关于Opel（Astra_K轿车高效率汽油机性能分析）

欧宝公司为新一代雅特轿车开发了一种新的发动机型号。3缸和4缸汽油机车型相比原厂车型，活塞行程和安装空间更小，并且特别注重改善满载油耗，为1.0L和1.4L涡轮增压车型选择了适中的动力性。

1辆小型汽车

欧宝紧凑型车从1936年第一辆Kadett车开始就创造了历史，现在又新开发了第11代紧凑型Astra车。到目前为止，哈雷工厂已经生产了超过2400万辆凯迪拉克和雅特汽车，最新一代雅特汽车为欧宝公司开创了一个新时代，真正实现了产量的飞跃。雅特汽车基于全新的轻量化汽车结构，遵循高效、联网、运动三大前提，搭载最新一代发动机，可通过手机联网。

新雅特轿车的外观突出了其运动化设计，与原厂车型相比最多可减重200kg。新雅特轿车的尺寸变小了，但它提供的空间和舒适性有了很大的改善。

2目标价值和发展任务

新一代雅特轿车使用的发动机也是新开发的(图1)。所有车型的曲柄连杆机构的开发目标都是一样的，都有相同的基因：

图1全新欧宝雅特轿车搭载最新一代发动机。

(1)效率最高，因为这些车型具有低摩擦、高燃油利用率、尺寸设计合适等优点，对新一代雅特轿车的整体效率起着决定性的作用；

(2)卓越的加速响应特性，在低速范围内具有较高的瞬时扭矩，从而获得非常好的灵活性和驾驶乐趣；

(3)优异的行驶稳定性，开发目标是达到最高水平的舒适性，并超越整个排量谱。

欧宝和通用汽车公司基于其在3缸和4缸汽油发动机领域的丰富经验，开发了极具竞争力的全新欧宝雅特K汽车发动机谱，使发动机体积小，油耗低，但其动力性能可以匹配更大排量的发动机，甚至超过用户的预期。所以这个发动机结构系列必须完全重新设计。新雅特K轿车搭载的发动机在各方面都超越了原有车型。

与原机相比，新发动机在降低排量和体积的情况下，仍然可以满足开发目标的要求，考虑到满载油耗，1.0L和1.4L增压发动机选择了170nm或175nm的适中提升扭矩和合适的尺寸。虽然在发动机类型范围内调整了一些相反发展目标的优先顺序，但所列发动机仍然实现了优异的噪声特性和动态性能。

3运行稳定性

为了保证3缸发动机的运行性能，新雅特K轿车借鉴了欧宝和通用的经验全球开发团队在开发匹配的发动机时，不仅使3缸发动机具有与4缸发动机相同的噪声品质，而且使3缸发动机和4缸发动机在量产后具有良好的噪声特性。

在整个开发过程中，通过对各部件和整机的大量仿真和试验研究，提高了噪声-振动-乘坐舒适性，并考虑了汽车发动机控制系统和动力系统的集成。

发动机结构的声学设计使得新发动机减少了空气传声路径和固体传声路径中的噪声源，从而避免了后期座舱中发动机噪声传播路径的优化。这种低噪声发动机不仅集成在发动机舱内，而且自由度大，其声学工程受到的限制更少。

重视噪音问题不仅使4缸发动机的噪音性能成为同级别中的佼佼者，也证明了3缸发动机的噪音水平可以低于4缸发动机(图2)。

图2汽油机在该速度范围内的稳定和低噪声

优化噪声性能的主要措施有：(1)通过应用链轮齿形，优化气门正时链条，降低噪声辐射。为了保证低噪声辐射，消除听得见的异响，对链条、张紧器、导轨的整体结构系统进行了优化；(2)摆脱高压喷射系统的声学关系；(3)采用主轴承架底座，使基础发动机具有很高的刚性，通过优化各部件降低噪声辐射。

通过降低各种发动机异响，再加上整体噪音水平较低，新发动机实现了出众的噪音品质。这些策略可以将发动机集成到整车中，技术上容易实现，有助于降低成本。

安装在新欧宝雅特K汽车上的新发动机的用户可以感受到低NVH性能和准确的噪声质量。

4发动机结构

该车型1.0L和1.4L发动机采用压铸铝缸体曲轴箱，高功率版1.6L发动机采用灰铸铁缸体曲轴箱。为了提高结构刚度，采用压铸铝主承力框架底座。钢制缸套铸造在铝制缸体的曲轴箱内，其外圆粗糙不平的表面使缸体与缸套有着非常好的形状结合，而采用适当的热处理方法可以减少变形。钢缸套的顶面用铝密封，以保证缸体顶面良好的可加工性和气缸盖火面的密封功能。为了将涡轮增压发动机的动力传递到动力总成系统，这些车型都采用了锻钢曲轴，其中3缸发动机的曲轴有6个配重块，而4缸发动机的曲轴有8个配重块，可以实现良好的运行稳定性和出色的噪声和振动特性。小型系列3缸发动机和4缸发动机的基本发动机部件如图3所示。

图3带主轴承架底座的铝压铸机机体

结合小轴承间隙，锻钢曲轴在大范围的发动机工作温度和工作条件下获得了优异的噪声特性。新的1.4L自然吸气式进气道喷射汽油发动机配备了带有四个平衡块的铸铁曲轴，因为它的燃烧压力相对较低。为了进一步减轻重量，曲轴在主轴承和连杆轴承的范围内是空心铸造的。

在燃烧发展过程中，根据计算流体动力学(CFD)分析来设计活塞的顶面。为了保证运行的稳定性，进行了多次有限元(FEM)分析和仿真，并根据气缸体的热膨胀对活塞结构进行了优化，保证了活塞系统的稳定性。

在Astra轿车的所有发动机上，冷却活塞的油嘴将其油冷却喷雾对准活塞底部，以确保高负荷下的润滑并减少冷启动时的噪音排放。优化了活塞环组的摩擦、运行稳定性和经济性。第一活塞环的工作表面具有优异的抗磨可靠性和低摩擦，从而减少活塞环和缸套的磨损。粉末冶金连杆提供至少与传统锻钢连杆相同的强度性能。由于采用了许多较新的烧结工艺，降低了加工成本，减轻了质量。

在包括1.4L排量在内的所有发动机上，水冷一体式排气歧管应用于气缸盖(图4)，不仅缩短了发动机附近催化转化器的加热时间，还降低了废气涡轮增压器的最高温度。但1.6L涡轮增压发动机仍然继续使用安装在外部的排气歧管，以确认汽车冷却系统的大小。

图4带有滚轮的摇杆阀机构

整体式排气歧管气缸盖

所有涡轮增压车型均配备缸内直喷系统，喷射压力为200MPa。喷油器位于气缸的中央。缸内直喷的高压燃油泵安装在气缸盖上，由进气凸轮轴末端的专用凸轮驱动，而排气凸轮轴驱动机械真空泵。

低摩擦液压滚子阀支柱操作气门机构，并由配有液压张紧器的气门正时链条驱动。为了减少噪声辐射，链条通过使用低摩擦链轮齿设计进行了优化。链条、链轮齿设计、链条张紧器和导轨的整个结构系统降低了总噪声辐射，消除了所有可听见的异常噪声。在所有车型上，两个独立的凸轮轴相位调节器以60 ~ 65的气门正时调节范围为所有行驶工况提供最佳的气门正时，以尽可能实现最佳的油耗、噪声特性、动力和废气排放。

为了进一步改善所有车型的油耗和动力，机油由可变排量油泵循环，其排量可以通过集成的电子控制阀进行调节，该控制阀可以控制两个油泵的压力水平，还可以调节活塞冷却油嘴的功能。

Opestra K轿车使用的各种汽油发动机型号的技术数据如表1所示。只有1.6L涡轮增压车型的缸径和缸心距更大，而1.0L和1.4L车型在缸径为74mm时缸心距都是81mm，通过不同的曲柄行程调节不同的排量。

表1欧宝雅特轿车汽油发动机技术数据参数

5燃烧过程和混合物制备

气缸直径较小的涡轮增压车型的最佳混合气准备取决于位于气缸中心的高压喷油器(图5)。6孔喷油器可在位置要求较小时获得精确的燃油喷雾，其混合气制备利用计算流体力学(CFD)分析和光学引擎得到充分发展。最大燃油压力高达200MPa。为了改善混合物的制备，声学特性的优化是一个发展重点。为了减少发动机运转时的噪声辐射，设计应避免气缸盖和燃油喷射系统之间的任何直接接触。橡胶或碳填充聚四氟乙烯(聚四氟乙烯)垫片的减震装置，不可避免地使燃油系统产生振动，与发动机完全隔离。

图5各种汽油机模型的燃烧室、喷油及气道。

除了油管，管路总成还包括喷油器、电缆束和燃油压力传感器。作为一个完整的装配总成，可以大幅减少发动机工厂的操作。这种集成结构使得装配前在发动机工厂进行许多测试成为可能，例如检查密封性。

6涡轮增压

1.0L、1.4L、1.6L排量缸内直喷车型均为涡轮增压，因此拥有出色的扭矩储备和动力，出色的驾驶性能和良好的噪音特性，使得雅特车的驾驶乐趣毫不逊色。利用涡轮增压器应用可靠有效的技术，实现高需求功率目标，其发展重点是快速扭矩建立和高效率。这些设计要求都是通过使用带压力操纵旁通阀的单级涡轮增压器来实现的。集成在气缸盖中的排气歧管使得废气温度适中，因此涡轮叶轮和壳体可以由有利于降低成本的材料制成。当然，这种部件的适当温度被充分利用来优化高负载操作条件下的燃料消耗。图6显示了三种类型的涡轮增压器。

图6新阿斯特拉轿车汽油发动机涡轮增压器

因为大量的仿真工作，可以最大限度地减少硬件迭代的次数，使得所选涡轮增压器可以达到优秀的加速响应性能，比如只需要1.5s就可以获得90%的最大扭矩。为了避免废气再循环过程中的噪音，开发了最佳的旁通系统流动回路。

7功率和燃油消耗

新欧宝雅特K车上的汽油发动机特别适合行驶阻力小的汽车。为了让每款车型都获得良好的性价比和出色的油耗，向消费者提供了多种运动发动机。5门阿斯特拉运动旅行车上的1.0L涡轮增压车型搭配手动变速器的欧洲行驶循环的二氧化碳排放量仅为99克/公里，而搭配Easytronic 3.0变速器的欧洲行驶循环的二氧化碳排放量则降至96克/公里。1.6L涡轮增压车型可以提供147kW的动力，同时拥有出色的行驶稳定性，每款车型都能保证非常好的驾驶乐趣。

这些发动机在研制时都经过反复仿真，然后将最有希望的结构方案做成单缸试验发动机进行运转试验，以验证仿真阶段的假设，结论可以返回仿真模型进行验证。单缸试验发动机在开发中最大的优势是只需要调整和匹配几个参数，如缸径、冲程、燃烧室、凸轮等。与多缸发动机试验相比，重复运转前试验所需的时间更少，费用更低。最后一步，使用开发方案中适当开发阶段的3缸发动机或4缸发动机进行最终测试，用于测试进排气中各缸的气体脉冲与共振的相互作用，分析评估活塞、缸套、燃烧室实际温度的影响，确认发动机的摩擦。

图7显示了新欧宝雅特K轿车的各种汽油发动机型号的功率和扭矩值，提供了更精细的功率分类供用户选择。

图7新雅特轿车汽油机动力的良好分类

8最高性能指数

图8示出了在标准工作点(转速2000转/分，平均有效压力0.2兆帕)的归一化燃油消耗率和FEV分布带之间的比较。欧普斯特拉K轿车上的各种新型汽油机都取得了优异的性能指标。

图8汽油机在标准工况点的油耗

(转速2000转/分，平均有效压力0.2兆帕)

9 灵活的设备发动机工厂

全新欧宝雅特K轿车的所有汽油发动机型号均在匈牙利的Szentgotthard工厂生产。工厂采用欧宝灵活设备在同一条共同的加工和装配线上生产多种汽油机和柴油机。欧宝战略具有很大的灵活性，能够灵活地快速响应各种市场需求。而且这些汽油机和柴油机在质量、效率和成本上都能达到最好的水平。

10展望

新欧宝雅特K轿车的新汽油发动机型号取得了优异的性能。欧宝公司致力于进一步开发其他变型和下一代发动机，并将继续加快新车型和传动系统的开发，并适时投放市场。

标签：发动机车型轿车

发动机