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高压缩比的秘密 拆创驰蓝天2.0L发动机

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发动机基本信息

  [汽车之家 发动机拆解]  曾经的马自达绝决地依靠转子发动机闯出了一片天地。在那些无法被遗忘的日子里,转子发动机承载着马自达人的梦,并在勒芒赛场上取得了骄人的战绩。然而,随着时间流逝,马自达的转子发动机辉煌褪去之后,便再也没能拿出令世人震惊的技术。就在人们为之扼腕叹息之时,马自达在2010年展出了创驰蓝天设计理念。作为这一理念最重要的一环——动力总成,直至今天仍旧被许多谜团包围。压缩比究竟是多少?电动VVT构造如何?独特的4-2-1排气歧管是否会影响排放?这众多问题都纠缠着我们的心。今天,我们终于有机会拨开这层迷雾!没错!我们要做的就是拆解一台创驰蓝天发动机!

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● 转子发动机之王马自达的凤凰涅槃

  马自达把各大厂商无情抛弃的寿命极短的转子发动机技术发展成为能够取得勒芒24小时耐力赛冠军赛车动力之源的这一段历史,为汽车发展史添上浓重的一笔。(点击查看马自达转子发动机详细解读

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  马自达转子之父山本健一以及那47位被称作是“转子47壮士”的工程师所提出的“技术永远是革新”的口号也一直是马自达所遵循的生存之道。

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  就在2012年中,马自达公司社长山内孝宣布将终结RX-8的使命,这也意味着转子发动机在未来很长一段时间,只会作为马自达的一种精神象征来得以延续。而在现在这个竞争激烈的市场中,没有“核心”技术的车企是难以生存的。所以,全新的创驰蓝天技术挑起了“技术马自达”的大旗,欲延续转子发动机时代的辉煌。

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● 我们即将拆解的2.0L创驰蓝天汽油发动机

  为了进一步了解创驰蓝天的动力总成技术,我们打算拆解一台2.0L创驰蓝天汽油发动机。该发动机已经在长安马自达南京工厂实现国产。据长安马自达工程师介绍,这款发动机的国产化率为60%左右。其中,进气门电控可变气门正时系统的步进电机、高压燃油喷射系统(油泵、油轨、喷嘴)、缸体、缸盖、活塞、火花塞等部件暂时还在使用进口件。

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● 发动机“动态压缩比”解析

  为了便于本文对创驰蓝天发动机的解析,如没有特别指出的话,我们文中提到的“压缩比”表示的都是“动态压缩比”

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  下文在解析奥托循环和米勒循环时,提到了膨胀比,这里我们先来了解一下。发动机的膨胀比(Expansion Ratio)在数值上等于几何压缩比(由发动机结构决定的压缩比),它指的是气缸最大容积与燃烧室容积的比值。

● 发动机基本信息

  这款代号为PE-VPR的2.0L直列四缸自然吸气缸内直喷发动机动力参数虽不突出,动力输出不及1.6L涡轮增压直喷发动机。但在低转速(1500rpm左右)工况区的燃油消耗率比起同类型的2.0L直喷自然吸气发动机和小排量涡轮增压发动机都要有一定优势。

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2.0L自吸直喷发动机与小排量增压直喷发动机信息对比
型号马自达PE-VPR日产MR20DD福特1.6L EcoBoost大众EA211
排量(mL)1998199715961395
进气形式自然吸气自然吸气涡轮增压涡轮增压
供油方式缸内直喷缸内直喷缸内直喷缸内直喷
功率(Ps/rpm)158/6400150/6000177/5700131/5000
扭矩(N·m/rpm)202/4000200/4400240/1750-4500225/1400-3500
缸径×行程(mm)83.5×91.284.0×90.179.0×81.474.5×80.0
压缩比13:111.2:110:110:1
应用车型CX-5、昂克赛拉、阿特兹新奇骏翼虎朗逸

  马自达PE-VPR发动机与排量相当,进气/供油形式相同的日产MR20DD发动机相比,在功率和扭矩输出上都更胜一筹。而与采用涡轮增压直喷技术的福特1.6L EcoBoost及大众1.4T EA211发动机相比,马自达PE-VPR发动机在扭矩输出参数上呈现劣势。

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如何实现13:1超高压缩比

● 剖析创驰蓝天汽油发动机13:1超高压缩比的由来

  欧美厂商大多青睐发动机小型化(Down Sizing),利用涡轮增压、直喷技术,使得发动机在动力增强的同时拥有更好的油耗表现。对此,马自达中国技术中心总负责人董事副总裁水野成夫先生认为,发动机的线性动力输出特性是马自达一直坚持的一种技术取向,而涡轮增压发动机则难以实现完美的线性输出特性,且涡轮增压技术并不是一种崭新的技术。相比之下,使用95号汽油实现14:1(国内调整为13:1)的超高压缩比才是真正意义上的创新。

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使用普通汽油如何实现高压缩比?

  一般说来,压缩比越高的发动机就必须使用辛烷值越高(汽油牌号越高,辛烷值越高)的汽油来避免发动机爆震现象引起的发动机震动及动力下降。而用国内市面上能买到的92号、95号汽油来实现13:1超高压缩比看上去似乎有点违背科学,究竟马自达是如何做到的呢?下面我们来为大家详细解读。

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   国产创驰蓝天汽油发动机实现的是高负载工况下,压缩比为13的奥托循环;而在部分负载工况区采用的是米勒循环

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  奥托循环是发动机热力循环的一种,为定容加热的理想热力循环,它的一个显著特征是压缩比等于膨胀比。米勒循环是一种不对等膨胀/压缩比发动机的热力循环,由于膨胀比大于压缩比,因此能更好利用燃烧后废气仍然存有的高压,燃油效率比奥托循环更高。但米勒循环发动机的低扭输出和高转速爆发力上不及奥托循环发动机。所以米勒循环发动机多用于一些混合动力车型上,利用电机弥补这种发动机特性上的不足,从而使整个混合动力总成运转更为平顺,动力输出特性更好。

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  对于马自达创驰蓝天发动机来说,使用普通汽油实现13:1的超高压缩比,关键是实现高负载区压缩比为13的奥托循环。至于如何实现,请继续往下看。

如何快速精确控制压缩比:

  既然在发动机实际工作过程中,实际压缩比是不断变化的,那么,发动机电脑如何才能精确控制呢?利用可变气门正时系统实现进气门延迟关闭可以改变实际压缩比,但现在广泛应用的可变气门正时系统是建立在机油液压之上的。油压的建立及稳定性受制于油温以及发动机润滑系统的工况。为了更好的“驯服”高压缩比这个猛兽,马自达找到了电装公司,把电动气门相位调节器引入。

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   这样,依靠电机对气门相位进行控制即可避免液压调节系统的弊端,并且对气门的角度可做到迅速且稳定的控制。

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  上图中这个步进电机带动发动机进气凸轮轴上的行星齿轮减速机构,能够快速、精确地控制进气凸轮轴的正时,实现复杂的发动机循环模式切换。之所以要采用行星齿轮机构进行减速是因为步进电机具有转速高,输出扭矩相对较低的特性。如果直接采用步进电机驱动凸轮轴的话很可能导致步进电机输出扭力不足而出现“失步”(驱动电路产生了驱动信号但电机却没有转动相应角度)的情况,无法实现气门正时的准确调节。

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  采用了这种电机控制VVT系统后,进气侧VVT机构再也不需要传统液压控制VVT系统在缸盖上设置的油道,结构更为简洁。在下文的拆解过程中,我们就能看到这个控制进气门正时的步进电机的内部结构。

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独特的4-2-1排气歧管

● 独特的4-2-1排气歧管

  说完创驰蓝天汽油发动机的气门正时机构是如何实现发动机奥托循环与米勒循环切换的。下面我们就要研究一下该发动机在实现13:1超高压缩比时是如何尽量避免爆震现象发生的?个中秘密就在于一种称为“4-2-1排气歧管”的零部件。4-2-1排气歧管在民用汽车上似乎说得不多,但是在改装车上则是再普通不过的技术了。最显著的功效就是抑制排气干涉,提升气缸排出废气的效率,能增强发动机低转扭矩输出。

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  从上图中可以看到,如果采用4-1排气歧管的话,在2000-8000rpm的工作范围内,排气行程相邻的两个气缸的排气压力会相互干涉,导致废气残留量的增加,气缸温度上升,高温导致混合气被提前点燃,就产生爆震了。而采用4-2-1排气歧管后则能避免上述干涉现象,从而缓解了发动机爆震现象。

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  为增强“扫气”效果,发动机的进排气门重叠角需要足够大,以排干净燃烧后的废气。但进排气门重叠角增大遇上排气干涉现象,就不能保证良好的“扫气”效果了。因为来自其他气缸的排气高压波会影响相邻气缸的排气节奏,增大了爆震几率。上面提到的4-2-1排气歧管就能很好解决排气干涉的问题,从而使得用普通汽油实现13:1超高压缩比成为可能。

汽车之家

『气门重叠角就是在排气行程末尾,进排气门同时打开的那段时间,曲轴转过的角度』

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  值得注意的是,过去采用歧管喷射的自然吸气发动机,如果进排气门重叠角设置得太大,而配气相位设置不合理,便会导致在“扫气”过程中含有汽油的新鲜混合气白白进入到排气歧管,增加了油耗。而马自达创驰蓝天汽油发动机是一款直喷发动机,喷油发生在发动机压缩行程。也就是说,排气行程中用于“扫气”的是来自于进气门取之不竭的新鲜空气!所以马自达在设置该发动机的气门重叠角的时候,只需保证“扫气的效果”,而无需考虑燃油的浪费。

4-2-1排气歧管的弊端:

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  解决了13:1高压缩比的问题,咱们现在来讨论下排放问题。汽车上的三元催化器必须达到400-800摄氏度才能高效地把汽车尾气转化为对环境无害的气体。所以如何让三元催化器快速升温,降低暖机工况下的尾气排放,是所有汽油发动机所必须考虑的问题。

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   创驰蓝天汽油发动机现在满足欧VI(国VI)的排放标准。但该发动机过长的排气歧管必然导致三元催化器温度提升较慢。工程师通过在冷车怠速阶段采用排气温度较高的奥托循环,推迟点火时间以及提高怠速转速,保证了三元催化器能快速达到最适工作温度,减少了排放。很显然,该发动机在冷车怠速阶段油耗会相对较高对于发动机排放最高能达到什么标准的问题,日本的工程师并未给予确切的回应。

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  编辑认为,鉴于创驰蓝天发动机4-2-1排气歧管相对较长的固有特征,像一些新型发动机那样采用靠近排气歧管的三元催化器来提升暖机工况的排放标准是不可能的了。为进一步降低暖机工况下的HC排放,马自达只能寻求新型催化器或其他技术手段。欧VII排放标准预计在2018-2020年间开始强制实施,马自达能拿出什么样的对策,我们拭目而待!

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拆解排气管/VVT电机/高压油泵

● 发动机拆解

  “光说不练假把式,光练不说傻把式,连说带练全把式”。前面我们讲解了国产2.0L创驰蓝天汽油机的13:1高压缩比是如何实现的以及4-2-1排气歧管的作用,下面我们就来对发动机实物进行彻底的拆解,进一步通过实物去深入认识这款特别的创驰蓝天汽油发动机。

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拆解4-2-1排气歧管/进气VVT电机/高压汽油泵

  4-2-1排气歧管和进气VVT电机是这款2.0L发动机最为特别的两个部件。在拆解的过程中,我们首先关注这两个部件。

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『创驰蓝天发动机视频解析,3分32秒是排气干涉解析,4分24秒是扫气效果解析』

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编辑小结:

  现在市面上,像创驰蓝天汽油发动机一样采用电机调节气门正时的发动机依然非常稀罕。用电机取代传统的液压来调节气门正时的方法可能你我都能想到,但是之所以到近年才实用化,我认为还是步进电机小型化和电子控制技术共同进步的结果。与气门正时调节电机相比,4-2-1排气歧管对于实现13:1超高压缩比更为重要。因为排气干涉现象是实现高压缩比的死敌,而只有4-2-1排气歧管能解决这个问题。

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拆解喷油嘴/配气机构

拆解喷油嘴/配气机构:

  我们拆解的这台2.0L创驰蓝天汽油发动机采用的高压缸内直喷技术,喷射压力可高达206Bar(1Bar约等于0.98665个标准大气压)。缸内直喷就是将燃油喷嘴安装于气缸内,直接将燃油高压喷入气缸内与进气混合,燃油雾化更加细致,燃烧效率更高。除此以外,这款发动机的进气门还采用了电机控制VVT系统。电机的转动通过行星齿轮减速增扭后能够快速精确地调整进气门正时,实现了多种发动机工作循环的快速切换。

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编辑小结:

  对于一台直喷发动机而言,采用多孔喷嘴已经不是什么新鲜事了,大部分直喷发动机均采用这种喷嘴,区别仅仅在于孔数及喷射角度而已。而这款创驰蓝天汽油发动机较为特别的地方就是采用了深凹坑的凸顶活塞。凸顶活塞由于顶部向上凸出,从而缩小了燃烧室容积,提高了压缩比。该活塞活塞顶的凹坑,能使燃料喷射后在火花塞附近形成叠层混合气体,帮助稳定燃烧。除此以外,活塞顶凹坑还解决了燃烧初期火焰接触活塞顶而发生冷却损失的问题。

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拆解润滑系统/曲轴连杆机构

拆解润滑系统/曲轴连杆机构:

  创驰蓝天汽油发动机整体减重10%,其中活塞和活塞销减重20%,连杆轴减重15%,曲轴主轴颈减重6-8%。发动机整体质量的下降对于降低车辆油耗有积极意义。除此以外,创驰蓝天汽油发动机通过对改进气门传动机构的改进、降低活塞环张力(保证密封效果的情况下),实现了发动机整体机械阻力降低30%。这一系列的改进都使得创驰蓝天汽油发动机变得更为高效。

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编辑总结:

  这款创驰蓝天2.0L汽油发动机最大的技术亮点在于电机控制的进气门正时系统以及4-2-1排气歧管。除此以外,像是采用低张力活塞环、轻量化活塞/连杆/曲轴、活塞裙部的低摩擦涂层、深凹坑凸顶活塞、6孔多角度喷嘴、变排量机油泵等,都是非常值得技术迷去关注的技术点。

  个人认为,马自达的这款创驰蓝天发动机确实有其独到之处。它不像欧美系发动机那样粗犷地装上涡轮、高压直喷、双VVT等,打造出的动力参数很牛逼的产品;更不像国内自主品牌那样,一味地拿来主义,经济效益至上。从这款创驰蓝天发动机中,我们看到了马自达的“工匠精神”。敢于走不平常路,把技术做到极致,这似乎就是日本汽车人骨子里的“血性”。创驰蓝天技术的并不局限于发动机,变速箱也是其中的重要组成部分,我们11月份会带来创驰蓝天变速箱的拆解文章,敬请期待。(图/文 汽车之家 常庆林 摄 汽车之家 常庆林 李博旭)

相关链接:

   爱恨交加 测试马自达3 Axela昂克赛拉
   //www.autohome.com.cn/drive/201408/832297.html

  创驰蓝天初体验 昂克赛拉长期测试(1)
  http://www.autohome.com.cn/drive/201409/841347.html

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  • 马自达3 Axela昂克赛拉 2016款 两厢 1.5L 手动舒适型 阅读测试文章
    加速(0-100公里/小时) 刹车(100-0公里/小时) 油耗(100公里)
    11.97 40.38 6.60
    测试文章:操控依然出色 测试昂克赛拉两厢1.5L MT
    评测编辑-李伟龙:

    抛开动力而言,1.5L昂克赛拉还是一款不错的车型,设计动感时尚,操控依然犀利,油耗表现也非常出色,只不过内饰空间比较小,并不适合成员较多的家庭。说到底,1.5L车型还是用来走量的,至于体现马自达3运动精髓的任务,还是交给2.0L车型吧

    评测编辑-侯云峰:

    这台1.5L昂克赛拉的最大问题还是动力,如果因为运动而选择它的话,不如努把力上2.0L车型,尽管1.5L车型还是保留了一些运动特质,但它实际上更像是一台造型时尚动感的代步车,而且油耗表现也还不错。

    评测编辑-苑璐:

    动力表现仅仅属于代步的水平,操控表现还是很不错的,悬架也比较有韧性,噪音则是除动力之外的另一个不足。手挡变速箱的挡位行程适中,在同级别的手动挡车型当中,手感算是中上等水平。满足代步没问题,如果是追求空间,那还是看看其它车型吧!

  • 马自达3 Axela昂克赛拉 2014款 两厢 1.5L 自动尊贵型 阅读测试文章
    加速(0-100公里/小时) 刹车(100-0公里/小时) 油耗(100公里)
    12.02 39.67 6.70
    测试文章:哥俩有不同 测2014款昂克赛拉两厢 1.5L
    评测编辑-于晗:

    昂克赛拉两厢车型的乘坐空间与三厢车型相同,后备厢空间略有减小,对实用性影响不大,根据个人的外观喜好来选择准没错。不过真的很推荐2.0L车型,1.5L的动力表现有点对不起这么动感的外观。

    评测编辑-胡正暘:

    从产品层面来说,昂克赛拉这款车型并不是非常符合中国消费者胃口,它没有大空间,没有高配置,坚持着自己“驾驶至上”的原则,只让少部分志同道合者倾心。相比之前测试的2.0L版本,1.5L版本便宜了,驾驶表现上则有失分,因此这一上一下并未增添太多吸引力。肩负着为全系车型走销量的重担,1.5L的几个版本还得加把劲。

    评测编辑-时睦华:

    1.5L自动挡车型本来动力就一般,发动机的输出还特别线性,于是全油门加速的时候一点推背感都感觉不到,真是让人很失望,再运动的操控感也没办法让人提起兴趣了。所以,既然是选择了这款运动、个性、小众的产品,那一定努把力买2.0L的。

  • 马自达3 Axela昂克赛拉 2014款 三厢 2.0L 自动旗舰型 阅读测试文章
    加速(0-100公里/小时) 刹车(100-0公里/小时) 油耗(100公里)
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    测试文章:爱恨交加 测试马自达3 Axela昂克赛拉
    评测编辑-胡正暘:

    昂科赛拉是一款优缺点都很突出的车型,简单说,它非常有个性。它的驾驶乐趣和动力总成的匹配成熟度同级别难觅对手,但空间、噪音抑制、配置都不甚理想。如果从市场层面去看,整体竞争力一般般,但从个人喜好去看,肯定有人对它爱到无法自拔。

    评测编辑-张郁达:

    昂克赛拉是这个级别中少数这么有驾驶乐趣的车型,创驰蓝天的2.0升发动机与6AT变速箱匹配默契,无论是动力或者油耗都能令人满意。空间小点,推荐给年轻的两口之家。

    评测编辑-时睦华:

    若以运动、乐趣之名做判断,新一代马自达3是近乎完美的。它拥有同级别最好的变速箱,以及出色的底盘和转向系统。可贵的是,依靠精良的调校,马自达3被同时赋予了相当棒的舒适性。它是同级别最好的驾驶者之车,扣分的地方只在空间、配置,还有那个拗口的名字——昂克赛拉。

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马自达3 Axela昂克赛拉

指导价:11.29-16.29万
级别:紧凑型车
发动机:1.5L 2.0L
变速箱:手动 手自一体...