【马自达技报】新款Roadster的发动机技术

2016-11-040阅读0

  摘要

  Roadster于2014年迎来了投放市场25周年,马自达为第4代的新款Roadster开发了FR跑车用汽油发动机SKYACTIV-G 1.5。为延续Roadster传统,实现“人车合一”理念,从开发最高级别SKYACTIV-G内燃机构的方针出发,马自达开发出了能够按照驾驶员的意愿,轻快而又舒展地达到高转速的发动机。本文将介绍该发动机的各项性能与采用的技术。

  Summary

  SKYACTIV-G engine for FR Sports car was newly developed to be installed in the 4th generation All- new Roadster that reached its 25th anniversary in 2014. The new engine was developed with the SKYACTIV-G’s basic concept of “realization of an ultimate internal combustion engine” added to the Roadster’s inheriting “Jinba-Ittai” concept, resulting in more lively performance which is extensive up to high rpm. This article introduces the engine performances and technologies applied to the engine.

  1.前言

  SKYACTIV-G 1.5于2013年配备在第3代Axela中,是马自达的品牌精神“Sustainable‘Zoom-Zoom’”的具体体现。

  新款Roadster配备的SKYACTIV-G 1.5在传承自初代的Roadster“人车合一”理念的基础上,为了兼顾驾乘愉悦与优良的环保性能都能达到高水平,胸怀开发终极内燃机构的理想开发出了这款发动机。

  下面就来介绍新开发的Roadster用SKYACTIV-G 1.5(Fig.1)为实现目标而采用的技术。

  

Fig. 1 New Roadster SKYACTIV-G Engine

  2. 开发目标

  现在,即便是跑车发动机,外界对其寄予的环保期待也在逐年攀升。新款Roadster配备的发动机制定了以下开发目标,保持Axela配备的SKYACTIV-G 1.5由高压缩燃烧带来的高效率和低排放性能,进一步实现与跑车相称的、直到高转速区域都轻快而舒展的发动机扭矩特性。

  3. 发动机的各项参数

  发动机以第3代Axela用SKYACTIV-G 1.5为原型,在驾驶性能方面着重营造延伸感、轻快响应以及跑车的音效,为契合FR前中置布局,以实现小型化和轻量化为目的,开发了Table 1中的诸多项目。

Table 1 Principal Specification

  Engine

  AXELA

  SKYACTIV-G1.5

  New Roadster

  SKYACTIV-G1.5

  Mouting type

  FF

  FR

  Max Power(JIS net)

  82kW/6,000rpm

  96kW/7,000rpm

  Max Torque(JIS net)

  144N・m/3,500rpm

  150N・m/4,800rpm

  Max Engine speed(rpm)

  6500

  7500

  Bore×Stroke(mm)

  φ74.5 x 85.8

  ←

  Displacement(cc)

  1,496

  ←

  Compression ratio

  13.0

  ←

  Crank Shaft Material

  Cast Iron

  steel

  Crank Shaft Type

  semi full counter

  full counter

  Intake-valve event angle

  254°

  ←

  Exhaust-valve event angle

  244°

  249°

  Int. Manifold Runner Length(mm)

  395

  365

  Exh. Manifold Runner Length(mm)

  600

  450

  Throttle Dia(mm)

  50

  55

  Exh. Manifold

  4-2-1type

  ←

  Induction Sound Enhancer

  w/o.

  w/.

  Fuel Grade

  Regular

  Premium

  4. 驾驶性能

  4.1 营造延伸感

  为实现直至高转速区域都能顺滑转动的“延伸感”,把新款发动机的转速极限比原型发动机提高了1000rpm,达到了7500rpm。随着转速的增加,往返运动的惯性负载增大,为此,曲轴实现了高刚性化,提高了平衡率。实现高刚性化采用的是钢材,通过优化辐板形状,在不增加轴径的情况下,就使刚性比原型提高了16%。采用全重结构,通过优化重量配置提高了平衡率,转速可以顺畅地攀升到7500rpm。为了遏制让人不快的人耳可听音频范围的共振频率模式,还优化了配重周围的形状(Fig.2)。

  

Fig. 2 Optimized Crank Shaft

  4.2 实现轻快响应

  为了实现与跑车身份相称的轻快提速,尝试降低了主要运动部件的惯性。主要来说,就是在飞轮方面,除了提升转速之外,为了追求换挡的操作感、离合器操作的直接感而采用了新设计的固体飞轮(Fig.3)。通过调整动力装置整体的振动衰减,使飞轮惯性降低17%,质量减轻9%,改善了空载行驶时的转速攀升感和0.1G发生时间这一响应的替代值(Fig.4)。活塞、连杆的往返部件也在不增加重量的同时,满足高转速化的需求,实现了BIC质量。

  

Fig. 3 Flywheel Comparison

  

Fig. 4 Improvement of Response

  4.3 通过进排气系统改善扭矩特性

  SKYACTIV-G的排气系统的特点是通过控制转速,使得4-2-1排气歧管集合点、预消声器、主消声器的倒负压波与吸气阀、排气阀的重叠期同步(1)。对于新款Roadster配备的发动机,顺畅地攀升至高转速非常重要,因此以实现高转速为前提,调整了发动机到排气歧管集合点的距离。具体来说,就是根据排气凸轮角的变化,将到排气歧管集合点的浇道长度设计为450mm,使其在4500rpm与6000rpm转速时同步。

  把排气歧管同步点调整到适合高转速,会导致低中转速区容积效率下降的弊端。而通过进排气系统的超低阻尼化,这个弊端得到了解决。进气系统扩大节流阀的内径,使进气管最窄处截面积扩大了30%。排气系统则配合增大直径以及FR配置而变成了直线形状(Fig.5)。通过以上改进,进气系统气流阻力和排气系统背压比Axela的SKYACTIV-G 1.5降低了25%。

  

Fig. 5 Improvement of Exhaust Manifold Shape

  4.4 降低泵吸损失与机械阻力

  (1)降低泵吸损失的技术

  采用了在整个转速和负载范围内均具有良好性能、打开角度为249deg的广角排气凸轮,以及包含排气口扩展头的低背压排气系统。通过组合广角排气凸轮与低背压排气系统,不仅降低了高转速下的排气挤出损失,还减少了残留气体,通过改善爆震,提高了效率。

  (2)降低机械阻力的技术

  通过加大曲轴箱内各个气缸之间的油路面积,降低了高转速下的油搅拌阻力。

  4.5 扭矩特性

  通过上述提高转速、降低损耗以及改进进排气系统的举措,发动机实现了不仅低中速扭矩充足,而且能轻松攀升至高转速的扭矩特性(Fig.6)。

  

Fig. 6 WOT Performance

  5. 小型化与轻量化举措

  为了配备在FR跑车中,新发动机还通过轻量化、压缩高度等方式降低了重心。在轻量化方面,将FR跑车中支架的位置配置在动力装置变形的节点,在降低振动的同时,取消多余的加强筋,通过缩小厚度减轻了重量(Fig.7)。在冷却系统的配管布局方面,为了将出水口配置在车辆前方,使水管能够以最短的长度连接,发动机新增缸体和缸头,使冷却水的流动方式从FF的U字型改为了垂直流动型。而且,从开发初期开始,生产部门与开发部门相互协同,同步探讨详细的形状,以克为单位推动轻量化,最终使发动机的重量比Axela用SKYACTIV-G 1.5发动机减轻了17kg。

  

Fig. 7 Optimized Mount Position

  为适应发动机高度的降低,油底壳与低缸体加大宽度,降低了高度。虽然在转弯时,发动机油容易出现不均现象,但通过三维优化油底壳的形状,确保了合理的油面,发动机高度降低20mm,实现了低重心化(Fig.8)。

  

Fig. 8 Reduction of Engine Height

  6. 发动机声效

  对于跑车,营造刺激驾驶员感官的“行驶感”非常重要(2)。新发动机通过实现低转速区轻盈灵动、在中转速区动感十足、在高转速区富有延伸感的发动机声效,从听觉上对行驶感进行了演绎。

  在低转速区通过强调排气声表现轻快灵动。为了重点突出4缸发动机旋转的基本阶次及其谐波成分,即偶数阶次,实现清亮的音质,新发动机采用各个气缸的燃烧压力波干涉均匀的等长4-2-1排气歧管。并且借助主消声器内的管道长度及膨胀室长度的共振,强调了低转速区发动机旋转的4阶和6阶成分,即130Hz到250Hz的排气声压。通过在主消声器内设置100Hz的亥姆霍兹共振器,还减少了车厢空间与排气声在100Hz频率共振而发出的轰鸣噪声。通过排气声表现出了低转速区的轻快灵动。

  表现中转速区的动感,需要调整向车体传导动力装置振动的后差速器支架的振动特性。为了使中转速区发动机旋转的4阶、6阶与相邻半阶成分相互干涉,产生蜂鸣效应,以实现强劲的动感,振动特性调整到了350Hz。

  高转速区的延伸感是利用从旧款Roadster就开始配备的感应声音增强系统(ISE)(3),通过进气声来表现的。新款Roadster采用的ISE的概略图如Fig.10所示。旧款Roadster向前围上盖板内放出声音,而新款Roadster则采用了贯穿翼子板,直接向驾驶舱内放出声音的布局。因此,当驾驶员踩油门的时候,能更直接地在300Hz到400Hz的频率范围内表现进气声。

  Fig.9是新款Roadster与Axela1.5L发动机在油门全开时的车内声压图,其中融入了排气声、传导的动力装置振动和进气声。与具有乘用车风格的Axela的声音相比,新款Roadster营造出了符合跑车身份、从低转速到高转速一气呵成的“行驶感”。

  

Fig. 9 Interior Sound Pressure Map

  

Fig. 10 ISE Layout of New Roadster

  7. 结束语

  为了开发与第4代新款Roadster相得益彰的发动机,马自达以Axela用SKYACTIV-G 1.5为原型,更新了主传动系统、缸盖、缸体、进排气系统、冷却系统等几乎所有部件。

  通过灵活应用明确固定与变动要素的通用架构,缩短开发周期,提高了投资效率,开发出了可以在平价跑车中配备的理想的专用发动机。(作者:星野司 早川元雄 村中宏彰)