三菱公司為新型ECLIPSECROSS運動型多功能汽車(SUV)開發了1款全新的小型發動機。透過應用直接噴射，以及其他降低排放與燃油耗的技術，新款4B40型發動機實現了駕駛效能與環保效能的進一步最佳化。
0 前言
社會各界對汽車的要求與日俱增，不僅需要滿足各國的燃油耗標準和排放法規，同時也應為駕駛人員提供愉悅的駕駛體驗。由三菱公司推出的全新ECLIPSECROSS運動型多功能汽車(SUV)，以大扭矩下的高響應性作為技術特點，從而使駕駛人員充分體驗到新一代SUV 的駕駛樂趣。研究人員為該車型專門開發了兼顧出色環保效能和優越駕駛效能的1.5 L小型渦輪增壓直噴發動機。本文就該款4B40型發動機及其所採用的主要技術進行了介紹。
1 發動機概要
新款4B40型發動機(圖1)的主要開發目標及其所採用的技術如下：(1)相比原2.4 L 自然吸氣發動機，大幅提高了扭矩效能並降低了燃油耗，同時採用了小型渦輪增壓系統。(2)為克服直接噴射系統存在的排氣及噪聲-振動-平順性(NVH)等問題，採用了進氣道噴射的方式。(3)為改善渦輪遲滯現象，研究人員為其配備了新一代小型渦輪增壓器及電動廢氣門執行器(WGA)。(4)為了滿足歐洲排放法規要求，研究人員為其配備了效能優越的汽油機顆粒過濾器(GPF)系統。
圖1 4B40型發動機外觀
表1為4B40型發動機效能引數。表2為發動機開發目標及採用的相關技術。圖2為發動機扭矩特性曲線對比。圖3為發動機燃油經濟性改善效果示意圖。
表1 4B40型發動機技術引數
表2 4B40型發動機主要應用的技術
圖2 發動機扭矩特性曲線對比(滿足歐六b排放法規要求)
圖3 4B40型發動機在固定工況點下的燃油經濟性改善效果
2 發動機技術介紹
2.1 兼用PI方式的DI系統
4B40型發動機採用1款結合了PI方式的DI系統(圖4)。透過DI系統，可在氣缸內形成最佳混合氣，研究人員為其選用了具有6個噴孔的多孔噴射器(側噴)。DI系統的噴射壓力為4~20 MPa。兼用PI方式的DI系統的噴射模式如圖5所示。發動機DI系統最顯著的特點是在發動機整個執行工況範圍內都使用PI方式來噴射燃油，而在高負荷工況區域，為實現缸內冷卻，則會同時使用DI方式。發動機在低速高負荷領域會使用DI系統進行2次噴射，透過降低噴霧貫穿距，減少燃燒室壁的燃油附著量，從而達到抑制顆粒物排放的目的。
圖4 4B40型發動機的噴射系統
圖5 兼用PI方式的DI系統噴射模式
2.1.1 降低排放效果
DI系統由於採用了高壓噴射的方式，因此在細化噴霧顆粒方面具有顯著優勢，而在冷態工況及噴油量較多的高負荷工況，燃燒室壁附著的燃油會產生擴散燃燒現象，成為顆粒物生成的主要原因，此時與PI方式相配合，可以抑制顆粒物的生成。
2.1.2 燃油經濟性改善效果
DI系統可直接向缸內噴射高壓燃油，但為此需要較高的噴射壓力，從而需要配備驅動噴射泵及高壓燃油系統，因此電力消耗會成為燃油經濟性惡化的主要原因。在低負荷工況領域，僅透過PI方式進行噴射，可以降低這一損失。
2.1.3 降低DI噴油器容量
在確保整機效能的基礎上，研究人員還必須兼顧最大噴油量和最小噴油量。因此，採用具有優異的精細噴射控制能力的PI方式，可同時擴大整個噴射系統的動態範圍，並使其具有最大流量。
2.1.4 降低噪聲
在DI方式中，為產生較高的燃油壓力，需要驅動高壓泵，而高壓泵及噴油器在工作時都會產生噪聲。因此，在低負荷工況區域中，通常僅採用PI方式，可有效降低此類工作噪聲。
2.1.5 清潔進氣閥周邊效果
透過利用PI方式，可以清潔進氣閥和進氣道，防止氣缸內出現積炭現象，同時確保燃料及潤滑油效能的高度穩定。
2.2 改良進氣道
為確保低速工況下的效能，1項重要的工作是緩和增壓時的敲缸現象。為了改善燃燒過程，研究人員採用了可強化滾流並能促進缸內混合氣流動的進氣道(圖6)。作為強化滾流的手段，利用直進氣道增加正向滾流，在此基礎上，研究人員又利用氣道下端邊緣減少了逆向滾流。在各曲軸轉角處滾流比分析結果(圖7)中，給出了進氣行程(上止點後105 °CA)和壓縮行程(上止點前110 °CA)中缸內氣體流動的分析結果(圖8)。在進氣行程中，透過強化滾流，使噴霧在氣缸中心旋轉流動，抑制了燃油在燃燒室內壁發生附著。在壓縮行程中，由於活塞頂部採用了較為平坦的設計方案，可以使生成的滾流維持到壓縮行程的上止點附近。滾流持續到點火前消失，由此可以提高紊流強度，從而達到提高燃燒速度的目的。
圖6 強化滾流後的氣道對比示意圖
圖7 採用計算機輔助工程(CAE)分析的滾流改善效果
圖8 經CAE處理後的缸內流動效果
2.3 改進增壓技術
為了改善中低速工況下的扭矩，研究人員為4B40型發動機配備了小型渦輪增壓器。在此基礎上，研究人員採用斜流渦輪，改善了渦輪遲滯現象(圖9)。另外，透過採用電動WGA，大幅改善了對增壓的控制能力，實現了線性加速。作為提高增壓器響應性控制力的具體案例，為迅速改善怠速至中等轉速工況下的增壓響應性，研究人員將廢氣閥設在了閉口附近。同時，透過關閉油門可以降低泵氣損失，並降低燃油耗。
圖9 斜流渦輪
2.4 排氣歧管內建式氣缸蓋
如圖10所示，研究人員透過在氣缸蓋內設定排氣歧管，並在外圍設定冷卻水套，可以降低高負荷工況下的渦輪入口溫度，同時進一步最佳化增壓效果，以此改善發動機效能。
圖10 排氣管內建氣缸蓋
2.5 抑制敲缸現象
為了抑制敲缸現象，研究人員改良了DI方式及進氣道結構，優化了氣缸內部氣體流動過程，同時在燃燒室內進行強化冷卻，這些方法對於抑制敲缸現象都非常有效。
此外，研究人員還採用了在內部設定冷卻水道的活塞及機油噴嘴，氣門挺柱傘部為中空結構，同時選用了可實現自然吸氣的排氣閥(圖11和圖12)。透過採用上述技術，充分提高了混合氣燃燒速度。
圖11 內建冷卻水道活塞及機油噴嘴
圖12 氣門挺柱傘部中空並封入鈉的排氣閥
3 採用的措施
相比全球統一的輕型車測試迴圈(WLTC)，歐六d-TEMP排放法規增加了針對高負荷工況的要求，並利用實際行駛汙染物排放(RDE)試驗法，大幅提高了對排放穩定性的要求。同時，對直噴汽油機而言，歐六d-TEMP排放法規還增加了對排放顆粒數(PN)的相關要求。為了應對上述排放法規，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)堆積導致壓力損耗增大及溫度過度升高的現象，GPF需要在合適的條件下進行再生。
圖13 用於歐盟(EU)的4B40型發動機排氣管路概圖
如圖14所示，研究人員需要根據發動機燃氣中的PN量，以及炭煙模型預測PM堆積量。當預測值超出閾值後，系統就會控制GPF內的溫度及氧濃度，進行GPF再生。
圖14 GPF控制圖
4 總結
研究人員透過採用以燃油直接噴射方式和改良氣道為代表的先進技術，並配備WGA的小型渦輪增壓器，實現了新一代SUV所需要的全扭矩駕駛功能及高環保效能。該發動機所採用的主要技術如下。
(1)研究人員透過採用DI+PI的方式，使4B40型發動機效能得以充分發揮，並降低了PN，同時提高了燃油經濟性。另外，透過採用PI方式，可以對進氣閥周邊進行淨化，由此確保了燃料等介質的化學穩定性。
(2)研究人員透過採用帶斜流渦輪的小型渦輪增壓器，在中低轉速及高扭矩的工況下，改善了增壓遲滯現象。透過採用電動WGA，擴大了最大扭矩範圍，提高了增壓系統響應性。
(3)為滿足歐六d-TEMP排放法規，研究人員在催化器後段採用了GPF，透過對再生控制過程中各關鍵要素的機能進行模擬，實現了對發動機排放系統的有效控制。
今後，排放法規還會更加嚴格，車輛的環保效能仍須進一步改善。進一步的開發目標主要包括降低廢氣排放，提高燃油經濟性等。因此，車輛的駕駛樂趣與其制約因素將長期共存，是未來的重要研究課題。研究人員透過技術最佳化，可進一步提高整車燃燒效率，改善節油技術，滿足環保要求，並使車型產品具有更高的駕駛愉悅性。
本文發表於《汽車與新動力》雜誌2021年第2期
作者：[日]松田徵二等
整理：張冬梅
編輯：伍賽特
