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PXC公司新型CE12-3缸直喷式汽油机

2019-10-09 22:59:36·  来源:汽车与新动力  
 
原创:汽车与新动力 今天点击上方汽车与新动力可以进行订阅哦!随着CE12-4缸涡轮增压缸内直喷式汽油机将于2020年投放市场,中国新晨动力发动机公司(PXC)又完善
随着CE12-4缸涡轮增压缸内直喷式汽油机将于2020年投放市场,中国新晨动力发动机公司(PXC)又完善了其新型核心发动机系列,其已达到了关于功率、扭矩、低转速扭矩、燃油耗、废气排放和NVH特性等方面所有的设计目标。从目前开始,这些发动机大部分已通过量产模具制造出了2种结构组合部件,并成功地完成了长达10 000多小时的发动机试验台运转和整车试验,达到了较高的可投产程度。

1 用于中国市场的新型汽油机

中国新晨动力发动机公司(PXC)的策略是使全部发动机产品现代化以及使新型汽油机满足未来中国市场的要求,以达到进一步加严的废气排放法规限值,并具有良好的燃油耗和舒适性。为了能搭载于不同汽车制造商的各种车型,这些发动机必须具有较好的适应性。新型的核心发动机(CE=Core-Engine)系列由3缸和4缸发动机组成。
 
继2017年10月推出直列4缸CE16汽油机以后,2019年初又开始生产1.8 L变型机CE18汽油机,下一步会将于2020年上半年全新开发的直列3缸CE12型1.2 L-TGDI涡轮增压缸内直喷式汽油机(图1)投放市场,其完善了PXC公司目前产量不断增长的1.0~1.5L排量段的发动机产品。该机型具有许多全新的设计特点,以满足未来的CN6b排放标准要求,并持续满足不断提高的用户要求。CE12型直喷式汽油机可用作常规轿车、SUV或轻型车的动力装置,但是也可通过稍作修改,很快就能即时用于各种不同的混合动力车型(48 V皮带起动机发电机 (RSG)、混合动力(HEV)、PHEV-P1和P2型插电式混合动力以及增程器)。
 
 
图1 直列3缸CE12型1.2 L-TGDI涡轮增压缸内直喷式汽油机(左图-前右视图,右图-后左视图)
 
本文介绍了CE发动机系列的技术和开发目标,特别是CE12增压直喷式汽油机的基本设计特点和噪声-振动-粗糙度(NVH)设计以及热力学设计,同时介绍了各种混合动力的应用途径和进一步改善燃油耗的途径。

2 核心发动机平台
PXC公司核心发动机平台目前由缸心距为84 mm的1.6 L和1.8 L 4缸发动机组成。该发动机平台源于众所周知的BMW与PSA公司合作开发的4缸发动机系列,多年来已成功地应用于由制造商(OEM)生产的不同车型上。
 
为了增大气缸排量,已在这些发动机开发的基础上衍生发展了一种1.8 L变型机,在尽可能应用相同技术的情况下加大了气缸直径和活塞行程,而现在CE发动机系列的未来趋势是朝着更小排量和更低功率而进一步发展(图2)。
 
图2 PXC公司核心发动机系列
 
在减小结构长度的基础上,3缸CE12发动机为小型车辆和混合动力应用场合提供了一个较好的基础,因为这样将电机集成到动力总成系统中就变得更为简易。3缸发动机的缸心距已减小至82 mm。CE12发动机是由PXC公司全新开发的,当然也沿用了现有CE发动机的部分部件。
 
3 主要技术
PXC公司具有与其他汽车制造商显著不同的特点,尤其重视开发现代、灵活、紧凑且坚固耐用的设计方案,除了达到功率、燃油耗、废气排放、质量和成本等方面的目标之外,还特别重视改善NVH特性,虽然通过特殊的车辆设计能大幅改善NVH的效果,但是仍在努力追求更优越的技术参数(图3)。
 
图3 CE12发动机应用的主要技术
 
4 气缸体曲轴箱
片墨铸铁(GJL 250)*气缸体曲轴箱被设计成顶面开口式结构,并具有较长的冷却水套、较长的油底壳接合面和常规的单个球墨铸铁(GJS 450)主轴承盖,缸孔之间的“鼻梁”中有两个冷却水孔,以便降低由最大升功率(87.6kW/L)和几乎高达2.5 MPa平均有效压力所产生的高温度负荷。在结构设计时,强度和刚度具有较为重要的意义,因为发动机作为核心是整个发动机-变速箱组合的重要组成部分。在噪声优先辐射方向上持续不断优化的结果表明,在这种排量等级的直列式发动机噪声分布带中,CE12发动机的计算燃烧激励噪声水平处于基准位置。
 
虽然最高燃烧压力可能会超过12 MPa,但是该发动机的结构设计为获得最好的活塞环贴合能力提供了良好的气缸变形特性(图4),这是开发出具有低预应力、低摩擦功率、冷起动时对机油稀释不敏感以及曲轴箱串气率低的活塞环的前提条件。
 
图4 第二缸的气缸变形(×200)和傅里叶系数振幅
 
5 曲柄连杆机构及其平衡轴
直径仅42 mm的较小主轴颈和连杆轴颈是实现低燃油耗的主要原因。曲轴采用了高强度锻钢,获得了必要的强度和刚度。为了能在疲劳强度、成本、可靠性和生产工艺稳定性之间达到了最好的折中,对材料品质与表面处理之间的各种不同组合进行了分析和试验,最终选择了高强度42CrMo4锻钢,并对所有轴颈进行滚压强化处理。
 
在曲轴定时传动端,两个皮带轮驱动在机油中运转的皮带传动气门机构和机油泵。除了 曲轴轴颈直径较小之外,采用0W20轻载机油的运行设计也对发动机摩擦功率低作出了重要的贡献。 借助于3D弹性流体动力学(EHD)计算,通过仔细和恰当的轴承选择就能实现这种有利的组合。 按照标准设计,无论是主轴承还是连杆轴承都选择了高品质的三层轴瓦。
 
平衡轴驱动齿轮和薄钢板模压而成的信号传感轮都压套在曲轴飞轮端,传动齿轮与平衡轴用螺栓连接,并带有平衡块用于抵消1级惯性矩,平衡轴齿轮通过一个弹性中间元件与其脱耦以优化声学性能。平衡轴另一端上的平衡块被直接模锻在平衡轴端。
 
平衡轴由一个滚珠轴承支承在传动端,而由一个滚针轴承支承在第二个平衡块轴端(图5)。这种平衡方案是最佳的,在3缸发动机上可完全消除1级惯性力矩,其中50%的惯性力是被曲轴上的平衡块平衡掉的,而剩余的50%则由平衡轴上反向旋转的平衡块消除,这样就完全消除了1级自由惯性力矩。
 
图5 曲柄连杆机构及其平衡轴传动
 
此外,平衡轴在自由端还用于驱动冷却水泵,如果不仅空调压缩机而且转向助力泵都采用电动的,那么在混合动力(P2/P3方案)框架中无需进行调整即可设计出无皮带发动机。
 
6 气缸盖
铸铝气缸盖(图6)采用四气门技术,火花塞中央布置,喷油器侧置在进气装置下方,这样燃烧室顶就能得到良好的冷却,这在气缸直径较小的情况下是很难实现的,而且会限制可达到的最大功率。冷却水套被分成两部分,这样就能采用位于气缸盖的整体式水冷排气歧管,从而能大幅降低高负荷时混合气加浓的需求,使涡轮增压器入口的最高废气温度不至于造成不良后果,这对降低全负荷燃油耗作出了重要贡献,同时也是未来RDE方案的重要组成部分。
图6 气缸盖总成
 
气缸盖进气侧被设计成进气装置容积的一部分,这样一方面有助于优化发动机的加速响应特性,另一方面能将进气装置设计成简单的外罩,有利于降低成本。

凸轮轴轴承座被集成在气缸盖上部,其中容纳了两个凸轮轴传感器和由排气凸轮轴传动的高压燃油泵。节温器模块法兰位于气缸盖后端,节温器模块收集来自气缸体曲轴箱、机油冷却器和气缸盖的冷却水,并包含一个按特性曲线场调节的节温器。其壳体连接冷却液泵进口、散热器、采暖设备冷却器和平衡水箱。根据汽车制造商的要求,可以在气缸盖后端集成一个由进气凸轮轴机械传动的真空泵。

气缸盖罩壳被设计成塑料压注件,并带有整体式曲轴箱通风和机油分离器模块。用于低负荷(自然吸气运行)和高负荷(增压运行)的管路在罩壳中是分开的。机油分离器针对整个特性曲线场范围进行优化,并保证最大机油消耗量小于1 g/h。
换气设计以及进排气道、燃烧室与活塞顶的造型都借助于3D流动计算进行了优化,以达到空气流动与充量运动之间尽可能好的折中。

7 气门传动机构及点火、喷油和增压系统

每缸4个气门由滚轮摇臂驱动,这些滚轮摇臂都支撑在液压气门间隙补偿器(HVA)上。灰铸铁排气凸轮轴通过三面凸轮驱动高压燃油泵。除了采用滚轮摇臂之外,两根凸轮轴的轴承也配备了滚动轴承,以达到所力求的低摩擦水平。两根凸轮轴通过凸轮轴相位调节器驱动,后者各自包含有中心控制阀。

一根在机油中运转的皮带驱动气门传动机构。皮带传动机构在牵引边有一个导向滚轮,而在松弛边则有一个机械张紧轮。两个凸轮轴相位调节器都配备3V形槽皮带轮,其被设计成能避免因驱动高压燃油泵和气门产生的动态力而使皮带颤动和张紧轮运动,并使配气定时精度达到整体优化。第二根短皮带可直接驱动两级可调式机油泵。

点火系统采用中央布置的铂涂层电极火花塞,而分缸式单体点火线圈能为火花塞提供必需的能量。

燃油喷射系统的最大喷射压力高达35 MPa。经过开发初期准备阶段进行喷油模拟计算后,最终选择了具有特殊喷束形态的6孔喷油器,这对于良好的性能参数、废气排放、燃油耗、稀释机油和发动机燃烧稳定性都是最佳参数。
 
CE12发动机配备了带有电控废气放气阀执行器的涡轮增压器,这种设计使发动机达到了220 N·m/1 400 r/min 和235 N·m/1 550 r/min的低速扭矩以及105 kW/5 250 r/min的全负荷功率(图7)。最高涡轮转速达到210 000 r/min,从而确保了良好的海拔高度储备。这种涡轮增压器采用标准材料,能在高达950 ℃的最高废气温度下实现耐久运行。
 
CE发动机的标准配置还包括近发动机催化转化器,其用螺栓直接与涡轮增压器连接,但是这种标准的结构型式是可变的,可按目标车辆要求进行匹配调整。此外,还可考虑选择将颗粒捕集器与催化转化器集成在一个共同的壳体中,在有需求时可供使用。这种集成模块是一种紧凑的解决方案,在需求时经简单改装就能配装到各种不同的车型上。当然,因CE发动机具有良好的原始排放,就开发了无颗粒捕集器的机型。
 
8 功率
CE发动机达到了所有的全负荷目标值。在整个特性曲线场中使最高燃烧压力保持低于10 MPa。从3 000 r/min起逐渐使用全负荷加浓(图7)。
图7 全负荷特性曲线
 
9 燃油耗
CE12发动机的燃油耗目标值是通过各种不同特性曲线场运行工况点而确定的。所有这些目标值都已在所开发的发动机上得到了证实,CE12发动机以这些数值在中国市场上为其排量等级的发动机树立了新标杆,这示范性地表示在转速2 000 r/min和平均有效压力0.2 MPa运行工况点的分布带中。测得的各种不同比燃油耗的特性曲线场还表明,即使在真实行驶范围内也达到了较好的燃油耗(图8)。
 
图8 转速n=2 000 r/min和平均有效压力(BMEP)=0.2 MPa时的有效比燃油耗(BSFC)分布带
   
10 NVH特性
在前文已介绍了改善NVH特性的发动机结构设计,并指出了在早期设计阶段动态结构模拟已保证了如何成功地实现这样的效果。
 
图9示出了在发动机试验台上无负荷外源拖动时的空气噪声辐射。从FEV分布带中就能很好地识别出CE12发动机具有较高的潜力。在首次试验时该发动机的噪声水平就位于分布带的下面三分之一范围内。
 
图9 有/无皮带传动机构的噪声水平
 
11 废气排放
发动机试验台标定结束时,CE12发动机就已达到了较低的原始排放水平,从而为在整车上进一步进行排放标定提供了良好的基础。已通过不同车辆进行了排放标定,在转鼓试验台上,这些车辆根据车重和车辆尺寸的不同,在配装或并未配装颗粒捕集器的前提下都已达到了排放目标值。
 
12 耐久试验考核
除了性能、废气排放和声学等方面的开发之外,CE12发动机还经历了一整套强化的耐久运转考核程序,其不仅包括零部件试验考核,而且还包括众多的耐久运转考核程序,以此覆盖了各种不同的用户使用状况。2019年上半年就已成功地完成了第三台发动机整机可靠性考核运转试验,下半年又采用由量产工具生产的零部件完成了这种可靠性考核运转试验。
 
13 结论和展望
CE发动机为1.0~1.5 L排量段发动机在功率、扭矩、低速扭矩、燃油耗和NVH等方面的性能指标树立了新的标杆。考虑到未来所需的动力总成系统方案的宽广范围,该发动机短期内会使用多种多样的配置,例如轻度混合动力(48 V-RSG)、全混合动力(多点气门口喷射(MPI)汽油机)和插电式混合动力车(PHEV)(P2/P3)(图10)。
 
图10 混合动力总成系统的未来选择
 
同样,在设计时已考虑了选择应用不同的技术,在需要时就能进行提供。这种改动多数都与降低成本存在着联系,但是大多数也会影响结构空间、发动机质量、燃油耗和功率。其中某些情况使得CE12发动机应用于混合动力时也存在一定的市场,因为其能补偿一部分混合动力方案额外增加的成本和质量,因为内燃机与电动机能相互予以补充。
 
在发动机开发初期阶段,PXC公司就已一并考虑了在市场上应用日渐广泛的轻度混合动力用途集成RSG系统。在首款产品投产后,短时间内就能开发出这样一种CE12的变型机,并达到可投产的程度。
 
如果要满足RDE限值的话,那么能确保发动机在整个特性曲线场范围内以化学计量比混合气运行的技术越来越成为关注的焦点。若中国法规同样也要求满足RDE限值,则CE12发动机在这方面已有所准备。PXC公司已为CE12发动机认真考虑到了所有必需的技术改进,或者说已完成了设计过程中的备用选择方案。
 
 
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