大發汽車公司在原KF型發動機的基礎上開發了新款KF-VE7型及KF-VET2型發動機。新款KF發動機採用了以下4項關鍵技術：高滾流比氣道、噴霧液滴顆粒化噴油器、發動機多次點火系統，以及小型燃燒室。通過應用以上技術，可有效改善燃燒過程，並提高燃油經濟性，同時使其最高功率及最大扭矩與原KF機型維持在同一水平，從而進一步改善了排放指標。

0 前言

近年來，由於CO₂排放導致的環境問題引起了世界各國的重視，各國因此逐步加嚴了燃油耗法規限值。另一方面，2019年，輕型車的銷量佔日本國內車型市場的37%，輕型車的環境性能對日本國內的CO₂排放產生了較大影響。在該背景影響下，輕型車仍需要進一步改善燃油耗。

因此，大發汽車公司旗下的研究人員於近期開發了新款KF-VE7型及KF-VET2型發動機，並改善了其燃油經濟性及扭矩特性。本文介紹了與2款發動機密切相關的技術與研究成果。

                          

1 開發目標

新型KF型發動機雖然沿用了原機型的基本結構型式，但爲了改善燃油經濟性並提高最大扭矩，研究人員針對以下目標進行了技術開發：(1)使新款KF-VE7型發動機具有世界頂尖水平的環保性能；(2)使新款KF-VET2型發動機能兼顧整車的動力性能與燃油經濟性。

                         

2 發動機的主要技術參數

表1列出了KF-VE7型發動機的主要技術參數。圖1示出了KF-VE7 型發動機的外觀，表2列出了KF-VET2型發動機的主要技術參數，圖2示出了KFVET2型發動機的外觀。新款KF-VE7型發動機的開發目標是利用燃燒室的小型化以改善燃燒過程，並縮小氣門頭部的直徑。由於縮小氣門頭部直徑會導致功率與扭矩的降低，因此研究人員在採用小直徑進氣門的基礎上，提高了氣門升程，使整機最高功率與最大扭矩維持在原有的技術水平，並改善了燃油耗。

表1 KF-VE7型發動機的主要技術參數

圖1 KF-VE7型發動機的外觀

表2 KF-VET2型發動機的主要技術參數

圖2 KF-VET2型發動機的外觀

針對KF-VET2型發動機，研究人員一方面採用了與KF-VE7型發動機相同的節能技術，另一方面則致力於提高其動力性能。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細節。

                         

3 引進的技術

3.1 改善燃燒

就新款KF發動機而言，研究人員主要通過改善燃燒過程以提高燃油經濟性，並引進了以下4項技術：(1)高滾流比氣道；(2)噴霧液滴微粒化噴油器；(3)多次點火系統；(4)小型燃燒室。下文將對各項技術進行重點闡述。

3.1.1 高滾流比氣道

就新款KF發動機而言，研究人員通過技術優化以提高了其滾流比，但空氣流量卻與原KF型發動機相近(圖3)。爲提高滾流比，研究人員將進氣道下部設計成半圓形狀(圖4)，同時爲了維持進氣道流量而採用了薄型氣門座(圖5)。研究人員採用該氣門座的原因是爲了減小進氣道角度，同時擴大氣道喉口部的通道面積。

圖3 進氣道的比較

圖4 進氣道的形狀改動

圖5 進氣門座的調整

除了採用上述技術外，研究人員爲其配備了小直徑進氣門，並增大了進氣門凸輪的升程。雖然滾流比相比以往提高了60%，空氣流量卻與原KF型發動機相近(圖6、圖7)。

圖6 滾流比的比較

圖7 滾流比的比較

3.1.2 噴霧油滴微粒化噴油器

就KF-VE7型發動機而言，研究人員從降低未燃損失並改善爆燃現象的目標出發，採用了能使油滴噴霧充分實現微粒化的新型噴油器。如與原KF型發動機相比，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%。在燃油壓力爲0.3 MPa的條件下，可使油滴充分實現微粒化，並形成低貫穿度的噴霧(圖8)。

圖8 噴油嘴射束形狀

此外，研究人員對噴油器裝配定位角度進行了優化，以最大限度地發揮該噴油器的優勢。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)。考慮到這一現象，在配裝該噴油器時，傾斜角度應小於原KF型發動機(圖10)。研究人員根據仿真分析，並進行了相關調整，使氣道口潮溼度及混合氣在缸內的流動效果均得到了充分改善(圖11、圖12)。

圖9 在氣流作用下的噴霧偏移現象

圖10 噴油器定位角度的研究

圖11 噴油器定位角度研究成果(氣道口潮溼度與定位角度)

圖12 噴油器定位角度研究成果(缸內混合氣所佔比例)

隨着上述改進措施的實施，研究人員確認了在最大熱效率工況點的未燃損失相比原KF型發動機降低了0.7%，點火正時提前角爲1.7 °CA。結果表明，在日本機動車燃油排放標準(JC08)工況下的燃油耗改善了1%。

3.1.3 多次點火系統

研究人員爲了使新款KF型發動機在高EGR率下也能實現可靠的點火過程，首次採用了多次點火系統。該系統只在必要的運轉區進行多次點火，雖然點火線圈的技術參數與傳統KF型發動機點火線圈相同，卻具有更高的點火能量(表3)。該點火線圈結構與一次點火線圈相同，但爲了快速實現多次點火時的充電過程，研究人員改變了點火線圈的點火特性。

表3 點火線圈放電比較(原點火線圈、高能點火線圈、多次點火線圈)

由於採用了上述改進措施，該點火線圈的技術參數與原KF型發動機的點火線圈相同，一方面能以同樣的方式進行配裝，另一方面可獲得更高的點火能量。與KF-VE7型發動機中採用相同變動係數的燃燒情況相比，EGR率提高了6%(圖13)。同時由於該效果的存在，發動機在JC08工況下的燃油經濟性改善了0.5%。此外，在高轉速及高負荷工況下，爲減少火花塞電極間隙的磨損，研究人員通過優化及調整，使其磨耗量與原KF型發動機火花塞電極處於同一水平(圖14)。

圖13 點火方式比較(在轉速爲1 940 r/min與扭矩爲23 N·m 的工況下)

圖14 經耐久性試驗後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，從提高燃燒速度的目標出發，研究人員分別對KF-VE7型與KF-VET2型發動機的燃燒室進行了專門設計。具體而言，由於縮小了進氣門/排氣門的頭部直徑，並調低了氣門位置，從而減少了KF-VE7型發動機的氣缸蓋側燃燒室容積(圖15)。由此，研究人員能將活塞側燃燒室形狀設定成較爲平滑的形狀(圖16)。

圖15 燃燒室的比較(原燃燒室與新款燃燒室)

圖16 燃燒室比較(活塞頂表面)

通過調整，KF-VE7型發動機的面容比相比原KF型發動機降低了5%。此外，對燃燒室的調整也有利於維持滾流比數值的不變。經測算，在點火正時附近(曲軸轉角690 °CA ATDC)的湍流能量比原燃燒室提高了10%(圖17)。

圖17 TKE比較(轉速爲2 000 r/min，節氣門全開(WOT)，相同壓縮過程，進氣道)

另一方面，爲了應對由於氣門頭部直徑縮小導致空氣流量降低的問題，研究人員通過採用小直徑進氣門，並增大進氣凸輪的升程，使空氣流量與原KF機型相同。

3.1.5 改善燃燒的效果

隨着上述4項技術的引進與推廣，在發動機處於WOT狀態，且轉速爲2 000 r/min的條件下，在10%~90%的燃燒持續期內，燃燒質量分數(MBF)同比改善了11%(圖18)。

圖18 在10%~90%燃燒持續期MBF的改善效果

3.2 改善排氣

研究人員利用起動時催化劑的早期活性優勢以降低排放，並通過減少高負荷工況下的燃油供給量以改善燃油經濟性，同時採用了氣缸蓋整體集成式排氣口(圖19)。研究人員設定的開發目標是使發動機起動時的催化劑激活時間比原KF型發動機減少10%。與原KF型發動機相比，新款KF型發動機在高負荷工況下的催化劑溫度降低了100 ℃。

圖19 氣缸蓋集成式排氣口的優化

此外，爲達到設計目標，研究人員對新款KF型發動機進行了調整，使高溫廢氣從排氣門流動到催化劑的距離相比原KF型發動機減少了24%，從而使排氣門表面積降低了28%，進而實現了對排氣門的優化。通過採用上述技術，研究人員確認新款KF 型發動機相比原KF型發動機，在起動時的催化劑激活時間減少了10%，高負荷工況下的催化劑溫度降低了100 ℃(圖20)。結果表明，KF-VE7型發動機的排放指標相比2018年的廢氣排放標準改善了75%，KFVET2型發動機則降低了50%。

圖20 催化劑溫度的轉變

3.3 提高KF-VET2型發動機的最大扭矩

爲提高整機動力性能，研究人員提升了KF-VET2型發動機的最大扭矩，並使其0~100 km/h的加速時間相比原KF型發動機縮短了1 s。爲實現本目標，研究人員根據車輛仿真分析，計算出該款機型的扭矩特性曲線，使目標最大扭矩相比原KF型發動機提高了9%，可達100 N·m。

爲實現設計目標，研究人員除了引進與KF-VE7型發動機同樣的燃燒技術之外，還進一步提高了增壓壓力，並使中冷器大型化。同時，研究人員通過採用增壓壓力控制技術，使發動機實現了預設的扭矩特性曲線(圖21)。

圖21 扭矩特性曲線的比較

                        

4 其他相關技術

除此以外，研究人員還爲新款KF發動機設定了如下技術方案：(1)提高水泵流量以改善冷卻；(2)降低摩擦(採用全浮式活塞，低黏度潤滑油，樹脂塗層軸承襯瓦等)；(3)提高EGR 閥的響應性；(4)使EGR中冷器進一步實現高效化。

                         

5 結語

從文中發動機改善廢氣排放的效果來看，研究人員將KF-VE7型發動機配裝於輕型車，使廢氣排放相比2018年的排放標準首次實現了優化75%的目標。KF-VET2型發動機則實現了優化50%的目標。與原KF型發動機相比，KF-VE7型發動機的燃油經濟性改善了5%，KF-VET2型發動機改善了4%。就最高熱效率而言，KF-VE7型發動機相比原KF型發動機提高了2.6%，KF-VET2型發動機則提高了2.0%。同時，熱效率爲30%的工作區域也得以大幅擴展(圖22、圖23)。KF-VET2型發動機除了改善燃油經濟性之外，最大扭矩相比原KF型發動機提高了9%。

圖22 KF-VE7型發動機熱效率爲30%時工作區域的比較

圖23 KF-VET2型發動機熱效率爲30%時工作區域的比較

本文發表於《汽車與新動力》雜誌2021年第1期

作者：[日]三戸康裕等

整理：彭惠民

編輯：伍賽特