Hyundai-Kia公司新型1.0 L 3缸汽油機(jī)

【韓】 Lee S Gu Y Kim T 【德】 Hahn J

1 在Hyundai集團(tuán)未來小型車中的重要角色

氣候變化，特別是人類活動對此所產(chǎn)生的負(fù)面影響已成為當(dāng)今全球討論的焦點。包括汽車運輸、鐵路運輸、航空運輸和船舶運輸在內(nèi)的交通運輸領(lǐng)域的二氧化碳（CO2）排放量占全球CO2總排放量的20%以上。Hyundai-Kia公司正面臨排放法規(guī)要求降低溫室氣體及其他有害物排放的挑戰(zhàn)。

由于上述原因，以及能源價格的不斷上漲，提高了人們對緊湊型汽車的興趣。直列Kappa（κ）系列汽油機(jī)中的新型1.0 L 3 缸汽油機(jī)是Hyundai-Kia公司長遠(yuǎn)產(chǎn)品策略的組成部分，它將高功率與燃油耗效率相結(jié)合。所選擇的3缸機(jī)方案經(jīng)過極其仔細(xì)的細(xì)節(jié)優(yōu)化，能夠滿足高的聲學(xué)性能要求。從產(chǎn)品開發(fā)初期，就考慮了周邊地區(qū)機(jī)型的技術(shù)規(guī)格。這種由派生機(jī)型支持并十分經(jīng)濟(jì)的κ系列汽油機(jī)將在集團(tuán)未來小型車中承擔(dān)重要的角色。

2 氣缸數(shù)的確定

在開始研發(fā)新型1.0 L汽油機(jī)時，曾考慮采用4缸機(jī)方案。此外，市場上也有3缸汽油機(jī)產(chǎn)品，并曾報道過開發(fā)2缸汽油機(jī)的消息。在為這一排量等級的汽油機(jī)選擇氣缸數(shù)時，一方面要考慮成本，另一方面要挖掘它們改善效率的潛力。在方案研究中，對選擇氣缸數(shù)的基本要素進(jìn)行了討論（表1）。3 缸機(jī)在燃油耗和功率跨度方面的優(yōu)勢面臨聲學(xué)性能的挑戰(zhàn)，在優(yōu)化曲軸或曲軸箱等零件時，可以考慮實際情況。

幾十年前，這種被用作摩托車動力裝置的2 缸機(jī)在小型車輛上曾起過一定的作用。與3 缸機(jī)相比，2缸機(jī)結(jié)構(gòu)在噪聲-振動-平順性（NVH）性能方面仍具有相當(dāng)?shù)母偁幜Γ捎谄渥陨泶嬖谝浑A自由慣性力，必須采取諸如平衡軸等附加措施，而這會導(dǎo)致成本、質(zhì)量及功率損失等方面的缺陷，從而部分抵消其基本結(jié)構(gòu)方案特有的潛力。此外，如果要滿足各種汽車提出的聲學(xué)要求，那么，為了消除低頻燃燒噪聲，就必須采用外形尺寸明顯更大更長的進(jìn)、排氣系統(tǒng)，這在摩托車的應(yīng)用場合已眾所周知。結(jié)構(gòu)設(shè)計前的預(yù)研進(jìn)一步表明，發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)和起動機(jī)的集成明顯限制了主觀想象中2缸機(jī)在組裝方面的優(yōu)勢。

表1 汽油機(jī)氣缸數(shù)的確定

在對所有規(guī)范，特別是聲學(xué)品質(zhì)、燃油耗、制造成本及發(fā)動機(jī)質(zhì)量等進(jìn)行全面評估后，3缸機(jī)被證實是新型κ-1.0 L汽油機(jī)的最佳方案。

3 汽油機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

新型κ-1.0 L 3缸汽油機(jī)采用了雙頂置凸輪軸和4 氣門技術(shù)，能實現(xiàn)最佳的功率、效率和聲學(xué)性能，其主要技術(shù)規(guī)格歸納于表2，發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計將在以下章節(jié)中介紹。

表2 汽油機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

4 氣缸體曲軸箱

氣缸體曲軸箱采用開放式頂板結(jié)構(gòu)，并用鋁壓鑄工藝方法制造，與灰鑄鐵曲軸箱相比，發(fā)動機(jī)質(zhì)量減輕12 kg。為了優(yōu)化機(jī)體長度和減輕質(zhì)量，氣缸之間彼此相連，其間的“鼻梁”寬度為7.5 mm。為了改善鑄造時彼此之間的結(jié)合牢固度，鑲鑄灰鑄鐵氣缸套的外表面圓周上有0.7 mm 高的類似加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)，這種鑲鑄灰鑄鐵氣缸套不僅具有高的耐磨損性，而且能使氣缸工作表面變形小，從而有利于降低機(jī)油消耗量和防止曲軸箱漏氣。

曲軸箱采用從曲軸中心線剖分的半裙式結(jié)構(gòu)，而主軸承蓋被設(shè)計成梯形框架，這種氣缸體曲軸箱結(jié)構(gòu)型式能在發(fā)動機(jī)質(zhì)量和NVH 性能之間獲得最佳的折衷。在開發(fā)初始階段，氣缸體曲軸箱和油底殼都已借助于有限元法（FEM）對剛度和噪聲輻射進(jìn)行了優(yōu)化。

5 曲柄連桿機(jī)構(gòu)和活塞組

鑒于3缸機(jī)方案特有的聲學(xué)性能挑戰(zhàn)，同時考慮到曲軸摩擦占發(fā)動機(jī)摩擦的絕大部分，因而對曲軸予以特別重視。借助于多體模擬計算，減輕球墨鑄鐵曲軸的質(zhì)量并優(yōu)化其平衡重的設(shè)計。在這方面，首先必須在曲軸垂直振動和扭轉(zhuǎn)振動之間達(dá)到最佳的折衷，曲軸的疲勞強(qiáng)度已借助于計算機(jī)分析、拉伸和扭轉(zhuǎn)試驗，以及耐久運轉(zhuǎn)試驗得到驗證。Hyundai-Kia公司生產(chǎn)的緊湊型4缸汽油機(jī)采取曲軸中心線偏移改善燃油耗的方法已眾所周知，新型3缸汽油機(jī)也采用了這種設(shè)計措施（圖1）。在給定的邊界條件下，經(jīng)過仔細(xì)的計算機(jī)模擬，確定曲軸中心線的最佳偏移量為11 mm。經(jīng)點火運轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)試驗證實，低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的燃油耗降低了1%。通過在FEM 模型上應(yīng)用6σ設(shè)計方法，漲裂連桿已被設(shè)計成該排量等級中最輕的連桿，且沒有損害其疲勞強(qiáng)度（圖2）。將活塞壓縮高度縮短到僅24.7 mm，并減小活塞銷孔間距和夾層長度，使活塞質(zhì)量減輕到161 g?；钊瓦B桿的改進(jìn)使燃油耗降低了約0.5%。活塞和刮油環(huán)工作表面的涂層使活塞環(huán)的預(yù)張力降低了30%以上，從而使燃油耗又下降了0.6%。由于軸瓦經(jīng)過多次幾何設(shè)計優(yōu)化，機(jī)油泄漏量明顯減少，結(jié)果機(jī)油泵泵油量減少了13%，燃油耗降低了0.4%。

6 氣缸蓋

為了確保熱機(jī)械強(qiáng)度，氣缸蓋采用鋁合金（Al-Si6Cu4）由低壓鑄造而成，緊接著進(jìn)行T7 熱處理。屋頂形燃燒室與高滾流進(jìn)氣道相結(jié)合，獲得了穩(wěn)定的燃燒和較低的碳?xì)浠衔铮℉C）原始排放（圖3）。在燃燒室內(nèi)，通過將火花塞布置在燃燒室中心，使火焰?zhèn)鞑ネ緩捷^短，并獲得相當(dāng)于10%氣缸直徑的最佳擠流高度，從而實現(xiàn)了高品質(zhì)的燃燒。為了將燃燒室表面積減至最小，使壁面散熱損失減少，從而提高熱效率，將進(jìn)、排氣門總夾角設(shè)計成33.2°。

7 氣門及配氣機(jī)構(gòu)

新型κ-3缸汽油機(jī)是全球第1臺采用進(jìn)、排氣凸輪軸相位能連續(xù)可調(diào)（雙CVVT）技術(shù)的1.0 L 級汽油機(jī)。這種技術(shù)不僅能使燃油耗降低3%，而且能通過優(yōu)化運行工況點降低泵吸損失，從而明顯改善全負(fù)荷的特性曲線。此外，通過有針對性地調(diào)節(jié)氣缸中的殘余廢氣，成功實現(xiàn)內(nèi)部廢氣再循環(huán)，明顯降低了氮氧化物（NOx）和HC 原始排放，這直接對催化轉(zhuǎn)化器涂層的消耗有益。與4缸機(jī)不同，κ系列的新型3缸汽油機(jī)為了減輕運動質(zhì)量，同時出于經(jīng)濟(jì)性方面的原因，采用有間隙的杯形挺柱來操縱氣門（圖4），這種無需維護(hù)的杯形挺柱工作表面涂有類金剛石碳（DLC）涂層以降低滑動摩擦，這種極其有效的措施在低轉(zhuǎn)速時能降低0.3%燃油耗。此外，通過優(yōu)化壁厚，傳動件的質(zhì)量減輕了20%。將蜂窩形彈簧與減小的彈簧力和彈簧頂盤相結(jié)合，能使氣門機(jī)構(gòu)的摩擦降低10%。與齒形皮帶相比，κ-1.0 L 3缸汽油機(jī)采用免維護(hù)的滾柱鏈條配氣機(jī)構(gòu)，能使汽油機(jī)結(jié)構(gòu)長度縮短10 mm。

8 進(jìn)氣歧管和排氣歧管

為了保持具有2種功率變型，κ-1.0 L 3缸汽油機(jī)配備了固定長度和可變長度2 種規(guī)格的進(jìn)氣歧管。這2種進(jìn)氣歧管均由塑料制成，以減輕質(zhì)量和降低成本。為了確保發(fā)動機(jī)在中等轉(zhuǎn)速時獲得大扭矩，固定進(jìn)氣歧管的長度相應(yīng)調(diào)整到可變進(jìn)氣歧管的長度。經(jīng)過模擬和試驗驗證，最終確定進(jìn)氣歧管的長度為451 mm。進(jìn)氣管路的形狀優(yōu)化使額定功率提高了1.5 k W，而進(jìn)氣歧管的可變性提高了最低轉(zhuǎn)速時的扭矩，并使額定功率提高約10 k W。排氣歧管改成鑄件，與不銹鋼排氣歧管相比，成本節(jié)省30%。高的硅含量阻止了排氣歧管過度的高溫氧化，能在寬廣的特性曲線場范圍內(nèi)放棄混合氣加濃的做法以保護(hù)零件。為了縮短冷起動后的催化轉(zhuǎn)化滯后時間（快速起燃），三效催化轉(zhuǎn)化器被直接連接在排氣歧管上。新型的鈀-銠催化轉(zhuǎn)化器可使HC或NOx有效地被氧化還原，這種新型汽油機(jī)配裝于目標(biāo)車型后能滿足現(xiàn)行的歐5排放標(biāo)準(zhǔn)。

9 運行策略

新型3缸汽油機(jī)的所有變型機(jī)型均可結(jié)合使用自動起動-停車系統(tǒng)，這樣可節(jié)油約3%。由發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)對離合器和變速桿位置、車輪轉(zhuǎn)速、蓄電池充電狀況、外界溫度和接通的電器狀況等諸多參數(shù)作出評價，然后決定發(fā)動機(jī)停機(jī)或再次起動。帶有自動起動-停車系統(tǒng)的汽車配裝了大功率的起動機(jī)和較大容量的蓄電池。此外，所有汽車都為發(fā)電機(jī)配備了主動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，交流發(fā)電機(jī)管理系統(tǒng)根據(jù)行駛狀況控制發(fā)電機(jī)，這樣能節(jié)油約1.5%。

10 發(fā)動機(jī)和整車聲學(xué)性能的優(yōu)化

通過各方面的工作來滿足3缸機(jī)的高聲學(xué)性能要求，其中部分已反映在上述基本型發(fā)動機(jī)的設(shè)計之中。因此，噪聲總體上的變化不僅要將噪聲的產(chǎn)生減少到最低程度，而且還要優(yōu)化噪聲在固體和空氣中的傳播途徑。為了抑制噪聲和振動的產(chǎn)生，除了減輕零件的質(zhì)量之外，還仔細(xì)優(yōu)化了凸輪斜面范圍內(nèi)的廓線，以限制特別是在怠速運轉(zhuǎn)中可感覺到的刺激。同樣，為了抑制噴油器的“滴答”聲，還修改了燃油分配管的形狀和容積。借助于計算機(jī)模擬，對曲軸箱和梯形主軸承蓋框架底座結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并將輔助裝置直接安裝在曲軸箱上，從而獲得了高的總體剛度（圖5）。對基本型發(fā)動機(jī)的所有外圍件，如氣門罩蓋、發(fā)動機(jī)前罩蓋，以及進(jìn)、排氣系統(tǒng)等進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，改善了噪聲輻射。

11 LPG 和汽油交替運行的雙燃料機(jī)型

隨著對降低CO2排放量要求的提高及燃油價格的波動，對LPG 發(fā)動機(jī)的需求量呈上升趨勢，而為LPG 車加氣的公共設(shè)施分布不均，因此，只能按照雙燃料發(fā)動機(jī)方案要求進(jìn)行設(shè)計，這樣既能使用汽油，又能使用LPG，以確保在任何狀況下都能安全運行。出于這一原因，Hyundai-Kia公司已開發(fā)出新型的1.0 L LPG 機(jī)型。通過應(yīng)用LPG 噴射，使κ-1.0 L雙燃料發(fā)動機(jī)獲得了盡可能高的容積效率，而LPG是被分缸單獨噴人進(jìn)氣道的。

與帶有汽化器的機(jī)型相比，這種LPG 機(jī)型在使用LPG 運行時，既達(dá)到了相同的功率值，也使CO2排放量減少了5%以上。在以所謂的“跛行模式”運行（應(yīng)急功能）時，則由傳統(tǒng)的汽油噴油器承擔(dān)燃油的供應(yīng)。氣門和氣門座采用特殊材料制成，以應(yīng)對LPG 運行對基本型發(fā)動機(jī)機(jī)械部件的特殊挑戰(zhàn)，即使是為了防止過度磨損，第1道活塞環(huán)也采用物理汽相沉積涂層予以保護(hù)。

12 性能試驗結(jié)果

由于在這種排量等級中，部分機(jī)型首次應(yīng)用了現(xiàn)代技術(shù)，例如雙CVVT或可變進(jìn)氣歧管，新型κ-1.0 L 3缸汽油機(jī)在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)所達(dá)到的全負(fù)荷功率值是迄今自然吸氣發(fā)動機(jī)必須用較大排量才可能達(dá)到的水平。采用相同的技術(shù)，并進(jìn)行了極其仔細(xì)的優(yōu)化，特別是在發(fā)動機(jī)機(jī)械方面，使κ-汽油機(jī)的部分負(fù)荷燃油耗成為同類機(jī)型（λ＝1和無EGR）中新的最佳值，以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min和平均有效壓力0.2 MPa的運轉(zhuǎn)工況點為例，部分負(fù)荷燃油耗為375 g/（k W·h）。強(qiáng)化試驗及由此衍生的優(yōu)化聲學(xué)性能的改進(jìn)措施已使噪聲品質(zhì)改善了約2～3 dB。同時，也采取了一些優(yōu)化發(fā)動機(jī)加強(qiáng)筋及降低發(fā)動機(jī)質(zhì)量的措施。新型1.0 L 3缸汽油機(jī)因基本型發(fā)動機(jī)完全采用鋁合金制成，附件也實施了輕量化，其凈質(zhì)量僅為71.4 kg，從而達(dá)到了競爭機(jī)型中的最低值（圖6）。

13 結(jié)語

在新型κ-1.0 L 3缸汽油機(jī)的開發(fā)過程中，通過多學(xué)科的共同努力，使該機(jī)型達(dá)到了理想的功率和效率值。應(yīng)用可變進(jìn)氣歧管使新型發(fā)動機(jī)的功率達(dá)到60 k W，并能提供94 N·m 的最大扭矩（圖7）。3缸機(jī)方案獨特的優(yōu)點，以及應(yīng)用所選擇的技術(shù)（自動起動-停車系統(tǒng)等），并對所有部件進(jìn)行仔細(xì)的優(yōu)化，都對高效的汽車動力裝置作出了貢獻(xiàn)。通過對3缸機(jī)方案所特有的挑戰(zhàn)進(jìn)行堅持不懈的工作，滿足了高舒適性的要求。新型Kia Picanto轎車的CO2排放為95 g/km，搭載雙燃料機(jī)型的車型CO2排放為90 g/km，成為1.0 L排量汽車動力裝置領(lǐng)域內(nèi)新的最低值（圖8）。作為后續(xù)機(jī)型，2011 年已開始研發(fā)兼容乙醇燃料的機(jī)型，而且1.0 L 3缸汽油機(jī)的增壓機(jī)型也正在開發(fā)之中。技術(shù)人員將在持續(xù)提高機(jī)動性方面不斷努力，以體現(xiàn)出Hyundai集團(tuán)的技術(shù)水平。