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三菱公司为新型ECLIPSE CROSS运动型多功能汽车（SUV）开发了1款全新的小型发动机。通过应用直接喷射，以及其他降低排放与燃油耗的技术，新款4B40型发动机实现了驾驶性能与环保性能的进一步优化。关键词：热力发动机;直接喷射;涡轮增压;颗粒滤清器
0 前言
社会各界对汽车的要求与日俱增，不仅需要满足各国的燃油耗标准和排放法规，同时也应为驾驶人员提供愉悦的驾驶体验。由三菱公司推出的全新ECLIPSE CROSS运动型多功能汽车（SUV），以大扭矩下的高响应性作为技术特点，从而使驾驶人員充分体验到新一代SUV的驾驶乐趣。研究人员为该车型专门开发了兼顾出色环保性能和优越驾驶性能的1.5 L 小型涡轮增压直喷发动机。本文就该款4B40型发动机及其所采用的主要技术进行了介绍。
1 发动机概要
新款4B40型发动机（图1）的主要开发目标及其所采用的技术如下：
（1）相比原2.4 L 自然吸气发动机，大幅提高了扭矩性能并降低了燃油耗，同时采用了小型涡轮增压系统。
（2）为克服直接喷射系统存在的排气及噪声-振动-平顺性（NVH）等问题，采用了进气道喷射的方式。
（3）为改善涡轮迟滞现象，研究人员为其配备了新一代小型涡轮增压器及电动废气门执行器（WGA）。
（4）为了满足欧洲排放法规要求，研究人员为其配备了性能优越的汽油机颗粒过滤器（GPF）系统。
表1为4B40型发动机性能参数。表2为发动机开发目标及采用的相关技术。图2为发动机扭矩特性曲线对比。图3为发动机燃油经济性改善效果示意图。
2 发动机技术介绍
2.1 兼用PI方式的DI系统
4B40型发动机采用1款结合了PI方式的DI系统（图4）。通过DI系统，可在气缸内形成最佳混合气，研究人员为其选用了具有6个喷孔的多孔喷射器（侧喷）。DI系统的喷射压力为4～20 MPa。兼用PI方式的DI系统的喷射模式如图5所示。发动机DI系统最显著的特点是在发动机整个运行工况范围内都使用PI方式来喷射燃油，而在高负荷工况区域，为实现缸内冷却，则会同时使用DI方式。发动机在低速高负荷领域会使用DI 系统进行2次喷射，通过降低喷雾贯穿距，减少燃烧室壁的燃油附着量，从而达到抑制颗粒物排放的目的。
2.1.1 降低排放效果
DI系统由于采用了高压喷射的方式，因此在细化喷雾颗粒方面具有显著优势，而在冷态工况及喷油量较多的高负荷工况，燃烧室壁附着的燃油会产生扩散燃烧现象，成为颗粒物生成的主要原因，此时与PI方式相配合，可以抑制颗粒物的生成。
2.1.2 燃油经济性改善效果
DI系统可直接向缸内喷射高压燃油，但为此需要较高的喷射压力，从而需要配备驱动喷射泵及高压燃油系统，因此电力消耗会成为燃油经济性恶化的主要原因。在低负荷工况领域，仅通过PI方式进行喷射，可以降低这一损失。
2.1.3 降低DI喷油器容量
在确保整机性能的基础上，研究人员还必须兼顾最大喷油量和最小喷油量。因此，采用具有优异的精细喷射控制能力的PI方式，可同时扩大整个喷射系统的动态范围，并使其具有最大流量。
2.1.4 降低噪声
在DI方式中，为产生较高的燃油压力，需要驱动高压泵，而高压泵及喷油器在工作时都会产生噪声。因此，在低负荷工况区域中，通常仅采用PI方式，可有效降低此类工作噪声。
2.1.5 清洁进气阀周边效果
通过利用PI方式，可以清洁进气阀和进气道，防止气缸内出现积炭现象，同时确保燃料及润滑油性能的高度稳定。
2.2 改良进气道
为确保低速工况下的性能，1项重要的工作是缓和增压时的敲缸现象。为了改善燃烧过程，研究人员采用了可强化滚流并能促进缸内混合气流动的进气道（图6）。作为强化滚流的手段，利用直进气道增加正向滚流，在此基础上，研究人员又利用气道下端边缘减少了逆向滚流。在各曲轴转角处滚流比分析结果（图7）中，给出了进气行程（上止点后105 °CA）和压缩行程（上止点前110 °CA）中缸内气体流动的分析结果（图8）。在进气行程中，通过强化滚流，使喷雾在气缸中心旋转流动，抑制了燃油在燃烧室内壁发生附着。在压缩行程中，由于活塞顶部采用了较为平坦的设计方案，可以使生成的滚流维持到压缩行程的上止点附近。滚流持续到点火前消失，由此可以提高紊流强度，从而达到提高燃烧速度的目的。
2.3 改进增压技术
为了改善中低速工况下的扭矩，研究人员为4B40型发动机配备了小型涡轮增压器。在此基础上，研究人员采用斜流涡轮，改善了涡轮迟滞现象（图9）。另外，通过采用电动WGA，大幅改善了对增压的控制能力，实现了线性加速。作为提高增压器响应性控制力的具体案例，为迅速改善怠速至中等转速工况下的增压响应性，研究人员将废气阀设在了闭口附近。同时，通过关闭油门可以降低泵气损失，并降低燃油耗。
2.4 排气歧管内置式气缸盖
如图10所示，研究人员通过在气缸盖内设置排气歧管，并在外围设置冷却水套，可以降低高负荷工况下的涡轮入口温度，同时进一步优化增压效果，以此改善发动机性能。
2.5 抑制敲缸现象
为了抑制敲缸现象，研究人员改良了DI方式及进气道结构，优化了气缸内部气体流动过程，同时在燃烧室内进行强化冷却，这些方法对于抑制敲缸现象都非常有效。
此外，研究人员还采用了在内部设置冷却水道的活塞及机油喷嘴，气门挺柱伞部为中空结构，同时选用了可实现自然吸气的排气阀（图11和图12）。通过采用上述技术，充分提高了混合气燃烧速度。
3 面向欧洲欧六d-TEMP排放法规采用的措施
相比全球统一的轻型车测试循环（WLTC），欧六d-TEMP排放法规增加了针对高负荷工况的要求，并利用实际行驶污染物排放（RDE）试验法，大幅提高了对排放稳定性的要求。同时，对直喷汽油机而言，欧六d-TEMP排放法规还增加了对排放颗粒数（PN）的相关要求。为了应对上述排放法规，三菱公司的研究人员在车辆底部安装了GPF（图13）。为防止GPF中颗粒物（PM）堆积导致压力损耗增大及温度过度升高的现象，GPF需要在合适的条件下进行再生。
如图14所示，研究人员需要根据发动机燃气中的PN量，以及炭烟模型预测PM堆积量。当预测值超出阈值后，系统就会控制GPF内的温度及氧浓度，进行GPF再生。
4 总结
研究人员通过采用以燃油直接喷射方式和改良气道为代表的先进技术，并配备WGA的小型涡轮增压器，实现了新一代SUV所需要的全扭矩驾驶功能及高环保性能。该发动机所采用的主要技术如下。
（1）研究人员通过采用DI+PI的方式，使4B40型发动机性能得以充分发挥，并降低了PN，同时提高了燃油经济性。另外，通过采用PI方式，可以对进气阀周边进行净化，由此确保了燃料等介质的化学稳定性。
（2）研究人员通过采用带斜流涡轮的小型涡轮增压器，在中低转速及高扭矩的工况下，改善了增压迟滞现象。通过采用电动WGA，扩大了最大扭矩范围，提高了增压系统响应性。
（3）为满足欧六d-TEMP排放法规，研究人员在催化器后段采用了GPF，通过对再生控制过程中各关键要素的机能进行模拟，实现了对发动机排放系统的有效控制。
今后，排放法规还会更加严格，车辆的环保性能仍须进一步改善。进一步的开发目标主要包括降低废气排放，提高燃油经济性等。因此，车辆的驾驶乐趣与其制约因素将长期共存，是未来的重要研究课题。研究人员通过技术优化，可进一步提高整车燃烧效率，改善节油技术，满足环保要求，并使车型产品具有更高的驾驶愉悦性。
张冬梅 译自 自動車技術，2019（9）
伍赛特 编辑
（收稿时间：2020-12-04）
0 前言
社会各界对汽车的要求与日俱增，不仅需要满足各国的燃油耗标准和排放法规，同时也应为驾驶人员提供愉悦的驾驶体验。由三菱公司推出的全新ECLIPSE CROSS运动型多功能汽车（SUV），以大扭矩下的高响应性作为技术特点，从而使驾驶人員充分体验到新一代SUV的驾驶乐趣。研究人员为该车型专门开发了兼顾出色环保性能和优越驾驶性能的1.5 L 小型涡轮增压直喷发动机。本文就该款4B40型发动机及其所采用的主要技术进行了介绍。
1 发动机概要
新款4B40型发动机（图1）的主要开发目标及其所采用的技术如下：
（1）相比原2.4 L 自然吸气发动机，大幅提高了扭矩性能并降低了燃油耗，同时采用了小型涡轮增压系统。
（2）为克服直接喷射系统存在的排气及噪声-振动-平顺性（NVH）等问题，采用了进气道喷射的方式。
（3）为改善涡轮迟滞现象，研究人员为其配备了新一代小型涡轮增压器及电动废气门执行器（WGA）。
（4）为了满足欧洲排放法规要求，研究人员为其配备了性能优越的汽油机颗粒过滤器（GPF）系统。
表1为4B40型发动机性能参数。表2为发动机开发目标及采用的相关技术。图2为发动机扭矩特性曲线对比。图3为发动机燃油经济性改善效果示意图。
2 发动机技术介绍
2.1 兼用PI方式的DI系统
4B40型发动机采用1款结合了PI方式的DI系统（图4）。通过DI系统，可在气缸内形成最佳混合气，研究人员为其选用了具有6个喷孔的多孔喷射器（侧喷）。DI系统的喷射压力为4～20 MPa。兼用PI方式的DI系统的喷射模式如图5所示。发动机DI系统最显著的特点是在发动机整个运行工况范围内都使用PI方式来喷射燃油，而在高负荷工况区域，为实现缸内冷却，则会同时使用DI方式。发动机在低速高负荷领域会使用DI 系统进行2次喷射，通过降低喷雾贯穿距，减少燃烧室壁的燃油附着量，从而达到抑制颗粒物排放的目的。
2.1.1 降低排放效果
DI系统由于采用了高压喷射的方式，因此在细化喷雾颗粒方面具有显著优势，而在冷态工况及喷油量较多的高负荷工况，燃烧室壁附着的燃油会产生扩散燃烧现象，成为颗粒物生成的主要原因，此时与PI方式相配合，可以抑制颗粒物的生成。
2.1.2 燃油经济性改善效果
DI系统可直接向缸内喷射高压燃油，但为此需要较高的喷射压力，从而需要配备驱动喷射泵及高压燃油系统，因此电力消耗会成为燃油经济性恶化的主要原因。在低负荷工况领域，仅通过PI方式进行喷射，可以降低这一损失。
2.1.3 降低DI喷油器容量
在确保整机性能的基础上，研究人员还必须兼顾最大喷油量和最小喷油量。因此，采用具有优异的精细喷射控制能力的PI方式，可同时扩大整个喷射系统的动态范围，并使其具有最大流量。
2.1.4 降低噪声
在DI方式中，为产生较高的燃油压力，需要驱动高压泵，而高压泵及喷油器在工作时都会产生噪声。因此，在低负荷工况区域中，通常仅采用PI方式，可有效降低此类工作噪声。
2.1.5 清洁进气阀周边效果
通过利用PI方式，可以清洁进气阀和进气道，防止气缸内出现积炭现象，同时确保燃料及润滑油性能的高度稳定。
2.2 改良进气道
为确保低速工况下的性能，1项重要的工作是缓和增压时的敲缸现象。为了改善燃烧过程，研究人员采用了可强化滚流并能促进缸内混合气流动的进气道（图6）。作为强化滚流的手段，利用直进气道增加正向滚流，在此基础上，研究人员又利用气道下端边缘减少了逆向滚流。在各曲轴转角处滚流比分析结果（图7）中，给出了进气行程（上止点后105 °CA）和压缩行程（上止点前110 °CA）中缸内气体流动的分析结果（图8）。在进气行程中，通过强化滚流，使喷雾在气缸中心旋转流动，抑制了燃油在燃烧室内壁发生附着。在压缩行程中，由于活塞顶部采用了较为平坦的设计方案，可以使生成的滚流维持到压缩行程的上止点附近。滚流持续到点火前消失，由此可以提高紊流强度，从而达到提高燃烧速度的目的。
2.3 改进增压技术
为了改善中低速工况下的扭矩，研究人员为4B40型发动机配备了小型涡轮增压器。在此基础上，研究人员采用斜流涡轮，改善了涡轮迟滞现象（图9）。另外，通过采用电动WGA，大幅改善了对增压的控制能力，实现了线性加速。作为提高增压器响应性控制力的具体案例，为迅速改善怠速至中等转速工况下的增压响应性，研究人员将废气阀设在了闭口附近。同时，通过关闭油门可以降低泵气损失，并降低燃油耗。
2.4 排气歧管内置式气缸盖
如图10所示，研究人员通过在气缸盖内设置排气歧管，并在外围设置冷却水套，可以降低高负荷工况下的涡轮入口温度，同时进一步优化增压效果，以此改善发动机性能。
2.5 抑制敲缸现象
为了抑制敲缸现象，研究人员改良了DI方式及进气道结构，优化了气缸内部气体流动过程，同时在燃烧室内进行强化冷却，这些方法对于抑制敲缸现象都非常有效。
此外，研究人员还采用了在内部设置冷却水道的活塞及机油喷嘴，气门挺柱伞部为中空结构，同时选用了可实现自然吸气的排气阀（图11和图12）。通过采用上述技术，充分提高了混合气燃烧速度。
3 面向欧洲欧六d-TEMP排放法规采用的措施
相比全球统一的轻型车测试循环（WLTC），欧六d-TEMP排放法规增加了针对高负荷工况的要求，并利用实际行驶污染物排放（RDE）试验法，大幅提高了对排放稳定性的要求。同时，对直喷汽油机而言，欧六d-TEMP排放法规还增加了对排放颗粒数（PN）的相关要求。为了应对上述排放法规，三菱公司的研究人员在车辆底部安装了GPF（图13）。为防止GPF中颗粒物（PM）堆积导致压力损耗增大及温度过度升高的现象，GPF需要在合适的条件下进行再生。
如图14所示，研究人员需要根据发动机燃气中的PN量，以及炭烟模型预测PM堆积量。当预测值超出阈值后，系统就会控制GPF内的温度及氧浓度，进行GPF再生。
4 总结
研究人员通过采用以燃油直接喷射方式和改良气道为代表的先进技术，并配备WGA的小型涡轮增压器，实现了新一代SUV所需要的全扭矩驾驶功能及高环保性能。该发动机所采用的主要技术如下。
（1）研究人员通过采用DI+PI的方式，使4B40型发动机性能得以充分发挥，并降低了PN，同时提高了燃油经济性。另外，通过采用PI方式，可以对进气阀周边进行净化，由此确保了燃料等介质的化学稳定性。
（2）研究人员通过采用带斜流涡轮的小型涡轮增压器，在中低转速及高扭矩的工况下，改善了增压迟滞现象。通过采用电动WGA，扩大了最大扭矩范围，提高了增压系统响应性。
（3）为满足欧六d-TEMP排放法规，研究人员在催化器后段采用了GPF，通过对再生控制过程中各关键要素的机能进行模拟，实现了对发动机排放系统的有效控制。
今后，排放法规还会更加严格，车辆的环保性能仍须进一步改善。进一步的开发目标主要包括降低废气排放，提高燃油经济性等。因此，车辆的驾驶乐趣与其制约因素将长期共存，是未来的重要研究课题。研究人员通过技术优化，可进一步提高整车燃烧效率，改善节油技术，满足环保要求，并使车型产品具有更高的驾驶愉悦性。
张冬梅 译自 自動車技術，2019（9）
伍赛特 编辑
（收稿时间：2020-12-04）