SmartStreamG1.0發(fā)動機是現(xiàn)代汽車集團第3代SmartStream 發(fā)動機，具有1.0 L排量，以Kappa系列機型為基礎(chǔ)，并滿足當今CO2排放法規(guī)的要求。介紹了這種新機型的設(shè)計理念和技術(shù)亮點，如雙氣門口噴射、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。

0 前言

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2008年現(xiàn)代汽車首次推出1.2 L排量的直列4缸Kappa自然吸氣發(fā)動機，并加大發(fā)動機排量，來滿足各種不同車型和市場的要求。之后，現(xiàn)代汽車開發(fā)了1.4 L排量的Kappa發(fā)動機，作為Gamma發(fā)動機的替代機型，并在2011年開發(fā)了1.0 L排量的直列4缸發(fā)動機。

現(xiàn)代汽車在該發(fā)動機的生命循環(huán)期間進行了較小的技術(shù)改進，如改進氣門傳動機構(gòu)和降低摩擦。采用雙氣道噴射（DPI）的新一代小排量SmartStream發(fā)動機（圖1）按照全新的結(jié)構(gòu)方式開發(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)動機上就已采用了冷卻廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)?，F(xiàn)在EGR系統(tǒng)也被用于SmartStream 發(fā)動機系列更小排量的機型上。此外，SmartStream發(fā)動機還集成了一些新技術(shù)。

1 開發(fā)目標

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當前，Kappa多點燃油噴射（MPI）發(fā)動機的開發(fā)目標是在相對較低的轉(zhuǎn)速時達到最大扭矩及適度的最高速度，以便在實際使用中獲得良好的行駛體驗。對于具有較高關(guān)注度的最高速度而言，需要使用可變進氣系統(tǒng)。

對于發(fā)動機功率而言，G1.0 L和G1.2 L的DPI發(fā)動機采用了當前Kappa發(fā)動機的設(shè)計理念，同時采用更高的壓縮比工作。因此，除了提高總熱效率之外，保持全負荷發(fā)動機功率是最重要的開發(fā)目標之一。另1個開發(fā)目標是避免在高轉(zhuǎn)速時為保護零部件而加濃混合氣，以便最終在整個運行范圍內(nèi)使混合氣達到過量空氣系數(shù)λ=1的目標。

通過采用較高的壓縮比提高熱效率，新機型除了采用外部冷卻EGR 系統(tǒng)之外，需要重新設(shè)計冷卻系統(tǒng)，以補償采用較高壓縮比而降低的抗爆性。為了減小節(jié)流運行時的泵吸損失，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)。

先進的分層燃燒過程降低了運動件中的摩擦，同時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)速時的燃油耗顯著降低了。表1列出了小排量SmartStream-DPI發(fā)動機的技術(shù)參數(shù)。

表1 發(fā)動機特性數(shù)據(jù)和技術(shù)特點

2 帶有整體式排氣歧管的氣缸蓋

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圖2表明，排氣歧管集成在氣缸蓋中的催化轉(zhuǎn)化器達到的起燃溫度時間比常規(guī)單獨排氣歧管縮短了20%。因為大部分碳氫化合物（HC）和氮氧化物（NOx）排放是在廢氣催化轉(zhuǎn)化器低溫時的早期加熱階段中形成的，發(fā)動機的快速加熱能降低廢氣排放。

這種系統(tǒng)的另1個優(yōu)點是能降低廢氣溫度，而且能減少發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速和高負荷時為保護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)動機，在直列4缸發(fā)動機上會因換氣時單個氣缸之間廢氣的干擾導(dǎo)致全負荷時的功率降低，而且在較低的發(fā)動機轉(zhuǎn)速時這種影響會明顯加劇。

為了降低在直列4缸SmartStream-G1.2 L發(fā)動機上使用這種帶有整體式排氣歧管氣缸蓋時的廢氣排放，整個廢氣管路和氣缸蓋中的冷卻系統(tǒng)需要重新設(shè)計，另外，在G1.0 L和G1.2 L發(fā)動機上采用DPI的解決方案也克服了發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時因較高的壓縮比所引起的功率降低。

圖2 整體式排氣歧管與常規(guī)排氣歧管之間催化轉(zhuǎn)化器達到起燃溫度時間的比較示意圖

3 雙氣門噴射

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噴油器通常位于進氣道中氣道隔板之前，因為在每個進氣道中必須噴射2個分開的燃油噴束，但這樣就限制了隔板長度和噴油器頂端與燃燒室之間的設(shè)計自由度。如果該間距太大的話，就會增加燃油潤濕進氣道壁面的概率。

為了避免壁面的潤濕，研究人員采用了較細長的噴束形狀，降低了因較小油滴相撞和合并形成較大油滴的危險，但這同時卻會導(dǎo)致進氣門上部因潤濕和蒸發(fā)減少，從而削弱了充量冷卻的效果。SmartStream發(fā)動機使用的DPI彌補了基于單個噴油器系統(tǒng)的缺點，這樣就能不受氣道隔板長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)速率會導(dǎo)致較晚的噴油時刻，并加強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，在噴油終了后進氣門關(guān)閉前150~200 °CA（曲軸轉(zhuǎn)角）時，進氣道壁面燃油膜相對較少（圖3），而如果噴油太晚，燃油膜就會大大增加，因為晚噴射的燃油會抵達氣缸套壁面。

圖3 在各種不同運行條件下噴油終了進氣門關(guān)閉前曲軸轉(zhuǎn)角

在200 °CA 前噴油結(jié)束后，大部分燃油在進氣門打開時進行噴射。在中等負荷時，在改變噴油終了情況后，排放沒有變化，除非因氣門開啟噴射（OVI）而使顆粒數(shù)（PN）排放和比燃油耗顯著增加（圖3（b））。

在較高負荷時會隨著噴油結(jié)束推遲，使得燃油效率持續(xù)改善，其原因是在進氣門打開的情況下進行噴油時的氣缸溫度較低，需要提高點火效率。據(jù)此，在高負荷和節(jié)氣門全開的條件下，在PN 并未迅速增加的運行范圍內(nèi)的最佳噴油結(jié)束時間則要盡可能的晚，而在中等負荷范圍內(nèi)的設(shè)計策略不被限制在這個范圍內(nèi)，因為在OVI情況下，燃油效率的改善效果一般。

4 排氣波反射的調(diào)整

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在發(fā)動機處于低轉(zhuǎn)速工況時，通常進氣門早關(guān)會使更多的新鮮空氣充量進入氣缸，這種策略導(dǎo)致在換氣期間與排氣門打開的重疊時間增大。在這種情況下，全負荷時的殘余廢氣量會受到反射壓力波的影響。

圖4示出了不同消聲器位置時廢氣壓力相對于曲軸轉(zhuǎn)角的模擬曲線，可清楚地看到增加中間消聲器會加大氣門重疊期間的背壓。無中間消聲器或者中間消聲器與排氣門的距離較大，能減小反射廢氣壓力波的干擾。3缸SmartStream-DPI發(fā)動機通過取消中間消聲器或優(yōu)化安裝位置就能使低轉(zhuǎn)速時的功率改善3%。

圖4 3缸發(fā)動機在轉(zhuǎn)速2 250 r/min和進氣門

對氣缸狀態(tài)、燃油效率和廢氣排放的影響盡管新發(fā)動機的壓縮比較高，但是仍能達到性能目標，低轉(zhuǎn)速扭矩保持在與當前發(fā)動機相同的水平上，其中DPI和重新設(shè)計的進排氣系統(tǒng)起著重要的作用。

5 外部冷卻EGR

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在汽油機上，采用EGR系統(tǒng)是降低燃油耗的有效全開情況下?lián)Q氣期間廢氣壓力的變化措施。2016年，現(xiàn)代汽車在Kappa-1.0 L發(fā)動機上首次使用冷卻EGR，這種EGR系統(tǒng)已安裝在1.2 L機型上。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，減輕了在較高負荷范圍內(nèi)和進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)動機相比，新發(fā)動機提高了點火線圈產(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。

圖5 EGR廢氣的抽取位置

點火能量（30 mJ或80 mJ）對燃燒穩(wěn)定性的影響示于圖6。該圖示出了在各種不同點火火花能量時燃燒持期的分布。與燃燒掉5%燃油質(zhì)量份額（MBF5）相對應(yīng)，燃燒持續(xù)期被定義為燃燒掉90%與10%燃油質(zhì)量份額時的曲軸轉(zhuǎn)角差。

這些曲線是在運行條件保持不變的情況下，通過對幾千個相互連接的燃燒循環(huán)進行統(tǒng)計學(xué)評估的結(jié)果。在所有的試驗情況下得到的都是向右上傾斜的橢圓形，因此最開始迅速的火焰?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)計學(xué)關(guān)聯(lián)，其中點火線圈的能量并不起作用。

當然，用于燃燒掉5%與50%燃油質(zhì)量份額和較高點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)角在上止點后8 °CA 附近，因為對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能量的點火線圈提供了更好的平均燃油耗。

圖6 MBF5和MBF50的燃燒持續(xù)期和平均指示壓力的分布

惰性氣體降低了燃燒速度，并加大了各個循環(huán)之間的功率偏差。如果氣缸充量中的惰性氣體份額超過一定限值的話，就會出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒或著火中斷等現(xiàn)象。為了確保發(fā)動機可靠運行，必須限制EGR率，以防止不穩(wěn)定燃燒。高能點火線圈能改善采用外部EGR運行條件下燃燒的一致性，這樣就能擴大上述限值，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，并使中高負荷區(qū)域燃油耗得到了較明顯的改善，同時顯著提高了抗爆性。在非常高的負荷范圍內(nèi)，全負荷時進排氣歧管之間只有非常小的壓差，這樣使得EGR率降低，由此所達到的燃油耗改善也受到了制約。

圖7 G1.0 L和G1.2 L發(fā)動機的EGR使用范圍和EGR率（部分示意）

6 中間位置具有鎖定裝置的進氣

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降低低負荷范圍內(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或許能提高進氣歧管中的壓力，但在低負荷時，EGR調(diào)節(jié)閥前后的壓力差較大，其細微偏差也會引起EGR流量的顯著變化。

而當EGR流量太大時，燃燒速度會降低，會導(dǎo)致不完全燃燒或著火中斷等現(xiàn)象，從而使各個循環(huán)之間出現(xiàn)非常大的燃燒偏差，因此，在低負荷范圍內(nèi)不能使用EGR系統(tǒng)來解決泵吸損失的問題。

降低泵吸損失的另1個可能性是使用凸輪軸相位調(diào)節(jié)器推遲進氣門關(guān)閉的時間。在推遲進氣的情況下，壓縮行程期間一部分新鮮空氣充量將會返回到進氣歧管，以維持進氣歧管中的壓力，而僅有少部分的新鮮空氣充量保留在氣缸中。

在具有固定氣門開啟持續(xù)時間的系統(tǒng)中或者在常規(guī)的凸輪軸調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，通常采用延長進氣凸輪的持續(xù)時間，或是推遲基準凸輪的調(diào)節(jié)，進氣門才能達到晚關(guān)的目的。在這2種情況下，提高進氣歧管中的壓力使惰性氣體進入氣缸，但這會使具有長的固定氣門開啟時間的進氣凸輪在低轉(zhuǎn)速時的節(jié)氣門全開且功率較小。

因此，在這2種情況下，有效壓縮比小導(dǎo)致起動性能較差。為了解決這種弊病，SmartStream-G1.0 L和G1.2 L發(fā)動機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)來控制進氣門（圖8）。因為CVVT系統(tǒng)能調(diào)晚和調(diào)早進氣凸輪，因而能推遲進氣終了而不損壞起動性能，并實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的功率保持。

圖8 中間位置具有鎖定裝置的進氣凸輪軸調(diào)節(jié)器圖解及其對標準化比燃油耗和平均有效壓力的影響

在平均有效壓力低于0.4 MPa的2個不同運行工況點（Pt1和Pt2），通過減小泵吸損失達到的降低燃油耗在1.0%~2.6%之間。通過冷卻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)動機運行特性曲線場中很大的范圍內(nèi)改善燃油耗。

7 降低摩擦

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降低機械摩擦是改進新款1.0 L和1.2 L發(fā)動機時的難點之一（圖9）。在1.0 L發(fā)動機上采用帶有液壓氣門間隙補償器的滾輪搖臂機構(gòu)替代機械式間隙調(diào)整的氣門機構(gòu)。2款發(fā)動機都使用了具有兩級壓力的可調(diào)式機油泵，以降低低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的機油壓力。

低機油壓力能在發(fā)動機低于3 500 r/min轉(zhuǎn)速下的降低總摩擦和改善實際行駛運行中的燃油耗。為了降低運動部件的機械摩擦，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降低摩擦進行了優(yōu)化，此外還使用新型的輕載機油（SAE0W20），以這樣的方式就能降低發(fā)動機冷熱態(tài)運行時的摩擦。

通過所有這些措施，與第1代Kappa-MPI發(fā)動機相比，總機械摩擦降低了約20%。

圖9 以目前1.0 L發(fā)動機總摩擦為基礎(chǔ)的機械摩擦比例

8 熱管理的開發(fā)

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為了提高抗爆性和降低廢氣溫度，研究人員改進了氣缸蓋中的冷卻液流動路線。在Kappa發(fā)動機上縱向設(shè)計的冷卻液流動路線會使燃燒室表面產(chǎn)生不一致的溫度分布，從而導(dǎo)致各個氣缸的爆燃特性不同。

新設(shè)計的橫向冷卻液流動路線使系統(tǒng)能在中高負荷條件下進行點火時刻的預(yù)調(diào)節(jié)和降低廢氣溫度。模擬計算（圖10）表明，冷卻液從排氣至進氣的流動方向產(chǎn)生了環(huán)繞排氣門座和火花塞的明顯強烈流動，調(diào)早點火時刻和良好的冷卻效果有助于減少加濃混合氣。

這一方面保護了零部件，另一方面又能在全球統(tǒng)一的輕型車測試循環(huán)（WLTC）試驗中獲得良好的燃油耗表現(xiàn)。

圖10 氣缸蓋水套中冷卻液流動速度的分布

整體式熱管理（ITM）模塊能有效地控制冷卻液流動，從而改善燃油耗和各種不同運行條件下的發(fā)動機功率。整體式熱管理模塊由1個電動旋轉(zhuǎn)閥組成，它能通過預(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）。

因為在發(fā)動機完全預(yù)熱之前就已使用EGR了，在冷卻液溫度較低時，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)動機，并將一定流量的冷卻液分流到EGR冷卻器。

在發(fā)動機預(yù)熱后熱管理模塊開始控制發(fā)動機溫度，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)動機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以改善車廂內(nèi)的供暖能力。

圖11 整體式熱管理模塊和溫度條件策略

9 總結(jié)

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在SmartStream-G1.0 L和G1.2 L發(fā)動機上，應(yīng)用了多種新技術(shù)以改善燃油耗和發(fā)動機功率。在中高負荷時，冷卻EGR與高能點火和雙氣門噴射相結(jié)合明顯降低了燃油耗。在低負荷范圍內(nèi)則通過高的壓縮比、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)計的氣缸蓋采用冷卻液橫向流動，從而能調(diào)早點火時刻，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排放標準做好了準備。在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上進行新歐洲行駛程序（NEDC）和全球統(tǒng)一的輕型車測試程序（WLTP）試驗時，CO2排放比原機型降低10%以上。

這種模塊化的發(fā)動機結(jié)構(gòu)能利用整個發(fā)動機系列中的通用件和相同的技術(shù)，并以這種方式優(yōu)化開發(fā)費用和品質(zhì)控制，從而降低成本?，F(xiàn)代汽車計劃在A級和B級車上使用這種新發(fā)動機。

編輯：jq