1 硬件設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)是響應(yīng)快，但是受制于充填效率，其最大功率還存在不足。為了在CX-9上提供一款足夠動(dòng)力的車輛，且從馬自達(dá)自身資源、能力角度出發(fā)，開(kāi)發(fā)了2.5T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)（圖1）。在開(kāi)發(fā)立項(xiàng)前期，馬自達(dá)也對(duì)各個(gè)主流的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)做了benchmark，發(fā)現(xiàn)目前主流的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)有一些弊端，首先是渦輪遲滯嚴(yán)重影響到駕駛舒適性；其次渦輪雖然功率扭矩提高但是對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有了新要求，不利于控制成本；再次渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在中小負(fù)荷下應(yīng)對(duì)法規(guī)排放有優(yōu)勢(shì)，實(shí)際行駛工況的中高負(fù)荷油耗高、排放差。

在設(shè)計(jì)初期，馬自達(dá)希望一方面能突出渦輪增壓的優(yōu)勢(shì)，另一方面也可以繼承自然吸氣的特征。因此，提出開(kāi)發(fā)的3個(gè)指標(biāo)：

1.與4L大排量自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)同樣的高扭矩輸出；

2.無(wú)渦輪遲滯的加速性能；

3.繼承SKYACTIV-G高壓縮比和低機(jī)械阻力的構(gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn)卓越的油耗和排放性能。

本文就從這三點(diǎn)出發(fā)，介紹這款發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)入的新技術(shù)。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)概要

馬自達(dá)公司規(guī)模有限，核心開(kāi)發(fā)人員遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于一線品牌，因此，在設(shè)計(jì)中，必然存在一些取舍。根據(jù)馬自達(dá)品牌戰(zhàn)略，在設(shè)計(jì)初期，這款發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)制定如下：

? 在常用工況下，與V6同等以上的扭矩輸出和加速響應(yīng)

? 法規(guī)工況優(yōu)異燃油經(jīng)濟(jì)性

? 實(shí)際駕駛的油耗表現(xiàn)也要改善

? 機(jī)體小型化、輕量化，在已有平臺(tái)上修改

? 確保能夠搭載在現(xiàn)款整車平臺(tái)

目前，市場(chǎng)上主流的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，在加速初期存在渦輪遲滯，不符合馬自達(dá)隨心所欲駕駛的品牌理念。因此，為了保證加速初期的響應(yīng)性與加速后半大扭矩要求的銜接，也考慮到CX-9平臺(tái)的尺寸與重量，馬自達(dá)選擇了在自身2.5L排量自然吸氣的基礎(chǔ)上加入馬自達(dá)獨(dú)有技術(shù)的動(dòng)態(tài)壓力渦輪（Dynamic Pressure Turbo）系統(tǒng)。并且，不能只追求法規(guī)認(rèn)證油耗，在常用工況下也必須做油耗的改善。比如通過(guò)低溫廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（Cooled EGR）減少中高負(fù)荷下的過(guò)濃補(bǔ)償，并同時(shí)抑制了高負(fù)荷的爆震，實(shí)現(xiàn)了廣域的高燃效區(qū)間。這個(gè)Cooled EGR系統(tǒng)，不但可以在降低高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷的燃燒溫度，也能夠減少燃燒室周邊的熱負(fù)荷，氣缸周邊的冷卻孔得以省略，氣缸之間的間隙也不需要進(jìn)行特殊的改造，讓沿用現(xiàn)款SKYACTIV-G發(fā)動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造成為了可能。在裝配性、成本、可靠性、人力等方面都不同程度的減少了投入。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

表1為主要的硬件參數(shù)，以SKYACTIV-G 2.5L NA發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，氣缸直徑、活塞行程、型式等基礎(chǔ)構(gòu)造和噴油器、燃油泵等噴射系統(tǒng)沒(méi)有改變，具備和SKYACTIV-G高效燃燒的潛力，并且引入動(dòng)態(tài)壓力渦輪和低溫EGR系統(tǒng)。除此之外，為了保證渦輪增壓狀態(tài)下活塞在上止點(diǎn)的最大燃燒壓力和2.5L NA發(fā)動(dòng)機(jī)一致，壓縮比從13調(diào)整到10.5，壓縮比10.5在同級(jí)別具有領(lǐng)先水平。

1.4 發(fā)動(dòng)機(jī)性能

1.4.1 功率

在CX-9上，為了評(píng)價(jià)渦輪響應(yīng)性，讓渦輪遲滯限定到人體感知不到的程度，各時(shí)間段的加速度的目標(biāo)如圖2所示，綠色為渦輪增壓2.5T發(fā)動(dòng)機(jī)，深藍(lán)色為某V6 3.7L排量自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，可以看出，馬自達(dá)渦輪增壓2.5T的響應(yīng)性與自然吸氣幾乎一致，黃色為某2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠明顯看到它在加速過(guò)程中存在遲滯現(xiàn)象，加速感不夠線性。

為了保證加速度，并要在中低速工況下有充足的動(dòng)力性，實(shí)現(xiàn)了圖3所示的扭矩特性圖。在低標(biāo)號(hào)燃料下（regular gas），低轉(zhuǎn)速1250rpm就能夠發(fā)揮350Nm扭矩，在2000rpm下實(shí)現(xiàn)最大420Nm的扭矩，最高功率達(dá)到169kW(230PS)/5000rpm（高標(biāo)號(hào)燃料（premium gas）下最高功率186kW（253PS））。由此，實(shí)現(xiàn)了起步響應(yīng)快、中低轉(zhuǎn)速加速輕快、高轉(zhuǎn)速有澎湃動(dòng)力的狀態(tài)。

1.4.2 燃油經(jīng)濟(jì)性

這款發(fā)動(dòng)機(jī)雖然是2.5T，但是比其他友商的2.5T產(chǎn)品從功率扭矩看并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，這里，馬自達(dá)為了優(yōu)先保證燃油經(jīng)濟(jì)性，這款發(fā)動(dòng)機(jī)并沒(méi)有一味的追求高功率，在客戶使用頻率較低的5000rpm以上的高性能區(qū)間限制在169kW（高標(biāo)號(hào)燃料186kW），并且通過(guò)導(dǎo)入低溫EGR系統(tǒng)，降低了熱負(fù)荷，配合著基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)高效率低機(jī)械阻力的構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了與2.5L自然吸氣同等的機(jī)械阻力和重量（這點(diǎn)很困難，一般來(lái)說(shuō)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)多了渦輪和附屬冷卻裝置，很難實(shí)現(xiàn)同自然吸氣相同的機(jī)械阻力）。另外，高負(fù)荷領(lǐng)域，通過(guò)高滾流比下的高速燃燒和減少爆震，發(fā)動(dòng)機(jī)的高效區(qū)間得到擴(kuò)大。如圖4所示，在2000rpm下，相比原來(lái)的3.7L V6發(fā)動(dòng)機(jī)，低負(fù)荷下燃油經(jīng)濟(jì)性提高20%~30%，中高負(fù)荷也能提高10%以上。

基于上述的優(yōu)化，發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比在理論空燃比（λ=1）的工作范圍從低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷的加速工況一直延續(xù)到190km/h巡航的高速工況，并沒(méi)有使用加濃噴射策略，從而杜絕了友商渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)法規(guī)工況油耗和實(shí)際油耗的差異過(guò)大的問(wèn)題。

*加濃噴射解釋：不局限于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)也存在加濃噴射策略。主要目的是兩個(gè)，一個(gè)在中高負(fù)荷尾氣溫度會(huì)超過(guò)950攝氏度，會(huì)加速三元催化器老化，因此在燃燒過(guò)程中多噴油，讓這部分不參與燃燒的汽油吸熱，控制尾氣溫度；另一個(gè)在全負(fù)荷下空燃比從14.7變?yōu)?2.5左右，變?yōu)樾阅芸杖急龋敵雠ぞ氐靡蕴岣摺Ｈ舳鄧?0%，則油耗上升10%，且排放大幅惡化。很多小排量渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在法規(guī)測(cè)試時(shí)因?yàn)橛貌坏礁哓?fù)荷所以油耗排放表現(xiàn)很好，但是受制于排量，真實(shí)加速時(shí)油耗反而會(huì)大幅度增加，加濃噴射就是重要的原因之一。

1.5 核心技術(shù)

1.5.1動(dòng)態(tài)壓力渦輪（Dynamic Pressure Turbo）系統(tǒng)

馬自達(dá)為了實(shí)現(xiàn)與大排量自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)同等的加速響應(yīng)性，研發(fā)了其獨(dú)特技術(shù)——?jiǎng)討B(tài)壓力渦輪系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)，能夠結(jié)合排氣的脈沖狀況與駕駛條件進(jìn)行變化，在低轉(zhuǎn)速區(qū)域，利用排氣壓力脈沖振幅，獲得氣缸掃氣效果并同時(shí)得到較高的渦輪驅(qū)動(dòng)力，在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，降低脈沖振幅，讓渦輪在高效區(qū)域工作。這套渦輪方案與降低排氣干涉的雙渦流渦輪方案和調(diào)整排氣流速與方向的可變截面渦輪方案都不同，這是馬自達(dá)獨(dú)創(chuàng)的控制排氣脈沖的新技術(shù)，圖5為渦輪增壓器外觀圖。

渦輪增壓器是將尾氣動(dòng)能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)力的裝置，這個(gè)渦輪的驅(qū)動(dòng)能量Q的公式如下式，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的尾氣無(wú)擴(kuò)撒的保持在高壓力高流速狀態(tài)，進(jìn)入渦輪入口，壓力為Pi，這個(gè)壓力能夠轉(zhuǎn)換為渦輪的驅(qū)動(dòng)力。

Q：渦輪驅(qū)動(dòng)能量

Cp：定壓比熱容

Ti：渦輪入口溫度

nt：渦輪效率

Pi：渦輪入口壓力

Po：渦輪出口壓力

k：比熱容

根據(jù)這個(gè)公式原理，重點(diǎn)在于保持尾氣的高壓力和高流速，對(duì)此，馬自達(dá)開(kāi)發(fā)了體積最小且能夠抑制排氣干涉的排氣管，并搭載在渦輪增壓器之前。

在1620rpm以下工況，在控制單元的信號(hào)下，排氣旁通閥（蝴蝶閥）處于關(guān)閉狀態(tài)下，廢氣只能通過(guò)較細(xì)的管路到達(dá)渦輪，從而加快了廢氣流速，增強(qiáng)推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的廢氣脈沖強(qiáng)度，使渦輪提速更快，同時(shí)，旁通閥關(guān)閉效果讓其他氣缸處在低排氣背壓的狀態(tài)，在overlap區(qū)域，強(qiáng)化掃氣效果，使得氣缸內(nèi)殘留的尾氣降低，實(shí)際的充填效率得到提升。這兩個(gè)效果的加成，能夠獲得最大15%扭矩提高（如圖6所示）。

*氣缸掃氣解釋：所謂掃氣，就是發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣過(guò)程中，同時(shí)打開(kāi)進(jìn)氣門排氣門，讓進(jìn)氣門進(jìn)入的新鮮空氣把未排出的廢氣從排氣門趕走的過(guò)程。通過(guò)掃氣，可以提高進(jìn)氣效率，同時(shí)降低燃燒室內(nèi)的溫度，式提高扭矩、抑制爆震的手段之一。其中進(jìn)氣門排氣門同時(shí)打開(kāi)的角度（時(shí)間）為氣門重疊角，簡(jiǎn)稱overlap。

在1620rpm以上工況，排氣旁通閥打開(kāi)，可以獲得以下兩個(gè)效果。1.排氣脈沖在其他氣缸管路擴(kuò)撒，降低排氣背壓；2.保證必要的排氣管路直徑，確保較大的A/R（管路面積Area/渦輪半徑Radius，通過(guò)這個(gè)值的大小來(lái)判斷渦輪增壓器性能）來(lái)達(dá)到足夠的增壓效果。通過(guò)這套結(jié)構(gòu)，提高了過(guò)渡工況下增壓系統(tǒng)的控制性，并提高了低轉(zhuǎn)速到高轉(zhuǎn)速?gòu)V域的扭矩和響應(yīng)性。這個(gè)動(dòng)態(tài)壓力渦輪與傳統(tǒng)的單渦輪或者雙渦輪相比，具備明顯的優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)在，我們來(lái)介紹下動(dòng)態(tài)壓力渦輪的硬件結(jié)構(gòu)。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了無(wú)排氣干涉的4-3-1排氣歧管，采用了集成式氣缸蓋，促進(jìn)高溫廢氣與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的熱交換。4-3-1布局如圖7所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，通過(guò)排氣旁通閥能夠切換低速和高速歧管。

這個(gè)系統(tǒng)與雙流道渦輪組成了如圖9所示的系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)各氣缸的工作順序?yàn)?-3-4-2，為了解釋動(dòng)態(tài)壓力渦輪促進(jìn)掃氣的過(guò)程，我們舉個(gè)例子：圖中紅色缸處于排氣過(guò)程初段，藍(lán)色缸處于進(jìn)氣行程的掃氣階段（進(jìn)排氣門同時(shí)打開(kāi)），這樣紅色缸的排氣氣流會(huì)把藍(lán)色缸的掃氣氣流從中央的排氣口“吸出”，促進(jìn)了藍(lán)色缸的掃氣效果，加上增壓進(jìn)氣氣流的助力，殘留廢氣的比率得到有效降低，降低了氣缸溫度。每一個(gè)氣缸的排氣都能促進(jìn)另一個(gè)氣缸的掃氣，使得10.5:1高壓縮比的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)成為現(xiàn)實(shí)。

*壓縮比10.5:1的難度：大家可能對(duì)壓縮比10.5:1沒(méi)有概念，對(duì)于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，壓縮比高了其燃燒更加劇烈，爆震難以控制，尾氣溫度也更高。目前豐田2.0T壓縮比10:1，大眾最先進(jìn)的EA888壓縮比9.6:1，福特的1.5T和1.0T壓縮比10:1，當(dāng)然這里也要考慮渦輪的進(jìn)氣效率，總的來(lái)說(shuō)，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)10.5:1也是行業(yè)領(lǐng)先的了。

另一方面，為了保證超過(guò)900℃的尾氣下，閥門正常運(yùn)行和耐久性，排氣旁通閥采用了耐高溫材料。由于排氣歧管和渦輪增壓器組成的復(fù)雜形狀，研發(fā)中用CAE對(duì)熱力學(xué)進(jìn)行分析，對(duì)其尺寸、壁厚和形狀進(jìn)行了最優(yōu)化，從而降低了高溫下的熱應(yīng)力，通過(guò)使用特殊鋼材，保證了可靠性。

1.5.2低溫EGR系統(tǒng)

這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)另外一個(gè)獨(dú)特技術(shù)為高壓低溫EGR系統(tǒng)（High-pressure Cooled EGR），如圖10左邊所示。目前主流的小型化渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，為了防止高負(fù)荷領(lǐng)域的爆震，會(huì)采用加濃噴射和適當(dāng)點(diǎn)火角推遲的方式，這會(huì)導(dǎo)致熱效率惡化。法規(guī)工況下主要使用中低負(fù)荷，實(shí)際工況又會(huì)用到中高負(fù)荷，導(dǎo)致工信部油耗與真實(shí)油耗差異過(guò)大。為了解決這個(gè)課題，在這款發(fā)動(dòng)機(jī)上，使用EGR冷卻器，在高轉(zhuǎn)速節(jié)氣門開(kāi)度全開(kāi)的范圍，通過(guò)導(dǎo)入低溫不活性的尾氣降低了燃燒溫度，防止爆震的發(fā)生，同時(shí)維持在理論空燃比的范圍也得到擴(kuò)大，減少了點(diǎn)火角推遲量。因此，擴(kuò)大了高燃效區(qū)間，實(shí)際油耗表現(xiàn)也得到改善。

具體EGR map范圍參照?qǐng)D11所示，根據(jù)我個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，一般發(fā)動(dòng)機(jī)在中負(fù)荷會(huì)引入EGR，低負(fù)荷由于進(jìn)氣效率較小，EGR會(huì)導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，甚至發(fā)生失火；在高負(fù)荷，EGR會(huì)阻礙發(fā)動(dòng)機(jī)性能輸出，且對(duì)加大扭矩變動(dòng)率；像這款發(fā)動(dòng)機(jī)在如此廣范圍大幅度的引入EGR在工程角度是有難度的。

另外，為了有效冷卻高溫廢氣，廢氣從排氣旁通閥開(kāi)始一直流到含有水套冷卻的集成式EGR管路，經(jīng)過(guò)氣缸蓋水套冷卻和EGR cooler冷卻這兩步，降低了氣體溫度，讓廢氣溫度從950℃降低到150℃。這套低溫EGR系統(tǒng)，在全開(kāi)的情況下，可以讓氣缸間的溫度降低了10℃，從而不需要諸如汽缸壁面冷卻孔這類冷卻方式，確保了和自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)體結(jié)構(gòu)，節(jié)約了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本與時(shí)間。

1.6 發(fā)動(dòng)機(jī)本體、NVH、排放對(duì)應(yīng)

這款發(fā)動(dòng)機(jī)雖然是2.5T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，但使用的燃料卻2.5L自然吸氣保持一致。渦輪化后又實(shí)現(xiàn)了更加優(yōu)異的性能輸出，燃油經(jīng)濟(jì)性也得到提高。他從自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了一些優(yōu)化，如下所示。

1.6.1 高滾流比（活塞和進(jìn)氣門優(yōu)化）

為了和自然吸氣版本保持同樣的熱效率，活塞冠面的形狀就行了調(diào)整，壓縮比從13調(diào)整到10.5。高增壓下為了讓燃燒室內(nèi)的氣體流動(dòng)和2.5L自然吸氣保持一致，對(duì)氣缸蓋中的進(jìn)氣門上端面進(jìn)行切除，強(qiáng)化了進(jìn)氣指向性流動(dòng)，氣門下端也對(duì)邊緣進(jìn)行特殊工藝讓氣缸內(nèi)的滾流比提高了12%。

1.6.2 連續(xù)可變?nèi)萘繖C(jī)油泵

因?yàn)椴捎昧藴u輪系統(tǒng)，一方面要對(duì)渦輪進(jìn)行潤(rùn)滑，另一方面需要加大對(duì)活塞面冷卻，需要增加機(jī)油流量，油泵的額定工作流量也必然需要提高。同時(shí)，為了維持高燃效，在不需要的工況下減少機(jī)油供給，降低機(jī)械阻力。這一對(duì)立的矛盾依靠傳統(tǒng)的機(jī)油泵是不現(xiàn)實(shí)的，因此采用了新開(kāi)發(fā)的連續(xù)可變機(jī)油泵。通過(guò)標(biāo)定設(shè)定，控制單元根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷率計(jì)算最佳的機(jī)油供給量，通過(guò)機(jī)油壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控、配合著電磁閥控制，讓機(jī)油泵連續(xù)變化的運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油供給量的最優(yōu)化，與之前2段式可變機(jī)油泵相比，最大工作流量增加了75%，并且在法規(guī)工況下實(shí)現(xiàn)與2.5L自然吸氣同樣的平均機(jī)械負(fù)荷。

1.6.3 水套墊片

為了提高氣缸間的冷卻性能，氣缸體水套內(nèi)插入了樹(shù)脂水套墊片（圖12）。通過(guò)插入了墊片，控制氣缸襯墊周圍的冷卻水量和流速。在氣缸襯墊上部，提高冷卻水流速，抑制氣缸襯墊的溫度上升，提高了可靠性。

這個(gè)水套墊片提高了冷卻性能，也是讓氣缸間不用增加冷卻水孔的一個(gè)重要原因，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化、小型化提供了幫助。

1.6.4 NVH和排放對(duì)應(yīng)

由于渦輪會(huì)導(dǎo)致燃燒壓力的增加和轉(zhuǎn)動(dòng)系慣性質(zhì)量增加，會(huì)惡化NVH性能。這款發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體和曲軸形狀的優(yōu)化來(lái)保證NVH性能。為了限制在低轉(zhuǎn)速高增壓工況下產(chǎn)生的口哨音（通過(guò)渦輪增壓器細(xì)管的進(jìn)氣氣流音），對(duì)渦輪管路截面面積和管路體積的比例進(jìn)行調(diào)整，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的固有振頻和進(jìn)氣脈沖頻率進(jìn)行調(diào)諧，錯(cuò)開(kāi)共振點(diǎn)，提高靜音性。在冷啟動(dòng)的時(shí)候，打開(kāi)渦輪增壓控制閥，擴(kuò)大尾氣流通截面，讓渦輪轉(zhuǎn)速?gòu)?0000rpm減少至30000rpm，減少了一階噪音。

另外，啟動(dòng)時(shí)讓發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，促進(jìn)三元催化器的活性，對(duì)燃燒室內(nèi)的燃燒分布進(jìn)行均質(zhì)化，點(diǎn)火角控制更加精密化，提高排放性能，使其能夠滿足USA LEV2和EU stage6的法規(guī)要求。