1.0L 小型增壓發(fā)動機先進技術(shù)與性能分析*

張立慶 于鎰隆 李 旭 劉雙喜 高繼東

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

引言

汽車向低碳化、信息化、智能化、輕量化方向發(fā)展[1]，要求其動力系統(tǒng)具備更低油耗、更低排放、更高性能，勢必使得發(fā)動機進一步小型化、輕量化、電氣化。在這一趨勢下，增壓小型化、缸內(nèi)直噴（GDI）、可變氣門正時（VVT）成為主流技術(shù)[2]。如今，增壓小排量發(fā)動機備受業(yè)界青睞，各廠商紛紛加大研發(fā)力度并相繼投放市場，主要搭載于緊湊型汽車。相對于四缸發(fā)動機，三缸發(fā)動機減少了運動摩擦部件，顯著降低了機械摩擦功，提高了效率，從而改善了發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性[3]。由于采用增壓技術(shù)，動力輸出不弱于排量相對較大的自然吸氣發(fā)動機，滿足動力需求；由于應(yīng)用電氣化、變排量機油泵、怠速起停、智能熱管理等先進技術(shù)和高滾流比、米勒/奧拓循環(huán)、奧拓/阿特金森循環(huán)等先進燃燒技術(shù)，增壓直噴小型化發(fā)動機進一步降低了油耗[4-6]。本文通過對3 款1.0T 發(fā)動機進行比對分析，描述了其技術(shù)特點與結(jié)構(gòu)布置，闡述了小型增壓發(fā)動機性能和應(yīng)用前景。

1 3 款1.0T 發(fā)動機基本參數(shù)

福特EcoBoost 1.0TGDI 是較早引入國內(nèi)的一款三缸增壓發(fā)動機，以多孔燃油高壓直噴、先進渦輪增壓、獨立雙可變氣門正時為核心技術(shù)特點[7]，開啟了增壓直噴VVT 技術(shù)之門。自2011 年開始，搭載于福特嘉年華、?？怂埂⒁聿染o湊型汽車；大眾為適應(yīng)增壓小排量市場需求，于2016 年推出新款三缸EA211 1.0TSI 發(fā)動機，搭載于新一代Polo；本田Earth Dreams 發(fā)動機系列于2016 年推出1.0T 三缸發(fā)動機，搭載于其暢銷車型思域汽車。以上3 款發(fā)動機的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 3 款1.0T 發(fā)動機基本參數(shù)

2 技術(shù)對比分析

為滿足低油耗、高效率要求，現(xiàn)階段先進技術(shù)在小型增壓發(fā)動機上的應(yīng)用已日趨成熟，包括缸內(nèi)直噴、高燃油壓力噴射、缸蓋集成排氣、變排量機油泵、VVT、電控增壓器廢氣旁通、分流冷卻、電子水泵、輕量化等技術(shù)。3 款1.0T 發(fā)動機所采用的先進技術(shù)對比如表2 所示。

表2 3 款1.0T 發(fā)動機技術(shù)對比

3 結(jié)構(gòu)布置對比分析

3.1 缸蓋/缸體

大眾1.0T、本田1.0T 采用鑄鋁缸體，但福特1.0T 仍然采用鑄鐵缸體。相對于鑄鐵，鑄鋁質(zhì)量輕，導(dǎo)熱系數(shù)大，冷卻性能好，可減少非正常燃燒發(fā)生概率。在滿足強度要求的前提下，鑄鋁缸體比鑄鐵好。但單位體積鑄鋁結(jié)構(gòu)強度小于鑄鐵，所以鑄鋁缸體體積大一些，突出表現(xiàn)在各缸相交的鼻梁區(qū)；鑄鋁缸體的耐腐蝕性不及鑄鐵缸體，尤其在工作溫度及壓力較高的增壓發(fā)動機機中，鑄鋁缸體的耐腐蝕性劣勢明顯[8]。大排量增壓發(fā)動機多采用鑄鐵缸體，基于輕量化，散熱性、加工工藝等方面因素，小排量發(fā)動機以鑄鋁結(jié)構(gòu)為發(fā)展趨勢。

3.2 進氣系統(tǒng)

福特1.0T、本田1.0T 采用外置風(fēng)冷式中冷，大眾1.0T 則采用進氣歧管集成水冷式中冷。集成水冷式中冷結(jié)構(gòu)緊湊，可大幅度縮短進氣管長度，減少管內(nèi)壓力損失，冷卻效果明顯優(yōu)于外置風(fēng)冷式中冷。外置風(fēng)冷式中冷結(jié)構(gòu)管路相對復(fù)雜，占用空間也大得多。集成水冷式中冷能更好地滿足小排量增壓發(fā)動機結(jié)構(gòu)緊湊需要，且具備更精確的控溫、控壓能力，因而具有更大的發(fā)展優(yōu)勢[9]。

3.3 排氣系統(tǒng)

3 款1.0T 均采用集成式排氣歧管與低慣量單渦管增壓器，使廢氣進入渦輪的距離變短，渦輪增壓器響應(yīng)更靈敏，降低渦輪增壓發(fā)動機遲滯效應(yīng)。

集成式排氣歧管在發(fā)動機冷啟動時利用排氣溫度加熱冷卻液，使水溫快速升高至工作溫度；高溫高負(fù)荷時利用冷卻液降低排氣溫度，保護增壓器，避免過早加濃，降低高負(fù)荷油耗[10]。

在渦輪增壓器控制上，大眾1.0T、本田1.0T 采用電動廢氣旁通執(zhí)行器，而福特1.0T 采用傳統(tǒng)真空式機械廢氣旁通閥。電動廢氣旁通執(zhí)行器能更加精確地控制增壓壓力，提高響應(yīng)速度，進一步降低渦輪遲滯，且具有較高的可靠性。在電氣化的推動下，帶集成式排氣的電控渦輪廢氣泄壓方式將逐步取代真空式渦輪廢氣泄壓方式。

3.4 冷卻系統(tǒng)

本田1.0T 采用傳統(tǒng)單節(jié)溫器，以控制大循環(huán)為主要工作特性。福特1.0T、大眾1.0T 采用雙節(jié)溫器，即分流冷卻，通過2 個節(jié)溫器分別控制缸蓋、缸體冷卻液流向，使發(fā)動機各部件工作在最佳溫度，降低摩擦副運動阻力，提高燃油經(jīng)濟性[11]。

目前，分流冷卻控制機理以缸蓋節(jié)溫器開啟溫度小于缸體節(jié)溫器開啟溫度為主。大眾1.0T 缸體水套中的冷卻液最后參與大循環(huán)；福特1.0T 則與常規(guī)設(shè)計相反，水溫高于75℃后，缸體節(jié)溫器先開啟，冷卻液此時分為2 路，一路進入缸體水套，缸體水套內(nèi)冷卻液由靜態(tài)進入小循環(huán)流動狀態(tài)；另一路直接流入排氣側(cè)水套，此時進入傳統(tǒng)單節(jié)溫器控制模式，即缸蓋節(jié)溫器控制大循環(huán)[12]。

3.5 潤滑系統(tǒng)

3 款1.0T 均采用變排量機油泵，與傳統(tǒng)定排量機油泵相比，ECU 可根據(jù)發(fā)動機工況調(diào)整機油泵流量。發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時機油壓力低，高轉(zhuǎn)速時機油壓力高，以保障不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下潤滑冷卻用油量的同時減輕發(fā)動機驅(qū)動機油泵的負(fù)荷，從而降低發(fā)動機功率損失，達到提高燃油經(jīng)濟性的目的[13]。

變排量機油泵主要分以下2 種：

1）福特1.0T、本田1.0T 采用葉片泵兩級可變機油泵。葉片泵兩級可變機油泵分為滑動變量式和擺動變量式，通過外調(diào)節(jié)環(huán)的滑動或擺動，改變其與轉(zhuǎn)子偏心距，從而改變機油泵的排量。當(dāng)反饋機油壓力達到變量設(shè)定值時，彈簧被壓縮，葉片內(nèi)外圈之間偏心距減小，壓油腔減小，對應(yīng)機油泵流量減??；當(dāng)反饋機油壓力降低時，彈簧彈力使調(diào)節(jié)環(huán)復(fù)位，葉片與內(nèi)外圈之間形成的壓油腔增大，對應(yīng)機油泵流量增加[14]。

2）大眾1.0T 采用軸向移動自調(diào)節(jié)機油泵。通過2 個泵齒輪相對軸向移動來實現(xiàn)流量變化。移動單元（從動齒輪）后部活塞面上一直加載有泵后機油壓力，而前部活塞面上加載有壓縮彈簧力。通過可控油道開閉來控制前部活塞面上的機油壓力，實現(xiàn)前后活塞面上的壓力差，從而推動從動齒輪前后移動。2 個泵齒輪正對（無相對移動）時，供油能力最大；2 個泵齒輪嚙合寬度最?。ㄝS向位移最大）時，供油能力最小[15]。

3.6 直噴系統(tǒng)

缸內(nèi)直噴能精確控制噴油量和噴油正時，并能實現(xiàn)均質(zhì)燃燒、分層燃燒，提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性。3款1.0T 均采用缸內(nèi)直噴技術(shù)，其中，福特1.0T 采用中置式，大眾1.0T、本田1.0T 采用側(cè)置式。

側(cè)置式噴油器一般布置在進氣歧管下方，結(jié)構(gòu)緊湊，降低了發(fā)動機總體高度，但容易發(fā)生濕壁現(xiàn)象；中置式噴油器油束分布更均勻，油氣混合也就更加均勻，并有利于避免濕壁現(xiàn)象，但由于要考慮與火花塞之間合理的布置空間避讓，會增加發(fā)動機的高度。

缸內(nèi)直噴通過高壓力燃油噴射來改善霧化效果，燃油在燃燒室內(nèi)蒸發(fā)，能降低燃燒室溫度，在提高進氣效率與壓縮比的前提下，可降低爆震傾向；可實現(xiàn)更有效的燃油正時管理，實現(xiàn)多次噴射，也可實現(xiàn)均質(zhì)燃燒、分層燃燒和當(dāng)量比混合氣燃燒的自由切換，從而更有效地組織燃燒，提高燃燒效率[16-17]。

3.7 可變氣門正時

可變氣門按驅(qū)動方式可分為油壓驅(qū)動式和電動驅(qū)動式；按調(diào)節(jié)控制單元布置形式可分為側(cè)置式和中置式。

驅(qū)動方式上，3 款1.0T 發(fā)動機進排氣均具備可變氣門正時（VVT），且都采用油壓驅(qū)動。布置形式上，大眾1.0T 采用側(cè)置機油壓力控制閥（OCV）來驅(qū)動調(diào)相器。側(cè)置OCV 閥布置在缸蓋兩側(cè)，在缸蓋與凸輪軸頭部加工油道，油道加工工藝較為復(fù)雜，油路較長，壓力損失較大，VVT 動態(tài)響應(yīng)存在一定延遲。福特1.0T、本田1.0T 采用中置式VVT，將側(cè)置OCV拆分成2 部分，其中，執(zhí)行部分集成在VVT 固定OCV 螺栓內(nèi)，另一部分執(zhí)行器（電磁鐵）單獨安裝在凸輪軸外側(cè)前蓋板上，與OCV 螺栓采用極小的間隙配合，電磁機構(gòu)可控制頂針推動OCV 螺栓中的柱塞移動，實現(xiàn)油路切換。中置式VVT 僅需一路常開油路，油路通道縮短，提高了配氣機構(gòu)的響應(yīng)速度，更便于控制[18]。

電動式VVT 依靠電機驅(qū)動調(diào)相器，加快進氣相位動態(tài)響應(yīng)，保證動力性。目前在阿特金森/米勒循環(huán)發(fā)動機中已有應(yīng)用，將成為新的發(fā)展趨勢。

除上述可變氣門正時技術(shù)外，本田1.0T 在其進氣側(cè)應(yīng)用了可變氣門升程技術(shù)，在高轉(zhuǎn)速時切換到高升程凸輪，以提高發(fā)動機功率。

為提高燃油經(jīng)濟性，進排氣雙可變氣門正時（DVVT）技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。

3.8 曲柄連桿機構(gòu)及平衡系統(tǒng)

三缸發(fā)動機點火間隔為240℃A，旋轉(zhuǎn)慣性力、往復(fù)慣性力能實現(xiàn)自身平衡，但旋轉(zhuǎn)慣性力矩與往復(fù)慣性力矩不能平衡，對三缸發(fā)動機的平順性影響很大。因此，在三缸發(fā)動機的設(shè)計初期，必須考慮采用平衡系統(tǒng)對慣性力矩進行平衡。針對旋轉(zhuǎn)慣性力矩，通常在曲柄上增加平衡重結(jié)構(gòu)進行反向抵消；往復(fù)慣性力矩則采用平衡軸結(jié)構(gòu)來平衡，為滿足結(jié)構(gòu)緊湊及輕量化要求，一般采用單平衡軸[19]。

福特1.0T 早期的發(fā)動機沒有平衡軸結(jié)構(gòu)，采用雙質(zhì)量飛輪、減振曲軸皮帶輪、曲柄偏置結(jié)構(gòu)等來減振。福特1.0T 后期改進機型設(shè)計了平衡軸。大眾1.0T、本田1.0T 取消了平衡軸結(jié)構(gòu)，運用輕量化連桿、輕量化曲軸、大慣量減振皮帶輪來改善發(fā)動機運轉(zhuǎn)平順性。3 款1.0T 的曲柄連桿機構(gòu)均采用輕量化設(shè)計，減小了運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力矩與往復(fù)慣性力矩，對發(fā)動機平順性有很好的促進作用[20]。3 款1.0T 的重要摩擦副表面均應(yīng)用類金剛石涂層（DLC）技術(shù)，有效降低了機械損失。

4 性能對比分析

1.0T小型增壓發(fā)動機的動力性優(yōu)于1.8L 自然吸氣發(fā)動機，燃油經(jīng)濟性優(yōu)于1.6L 自然吸氣發(fā)動機，因此，小型增壓發(fā)動機在動力性與經(jīng)濟性上有較大優(yōu)勢。

4.1 外特性分析

通過發(fā)動機臺架試驗，對3 款1.0T 發(fā)動機的外特性進行對比分析。圖1 為轉(zhuǎn)矩曲線，圖2 為功率曲線，圖3 為增壓壓力曲線，圖4 為增壓壓比曲線。

圖1 轉(zhuǎn)矩曲線

圖2 功率曲線

圖3 增壓壓力曲線

圖4 增壓壓比曲線

從圖1～圖4 可以看出，大眾1.0T 在增壓器匹配上注重中低速性能，最大轉(zhuǎn)矩為199.6 N·m，在轉(zhuǎn)速為3 500 r/min 以上時，增壓壓力迅速下降，性能大幅度降低。福特1.0T、本田1.0T 在標(biāo)定策略上兼顧中速與高速動力性，高轉(zhuǎn)矩區(qū)域較為寬泛，增壓壓比在轉(zhuǎn)速為5 000 r/min 時達到最大，保證高速性能。

圖5 為燃油消耗量曲線，圖6 為燃油消耗率曲線，圖7 為過量空氣系數(shù)（Фat）曲線，圖8 為催化器前端排氣溫度曲線。

圖5 燃油消耗量曲線

圖6 燃油消耗率（BSFC）曲線

圖7 過量空氣系數(shù)（Фat）曲線

圖8 催化器前端排氣溫度曲線

從圖5～圖8 可以看出，福特1.0T、大眾1.0T 全負(fù)荷油耗低于本田1.0T，2 者的燃油消耗量曲線隨轉(zhuǎn)速升高呈平緩上升趨勢，最大燃油消耗量小于30 kg/h，對應(yīng)的燃油消耗率處于260～330 g/（kW·h），變化幅度平緩。但本田1.0T 在轉(zhuǎn)速為3 500 r/min 以上時，燃油消耗率急劇升高。原因與排氣溫度保護控制策略有關(guān)，采取加濃方式降低排氣溫度，防止增壓器及催化器溫度過高，過量空氣系數(shù)（Фat）維持在0.7，混合氣偏濃，催化器前端最高排氣溫度為760 ℃，標(biāo)定策略相對保守，高速時油耗較高。福特1.0T 與大眾1.0T 在外特性工況加濃，Фat在0.85～1.00 之間，催化器前端最高排氣溫度為810 ℃。

圖9 為爆發(fā)壓力曲線，圖10 為爆發(fā)壓力對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角曲線。

圖9 爆發(fā)壓力（pmax）曲線

圖10 爆發(fā)壓力對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角（Apmax）曲線

從圖9、圖10 可以看出，大眾1.0T 發(fā)動機的爆發(fā)壓力為9.8 MPa；在低速、高負(fù)荷時，為抑制爆震發(fā)生，3 款發(fā)動機的點火提前角相應(yīng)推遲，對應(yīng)的爆發(fā)壓力出現(xiàn)時刻也相應(yīng)滯后；外特性工況爆發(fā)壓力所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨轉(zhuǎn)速升高相應(yīng)減小，以保證高速動力性。

4.2 經(jīng)濟性分析

3 款1.0T 發(fā)動機的低油耗區(qū)域如圖11 所示，圖中，燃油消耗率（BSFC）的單位為g/（kW·h）。

圖11 發(fā)動機燃油消耗率對比

從圖11 可以看出，大眾1.0T 的油耗最低，在中速、中負(fù)荷區(qū)域，燃油消耗率≤240 g/（kW·h），熱效率達到35.7%。

福特1.0T、大眾1.0T 以及本田1.0T 等3 款1.0T發(fā)動機的全工況燃油消耗率map 臺架實測值分別如圖12、圖13 及圖14 所示，圖中，燃油消耗率的單位為g/（kW·h）。

圖12 福特1.0T 發(fā)動機燃油消耗率

圖13 大眾1.0T 發(fā)動機燃油消耗率

圖14 本田1.0T 發(fā)動機燃油消耗率

小型增壓發(fā)動機機體熱負(fù)荷較大，為保護排氣系統(tǒng)部件，在保證動力性前提下，采用加濃控制策略，高速、高負(fù)荷時，增加噴油量以降低排氣溫度，因此，對應(yīng)的高負(fù)荷區(qū)域油耗偏高。本田1.0T 過早采取加濃控制排氣溫度，高負(fù)荷油耗升高。近年來，隨著缸蓋集成排氣工藝的成熟以及增壓器、催化器材料耐高溫特性的提高，高負(fù)荷油耗顯著降低。福特1.0T、大眾1.0T 控制Фat趨于1，僅在額定工況略微加濃，油耗整體相對較低。3 款發(fā)動機的Фat控制策略如圖15所示，未加濃區(qū)域的Фat為1，圖中并未畫出。

圖15 過量空氣系數(shù)（Фat）控制策略

通過臺架試驗，3 三款1.0T 發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性比對如表3 所示。

表3 3 款1.0T 發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性比對（臺架實測數(shù)據(jù)）

表3 中，全工況區(qū)域取車用汽油機常測區(qū)域：1 000～6 000 r/min、0.1 MPa～全負(fù)荷的區(qū)域，參見圖11～圖14。低油耗區(qū)域取燃油消耗率（BSFC）≤260 g/（kW·h）的部分工況區(qū)域；低油耗區(qū)域是一個動態(tài)變化的概念，隨著發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展，所取的BSFC會越來越低。低油耗區(qū)域分?jǐn)?shù)即低油耗區(qū)域工況數(shù)與全工況數(shù)的百分比。低油耗區(qū)域分?jǐn)?shù)越大，說明發(fā)動機的經(jīng)濟運行區(qū)域越大，合理匹配車輛后，實際運行時會更省油。通過低油耗區(qū)域分?jǐn)?shù)評價發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性比通過諸如2 000r/min、0.2MPa 等單個工況的油耗來評價發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性更合理。

5 結(jié)論

1）小型增壓發(fā)動機采用低慣量、小尺寸渦輪增壓器結(jié)合缸內(nèi)直噴、高滾流比、缸蓋集成排氣、智能化熱管理、電動化附件驅(qū)動等先進技術(shù)，以滿足高動力性、高熱效率、低油耗、低排放的市場和法規(guī)需求，已成為車用發(fā)動機的發(fā)展趨勢。

2）在開發(fā)1.0T 三缸發(fā)動機時，100kW、200N·m的動力性指標(biāo)被廣泛采用。

3）相對于大排量增壓發(fā)動機，小型增壓發(fā)動機在中低速、中低負(fù)荷時節(jié)油效果顯著，利于整車綜合節(jié)油。但目前的小型增壓發(fā)動機因自身承受熱負(fù)荷能力有限，高速、高負(fù)荷時油耗不低，燃油經(jīng)濟性不占優(yōu)勢，需從部件材料的耐高溫特性及排氣冷卻方面進行優(yōu)化。

4）目前，小型增壓發(fā)動機試驗實測最高熱效率為35.7%，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、技術(shù)集成、燃燒控制策略、降低油耗減少排放等方面依然有較大的優(yōu)化空間。

5）小型增壓發(fā)動機因其結(jié)構(gòu)緊湊，便于同電機進行動力耦合而應(yīng)用于混合動力汽車上，未來將成為緊湊車型搭載的主流發(fā)動機。

6）3 臺1.0T 發(fā)動機在性能試驗臺架上的燃燒特性、排放特性、標(biāo)定特征、機械特征、冷卻潤滑性能等表現(xiàn)復(fù)雜，有待進一步比對分析。