大發(fā)公司新款KF-VE7型及KF-VET2型發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)

大發(fā)汽車公司在原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)了新款KF-VE7型及KF-VET2型發(fā)動(dòng)機(jī)。新款KF發(fā)動(dòng)機(jī)采用了以下4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：高滾流比氣道、噴霧液滴顆?；瘒娪推鳌l(fā)動(dòng)機(jī)多次點(diǎn)火系統(tǒng)，以及小型燃燒室。通過應(yīng)用以上技術(shù)，可有效改善燃燒過程，并提高燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)使其最高功率及最大扭矩與原KF機(jī)型維持在同一水平，從而進(jìn)一步改善了排放指標(biāo)。

0 前言

近年來，由于CO2排放導(dǎo)致的環(huán)境問題引起了世界各國的重視，各國因此逐步加嚴(yán)了燃油耗法規(guī)限值。另一方面，2019年，輕型車的銷量占日本國內(nèi)車型市場的37%，輕型車的環(huán)境性能對(duì)日本國內(nèi)的CO2排放產(chǎn)生了較大影響。在該背景影響下，輕型車仍需要進(jìn)一步改善燃油耗。

因此，大發(fā)汽車公司旗下的研究人員于近期開發(fā)了新款KF-VE7型及KF-VET2型發(fā)動(dòng)機(jī)，并改善了其燃油經(jīng)濟(jì)性及扭矩特性。本文介紹了與2款發(fā)動(dòng)機(jī)密切相關(guān)的技術(shù)與研究成果。

1 開發(fā)目標(biāo)

新型KF型發(fā)動(dòng)機(jī)雖然沿用了原機(jī)型的基本結(jié)構(gòu)型式，但為了改善燃油經(jīng)濟(jì)性并提高最大扭矩，研究人員針對(duì)以下目標(biāo)進(jìn)行了技術(shù)開發(fā)：（1）使新款KF-VE7型發(fā)動(dòng)機(jī)具有世界頂尖水平的環(huán)保性能；（2）使新款KF-VET2型發(fā)動(dòng)機(jī)能兼顧整車的動(dòng)力性能與燃油經(jīng)濟(jì)性。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

表1列出了KF-VE7型發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。圖1示出了KF-VE7 型發(fā)動(dòng)機(jī)的外觀，表2列出了KF-VET2型發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，圖2示出了KFVET2型發(fā)動(dòng)機(jī)的外觀。新款KF-VE7型發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)目標(biāo)是利用燃燒室的小型化以改善燃燒過程，并縮小氣門頭部的直徑。由于縮小氣門頭部直徑會(huì)導(dǎo)致功率與扭矩的降低，因此研究人員在采用小直徑進(jìn)氣門的基礎(chǔ)上，提高了氣門升程，使整機(jī)最高功率與最大扭矩維持在原有的技術(shù)水平，并改善了燃油耗。

表1 KF-VE7型發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

圖1 KF-VE7型發(fā)動(dòng)機(jī)的外觀

表2 KF-VET2型發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

圖2 KF-VET2型發(fā)動(dòng)機(jī)的外觀

針對(duì)KF-VET2型發(fā)動(dòng)機(jī)，研究人員一方面采用了與KF-VE7型發(fā)動(dòng)機(jī)相同的節(jié)能技術(shù)，另一方面則致力于提高其動(dòng)力性能。研究人員通過提高增壓壓力而改善了最大扭矩。下文將介紹部分技術(shù)細(xì)節(jié)。

3 引進(jìn)的技術(shù)

3.1 改善燃燒

就新款KF發(fā)動(dòng)機(jī)而言，研究人員主要通過改善燃燒過程以提高燃油經(jīng)濟(jì)性，并引進(jìn)了以下4項(xiàng)技術(shù)：（1）高滾流比氣道；（2）噴霧液滴微?；瘒娪推?；（3）多次點(diǎn)火系統(tǒng)；（4）小型燃燒室。下文將對(duì)各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

3.1.1 高滾流比氣道

就新款KF發(fā)動(dòng)機(jī)而言，研究人員通過技術(shù)優(yōu)化以提高了其滾流比，但空氣流量卻與原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)相近（圖3）。為提高滾流比，研究人員將進(jìn)氣道下部設(shè)計(jì)成半圓形狀（圖4），同時(shí)為了維持進(jìn)氣道流量而采用了薄型氣門座（圖5）。研究人員采用該氣門座的原因是為了減小進(jìn)氣道角度，同時(shí)擴(kuò)大氣道喉口部的通道面積。

圖3 進(jìn)氣道的比較

圖4 進(jìn)氣道的形狀改動(dòng)

圖5 進(jìn)氣門座的調(diào)整

除了采用上述技術(shù)外，研究人員為其配備了小直徑進(jìn)氣門，并增大了進(jìn)氣門凸輪的升程。雖然滾流比相比以往提高了60%，空氣流量卻與原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)相近。

3.1.2 噴霧油滴微?；瘒娪推?/p>

就KF-VE7型發(fā)動(dòng)機(jī)而言，研究人員從降低未燃損失并改善爆燃現(xiàn)象的目標(biāo)出發(fā)，采用了能使油滴噴霧充分實(shí)現(xiàn)微粒化的新型噴油器。如與原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)相比，則噴霧油滴顆粒的索特平均直徑（SMD）降低了50%，噴霧貫穿距降低了20%。在燃油壓力為0.3 MPa的條件下，可使油滴充分實(shí)現(xiàn)微粒化，并形成低貫穿度的噴霧。

此外，研究人員對(duì)噴油器裝配定位角度進(jìn)行了優(yōu)化，以最大限度地發(fā)揮該噴油器的優(yōu)勢。由該噴油器噴射出的油滴噴霧容易與空氣在氣道口上部形成干涉（圖9）。考慮到這一現(xiàn)象，在配裝該噴油器時(shí)，傾斜角度應(yīng)小于原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)（圖10）。研究人員根據(jù)仿真分析，并進(jìn)行了相關(guān)調(diào)整，使氣道口潮濕度及混合氣在缸內(nèi)的流動(dòng)效果均得到了充分改善。

隨著上述改進(jìn)措施的實(shí)施，研究人員確認(rèn)了在最大熱效率工況點(diǎn)的未燃損失相比原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)降低了0.7%，點(diǎn)火正時(shí)提前角為1.7 °CA。結(jié)果表明，在日本機(jī)動(dòng)車燃油排放標(biāo)準(zhǔn)（JC08）工況下的燃油耗改善了1%。

3.1.3 多次點(diǎn)火系統(tǒng)

研究人員為了使新款KF型發(fā)動(dòng)機(jī)在高EGR率下也能實(shí)現(xiàn)可靠的點(diǎn)火過程，首次采用了多次點(diǎn)火系統(tǒng)。該系統(tǒng)只在必要的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)進(jìn)行多次點(diǎn)火，雖然點(diǎn)火線圈的技術(shù)參數(shù)與傳統(tǒng)KF型發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈相同，卻具有更高的點(diǎn)火能量（表3）。該點(diǎn)火線圈結(jié)構(gòu)與一次點(diǎn)火線圈相同，但為了快速實(shí)現(xiàn)多次點(diǎn)火時(shí)的充電過程，研究人員改變了點(diǎn)火線圈的點(diǎn)火特性。

表3 點(diǎn)火線圈放電比較（原點(diǎn)火線圈、高能點(diǎn)火線圈、多次點(diǎn)火線圈）

由于采用了上述改進(jìn)措施，該點(diǎn)火線圈的技術(shù)參數(shù)與原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火線圈相同，一方面能以同樣的方式進(jìn)行配裝，另一方面可獲得更高的點(diǎn)火能量。與KF-VE7型發(fā)動(dòng)機(jī)中采用相同變動(dòng)系數(shù)的燃燒情況相比，EGR率提高了6%（圖13）。同時(shí)由于該效果的存在，發(fā)動(dòng)機(jī)在JC08工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性改善了0.5%。此外，在高轉(zhuǎn)速及高負(fù)荷工況下，為減少火花塞電極間隙的磨損，研究人員通過優(yōu)化及調(diào)整，使其磨耗量與原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞電極處于同一水平（圖14）。

圖13 點(diǎn)火方式比較（在轉(zhuǎn)速為1 940 r/min與扭矩為23 N·m 的工況下）

圖14 經(jīng)耐久性試驗(yàn)后火花塞電極間隙磨損量的比較

3.1.4 小型燃燒室

研究人員通過降低燃燒室的面容比以減少冷卻損失。同時(shí)，從提高燃燒速度的目標(biāo)出發(fā)，研究人員分別對(duì)KF-VE7型與KF-VET2型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)。具體而言，由于縮小了進(jìn)氣門/排氣門的頭部直徑，并調(diào)低了氣門位置，從而減少了KF-VE7型發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋側(cè)燃燒室容積（圖15）。由此，研究人員能將活塞側(cè)燃燒室形狀設(shè)定成較為平滑的形狀。

圖15 燃燒室的比較（原燃燒室與新款燃燒室）

通過調(diào)整，KF-VE7型發(fā)動(dòng)機(jī)的面容比相比原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)降低了5%。此外，對(duì)燃燒室的調(diào)整也有利于維持滾流比數(shù)值的不變。經(jīng)測算，在點(diǎn)火正時(shí)附近（曲軸轉(zhuǎn)角690 °CA ATDC）的湍流能量比原燃燒室提高了10%。

另一方面，為了應(yīng)對(duì)由于氣門頭部直徑縮小導(dǎo)致空氣流量降低的問題，研究人員通過采用小直徑進(jìn)氣門，并增大進(jìn)氣凸輪的升程，使空氣流量與原KF機(jī)型相同。

3.1.5 改善燃燒的效果

隨著上述4項(xiàng)技術(shù)的引進(jìn)與推廣，在發(fā)動(dòng)機(jī)處于WOT狀態(tài)，且轉(zhuǎn)速為2 000 r/min的條件下，在10%~90%的燃燒持續(xù)期內(nèi)，燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)（MBF）同比改善了11%。

3.2 改善排氣

研究人員利用起動(dòng)時(shí)催化劑的早期活性優(yōu)勢以降低排放，并通過減少高負(fù)荷工況下的燃油供給量以改善燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)采用了氣缸蓋整體集成式排氣口。研究人員設(shè)定的開發(fā)目標(biāo)是使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的催化劑激活時(shí)間比原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)減少10%。與原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)相比，新款KF型發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷工況下的催化劑溫度降低了100 ℃。

此外，為達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，研究人員對(duì)新款KF型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了調(diào)整，使高溫廢氣從排氣門流動(dòng)到催化劑的距離相比原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)減少了24%，從而使排氣門表面積降低了28%，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)排氣門的優(yōu)化。通過采用上述技術(shù)，研究人員確認(rèn)新款KF 型發(fā)動(dòng)機(jī)相比原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)，在起動(dòng)時(shí)的催化劑激活時(shí)間減少了10%，高負(fù)荷工況下的催化劑溫度降低了100 ℃。結(jié)果表明，KF-VE7型發(fā)動(dòng)機(jī)的排放指標(biāo)相比2018年的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)改善了75%，KFVET2型發(fā)動(dòng)機(jī)則降低了50%。

3.3 提高KF-VET2型發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩

為提高整機(jī)動(dòng)力性能，研究人員提升了KF-VET2型發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩，并使其0~100 km/h的加速時(shí)間相比原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)縮短了1 s。為實(shí)現(xiàn)本目標(biāo)，研究人員根據(jù)車輛仿真分析，計(jì)算出該款機(jī)型的扭矩特性曲線，使目標(biāo)最大扭矩相比原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)提高了9%，可達(dá)100 N·m。

為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，研究人員除了引進(jìn)與KF-VE7型發(fā)動(dòng)機(jī)同樣的燃燒技術(shù)之外，還進(jìn)一步提高了增壓壓力，并使中冷器大型化。同時(shí)，研究人員通過采用增壓壓力控制技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)的扭矩特性曲線。

4 其他相關(guān)技術(shù)

除此以外，研究人員還為新款KF發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定了如下技術(shù)方案：（1）提高水泵流量以改善冷卻；（2）降低摩擦（采用全浮式活塞，低黏度潤滑油，樹脂涂層軸承襯瓦等）；（3）提高EGR 閥的響應(yīng)性；（4）使EGR中冷器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高效化。

5 結(jié)語

從文中發(fā)動(dòng)機(jī)改善廢氣排放的效果來看，研究人員將KF-VE7型發(fā)動(dòng)機(jī)配裝于輕型車，使廢氣排放相比2018年的排放標(biāo)準(zhǔn)首次實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化75%的目標(biāo)。KF-VET2型發(fā)動(dòng)機(jī)則實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化50%的目標(biāo)。與原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)相比，KF-VE7型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性改善了5%，KF-VET2型發(fā)動(dòng)機(jī)改善了4%。就最高熱效率而言，KF-VE7型發(fā)動(dòng)機(jī)相比原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)提高了2.6%，KF-VET2型發(fā)動(dòng)機(jī)則提高了2.0%。同時(shí)，熱效率為30%的工作區(qū)域也得以大幅擴(kuò)展。KF-VET2型發(fā)動(dòng)機(jī)除了改善燃油經(jīng)濟(jì)性之外，最大扭矩相比原KF型發(fā)動(dòng)機(jī)提高了9%。

本文發(fā)表于《汽車與新動(dòng)力》雜志2021年第1期

作者：［日］三戸康裕等

編輯：jq