(huán)期間進(jìn)行了較小的技術(shù)改進(jìn)，如改進(jìn)氣門(mén)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和降低摩擦。采用雙氣道噴射（DPI）的新一代小排量SmartStream發(fā)動(dòng)機(jī)（圖1）按照全新的結(jié)構(gòu)方式開(kāi)發(fā)，可以改善燃油耗和降低廢氣排放。2016年，現(xiàn)代公司在1.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)上就已采用了冷卻廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)。現(xiàn)在EGR系統(tǒng)也被用于SmartStream發(fā)動(dòng)機(jī)系列更小排量的機(jī)型上。此外，SmartStream發(fā)動(dòng)機(jī)還集成了一些新技術(shù)。

1?開(kāi)發(fā)目標(biāo)

當(dāng)前，Kappa多點(diǎn)燃油噴射（MPI）發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是在相對(duì)較低的轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到最大扭矩及適度的最高速度，以便在實(shí)際使用中獲得良好的行駛體驗(yàn)。對(duì)于具有較高關(guān)注度的最高速度而言，需要使用可變進(jìn)氣系統(tǒng)。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)功率而言，G1.0 L和G1.2 L的DPI發(fā)動(dòng)機(jī)采用了當(dāng)前Kappa發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)采用更高的壓縮比工作。因此，除了提高總熱效率之外，保持全負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)功率是最重要的開(kāi)發(fā)目標(biāo)之一。另1個(gè)開(kāi)發(fā)目標(biāo)是避免在高轉(zhuǎn)速時(shí)為保護(hù)零部件而加濃混合氣，以便最終在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)使混合氣達(dá)到過(guò)量空氣系數(shù)λ=1的目標(biāo)。

通過(guò)采用較高的壓縮比提高熱效率，新機(jī)型除了采用外部冷卻EGR系統(tǒng)之外，需要重新設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)，以補(bǔ)償采用較高壓縮比而降低的抗爆性。為了減小節(jié)流運(yùn)行時(shí)的泵吸損失，研究人員已換用了中間位置具有鎖定裝置的凸輪軸相位調(diào)節(jié)。先進(jìn)的分層燃燒過(guò)程降低了運(yùn)動(dòng)件中的摩擦，同時(shí)整體式排氣歧管降低了原始排放和廢氣溫度。由于采取了以上措施，高轉(zhuǎn)速時(shí)的燃油耗顯著降低了。表1列出了小排量SmartStream.DPI發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)。

2?帶有整體式排氣歧管的氣缸蓋

圖2表明，排氣歧管集成在氣缸蓋中的催化轉(zhuǎn)化器達(dá)到的起燃溫度時(shí)間比常規(guī)單獨(dú)排氣歧管縮短了20%。因?yàn)榇蟛糠痔細(xì)浠衔铮℉C）和氮氧化物（NOx）排放是在廢氣催化轉(zhuǎn)化器低溫時(shí)的早期加熱階段中形成的，發(fā)動(dòng)機(jī)的快速加熱能降低廢氣排放。這種系統(tǒng)的另1個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能降低廢氣溫度，而且能減少發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速和高負(fù)荷時(shí)為保護(hù)零部件而采取的混合氣加濃情況。這種型式的氣缸蓋僅用于第2代4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，在直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)上會(huì)因換氣時(shí)單個(gè)氣缸之間廢氣的干擾導(dǎo)致全負(fù)荷時(shí)的功率降低，而且在較低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)這種影響會(huì)明顯加劇。為了降低在直列4缸SmartStream.G1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)上使用這種帶有整體式排氣歧管氣缸蓋時(shí)的廢氣排放，整個(gè)廢氣管路和氣缸蓋中的冷卻系統(tǒng)需要重新設(shè)計(jì)，另外，在G1.0 L和G1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)上采用DPI的解決方案也克服了發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)因較高的壓縮比所引起的功率降低。

3?雙氣門(mén)噴射

噴油器通常位于進(jìn)氣道中氣道隔板之前，因?yàn)樵诿總€(gè)進(jìn)氣道中必須噴射2個(gè)分開(kāi)的燃油噴束，但這樣就限制了隔板長(zhǎng)度和噴油器頂端與燃燒室之間的設(shè)計(jì)自由度。如果該間距太大的話，就會(huì)增加燃油潤(rùn)濕進(jìn)氣道壁面的概率。為了避免壁面的潤(rùn)濕，研究人員采用了較細(xì)長(zhǎng)的噴束形狀，降低了因較小油滴相撞和合并形成較大油滴的危險(xiǎn)，但這同時(shí)卻會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣門(mén)上部因潤(rùn)濕和蒸發(fā)減少，從而削弱了充量冷卻的效果。

SmartStream發(fā)動(dòng)機(jī)使用的DPI彌補(bǔ)了基于單個(gè)噴油器系統(tǒng)的缺點(diǎn)，這樣就能不受氣道隔板長(zhǎng)度限制地減小噴油器頂端至燃燒室的距離。由于只需要較短的貫穿深度，就能應(yīng)用較寬的扇形噴束形狀。與僅使用單個(gè)噴油器的系統(tǒng)相比，油滴尺寸（SMD）減小了25%。較高的燃油蒸發(fā)速率會(huì)導(dǎo)致較晚的噴油時(shí)刻，并加強(qiáng)了氣缸充量的冷卻效果，這樣就能獲得較高的容積換氣效率和良好的抗爆性。

經(jīng)研究表明，在噴油終了后進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉前150～200 °CA（曲軸轉(zhuǎn)角）時(shí)，進(jìn)氣道壁面燃油膜相對(duì)較少（圖3），而如果噴油太晚，燃油膜就會(huì)大大增加，因?yàn)橥韲娚涞娜加蜁?huì)抵達(dá)氣缸套壁面。

在200 °CA前噴油結(jié)束后，大部分燃油在進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)時(shí)進(jìn)行噴射。在中等負(fù)荷時(shí)，在改變噴油終了情況后，排放沒(méi)有變化，除非因氣門(mén)開(kāi)啟噴射（OVI）而使顆粒數(shù)（PN）排放和比燃油耗顯著增加（圖3（b））。在較高負(fù)荷時(shí)會(huì)隨著噴油結(jié)束推遲，使得燃油效率持續(xù)改善，其原因是在進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)的情況下進(jìn)行噴油時(shí)的氣缸溫度較低，需要提高點(diǎn)火效率。據(jù)此，在高負(fù)荷和節(jié)氣門(mén)全開(kāi)的條件下，在PN并未迅速增加的運(yùn)行范圍內(nèi)的最佳噴油結(jié)束時(shí)間則要盡可能的晚，而在中等負(fù)荷范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)策略不被限制在這個(gè)范圍內(nèi)，因?yàn)樵贠VI情況下，燃油效率的改善效果一般。

4?排氣波反射的調(diào)整

在發(fā)動(dòng)機(jī)處于低轉(zhuǎn)速工況時(shí)，通常進(jìn)氣門(mén)早關(guān)會(huì)使更多的新鮮空氣充量進(jìn)入氣缸，這種策略導(dǎo)致在換氣期間與排氣門(mén)打開(kāi)的重疊時(shí)間增大。在這種情況下，全負(fù)荷時(shí)的殘余廢氣量會(huì)受到反射壓力波的影響。圖4示出了不同消聲器位置時(shí)廢氣壓力相對(duì)于曲軸轉(zhuǎn)角的模擬曲線，可清楚地看到增加中間消聲器會(huì)加大氣門(mén)重疊期間的背壓。無(wú)中間消聲器或者中間消聲器與排氣門(mén)的距離較大，能減小反射廢氣壓力波的干擾。3缸SmartStream.DPI發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)取消中間消聲器或優(yōu)化安裝位置就能使低轉(zhuǎn)速時(shí)的功率改善3%。

盡管新發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比較高，但是仍能達(dá)到性能目標(biāo)，低轉(zhuǎn)速扭矩保持在與當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)相同的水平上，其中DPI和重新設(shè)計(jì)的進(jìn)排氣系統(tǒng)起著重要的作用。

5?外部冷卻EGR

在汽油機(jī)上，采用EGR系統(tǒng)是降低燃油耗的有效措施。2016年，現(xiàn)代汽車(chē)在Kappa.1.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)上首次使用冷卻EGR，這種EGR系統(tǒng)已安裝在1.2 L機(jī)型上。新系統(tǒng)中EGR廢氣是在三元催化轉(zhuǎn)化器前從排氣總管取出的，而在之前的系統(tǒng)中則是在催化轉(zhuǎn)化器后抽取的（圖5），將EGR調(diào)節(jié)閥前后的壓力差最大化，減輕了在較高負(fù)荷范圍內(nèi)和進(jìn)氣歧管中壓力較高的情況下的EGR的調(diào)節(jié)量。此外，原始排放中的未燃HC被再次利用，從而能降低燃油耗。與原發(fā)動(dòng)機(jī)相比，新發(fā)動(dòng)機(jī)提高了點(diǎn)火線圈產(chǎn)生的能量，即使在外部冷卻EGR的情況下也能確保穩(wěn)定著火和燃燒。

點(diǎn)火能量（30 mJ或80 mJ）對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響示于圖6。該圖示出了在各種不同點(diǎn)火火花能量時(shí)燃燒持期的分布。與燃燒掉5%燃油質(zhì)量份額（MBF5）相對(duì)應(yīng)，燃燒持續(xù)期被定義為燃燒掉90%與10%燃油質(zhì)量份額時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角差。這些曲線是在運(yùn)行條件保持不變的情況下，通過(guò)對(duì)幾千個(gè)相互連接的燃燒循環(huán)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)估的結(jié)果。在所有的試驗(yàn)情況下得到的都是向右上傾斜的橢圓形，因此最開(kāi)始迅速的火焰?zhèn)鞑ィㄓ肕BF5早期的曲軸轉(zhuǎn)角表述）與較短的燃燒持續(xù)期之間存在著統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)聯(lián)，其中點(diǎn)火線圈的能量并不起作用。當(dāng)然，用于燃燒掉5%與50%燃油質(zhì)量份額和較高點(diǎn)火線圈能量情況下的燃燒持續(xù)期分散帶有些窄，并且燃燒重心的曲軸轉(zhuǎn)角在上止點(diǎn)后8 °CA附近，因?yàn)閷?duì)于給定的空氣和燃油供應(yīng)燃燒重心為8 °CA的循環(huán)是平均指示壓力最高的循環(huán)，為具有80 mJ能量的點(diǎn)火線圈提供了更好的平均燃油耗。

惰性氣體降低了燃燒速度，并加大了各個(gè)循環(huán)之間的功率偏差。如果氣缸充量中的惰性氣體份額超過(guò)一定限值的話，就會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒或著火中斷等現(xiàn)象。為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行，必須限制EGR率，以防止不穩(wěn)定燃燒。高能點(diǎn)火線圈能改善采用外部EGR運(yùn)行條件下燃燒的一致性，這樣就能擴(kuò)大上述限值，并最多能降低1%的燃油耗。

圖7表明EGR系統(tǒng)適用于大多數(shù)行駛狀況，并使中高負(fù)荷區(qū)域燃油耗得到了較明顯的改善，同時(shí)顯著提高了抗爆性。在非常高的負(fù)荷范圍內(nèi)，全負(fù)荷時(shí)進(jìn)排氣歧管之間只有非常小的壓差，這樣使得EGR率降低，由此所達(dá)到的燃油耗改善也受到了制約。

6?中間位置具有鎖定裝置的進(jìn)氣

降低低負(fù)荷范圍內(nèi)的燃油耗同樣也是重要的課題，其中降低泵吸損失效果最為明顯。使用EGR或許能提高進(jìn)氣歧管中的壓力，但在低負(fù)荷時(shí)，EGR調(diào)節(jié)閥前后的壓力差較大，其細(xì)微偏差也會(huì)引起EGR流量的顯著變化。而當(dāng)EGR流量太大時(shí)，燃燒速度會(huì)降低，會(huì)導(dǎo)致不完全燃燒或著火中斷等現(xiàn)象，從而使各個(gè)循環(huán)之間出現(xiàn)非常大的燃燒偏差，因此，在低負(fù)荷范圍內(nèi)不能使用EGR系統(tǒng)來(lái)解決泵吸損失的問(wèn)題。

降低泵吸損失的另1個(gè)可能性是使用凸輪軸相位調(diào)節(jié)器推遲進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉的時(shí)間。在推遲進(jìn)氣的情況下，壓縮行程期間一部分新鮮空氣充量將會(huì)返回到進(jìn)氣歧管，以維持進(jìn)氣歧管中的壓力，而僅有少部分的新鮮空氣充量保留在氣缸中。在具有固定氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間的系統(tǒng)中或者在常規(guī)的凸輪軸調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，通常采用延長(zhǎng)進(jìn)氣凸輪的持續(xù)時(shí)間，或是推遲基準(zhǔn)凸輪的調(diào)節(jié)，進(jìn)氣門(mén)才能達(dá)到晚關(guān)的目的。在這2種情況下，提高進(jìn)氣歧管中的壓力使惰性氣體進(jìn)入氣缸，但這會(huì)使具有長(zhǎng)的固定氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)間的進(jìn)氣凸輪在低轉(zhuǎn)速時(shí)的節(jié)氣門(mén)全開(kāi)且功率較小。因此，在這2種情況下，有效壓縮比小導(dǎo)致起動(dòng)性能較差。為了解決這種弊病，SmartStream.G1.0 L和G1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)裝備了中間位置具有鎖定裝置的凸輪軸調(diào)節(jié)器的CVVT系統(tǒng)來(lái)控制進(jìn)氣門(mén)（圖8）。因?yàn)镃VVT系統(tǒng)能調(diào)晚和調(diào)早進(jìn)氣凸輪，因而能推遲進(jìn)氣終了而不損壞起動(dòng)性能，并實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的功率保持。

在平均有效壓力低于0.4 MPa的2個(gè)不同運(yùn)行工況點(diǎn)（Pt1和Pt2），通過(guò)減小泵吸損失達(dá)到的降低燃油耗在1.0%～2.6%之間。通過(guò)冷卻EGR與中間位置具有鎖定裝置的凸輪軸調(diào)節(jié)器的CVVT系統(tǒng)的組合，能在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性曲線場(chǎng)中很大的范圍內(nèi)改善燃油耗。

7?降低摩擦

降低機(jī)械摩擦是改進(jìn)新款1.0 L和1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的難點(diǎn)之一（圖9）。在1.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)上采用帶有液壓氣門(mén)間隙補(bǔ)償器的滾輪搖臂機(jī)構(gòu)替代機(jī)械式間隙調(diào)整的氣門(mén)機(jī)構(gòu)。2款發(fā)動(dòng)機(jī)都使用了具有兩級(jí)壓力的可調(diào)式機(jī)油泵，以降低低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的機(jī)油壓力。低機(jī)油壓力能在發(fā)動(dòng)機(jī)低于3 500 r/min轉(zhuǎn)速下的降低總摩擦和改善實(shí)際行駛運(yùn)行中的燃油耗。為了降低運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)械摩擦，在活塞裙部、活塞環(huán)和主軸承上具有不同的涂層，同樣凸輪軸軸頸的直徑也針對(duì)降低摩擦進(jìn)行了優(yōu)化，此外還使用新型的輕載機(jī)油（SAE 0W20），以這樣的方式就能降低發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱態(tài)運(yùn)行時(shí)的摩擦。通過(guò)所有這些措施，與第1代Kappa.MPI發(fā)動(dòng)機(jī)相比，總機(jī)械摩擦降低了約20%。

8?熱管理的開(kāi)發(fā)

為了提高抗爆性和降低廢氣溫度，研究人員改進(jìn)了氣缸蓋中的冷卻液流動(dòng)路線。在Kappa發(fā)動(dòng)機(jī)上縱向設(shè)計(jì)的冷卻液流動(dòng)路線會(huì)使燃燒室表面產(chǎn)生不一致的溫度分布，從而導(dǎo)致各個(gè)氣缸的爆燃特性不同。新設(shè)計(jì)的橫向冷卻液流動(dòng)路線使系統(tǒng)能在中高負(fù)荷條件下進(jìn)行點(diǎn)火時(shí)刻的預(yù)調(diào)節(jié)和降低廢氣溫度。模擬計(jì)算（圖10）表明，冷卻液從排氣至進(jìn)氣的流動(dòng)方向產(chǎn)生了環(huán)繞排氣門(mén)座和火花塞的明顯強(qiáng)烈流動(dòng)，調(diào)早點(diǎn)火時(shí)刻和良好的冷卻效果有助于減少加濃混合氣。這一方面保護(hù)了零部件，另一方面又能在全球統(tǒng)一的輕型車(chē)測(cè)試循環(huán)（WLTC）試驗(yàn)中獲得良好的燃油耗表現(xiàn)。

整體式熱管理（ITM）模塊能有效地控制冷卻液流動(dòng)，從而改善燃油耗和各種不同運(yùn)行條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。整體式熱管理模塊由1個(gè)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥組成，它能通過(guò)預(yù)調(diào)節(jié)策略控制流向采暖設(shè)備、散熱器和EGR冷卻器的冷卻液流量（圖11）。因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)完全預(yù)熱之前就已使用EGR了，在冷卻液溫度較低時(shí)，流至散熱器和采暖設(shè)備的冷卻液流量被限制在低水平，以支持更快地預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)，并將一定流量的冷卻液分流到EGR冷卻器。在發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱后熱管理模塊開(kāi)始控制發(fā)動(dòng)機(jī)溫度，例如熱管理模塊加大流向散熱器的冷卻液流量，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)溫度并迅速地提高抗爆性。在外部環(huán)境溫度較低的情況下，就能利用最大采暖等級(jí)以改善車(chē)廂內(nèi)的供暖能力。

9?總結(jié)

在SmartStream.G1.0 L和G1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)上，應(yīng)用了多種新技術(shù)以改善燃油耗和發(fā)動(dòng)機(jī)功率。在中高負(fù)荷時(shí)，冷卻EGR與高能點(diǎn)火和雙氣門(mén)噴射相結(jié)合明顯降低了燃油耗。在低負(fù)荷范圍內(nèi)則通過(guò)高的壓縮比、更低的摩擦損失，以及安裝中間位置具有鎖定裝置的凸輪軸相位調(diào)節(jié)器予以改善。新設(shè)計(jì)的氣缸蓋采用冷卻液橫向流動(dòng)，從而能調(diào)早點(diǎn)火時(shí)刻，而集成到氣缸蓋中的排氣歧管能明顯地降低廢氣溫度，從而為滿足歐7排放標(biāo)準(zhǔn)做好了準(zhǔn)備。在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行新歐洲行駛程序（NEDC）和全球統(tǒng)一的輕型車(chē)測(cè)試程序（WLTP）試驗(yàn)時(shí)，CO2排放比原機(jī)型降低10%以上。這種模塊化的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)能利用整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系列中的通用件和相同的技術(shù)，并以這種方式優(yōu)化開(kāi)發(fā)費(fèi)用和品質(zhì)控制，從而降低成本?，F(xiàn)代汽車(chē)計(jì)劃在A級(jí)和B級(jí)車(chē)上使用這種新發(fā)動(dòng)機(jī)。

參考文獻(xiàn)

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