霍英賢 張曉雨 劉宏江

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

近年來，隨著人們生活水平的提高，汽車作為一種交通工具，其技術(shù)在飛速提升的同時，各種新理念和新設(shè)計被賦予實施，以滿足人們的需求。其中，發(fā)動機平臺化的理念已從概念階段發(fā)展到平臺化的真正實施階段。

根據(jù)調(diào)研，國內(nèi)外各個品牌都在不斷地進行發(fā)動機平臺化升級，但是國內(nèi)平臺化起步較晚，從而導(dǎo)致平臺升級深度與國外品牌存在一定的差距。國外知名品牌如大眾汽車，20 世紀80 年代已開展平臺模塊化設(shè)計，建立了PQ、PL、MQB、MLB 等整車平臺。同時，發(fā)動機開發(fā)了EA211、EA888 系列平臺，并以平臺模塊化設(shè)計為理念，拓展出不同排量自然吸氣及增壓機型。另外一個品牌寶馬汽車，開發(fā)了發(fā)動機B 平臺，它以單缸0.5 L 為模塊，在缸徑、行程不變的情況下，開發(fā)出1.5 L、2.0 L、3.0 L 等系列機型。

本文通過研究一家全球性汽車公司的發(fā)動機平臺化升級路線，分析其技術(shù)應(yīng)用、模塊化等設(shè)計理念，為自身企業(yè)的發(fā)動機平臺化升級提供幫助。同時，面對市場導(dǎo)向、競爭對手等因素的影響，研究國外競品發(fā)動機的升級路線是至關(guān)重要的，對提高產(chǎn)品開發(fā)能力具有一定的指導(dǎo)意義。

1 技術(shù)升級路線

據(jù)統(tǒng)計，目前該系列機型共有四代產(chǎn)品，因第一代機型產(chǎn)品較老，此處從第二代機型展開分析。第二代產(chǎn)品主要采用14.0 MPa 直噴、分層燃燒、雙增壓等技術(shù)，其側(cè)重于動力，但出于油耗、成本、排放等方面的考慮，需要進一步進行技術(shù)升級。

對此，其在壓縮比、噴油壓力、VVT 正時傳動、熱管理系統(tǒng)、機油泵、增壓器等方面進行升級。同時采用ACT 停缸技術(shù)、可變截面增壓器、缸孔噴涂等技術(shù)，以降低油耗，同時滿足排放法規(guī)要求。技術(shù)升級路線如表1 所示。

表1 技術(shù)升級路線

燃油系統(tǒng)：第四代產(chǎn)品的直噴系統(tǒng)為35.0 MPa，其最大優(yōu)勢在于燃油以較高壓力直接噴射在氣缸內(nèi)，相比前兩代直噴系統(tǒng)，在油氣的霧化和混合效率上更為優(yōu)異。同時，噴油時刻的控制更加精準，因此35.0 MPa 缸內(nèi)直噴技術(shù)使燃燒效率大幅提升，同時噴油壓力的提高也利于環(huán)保和節(jié)能。

增壓系統(tǒng)：渦輪增壓對動力輸出有遲滯響應(yīng)的劣勢，而機械增壓可彌補這一弊端，第二代產(chǎn)品采用雙增壓系統(tǒng)，即：渦輪增壓+機械增壓。雙增壓發(fā)動機1.4 L 遠超2.0 L 自然吸氣發(fā)動機，但雙增壓的成本較高，且設(shè)計相當復(fù)雜，故第三代發(fā)動機取消機械增壓，但機械增壓的取消，對低速起步動力性有較大的影響。對此第四代產(chǎn)品，采用可變截面增壓器，增壓器上帶有導(dǎo)流葉片，在不同的排氣壓力下，執(zhí)行器對導(dǎo)流葉片進行調(diào)節(jié)。低速時，執(zhí)行器將導(dǎo)流葉片調(diào)節(jié)為較小的角度，以加快空氣流速，減小渦輪遲滯，以兼顧低速響應(yīng)時間。高速時，執(zhí)行器將導(dǎo)流葉片調(diào)節(jié)為較大的角度，增大渦輪流通面積，增大增壓壓力，提高動力性?？勺兘孛嬖鰤浩鳂?gòu)造如圖1 所示。

圖1 可變截面增壓器構(gòu)造

ACT 停缸技術(shù)：由ACT 控制閥和帶有2 個升程的凸輪組成，其中一個凸輪升程為0，另一個凸輪有升程。正常狀態(tài)時，氣門與有升程的凸輪配合，此時氣門可以實現(xiàn)開關(guān)。停缸時，ACT 控制閥控制0 升程凸輪，使0 升程凸輪軸驅(qū)動氣門，此時氣門升程為0，實現(xiàn)停缸。ACT 工作原理如圖2 所示。

圖2 ACT 停缸技術(shù)工作原理

最新一代機型備有ACT 停缸技術(shù)，在某種工況下，可以使特定的氣缸停止進氣及噴油，以達到節(jié)油的目的。根據(jù)試驗驗證，BMEP 0.2 MPa 時，可降低15%～21%的油耗，BMEP 0.4 MPa 時，可降低4%的油耗。ACT 停缸技術(shù)Map 如圖3 所示。

圖3 ACT 停缸技術(shù)工作Map

2 布置通用化

整機布置是指發(fā)動機在整車機艙內(nèi)的布置位置，包含前端正時罩蓋的懸置點與整車懸置支架的固定點位置、傾斜角度等。發(fā)動機正時罩蓋懸置點與整車的懸置支架固定點位置配合后，不同的車型做到一致或接近，發(fā)動機懸置就可以做到通用化，以達到平臺模塊化的目的，但對應(yīng)的整車平臺架構(gòu)及發(fā)動機平臺設(shè)計有一定的難度。

如圖4 所示，該系列發(fā)動機為了使新一代機型適應(yīng)新的整車平臺，它對整機的布局進行了優(yōu)化。上一代發(fā)動機為前排后進的布局，即排氣朝前，進氣朝后。發(fā)動機布置在小型車上是前傾設(shè)計，而布置在中型車上是后傾設(shè)計，同一臺發(fā)動機搭載不同的車型，出現(xiàn)兩種或多種的布局，此種布局非常不適合整機安裝位置的通用化。為此，該機型在進行升級時，考慮到這一點，新開發(fā)機型在新平臺的布置形式均為前進后排，即進氣側(cè)朝前，排氣側(cè)朝后，且傾斜角度、安裝位置在新平臺的布置上均一致，從而實現(xiàn)整機布置的通用化。當然，發(fā)動機布置的通用化，需對排氣系統(tǒng)、驅(qū)動軸布置、變速器布置、換擋機構(gòu)布置進行重新設(shè)計及優(yōu)化。

圖4 布置通用化

3 簡單的模塊化

發(fā)動機平臺通過高集成的模塊化設(shè)計，可以使得發(fā)動機在同一條生產(chǎn)線上進行共線生產(chǎn)，也就實現(xiàn)了柔性生產(chǎn)來滿足多元化的市場需求。發(fā)動機一般都按系統(tǒng)劃分，系統(tǒng)下一級為總成，總成包含各零部件。模塊和總成、系統(tǒng)等概念有相近之處，但模塊更強調(diào)獨立性，繼承性和通用性[1]。同時，發(fā)動機的模塊化也有利于統(tǒng)一發(fā)動機在整車上的安裝位置。

對于發(fā)動機來說，每個模塊應(yīng)該有適宜的技術(shù)特征，模塊化的技術(shù)組合可搭建不同技術(shù)配置的整機，從而可滿足整車不同配置的需求。該公司的第二代機型劃分為6 大模塊，如圖5 所示。各個模塊中包含零部件數(shù)量，技術(shù)特征涵蓋均不同。機型中的大模塊包含較多部件，配備有多項技術(shù)，而小模塊只包含零部件，而無技術(shù)配備。可見第二代機型的模塊化設(shè)計與技術(shù)特征不均衡。受此影響，第二代機型只有兩個版本，即高、低功率兩個版本。

對第三代機型的模塊化進行了優(yōu)化設(shè)計，各個模塊中包含的零部件數(shù)量、技術(shù)等特征較平衡。通過取消或增加模塊以實現(xiàn)某項技術(shù)的取消或增加，從而可實現(xiàn)多種整機技術(shù)配置。目前第三代機型有4種配置，即高、中、低等不同的功率版本，其不同功率版本的機型所包含的技術(shù)也不盡相同，如ACT 停缸等技術(shù)可實現(xiàn)選配。第三、四代機型的模塊劃分如圖5、6 所示。

圖5 第二代機型的模塊劃分

圖6 第三、四代機型的模塊劃分

4 輕量化設(shè)計

汽車及發(fā)動機的輕量化設(shè)計是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排的一種途徑，而材料的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計對輕量化有直接的影響。

4.1 選擇輕質(zhì)的材料

上一代機型為高性能的雙增壓器機型，為了滿足強度的要求，缸體采用高強度蠕墨鑄鐵材料，并能達到1.0×106km 無大修的目標，但鑄鐵缸體在質(zhì)量方面非常不占優(yōu)勢，從而不利于燃油消耗的降低。而最新一代開發(fā)機型采用輕量化的鋁合金材料，從而降低發(fā)動機質(zhì)量，降低車輛的燃油消耗。

同時正時輪系由鋼制的鏈條傳動更改為皮帶傳動，雖說是針對NVH 提升做的更改，但對輕量化也具有一定的意義。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

結(jié)構(gòu)輕量化是通過減重手段實現(xiàn)的，其將排氣歧管與缸蓋集成為一體，在滿足功能需求的情況下，大大降低發(fā)動機的質(zhì)量。缸體由鑄鐵材料變更為鑄鋁材料，同時曲軸、連桿等零部件進行優(yōu)化設(shè)計，從而達到輕量化的目的。根據(jù)統(tǒng)計，其新一代機型較上一代機型質(zhì)量降低20.4 kg。輕量化設(shè)計如圖7 所示。

圖7 輕量化設(shè)計

5 結(jié)束語

該公司的平臺升級模式在汽車行業(yè)內(nèi)具有典型的代表性，促使很多廠商開始開發(fā)自己的模塊化平臺。特別是國內(nèi)廠家，都開始進行發(fā)動機平臺通用化及模塊化開發(fā)。通過對該公司發(fā)動機平臺的研究及分析，對發(fā)動機升級有以下啟發(fā)。

發(fā)動機平臺的升級在一定的程度上可從技術(shù)、布置、模塊化設(shè)計、輕量化設(shè)計等維度開展，但每個企業(yè)的研發(fā)能力不盡相同，企業(yè)應(yīng)制定適合自身發(fā)展的平臺升級路線，以在眾多廠家中，使自己開發(fā)的產(chǎn)品更有競爭力。另外，適度的平臺模塊化，可能會犧牲最佳設(shè)計方案。同時，發(fā)動機平臺化、模塊化實現(xiàn)，不能僅僅依靠企業(yè)自身，還需外部供應(yīng)商的支持。

最后，自主品牌較國外在技術(shù)積累方面有一定的差距，還需長期持續(xù)投入人力物力，進行發(fā)動機研究及開發(fā)工作。