上汽第3代藍芯2.0T發(fā)動機先進技術解析

朱國華 王 旻 邢東仕 樹向君

(上汽汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201805)

0 前言

為了滿足國內汽車市場對高性能發(fā)動機的需求，上海汽車集團股份有限公司乘用車分公司(以下簡稱“公司”)從2005年開始重點培育發(fā)動機自主研發(fā)能力。公司從引進、吸收到自主開發(fā)，完全掌握了發(fā)動機開發(fā)技術，并建立了完善的發(fā)動機開發(fā)體系。在2014年推出第2代藍芯2.0T發(fā)動機后，公司本著“上市一代，研發(fā)一代”的技術理念，已開始研發(fā)第3代2.0T發(fā)動機技術。歷經5年，完成了全新的2.0T發(fā)動機研發(fā)項目。

第3代藍芯2.0T發(fā)動機的研發(fā)主要考慮以下因素：(1)滿足全球更加嚴苛的環(huán)保和燃油耗法規(guī)要求；(2)滿足公司車型平臺要求，開發(fā)縱置車型和橫置車型；(3)進一步降低發(fā)動機外形尺寸和總質量；(4)提高低速響應性，滿足客戶實際的動力需求；(5)滿足整車噪聲-振動-平順性(NVH)的品質要求。基于上述研發(fā)要求，第3代2.0T發(fā)動機各系統(tǒng)采用了全新設計，運用了較多的發(fā)動機先進技術。

1 發(fā)動機主要技術的研發(fā)

第3代2.0T發(fā)動機如圖1所示，采用直列4缸、缸內直噴、渦輪增壓設計，其主要技術規(guī)格如表1所示。

表1 第3代2.0T發(fā)動機的主要技術規(guī)格

2 發(fā)動機先進技術配置

如圖2和圖3所示，為了滿足各方面需求，第3代藍芯2.0T發(fā)動機技術在主要系統(tǒng)中采用了許多先進設計技術。

圖2 發(fā)動機燃燒系統(tǒng)所采用的主要技術

圖3 發(fā)動機運動系統(tǒng)所采用的主要技術

2.1 發(fā)動機本體

為了降低發(fā)動機的總質量和制造成本，發(fā)動機氣缸體采用鋁合金高壓鑄造工藝，相對于鑄鐵缸體，新發(fā)動機缸體總質量降低約30%。水套為開式布局，底部采用波浪形設計，可以提高缸體溫度的均勻性、降低缸蓋螺栓對缸孔的影響。同時，發(fā)動機缸間增加機加工水孔，以降低缸套溫度，避免缸套壁面結焦的產生和熱疲勞失效。圖4為第3代藍芯2.0T發(fā)動機的缸體結構圖。

圖4 缸體結構

該系列發(fā)動機的缸套采用“蘑菇頭”狀設計，可以顯著提高缸套和鑄鋁本體的結合強度和導熱率，從而提高缸體總成的耐久性。缸體內壁采用螺傘珩磨形式，通過加大網紋夾角，可有效減少缸壁上細小顆粒狀雜質和機油附著，從而減少缸套磨損和機油消耗[1]，同時也能減少活塞的摩擦力。

隨著國家第6階段排放法規(guī)和實際行駛污染物排放(RDE)循環(huán)的實施，發(fā)動機大負荷加濃區(qū)域受到的限制越來越高。為了提高發(fā)動機暖機速度和加快三元催化器的到達起燃溫度，氣缸蓋采用了集成排氣歧管形式，如圖5所示。在缸內燃燒溫度不變情況下，通過IEM缸蓋對排氣進行冷卻，可以在不進行混合氣加濃的情況下將排氣溫度降低到可接受水平，從而改善整車在高負荷工況下的顆粒物(PM)排放[2]；同時IEM氣缸蓋縮短了排氣道長度，有利于增壓器的快速響應。

圖5 IEM氣缸蓋

2.2 進排氣系統(tǒng)

圖6 為了提高進氣道滾流比采用的設計

對于直噴汽油機而言，為了實現(xiàn)更好的混合氣均勻性，提高滾流比是有效的解決手段。如圖6所示，為了提高滾流比，研發(fā)人員對GL31系列發(fā)動機進氣道進行了專門設計，采用進氣道下側“魚肚形”下沉，進氣道鑄造面與座圈底孔采用銳邊過渡，以減小座圈上側截面和增加擋氣屏特征[3]。這些措施將GL31系列發(fā)動機的滾流比相對于上一代發(fā)動機提高了1倍。

如圖7所示，GL31系列發(fā)動機的排氣道設計采用了成熟4-1形結構，通過對排氣道優(yōu)化、結合小慣量渦輪和電子執(zhí)行器控制的廢氣旁通閥，發(fā)動機的低速扭矩和增壓器響應速度都得到了大幅改善。該系列發(fā)動機在轉速1 500 r/min時達到了最大扭矩點.相對于上一代發(fā)動機增壓器的響應性提高了3倍。

圖7 增壓器外形響應性提升對比

2.3 配氣系統(tǒng)

為了滿足發(fā)動機的性能和經濟性要求，針對GL31系列發(fā)動機的配氣系統(tǒng)，研發(fā)人員采用了中置VVT技術，以及兩級可變VVL技術。中置VVT技術可以實現(xiàn)更快的響應速度，從而最大限度降低泵氣損失，并實現(xiàn)米勒循環(huán)。通過采用兩級可變VVL技術，可以使1款發(fā)動機調校出2種動力版本，兼顧發(fā)動機的動力性和經濟性，節(jié)油率可達到4%。

2.3.1 中置VVT技術

傳統(tǒng)側置VVT技術由于機油控制閥和調相器之間的油路較長，會導致相位調節(jié)速度受到限制。高壓縮比米勒循環(huán)發(fā)動機則需要通過更快的相位調節(jié)速度在瞬態(tài)工況下避免發(fā)動機爆燃[4]。GL31發(fā)動機采用了中置VVT技術，可以提高1倍的響應速度。如圖8所示，中置VVT技術的特點主要有兩點：(1)控制油路大幅縮短，有利于減少機油損失，降低機油需求，并提高響應速度；(2)開壓電路(OCV)閥體自帶單向閥，有利于調相器油腔的保壓，提高調解速度。中置VVT技術將凸輪軸相位調節(jié)速度提高50%，最快每秒達到270°。

圖8 側置VVT技術向中置VVT技術的演變

2.3.2 兩級可變升程技術

如圖9所示，可變升程技術分為連續(xù)可變升程技術和階段式可變升程技術。雖然連續(xù)可變升程技術可以實現(xiàn)升程連續(xù)可變，理論上可實時滿足發(fā)動機最佳需求。但是由于連續(xù)可變升程技術結構復雜，對加工精度和控制技術有很高要求[5]，且調節(jié)時對外界環(huán)境要求比較高，所以至今應用連續(xù)可變升程技術的發(fā)動機較少。GL3發(fā)動機采用了具有較高可靠性的滑移式兩級可變升程技術，通過在凸輪軸上設計2種升程的凸輪套筒，電磁閥根據(jù)發(fā)動機控制單元(ECU)指令驅動銷子伸出，從而實現(xiàn)2種升程凸輪的切換。

圖9 兩級可變升程結構

兩級可變升程技術可以讓GL31發(fā)動機在部分負荷工況下運行在深度米勒循環(huán)工況，即保持較大的節(jié)氣門開度，降低泵氣損失。在大負荷工況下使用高升程從而提高進氣量，滿足大功率和高扭矩需求。高低升程切換時間只需0.07 s，因此在實際駕駛中通常不會出現(xiàn)針對動力遲滯的抱怨。

2.4 曲軸連桿系統(tǒng)

在曲軸系統(tǒng)中，主軸頸對摩擦功影響較大。如圖10所示，為了降低摩擦功，曲軸材料采用鍛鋼材料，并結合計算機輔助設計技術，對曲柄臂進行了細致優(yōu)化，從而使主軸頸直徑降低到48 mm，達到行業(yè)領先水平。為了兼顧曲軸自量和運轉平衡率，曲軸采用了8個平衡塊，且為了減少發(fā)動機長度，平衡塊采用非對稱設計，在第1平衡塊處作減薄處理。主軸頸和連桿軸頸均采用圓角滾壓工藝強化，疲勞強度提高1倍以上。在軸承跑合面區(qū)域采用中頻淬火，以提高耐磨性。

圖10 曲軸輪廊和主軸承直徑對標

活塞和連桿的結構設計如圖11所示。由于GL31發(fā)動機的壓縮比達到11.5，對活塞強度和高溫特性的要求都比較高，因此該活塞采用高強度鋁硅合金進行制造。為了配合燃燒，活塞整體設計復雜，頂面采用鑄造和機加工聯(lián)合成型，可以最大限度降低活塞成本?；钊?環(huán)槽采用鑄鐵材料，以保證在高負荷下第1氣環(huán)可以正常自由旋轉工作?；钊N采用喇叭口的等強度設計理念，可以降低往復慣性力。連桿選用整體鍛造形式，大頭采用激光割槽脹斷技術。通過計算機輔助，對連桿桿身和大頭進行了輕量化優(yōu)化設計，活塞和連桿的整體質量比上一代減輕了30%左右。連桿小頭采用“笑臉形”油槽，可以保證連桿與活塞銷的充分潤滑，降低摩擦功，并防止活塞銷卡滯。

圖11 活塞連桿設計細節(jié)

2.5 平衡軸系統(tǒng)

GL31系列發(fā)動機的一階往復慣性力自身可實現(xiàn)平衡，但二階往復慣性力無法實現(xiàn)自身平衡。在設計過程中，應盡量減少GL31系列發(fā)動機的往復慣性力，如喇叭口活塞銷設計，活塞裙部非對稱設計，連桿小頭楔形設計等措施。通過采用上述措施，GL31系列發(fā)動機的二階往復慣性力得到了降低，如圖12所示。

圖12 發(fā)動機往復慣性力的對比

為了降低二階往復慣性力帶來的低階次振動激勵及對整車NVH表現(xiàn)的影響，GL31系列發(fā)動機采用了蘭徹斯特式平衡軸模塊，如圖13所示。平衡軸模塊位于油底殼內，固定在缸體上，通過布置在曲軸第6曲柄臂上的齒圈驅動。為了降低嚙合噪聲，平衡軸加速齒輪和同步齒輪采用樹脂材料，從而實現(xiàn)整機的噪聲基本不受影響。

圖13 平衡軸系統(tǒng)

2.6 燃油噴射系統(tǒng)

相比上一代2.0T發(fā)動機，GL31系列發(fā)動機采用了噴油壓力高達35 MPa的高壓燃油直噴技術，如圖14所示。結合精確的短時脈沖控制，可以實現(xiàn)高精度噴射和多次噴射技術，大幅度降低有害燃燒產物[6]。噴油器油孔通過激光技術實現(xiàn)精確打孔，在35 MPa的壓力下使油滴達到6 μm量級。

借助計算機輔助工程(CAE)對濕壁進行仿真分析和油束干涉仿真分析，通過評估缸套油膜最大值、缸套油泵平均值、活塞油膜最大值、活塞油膜平均值和點火時刻當量比的分布，最終確定采用6孔油束，結合二次噴射技術解決了燃油稀釋的問題。

圖14 燃油噴射系統(tǒng)

2.7 冷卻潤滑系統(tǒng)

為了實現(xiàn)快速暖機和水溫自由控制，冷卻系統(tǒng)采用了電子可開關式水泵和電子節(jié)溫器。通過優(yōu)化水泵的控制策略，可以實現(xiàn)發(fā)動機在低溫環(huán)境下的快速暖機，同時結合電子節(jié)溫器控制，可以實現(xiàn)在全工況下按圖15所示進行最佳水溫控制，以達到最低燃油耗效果。

圖15 冷卻系統(tǒng)設計和最佳水溫邁譜圖

為滿足發(fā)動機低速工況的潤滑要求，傳統(tǒng)定排量機油泵的排量一般較大，導致在發(fā)動機高速運行階段機油大量泄掉，造成摩擦功損失。GL31系列發(fā)動機采用二級可變排量機油泵，以實現(xiàn)多階段排量控制，機油泵供油量貼近發(fā)動機需求量,從而降低了摩擦功損失[7]。如圖16所示，根據(jù)臺架試驗實測數(shù)據(jù)，二級可變排量泵相對于定排量泵可節(jié)油1.3%左右。

2.8 油氣分離系統(tǒng)

如圖17所示，油氣分離系統(tǒng)采用強制通風系統(tǒng)，分為3個通道：(1)全負荷通道；(2)部分負荷通道；(3)新鮮空氣通道。全負荷通道和新鮮空氣通道使用同一通道，通過不同壓力變化，實現(xiàn)2個單向閥的開通，從而實現(xiàn)分時復用。部分負荷通道通過缸蓋鑄造成型，徹底避免低溫結冰風險。為了避免結冰，全負荷通道采用了水加熱技術，從而避免了冬季低溫高速行車的結冰堵塞風險。

圖16 二級變排量泵供油與發(fā)動機機油的需求關系

圖17 油氣分離系統(tǒng)

為了提高油氣分離系統(tǒng)的分離效率，GL31系列發(fā)動機采用了兩級分離系統(tǒng)。如圖18所示，在缸體上首先進行預分離，預分離腔容積約為0.5 L，采用擴容及迷宮原理將油氣分離出來。預分離腔可以避免飛濺機油進入油氣分離器總成，并將部分大顆粒油滴分離出來，提高兩級分離部分的分離效率[8]。通過兩級分離，可以滿足機油消耗率小于1.0 g/h的要求。

圖18 預分離腔的分離效果分析

3 低摩擦設計

發(fā)動機在正常工作時，各旋轉運動零件或往復運動零件運行時產生摩擦是不可避免的，但是摩擦功大小對發(fā)動機的性能和油耗有非常重要的影響。GL31系列發(fā)動機在設計之初就已充分考慮到低摩擦設計方案，典型設計如下：(1)缸體主軸承孔采用偏置設計，偏置量8 mm，在低速和高速范圍均有效平衡活塞主推力側和副推力側受力，降低與缸套的摩擦損失。(2)減小曲軸系統(tǒng)軸承副的尺寸，并通過帶涂層軸瓦以降低摩擦功。曲軸主軸直徑經優(yōu)化后，達到行業(yè)最小直徑48 mm的水平。(3)降低整機的機油消耗量，從而降低機油泵排量，減少耗功。如通過軸瓦分組裝配來降低軸承間隙，減少曲軸軸承的機油消耗量；缸體缸蓋供油油路尺寸進行細致設計，降低軸承、液壓挺柱等部件的機油消耗量；改善調相器系統(tǒng)的機油泄漏率，降低機油消耗量等。(4)活塞環(huán)使用低彈力設計，活塞環(huán)，活塞銷和活塞裙部采用減摩涂層。(5)正時鏈系統(tǒng)采用輕量化套筒鏈，上導軌采用非接觸設計，整體布置優(yōu)化，減少鏈系統(tǒng)與導軌的摩擦損失。(6)氣門驅動采用滾子搖臂，并采用拉-拉布置，利用其自定心特性，降低摩擦力；進氣側采用窄搖臂設計，配合鋼制凸輪淬火，進一步減少摩擦功。(7)采用新開發(fā)的低粘度機油0W-20。

如圖19所示，在采用眾多低摩擦設計后，根據(jù)摩擦功試驗結果，可以看出GL31系列發(fā)動機的摩擦功已經接近行業(yè)領先水平。

圖19 基于AVL公司數(shù)據(jù)對GL31系列發(fā)動機的摩擦功評估

4 NVH優(yōu)化設計

隨著汽車用戶對NVH要求的提高，研發(fā)人員需要將發(fā)動機的NVH要求貫穿到整個發(fā)動機開發(fā)過程中。在前期燃燒開發(fā)階段，即對燃燒壓力升高率提出要求，以減少燃燒噪聲；借用CAE手段對各個結構件進行多輪優(yōu)化以提高整體模態(tài)，同時避開共振頻率以達到較高NVH要求。另外，如圖20所示，針對無法避免的NVH噪聲問題，選用了大量的NVH專用材料，以提高整機的NVH吸噪效果。

圖20 NVH專用材料

通過NVH設計優(yōu)化和材料選擇，GL31發(fā)動機的NVH水平達到行業(yè)領先水平，如圖21所示。

圖21 GL31發(fā)動機與其他2.0T發(fā)動機的NVH結果對比

5 總結

得益于大量先進技術的應用，GL31系列發(fā)動機作為上汽集團第3代藍芯產品，相對于上一代產品，功率和扭矩得到提升，燃油耗降低了10%，低速扭矩響應得到大幅度提升，可滿足目前最為嚴苛的國家第6階段燃油耗和環(huán)保法規(guī)。GL31系列發(fā)動機采用的大量先進技術主要有以下特點：(1)高壓鑄鋁缸體達到了輕量化設計，采用“蘑菇頭”形缸套和“波浪”形水套可增加缸套結合度并減少缸套變形，通過采用螺傘珩磨以減小摩擦力；(2)缸蓋集成排氣歧管以提高暖機和增加響應速度；(3)采用高滾流比氣道和擋氣屏設計使?jié)L流比達到了2.5，保證了混合氣均勻性；(4)采用小慣量電子渦輪增壓器，發(fā)動機在轉速1 500 r/min時刻達到最大扭矩，相對于上一代機型提高了3倍；(5)采用中置VVT技術，凸輪軸的調節(jié)速度提高了50%，達到了每秒270°；(6)自主開發(fā)的智能VVL技術可兼顧高功率和經濟性2種動力需求，使發(fā)動機形成2個功率版本；(7)全平衡塊曲軸和樹脂齒輪平衡軸系統(tǒng)為發(fā)動機帶來了優(yōu)良的NVH特性；(8)采用鑄鐵環(huán)式活塞提高活塞疲勞性能，同時采用DLC涂層降低摩擦功；(9)采用噴油壓力高達35 MPa的燃油噴射系統(tǒng)，可以使油滴霧化達到6 μm量級；(10)采用可開關式水泵和電控節(jié)溫器，可保證發(fā)動機實時處于最佳工作水溫狀態(tài)；(11)采用兩級變量機油泵可以根據(jù)發(fā)動機需求提供合理機油量；(12)采用兩級分離油氣分離系統(tǒng)，可以滿足機油消耗率小于1 g/h；(13)針對NVH要求，采用大量專用設計和材料，提高了NVH效果。綜上所述，GL31系列發(fā)動機具有性能優(yōu)異、響應快速、尺寸短小和總質量輕的特點，將會成為上汽集團未來車型的重要動力來源，后續(xù)將會陸續(xù)搭載于大型運動型多用途汽車(SUV)、多用途汽車(MPV)和B級轎車等多款車型上。