全新一代Ecotec发动机以精简结构提供更高能效

2014-03-19


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  • 模块结构降低制造复杂性,让动力组合更灵活
  • 轻量化铝制缸体、缸盖和集成式排气歧管,提升整车性能和效率
  • 涡轮增压、中置直喷和可变正时气门等先进技术以高效率支撑更高性能

通用汽车全新一代Ecotec小排量发动机家族是体现通用汽车最新动力总成设计理念的重要基石,这一设计理念主要表现为,以更小尺寸提供更强健的动力输出和更高效率,达到同级别领先水平以及二氧化碳低排放。

这一最新研发的模块化小排量发动机家族包括11款三缸和四缸的发动机,排量从1.0升到1.5升,包括涡轮增压发动机,其动力输出区间从56千瓦到123千瓦,扭矩区间为95牛·米到250牛·米,适用于混合动力系统和其他替代燃料。

通用汽车全球总工程师Tom Sutter介绍:“在发动机研发过程中,通用汽车工程师集合了来自北美、欧洲和亚洲研发中心所拥有的所有经验和专业技术,采用了所有会涉及的最新科技,最终实现了全球各市场消费者的期望:将性能、效率、可靠性与运转精密度完美结合。精简的模块结构也帮助实现了价值的提升。”

家族中所有发动机系列都采用了铝质缸体和缸盖,有效降低整车重量的同时,更提升了性能和效率。中置直喷技术、连续可变正时气门和可变进气等技术,则使该系列发动机实现了宽广转速区间内的高动力输出和效能表现,在强大性能表现和低油耗间达到完美平衡。

零件模块化结构——四缸和三缸发动机缸体在气缸中心距、缸径、气缸衬套、缸体高度尺寸方面保持一致,从而使系统更加简单,并且能够在必要时更快地适应其他结构。另外,家族中不同排量的发动机采用相同的转动件、燃油系统部件、正时系统部件及其它发动机附件,也能在制造过程中化繁为简。

首批量产的发动机系列中有很多零件是可以通用的,这些发动机包括Opel ADAM搭载的1.0涡轮增压三缸发动机,以及在中国上市的雪佛兰全新一代科鲁兹所应用的1.4升中置直喷涡轮增压发动机和1.5升自然吸气发动机。

通用汽车最终将达到每年制造250万台小排量发动机,在遍布全球的五个工厂进行生产,这些工厂分布在美国密歇根、中国沈阳、匈牙利、墨西哥和韩国。

实现轻量化和耐久性的基础

轻量化的高压铸铝缸体匹配同为铝质的发动机底座,不仅增加了发动机强度,还可达到减震效果;高压铸造的生产方式比传统的沙模铸造减少了制造过程中的加工环节,从而显著提高制造精度。

一体浇铸的铁制缸筒衬套提高了发动机的结构强度,底座的隔离板也同样是整体镶铸且嵌入了球墨铸铁以提高重点区域的结构强度,而压铸的铝质油底壳,更进一步提升了发动机的整体结构强度。

每种发动机的缸径都是74毫米,而缸心距为81毫米——为了提升扭力表现,小排量发动机的冲程被设计得相对较长。1.0升三缸发动机冲程为77.4毫米,1.4升四缸发动机为81.3毫米,1.5升四缸发动机冲程则为86.6毫米

底座顶部的气孔加上缸体和底板结合部位的空气通道可以改善气缸间的空气流通,降低曲轴箱的压气阻力,提升性能表现。铸造油道有效管控机油流动和窜气,4毫米的缸壁厚度显著减小了缸体的总重,提升车辆性能和效率。

强大的往复运动组件

由于更高的燃烧室压力,涡轮增压发动机采用了高级锻钢材质的曲轴以提高强度、减少振动。自然吸气发动机由于相对较低的燃烧室压力,采用了耐用的中空铸铁曲轴以减少重量。

其它往复运动系部件包括耐用的粉末金属钢质连杆,过共晶合金铝质的活塞,坚固且有助于降低运转噪音,而低张力的活塞环有助于减少摩擦,提升效率。

另外,1.0升发动机系列带有安装在油底壳内的平衡轴,降低了三缸机所固有的运转抖动。

高效的润滑系统

可变流量的机油润滑系统最大程度的提升了燃油经济性,不同于传统的固定流量机油泵,这种由曲轴带动的机油泵可以根据发动机负荷调节机油供应,根据发动机的需求改变输出容积提供最适合的机油量,防止了因提供了多余的机油供给而浪费能量。

泵出的机油也用于满足活塞和气门正时机构对润滑油的需要,机油通过缸体和缸盖上单独的油道来为气门正时机构提供所需润滑,缸盖内的机油再循环通过额外的回流通道实现。

冷却活塞的机油喷嘴可以最大程度的降低活塞温度,这有助于发动机性能表现,节能和降低排放。这些喷嘴属于润滑系统的一部分,安装在汽缸的底部,对活塞裙部喷射机油以降温。

此外,三缸发动机的平衡轴和机油泵是一体的。

集成一体的双顶置凸轮轴缸盖和排气歧管

全新一代Ecotec发动机采用了缸盖和排气歧管一体化设计,有效降低重量,有助于提升车辆效率和更好的前后重量平衡,提升操控反应和驾控感受。

铸铝缸盖整合了水冷排气歧管,带来诸多好处,如暖机过程更快从而降低排放,同时不再需要在排气接口处安装密封衬垫,提高了耐用性,发动机舱的空间布置也更为高效。

双顶置凸轮轴通过低摩擦设计的液压挺柱驱动每缸的四个气门,凸轮轴是中空的以便减重,正时链条的涨紧为液压自动调节,可变正时的调节器采用铝质,可以调节进气门和排气门的开启和关闭,在多款发动机所能负荷的范围内优化油耗和性能表现。

坚固的铝质凸轮罩带有一体油气分离系统,做为曲轴箱通风系统的主要部件,也是实现最佳燃烧过程管控必不可少的一部分。缸体和缸盖中的通道把曲轴箱中的窜气输送到油气分离系统,在那里分离出的机油回流到曲轴箱。凸轮罩组件也包含了控制可变正时调节器的机油控制阀和凸轮轴位置传感器,这种独特的组合设计减少了发动机尺寸和缸盖制造的复杂性。

更精确的中置燃油直喷系统

全新一代Ecotec发动机家族中的一些产品采用了中置直喷系统,这是提升性能表现和效率的主要因素。喷油嘴是六孔的,安装在活塞顶部(夹角六度),通过更加精确的喷注量和更佳的雾化效果,尤其是结合每缸四气门的缸盖布置,减少了燃油喷注量,提升了燃油经济性和效能。

燃油直喷通过缸内喷射,使供油点更接近点火点,从而提高了燃烧效能。相比类似的缸内直喷发动机,前者还能够降低冷启动时烃的排放。

由于喷射进入的燃油蒸发过程能够降低燃烧室温度,因而直喷技术的发动机可以采用更高的压缩比设计,也降低了爆震产生的可能性。喷油嘴能够承受更高的压力和温度,多孔设计也增强了喷射雾化效果。

安装在缸盖上的高压油泵建立了最高为2900psi(20Mpa)的燃油压力,三缸发动机采用三凸的凸轮驱动油泵,而四缸发动机的油泵驱动凸轮是四凸的。

高压油泵控制采用专用的用于开关型控制阀的控制算法,在发动机低速运转时也可以很好的控制阀门指针运动,降低噪音,提高发动机低速时的性能表现一致性。

数学建模的燃烧室设计

缸内直喷的发动机采用先进燃烧室设计,包括塑形活塞设计和相对较小的燃烧室,以配合缸内直喷技术所带来的好处——高压缩比和更佳的混合气流动形式。这类发动机的压缩比各有不同,但最高的可以达到12.5:1,有效地提升了性能输出。

活塞顶的形状是通过大量的分析研究而精心设计的,能够精准的引导喷射入的燃油流动,因而燃烧更完全,活塞的轮廓通过精密的加工来保证尺寸精度,这对于控制压缩比和混合气的流动是必不可少的。

通用汽车采用了一维和三维的数学模型来优化燃烧过程,这些模型帮助设计了例如喷油嘴的六度安装角度、燃烧室形状、能够有效引导燃油流动的活塞顶部设计等等,这些最终实现了混合气的充分燃烧。

三维数模也帮助决定了进气道的形状和长度,使进气产生涡旋从而油气混合更为均匀。

涡轮增压系统细节

受益于缸盖和排气歧管的一体化设计,涡轮增压器可以安装的更靠近发动机,反应更快,从而大大降低涡轮增压系统所固有的迟滞现象。

系统采用了相对较小的、水冷、低惯性的涡轮增压器,能够在低转速时提供强大的动力,对于油门动作响应极快。系统单级单流道设计,带中冷器,压力触发的废气阀,涡轮的直径仅为35mm,而低噪音设计的泵轮直径仅为40mm,这最佳的组合帮助1.4的发动机在1500转时就能够提供最大扭矩的90%

涡轮通过进气道将空气旋转着输送到发动机中,有助于预燃烧准备、更短的燃烧持续时间和燃烧稳定性。这也意味着在最大增压压力时不用为避免爆震的产生而推迟点火时间,因而减少了性能损失。

可变进气系统

为了提升燃油经济性和动力,在一些自然吸气发动机上使用了双级可变进气技术,5000转下(满负荷工况)进气流经整个进气通道以增加扭矩输出。转速高于5000转时,一个蝶形阀门打开,缩短进气通道,保证了发动机的最大功率输出。

这种双级设计使发动机在从2200转到6000转的转速范围内,都能输出峰值扭矩的90%,提供强大的动力感受,增加车辆操控信心。

精细化

除了性能和效率,全新一代Ecotec发动机通过极低的运转噪音和振动也提供了出色的精细化运转感受。工程师在结构、往复运动组件、燃油系统和发动机管理系统等各个方面,都追求世界级的平顺性和静音水准。

实现精细化的首要基础是铝合金的缸体结构设计,先进的声学设计有效降低了空气流动噪音和结构噪音;其它精细化设计包括:

  • 高压的油轨和喷油嘴独立安装在缸盖上,消除金属件间的直接接触,防止发动机部件间的脉冲能量传递,油泵和油管也同样进行了声学优化;
  • 正时链条采用了逆齿链设计,优化了噪音控制。整个链条结构,包括涨紧装置、盘绕方式和导板,都是为减少总体噪音发散和消除可感觉到的不正常声音而精心设计;
  • 铝合金材质油底壳底部的整体冲压钢质的集油盘也减少了噪音;
  • 前端附件驱动系统中也有相关设计,发电机带轮采用了超越离合器以消除曲轴产生的振动效应,而另一个好处是可以使用较小的皮带张紧力度,因而减小了摩擦阻力,提升了效率;
  • 发动机前部和顶部的罩盖都经过声学优化;
  • 铁质的主轴轴承嵌销隔绝了曲轴的振动
  • 涡轮增压器的泵轮设计降低了涡轮增压系统固有的运转噪声。

更多详细介绍请参考背景素材“领先同级的的精细化设计”。

Ecotec 1.4L I-4 VVT DI Turbo (LE2)

新的Ecotec1.4升涡轮增压将达到百分之五比1.4L涡轮增压它将取代效率更高。

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